原创《无刷电机的效率和无绳吸尘器性能的提升》
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直流无刷电动机的结构上采用稀土永磁材料作转子,位置传感器为电子磁敏式霍尔元件.由于具有容易驱动、节能、调速方便、噪音小、结构紧凑、寿命长等诸多优点,所以直流无刷电机应用领域更加广泛,成为无绳吸尘器电机的最佳选择.
无刷直流电机的运行原理及控制
直流无刷电机利用位置检测器对转子所在位置进行检测,并将位置信号传送给控制器,控制器通过逻辑信号对位于逆变器里面的开关管进行控制,在电机本体电枢绕组上加载直流电压,让电机开始旋转.定子电流与磁场均对称分布,转子永磁体始终作无阻尼运动；将齿槽效应以及电枢反应在气隙磁场中产生的影响全部忽略不计；同时忽略电机中控制电路的功耗以及磁滞、涡流损耗等；其气隙磁感应强度的分布形式为方波.
吸尘器是通过电流控制电机转动,形成强烈的空气涡流而使吸尘器内的密闭空间出现负压,从而吸入纸屑、灰尘等杂质,使用十分方便.吸尘器电机的基本要求是转矩大、转速高、质量轻、体积小,最好还能节能等.最近几年,无绳吸尘器最为流行.无论是手持式还是立式的,无绳吸尘器大都选择搭载体积轻、噪音小、吸力大并且更加节能的无刷数码电机.
吸尘器是一个体验性很强的产品.如果消费者在卖场看到一款产品外观很酷的吸尘器,试用的时候却发现噪音很大,或者吸力不够好,肯定就不会购买.而电机在很大程度上决定了吸尘器在噪音和吸力等性能是否完美.因此,电机的性能在很大程度上决定了吸尘器的品质.
无刷电机对吸尘器性能提升的意义
目前,国内市场无绳吸尘器销售最好的两个品牌分别是英国品牌D和中国品牌K,两个品牌吸尘器的工作方式分别是手持推杆式和立式.2018年,D和K两大品牌分别推出了也分别搭载了目前吸尘器行业最先进的直流无刷电机.下面就通过两个电机的数据分析一下这两款产品的性能（见表一）.
D和K都是世界知名的电机生产商,其电机在小家电产品中的应用很广.D公司每年用于研发的费用可达数亿美元,用于搭载在自有品牌的多类产品上.如吸尘器,吹风机等.K公司是国内技术水平最高的无刷电机企业之一,并以其技术领先的优势成功上市.K公司生产的电机除了用于国内市场以外,还出口海外市场.
一款吸尘器用什么样的电机,取决于研发人员在设计产品时候的需求.转速越高,体积越小.V10数码电机重量只有至125g,转速达到了行业内同类电机的最高转速125000转/分钟.高转速也是D公司领先于电机制造业的指标之一.但是在转速高的同时,这款功率550W电机的效率低于50%.从电机的设计工艺上看,D品牌目前的无刷电机全部采用效率相对较低的单相设计,并将单相电机的工艺做到了极致.行业认为,目前的无刷电机大多采用较为先进和高效率的三相电机,D公司却仍旧保持单相技术,很可能是其前期导入的技术平台是单相的,模具等通用零件也是建立在单相电机的基础上,后期的研发按照这个技术一直做深入的研发,不但保持较好的稳定性和可靠性,制造成本上也具有优势.同时,D品牌的电机采用了单相霍尔结构,这在生产过程中的工艺控制要求极高,也是目前国内生产企业很难做到的.
K公司的M85 Plus电机,采用高效三相两极无刷电机,带动负载动叶轮,借助线路板无霍尔实现电子换向,电机无霍尔传感器安装的机械限制.同时线路板采用正弦波控制,运行平稳且效率高.
当然, 吸尘器电机性能的提升,除了电机本身起了较大的作用以外,风道的设计也非常关键.K电机动叶轮采用高强度铝合金复合材料,采用流体力学分析,对动叶轮、端盖、风罩以及各个零部件的配合都进行有效的优化设计,减少风在风机部分的损耗,提高了电机效率.K品牌电机的效率高达55%,功率450W可以达到D品牌电机功率538W下的性能,因此,在保持大吸力的同时,这款产品的续航时间更长.K品牌的电机转速控制在10万转以内,一方面可以满足吸尘器的大吸力,另一方面也兼顾到了成本.比较高转速的电机需要从材质等多方面配套,制造成本提高是必然的.
转速不是衡量一个电机品质的唯一标准,一款电机也并非转速越高性能就越好.因为,转速越高,对于电机其他部件的寿命会产生一定的影响,并且对电机的材质提出了更高的要求.因此,要在转速与电机整体性能的可靠性和稳定性之间做好平衡.
尤其是做家用产品,电机的稳定性和成本都很重要.不惜成本地研发和制造一款电机,并不一定能够给品牌带来真正好的市场反应.从消费者的角度分析,性价比才是选购产品最好的解释.性价比不是低价,而是在维持相对较好性能和外观的同时,能够用更加实惠的购买到.这就需要研发人员在产品性能与成本之间做好平衡.
目前,日本也是小家电用无刷电机的重要生产国.最知名的品牌当属日本电产（Nidec）.国内多个品牌的电风扇、吸尘器和扫地机器人都采用了Nidec的无刷电机.专业人士认为,日本企业生产的无刷电机在性能、转速等方面的优势并不明显,但是因为日本企业历来在制造上非常重视材质和工艺,其电机的稳定性和可靠性却是有口皆碑的.
吸尘器是目前城镇消费者家居生活品质提升的代表性产品之一,更多新的技术正在促使吸尘器在使用便捷、体积轻巧,智能化操作等获得更多的提升.无刷电机作为吸尘器最核心的部件,使得吸尘器的续航和吸净率的体验更好.
吸尘器论文参考资料：
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