低噪聲吸塵器中電機(jī)高效性能的實(shí)現(xiàn)

鮑盛波

(寧波大華電器有限公司,浙江寧波 315400)

世界能源及環(huán)境危機(jī)的加劇使得節(jié)能環(huán)保成為目前全球的主題。吸塵器行業(yè)要求高效而且低噪也日益迫切,吸塵器既要實(shí)現(xiàn)低噪聲,且又要達(dá)到高效率,其存在著某種矛盾:要達(dá)到低噪聲,勢(shì)必以損失能效為代價(jià),把聲能盡可能轉(zhuǎn)化為熱能,其吸塵效率大打折扣,一般電機(jī)裝入吸塵器中吸入效率要損失5%～25%。如何合理解決這一矛盾,使吸塵器吸入效率損失最小,這要在吸塵器結(jié)構(gòu)上和電機(jī)電磁設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上下功夫。

家用吸塵器工作時(shí)要和操作者一起移動(dòng),為了使用輕便,要求體積小、重量輕。但是,在小小的殼體中,既要安裝大噪聲源的電動(dòng)機(jī),又要在其中塞加隔音部件,如何把輕巧、低噪聲、大吸力、高效這四者之間的矛盾解決好,是吸塵器行業(yè)面臨的難題。

現(xiàn)結(jié)合一款業(yè)內(nèi)最低噪聲-65 d B(A)、大功率 1 600 W的飛利浦吸塵器進(jìn)行探討、剖析,并對(duì)每一項(xiàng)改進(jìn)措施和設(shè)計(jì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)論證其合理性和有效性。

這里先做吸塵器測(cè)試對(duì)比試驗(yàn),根據(jù) IEC60704-1《家用電器及類(lèi)似電器用具的噪聲測(cè)試方法》,測(cè)得結(jié)果如表1所示。

飛利浦FC9066吸塵器與大華公司普通的吸塵器相比,平均聲壓值低了 7d B,但使用者聽(tīng)起來(lái)卻好像靜了好幾倍。研究表明:聲壓級(jí)變化 3 dB,聲壓增加 1倍,大多數(shù)人要在聲壓級(jí)增加6～10 dB時(shí),響度才有加倍感覺(jué)。

表1 吸塵器測(cè)試結(jié)果比較

家用吸塵器用戶需要低噪聲、吸入力大、做工時(shí)間短的吸塵器。飛利浦吸塵器將輕巧、低噪聲、大吸力、高效四者之間處理得比較好,是一款出色的好產(chǎn)品。

通常認(rèn)為,正常人聽(tīng)覺(jué) 50～70 dB為正常聲,要達(dá)到這一目的,在吸塵器中必須使用一個(gè)合理的降噪系統(tǒng)。飛利浦FC9066吸塵器使用降噪系統(tǒng),即雙層隔音電機(jī)罩再加貼消音棉實(shí)現(xiàn)了低噪聲且高效,這里暫不討論吸塵器,本文著重剖析降噪系統(tǒng)中吸塵器電機(jī)實(shí)現(xiàn)低噪聲且高效而采取的改進(jìn)思路與方案。

飛利浦吸塵器電機(jī)特點(diǎn)是吸塵器空間小,使用的電機(jī)小;功率大,轉(zhuǎn)速高;效率高,壽命長(zhǎng)。

實(shí)測(cè)綜合測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 飛利浦吸塵器電機(jī)性能參數(shù)

圖1 飛利浦電機(jī)性能測(cè)試曲線

飛利浦FC9066吸塵器的特點(diǎn)是吸塵器輕巧、低噪聲,使用電機(jī)罩空間小,電機(jī)小;但吸力要大,勢(shì)必功率大,轉(zhuǎn)速升高。

優(yōu)點(diǎn):電機(jī)的機(jī)械特性硬,裝入吸塵器壓降少,效率損失少,但轉(zhuǎn)速高;缺點(diǎn):電樞換向周期Tk極短,這就大大增加換向元件的感應(yīng)電勢(shì),惡化換向,增加火花。另外,高速使碳刷和換向器的磨損、振動(dòng)、沖擊和轉(zhuǎn)子不平衡等急劇增加,又會(huì)嚴(yán)重惡化換向,縮短電機(jī)壽命。這就要求使用的零件材料質(zhì)量均要提升,換向器要求耐高速,碳刷要求耐磨且耐高轉(zhuǎn)速變化,壓制火花能力加強(qiáng),電機(jī)使用絕緣系統(tǒng)要提高,轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡精度要提高,配件配合精度提高等。

對(duì)于上述缺點(diǎn),飛利浦吸塵器電機(jī)采取下列四項(xiàng)措施。

(1)電機(jī)尺寸減小。鐵心疊厚減少至 18 mm,使用鐵損小的硅鋼片(相當(dāng)于國(guó)產(chǎn)的 35W230,疊厚比常規(guī)減少 29%),這可減小高速帶來(lái)的振動(dòng)、沖擊,減小電抗電勢(shì)、電樞反應(yīng)旋轉(zhuǎn)電勢(shì),改善換向。電機(jī)外殼使用塑料 UP-GF-12,線包與殼體靠得較近,無(wú)鐵殼的爬電距離之憂,碳刷可置于風(fēng)機(jī)端,電機(jī)的外形尺寸只有 Φ110 mm×110 mm,電機(jī)體積縮小16%。

(2)風(fēng)機(jī)縮小,換向器外徑減小(Φ20 mm,比常規(guī)換向器外徑縮小10%),這可彌補(bǔ)轉(zhuǎn)速高帶來(lái)的磨損量加大,以降低線速度,減小電樞反應(yīng)旋轉(zhuǎn)電勢(shì)。加長(zhǎng)碳刷達(dá) 38 mm(碳刷加長(zhǎng)15%),使用扭簧,減短刷架長(zhǎng)度,也可減小電機(jī)尺寸。

按線速度與轉(zhuǎn)速的公式:

式中:l為周長(zhǎng);n為轉(zhuǎn)速。現(xiàn)轉(zhuǎn)速由原 36 000 r/min上升到40 000r/min,如線速度不變,其換向器的外徑將縮小11%。

目前國(guó)內(nèi)換向器的質(zhì)量水平跟國(guó)外比較接近,但換向器的主要結(jié)合體-電木粉原料還是靠進(jìn)口,用于高速高強(qiáng)度換向器中的樹(shù)脂材料國(guó)內(nèi)還不適應(yīng),歐洲料對(duì)模具工藝要求高,國(guó)內(nèi)較難適用,現(xiàn)多選用日本料,而日本料實(shí)際使用時(shí)也有一定的局限性,如綜合性能好的日立料 CP7010,長(zhǎng)時(shí)間工作在36 000 r/min尚可,電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)壽命也能達(dá)到 600 h以上高要求,當(dāng)轉(zhuǎn)速再高,用于高轉(zhuǎn)速吸塵器電機(jī)上的運(yùn)轉(zhuǎn)壽命就會(huì)出現(xiàn)呈批量性的縮短。

按上述措施用國(guó)產(chǎn)材料做試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。換向器外徑比原縮小 10%,其他條件不變(主要指碳刷與電樞磁勢(shì)的軸線連線重合,位于幾何中性線上),電機(jī)壽命結(jié)果如表3所示。

表3 電機(jī)壽命試驗(yàn)結(jié)果比較

試驗(yàn)情況如下:電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行良好,10天后,火花增大,碳刷磨損極快。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)電機(jī) -換向器有幾片銅排磨損厲害,槽口變大,碳刷磨損只剩 4mm。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),雖然換向器外徑減小,線速度與以前電機(jī)相同,但碳刷磨損還是比以前大。主要原因是轉(zhuǎn)速升高使換向元件的感應(yīng)電勢(shì)加大,惡化換向,隨著碳刷壓力的減小,換向元件與碳刷的接觸惡化加劇,碳刷燒損加劇。

(3)優(yōu)化換向,偏移碳刷角度和換向片連線位置。

按串勵(lì)電機(jī)理論,改善換向的方法,就是減少換向元件中的電抗電勢(shì) er、電樞反應(yīng)旋轉(zhuǎn)電勢(shì) ea和旋轉(zhuǎn)電勢(shì) ekt。即:

式中:Ws為換向元件匝數(shù);L為電樞鐵心疊厚;λ為換向元件的等效比磁導(dǎo);A為線負(fù)荷;V2為電樞表面線速度;Baq為電樞反應(yīng)在換向區(qū)磁密;f為電源頻率;Φd為氣隙磁通。

在上述公式中,改善換向措施有多種,如增大氣隙、增加每槽并列元件數(shù)、減少元件匝數(shù)、選合適的碳刷材料和合適寬度、壓力、換向器材料等,這些方案在電機(jī)生產(chǎn)前已完善。在電機(jī)生產(chǎn)中可改變的還有三項(xiàng)措施:增大匝比、與換向片掛線超前、逆轉(zhuǎn)向移動(dòng)碳刷。但這三項(xiàng)措施都會(huì)不同程度降低電機(jī)效率,但為盡量達(dá)到高效目的,應(yīng)合理選用。飛利浦電機(jī)采取了最有效的后二項(xiàng),與換向片掛線超前 8°、逆轉(zhuǎn)向移動(dòng)碳刷 2°,產(chǎn)生的反向旋轉(zhuǎn)電勢(shì) em抵消 er和 ea。雖電機(jī)效率略降1%左右,但壽命測(cè)試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間達(dá) 500h以上。

(4)風(fēng)量減小,電機(jī)負(fù)載減小,減小了因振動(dòng)、沖擊和轉(zhuǎn)子不平衡等不利因素。電機(jī)進(jìn)風(fēng)口采用塑料套圈,作用相當(dāng)于硅膠密封,但效率略低,測(cè)得電機(jī)效率 38%,裝入吸塵器效率31%。

筆者針對(duì)以上情況采取的改進(jìn)措施是在動(dòng)葉輪進(jìn)風(fēng)部改成弧面設(shè)計(jì),風(fēng)量略增,轉(zhuǎn)速降低 1 000 r/min。電機(jī)效率略有提高,其他性能未變。

參考飛利浦吸塵器電機(jī)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn),我們對(duì)采用改進(jìn)措施制作的電機(jī)(全部采用國(guó)產(chǎn)配件)進(jìn)行了綜合測(cè)試,結(jié)果如表4所示。

表4 自制電機(jī)性能參數(shù)

圖2 自制電機(jī)性能測(cè)試曲線

綜上所述,使用目前國(guó)內(nèi)材料和工藝完全可以達(dá)到和超過(guò)國(guó)外先進(jìn)吸塵器電機(jī)的質(zhì)量水平。