挑戰(zhàn)杯創(chuàng)青春大賽作品 超薄無(wú)軸逆變交電風(fēng)扇

1、超薄無(wú)軸逆變交電風(fēng)扇摘要：超薄無(wú)軸逆變交電風(fēng)扇電機(jī)定子繞組采用三波起動(dòng)的“72槽6 極三星3Yz/,聯(lián)結(jié)”的設(shè)計(jì)方法，轉(zhuǎn)子繞組采用“起動(dòng)、勵(lì)磁和阻 尼三合一”的6極隱極式結(jié)構(gòu)，突破了傳統(tǒng)風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 本錢低、軟起動(dòng)、可靠性高。電扇外觀為“天圓地方”圓形的扇 框、正方形的底座，“方”代表原那么性；“圓”代表靈活性。它表達(dá)了 華夏民族的傳統(tǒng)思想，因此具有了美感，具有了生命力功能美學(xué)。 關(guān)鍵詞：超薄、無(wú)軸、逆變交流電、功能美學(xué)、天圓地方一、電風(fēng)扇的消費(fèi)市場(chǎng)分析目前礦物質(zhì)能源日漸緊缺，替代能源尚未充分開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致政府引 導(dǎo)消費(fèi)者尋求高效、節(jié)能的家用電器；而2003年的“非典”疫病又使 人們對(duì)

2、室內(nèi)空氣質(zhì)量的關(guān)注度提升至前所未有的新高度。從健康環(huán)保、 節(jié)能角度，消費(fèi)者開(kāi)始重新關(guān)注空氣調(diào)節(jié)電器電扇?！跋﹃?yáng)產(chǎn)業(yè)” 再顯活力，重新獲得消費(fèi)市場(chǎng)青睞。美的風(fēng)扇去年全球銷量到達(dá)2200 萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)14.6%,而銷售總額到達(dá)20億元，同比增長(zhǎng)24.2%, 銷售額的增長(zhǎng)甚至超過(guò)銷售量的增長(zhǎng)，而新產(chǎn)品占整體銷售額的30% 以上，年開(kāi)發(fā)新品超過(guò)100多款。但在我國(guó)電扇行業(yè)卻十幾年里一直沿用單相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)扇 葉，雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但電功效率低（不超過(guò)40%）,且國(guó)內(nèi)外消費(fèi)市場(chǎng)中民 用電風(fēng)扇的研究方向大多是如何減少鐵芯及銅線用量，進(jìn)一步降低金 屬材料本錢，電動(dòng)機(jī)的繞線結(jié)構(gòu)十幾年中基本沒(méi)有變化；少數(shù)機(jī)構(gòu)研 發(fā)

3、方向是選取復(fù)古電扇外形，作為室內(nèi)藝術(shù)裝飾品（無(wú)調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣 流動(dòng)、溫度、濕度功能）。另外電扇基本組合方式（電機(jī)+扇葉）近百 年中未有改變，已成為工業(yè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的障礙。伴隨消費(fèi)者消費(fèi)心理的日趨成熟，出現(xiàn)了健康化、智能化、節(jié)能化的 新需求，所以需創(chuàng)新性選擇高效電機(jī)結(jié)構(gòu)（或以其他方式），提高機(jī) 電效率，節(jié)約能源，迎合消費(fèi)者的時(shí)尚審美消費(fèi)觀念。轉(zhuǎn)速的目的。（5）第五步：三星順序起動(dòng)的問(wèn)題當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕sb時(shí)，接觸器KM雙得電，所以雙星開(kāi)始起 動(dòng)，同時(shí)接觸器的輔助觸點(diǎn)KM雙也得電，使時(shí)間繼電器可以 開(kāi)始工作，定時(shí)幾秒。幾秒時(shí)間一到，連接在另一單星繼電器 控制電路中的動(dòng)合延時(shí)閉合開(kāi)關(guān)KT閉合，使接觸器KM單

4、得 電，主觸點(diǎn)KM單合上，三星同時(shí)工作。4.其它說(shuō)明.設(shè)計(jì)電路中的光電耦合驅(qū)動(dòng)局部的構(gòu)成為發(fā)光二極管和光 敏二極管，宜采用成套的光耦合器件，可靠性比擬高。.具體元器件型號(hào)的選擇還未考慮完全。.此電路根據(jù)本產(chǎn)品需要所設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)險(xiǎn)證是可以實(shí)現(xiàn)家用 電單相交流變?yōu)槿嘟涣鞯?。（二）整體外觀設(shè)計(jì)功能美學(xué)周易中說(shuō)：“圓而神，方以智?！惫糯税烟炜醋鍪菆A的， 把地看做是方的，即“天圓而地方“，天為陽(yáng)，地為陰。而且“方 圓”還是一個(gè)哲學(xué)符號(hào)，“外圓”沒(méi)有接口，無(wú)始無(wú)終，代表時(shí) 空的無(wú)限性，代表不可預(yù)測(cè)或不可認(rèn)識(shí)，所以稱“神“內(nèi)方” 有四邊，每邊有始有終，代表事物的過(guò)程，人們的智慧可以到達(dá)， 所以稱“智“方”

5、是本質(zhì)，“圓”是文采。從人文角度來(lái)看，電扇外觀設(shè)計(jì)正暗涵此意“天圓地方” 圓形的扇框、正方形的底座，“方”代表原那么性；“圓”代表 靈活性。原那么性和靈活性的和諧統(tǒng)一。它表達(dá)了華夏民族的傳統(tǒng) 思想標(biāo)志著本作品的內(nèi)在價(jià)值，可以引發(fā)消費(fèi)者對(duì)（研發(fā)后投入 市場(chǎng)的）產(chǎn)品的肯定與平安感。從工業(yè)設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，靈巧地將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（電機(jī)繞組）與 執(zhí)行機(jī)構(gòu)（扇葉）組合成輕薄的圓環(huán)，固定在正方形的底座上， 讓消費(fèi)者在第一次接觸到產(chǎn)品時(shí)會(huì)感受到產(chǎn)品的整體分量及平衡 感，在現(xiàn)代科技的內(nèi)涵中表達(dá)自然、復(fù)古的設(shè)計(jì)語(yǔ)言。如再配合 （善變而具有獨(dú)特美感的）塑膠材料作不斷推陳出新的外型設(shè)計(jì)， 必將為室內(nèi)環(huán)境增添時(shí)尚色彩。產(chǎn)品因

6、此具有了美感，具有了生命力實(shí)現(xiàn)了功能美學(xué)。三、總結(jié)此設(shè)計(jì)尚在實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)需進(jìn)行優(yōu)化，還需要不斷的改進(jìn)。此外 本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)也十分突出，主要有以下幾點(diǎn)：（一）設(shè)計(jì)由來(lái)：從節(jié)能出發(fā)，面對(duì)日益嚴(yán)重的能源危機(jī)，節(jié)能是我 們每一個(gè)人應(yīng)該做的。（二）電機(jī)結(jié)構(gòu)：此電機(jī)定子繞組采用三波起動(dòng)的“72槽6極三星 3丫2/“聯(lián)結(jié)”的設(shè)計(jì)方法，轉(zhuǎn)子繞組采用“起動(dòng)、勵(lì)磁和阻尼三合一” 的6極隱極式結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、本錢低、軟起動(dòng)、可靠性高。（三）功能美學(xué)：電扇外觀為“天圓地方”圓形的扇框、正方形 的底座“方”代表原那么性；“圓”代表靈活性。它表達(dá)了華夏民族 的傳統(tǒng)思想，因此具有了美感，具有了生命力。（四）市場(chǎng)方面：電扇采用

7、的均是輕型高質(zhì)材料，依目前市場(chǎng)來(lái)看， 材料的本錢比擬低，適合群眾消費(fèi)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。二、本設(shè)計(jì)的電風(fēng)扇結(jié)構(gòu)楊振寧博士曾預(yù)言：“21世紀(jì)將是工業(yè)設(shè)計(jì)的世紀(jì)，一個(gè)不重視工 業(yè)設(shè)計(jì)的國(guó)家將成為明日的落伍者。”本作品創(chuàng)新性設(shè)計(jì)出：超薄無(wú)軸 的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，取消了傳統(tǒng)電機(jī)的輸出軸，將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（電機(jī)繞組） 與執(zhí)行機(jī)構(gòu)（扇葉）組合成一體，輕薄外圓中空的外形，令人耳目一 新（論文后附圖）。它突破了傳統(tǒng)電風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)。電扇外觀為“天圓地方”圓形的扇框、正方形的底座，“方” 代表原那么性；“圓”代表靈活性。它表達(dá)了華夏民族的傳統(tǒng)思想，具有 了美感，具有了生命力功能美學(xué)。電風(fēng)扇電機(jī)定子繞組采用三波起動(dòng)的“72槽6

8、極三星3丫2/,聯(lián)結(jié)” 的設(shè)計(jì)方法，轉(zhuǎn)子繞組采用“起動(dòng)、勵(lì)磁和阻尼三合一”的6極隱極 式結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、本錢低、軟起動(dòng)、可靠性高。電扇結(jié)構(gòu)由扇體（A）和底座（B）組成。（論文后附圖）扇體（A）包括：扇體外框、定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組、滾針軸承、扇 體內(nèi)框（扇葉插槽）底座（B）包括：月牙形支撐座、底座、控制 電路、供電電路。其中電機(jī)繞組機(jī)構(gòu)、電路局部及其整體所表達(dá)的功能美學(xué)是本作 品超越市場(chǎng)同類產(chǎn)品的三大重點(diǎn)。下面依次介紹：（一）電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)學(xué)分析1996年，采用基波和兩個(gè)諧波聯(lián)合起動(dòng)（三波起動(dòng)）的諧波起動(dòng) 電動(dòng)機(jī)誕生了，本作品采用此類電動(dòng)機(jī)繞組結(jié)構(gòu)：定子繞組采用三波 起動(dòng)的“72槽6極三星3Yz

9、/,聯(lián)結(jié)”的設(shè)計(jì)方法，轉(zhuǎn)子繞組采用“起 動(dòng)、勵(lì)磁和阻尼三合一”的6極隱極式結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、本錢低、軟 起動(dòng)、可靠性高。.定子繞組的72槽6極三星3丫2/,聯(lián)結(jié)選擇三星聯(lián)結(jié)法，因其所用線圈都是大小相等，匝數(shù)相同的等元 件線圈，對(duì)制造工藝特別有利，適合低壓電動(dòng)機(jī)。如下圖，起動(dòng)時(shí)，在U、V、W三點(diǎn)從電網(wǎng)斷開(kāi)的條件下，把UQ、 VQ、WQ三點(diǎn)投入電網(wǎng)，便開(kāi)始起動(dòng)和升速，當(dāng)轉(zhuǎn)速升到額定轉(zhuǎn)速附近 時(shí)，再把U、V、W三點(diǎn)分別投入U(xiǎn)Q、VQ、WQ三點(diǎn)所接入的電網(wǎng)，便完成起動(dòng)過(guò)程。運(yùn)行時(shí)九段繞組的末端以3個(gè)為一組分別接于圖中靠近右邊的左、 中、右三個(gè)中性點(diǎn)，而構(gòu)成三個(gè)星形。A1、B1、C1三段繞組的末 端接于右

10、邊的一個(gè)中性點(diǎn)，而構(gòu)成第一個(gè)星形。A2、B2、C2三段 繞組的末端接于中間的一個(gè)中性點(diǎn)，而構(gòu)成第二個(gè)星形。A3、B3、 C3三段繞組的末端接于左邊的一個(gè)中性點(diǎn)，而構(gòu)成第三個(gè)星形。 這三個(gè)星形并聯(lián)于電網(wǎng)而構(gòu)成三星聯(lián)結(jié)。起動(dòng)時(shí)，由于U、V、W從電網(wǎng)斷開(kāi)，從圖可見(jiàn)，這時(shí)A2、A3、 B1、B2、C3、C1六段繞組構(gòu)成一個(gè)三角形聯(lián)結(jié)，其三個(gè)邊分別由 二段繞組，一為順接，一為反接串聯(lián)構(gòu)成。設(shè)該三角形三個(gè)邊為a 、bZ、cA,那么auCks Az- Bz bq= Bi- Ci Cs- As本設(shè)計(jì)的定子繞組采用72槽六極繞組結(jié)構(gòu)，按正規(guī)60度相帶繞 組分配三相槽號(hào)時(shí)，每相有六個(gè)等相帶，每個(gè)等相帶串聯(lián)4個(gè)槽號(hào)

11、。 因此，采用三星聯(lián)結(jié)時(shí)，每個(gè)星形每相串聯(lián)2個(gè)等相帶，共8個(gè)槽號(hào)， 整個(gè)繞組用符號(hào)3Y2表示。起動(dòng)時(shí)，丟棄一個(gè)星形，剩下兩個(gè)星形， 變?yōu)槿切芜B接，三角形每相占四個(gè)等相帶，因此，用表示。于是， 將整個(gè)三星聯(lián)結(jié)寫(xiě)成3Y2 / A4聯(lián)結(jié)。由理論分析計(jì)算得，各段繞組槽號(hào)分布如下：A125 26 27 28-13 -14 -15 -16B157 58 59 60-69 -70 -71 -72C141 42 43 44-29 -30 -55 -56A212 3 4-61 -62 -63 -64B233 34 35 36-45 -46 -47 - 48C217 18 19 20-5 -6 -31 -32A

12、349 50 51 52-37 -38 -39 -40B39 10 11 12-21 -22 -23 -24C365 66 67 68-53 -54 -7 -8起動(dòng)時(shí)的磁動(dòng)勢(shì)諧波幅值分析如下:諧波 極數(shù)順轉(zhuǎn)波F+ %反轉(zhuǎn)波F - %2020. 58499. 270610008001018. 25012001401.832004. 09222. 6202606. 06282. 1503001. 78340. 89036（）（）.轉(zhuǎn)子繞組的“起動(dòng)、勵(lì)磁和阻尼三合一” 6極隱極式結(jié)構(gòu)六極隱極式電機(jī)的定子繞組采用基波為6極，主諧波為四極的三 波起動(dòng)繞組，因此定子繞組產(chǎn)生的起動(dòng)諧波為4極。轉(zhuǎn)子采用36槽

13、的起動(dòng).勵(lì)磁.阻尼三合一轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子由36個(gè)線圈 構(gòu)成，分成六段，每段串聯(lián)6個(gè)線圈。如下列圖所示，6段繞組所串聯(lián) 線圈的槽號(hào)分配如下：A1=-10,2,3,-31,-32,-33A2=-28, 20,21,-13,-14,-15B1=7, 8, -36, -1,29, 30B2=25, 26,-18,-19,11,12C1=-22,-23, -24,16,17, -9C2=-4, -5, -6, 34, 35, -27為獲得較好的勵(lì)磁效應(yīng)，取轉(zhuǎn)子線圈節(jié)距y2=5較為合適。.起動(dòng)情況分析由電機(jī)學(xué)相關(guān)理論分析，定子產(chǎn)生的4極起動(dòng)諧波感應(yīng)于轉(zhuǎn)子上6 段繞組的電動(dòng)勢(shì)情況是：A1,B1,C1的感應(yīng)電動(dòng)

14、勢(shì)，分別于A2, B2, C2 的同相位同大小，并且EAi, E B , EC,和EAz, E B2, E C 2分別構(gòu)成對(duì)稱得三相電動(dòng)勢(shì)，可以順利起動(dòng)。.勵(lì)磁情況分析當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行直流勵(lì)磁電流從集電環(huán)的正極進(jìn)入轉(zhuǎn)子，通過(guò)A, B, C三條并聯(lián)支路從集電環(huán)負(fù)極流出，此時(shí)，從三條支路電流經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子 6段繞組的情況，可列出用槽號(hào)表示線圈磁動(dòng)勢(shì)的三支路由直流勵(lì)磁 電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)為：A = A1A2=- 10, 2 , 3 , 3 1, 32, 33,2 8, -2 0, -2 1, 1 3, 1 4, 1 5B = B1-B2 = 7, 8, -3 6, - 1 , 2 9, 3 0,25,26,

15、1 8, 19, 1 1 , 1 2C = C 1 -C 2=-2 2, -2 3, -2 4, 1 6, 1 7, -94, 5, 6, -3 4, -3 5, 2 7此轉(zhuǎn)子上直流勵(lì)磁電流沿圓周的分布情況如下:1:+2+3+4+5+6+7 + ；， J8:+ ：9101112131415161718192021222324：+；+ ；:+ ：-+1 . J1 . . J-2526272829303132333435361 - 1 - 十+1 - ,-1 一 ,! ! :+ :1 J+! + :-:1. J這時(shí)沿轉(zhuǎn)子圓周6個(gè)磁極的構(gòu)成情況如下：00, N （5槽），00, S （4槽），0,

16、N （4槽），00, S （5 槽），0 0, N （4槽），0, S （4槽），可見(jiàn)占5槽的磁極N, S各 一個(gè)，占4槽的各兩個(gè)，因此N極S極所占槽數(shù)相等，磁動(dòng)勢(shì)平衡， 每極槽數(shù)有5槽和4槽兩種，相差一槽，因此該方案可以應(yīng)用。.阻尼情況分析當(dāng)電機(jī)發(fā)生振蕩時(shí)，定子繞組產(chǎn)生的6極基波磁場(chǎng)將在轉(zhuǎn)子上三 條并聯(lián)支路中感應(yīng)出大小相同，但在時(shí)間相位上依次位移6 0度的三 個(gè)電動(dòng)勢(shì)。于是由于轉(zhuǎn)子電路經(jīng)集電環(huán)正負(fù)極于勵(lì)磁直流電機(jī)構(gòu)成閉 合回路，產(chǎn)生一個(gè)以正序位漢族的不對(duì)稱三相電流，使電機(jī)產(chǎn)生一個(gè) 異步轉(zhuǎn)矩來(lái)阻尼電機(jī)的振蕩。（二）電路局部設(shè)計(jì).設(shè)計(jì)目標(biāo)（1）本產(chǎn)品（新型超薄風(fēng)扇）的電機(jī)局部定子繞組需三相供電，

17、而這 種風(fēng)扇一般用于家庭，家庭用電都是單相供電，所以就涉及到如 何把家用電的單相轉(zhuǎn)本錢設(shè)計(jì)所需要的三相供電。（2）本產(chǎn)品的電機(jī)局部起動(dòng)時(shí)先雙星起動(dòng)，一段時(shí)間后再雙星加單星 共同運(yùn)轉(zhuǎn)，所以就涉及到如何通過(guò)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)三星運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間上的 控制。（3）本產(chǎn)品的風(fēng)力大小必然要求是可調(diào)的，所以又涉及到如何通過(guò)電 路實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。.設(shè)計(jì)方案的選擇(1)把單相變?nèi)嗍紫瓤紤]的是變頻器的方案，功能可以實(shí)現(xiàn)，但造價(jià)本錢過(guò)高，不 適合應(yīng)用于本產(chǎn)品。第二種方案是從家用電的單相供電引出并聯(lián)的 三根導(dǎo)線，通過(guò)接入電阻.電容.電感的適當(dāng)搭配，可以使三相之間 產(chǎn)生120度的相位差(基于電感元件電壓比電流超前90度，電容

18、 元件電流比電壓超前90度)，再給電機(jī)供電，同樣可以實(shí)現(xiàn)功能， 但鑒于電阻元件的功耗比擬大，與本設(shè)計(jì)節(jié)能的目的相違背，故也 不采納。第三種方案是逆變交，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是先把家電交流電邊成 直流電，再把直流電變成交流電，不過(guò)前后的交流電不一樣，輸入 的是單相，輸出的是三相。此種方案可以實(shí)現(xiàn)需要到達(dá)的功能，并 且還具有方便調(diào)速，節(jié)能的效果。所以最終采取這種最正確方案。單星和雙星運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間上的控制可以直接選用繼電器方案實(shí)現(xiàn)此功能。起動(dòng)時(shí)，先是雙星接通電源， 單星斷開(kāi)電源，電機(jī)開(kāi)始起動(dòng)和升速，當(dāng)轉(zhuǎn)速升到額定轉(zhuǎn)速附近時(shí)， 另一單星也接通電源，三星共同得電，使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。這中間雙 星和單星接通電源所間隔的時(shí)間

19、可通過(guò)時(shí)間繼電器的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)。風(fēng)力大小的調(diào)節(jié)(電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié))由 n1=60*f1/p 及n= (1-s) *n1式中n1為電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，為定子繞組的供電頻率，p為磁極 對(duì)數(shù)，n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速，s為轉(zhuǎn)差率得假設(shè)改變千1,那么可使電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n1及轉(zhuǎn)速n都改變。所以問(wèn)題 變?yōu)楦淖兌ㄗ永@組的供電頻率f1.此問(wèn)題與單相變?nèi)嗟膯?wèn)題相 聯(lián)系，在下面具體說(shuō)明。.具體方案設(shè)計(jì)(1)第一步：實(shí)現(xiàn)單相交流電變直流電，直接通過(guò)變壓器實(shí)現(xiàn)。(2)第二步：直流變?nèi)?，采?20度導(dǎo)電角控制逆變器。如設(shè)計(jì)圖 紙中的v1v6位大功率晶體管，Vd1Vd6為續(xù)流二極管。如圖，假設(shè) 每一相上橋臂晶體管與小橋臂晶體管各導(dǎo)通120度，上下橋臂晶 體管導(dǎo)通狀態(tài)相互間隔60度，而各相之間相位差120度時(shí)，晶體管開(kāi)關(guān)v1 v6的通斷狀態(tài)如下圖:根據(jù)晶體管v1v6的通斷順序，120度導(dǎo)通型逆變器的輸出電壓波 形如上圖(b) (c)所示。其相電壓為矩形波，幅值E/2,線電壓的 一個(gè)周期波形為6級(jí)階梯波，幅值為E。至此，實(shí)現(xiàn)了直流電變?yōu)槿?A,B,C)交流電。(3)第三步：如何實(shí)現(xiàn)v1v6如上的導(dǎo)通順序和導(dǎo)通時(shí)間。根據(jù) 120度導(dǎo)通型逆變器工作的要求，將一周