無刷電機的效率與無繩吸塵器性能的提升

孫礪寒

直流無刷電動機的結(jié)構(gòu)上采用稀土永磁材料作轉(zhuǎn)子，位置傳感器為電子磁敏式霍爾元件。由于具有容易驅(qū)動、節(jié)能、調(diào)速方便、噪音小、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長等諸多優(yōu)點，所以直流無刷電機應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，成為無繩吸塵器電機的最佳選擇。

無刷直流電機的運行原理及控制

直流無刷電機利用位置檢測器對轉(zhuǎn)子所在位置進行檢測，并將位置信號傳送給控制器，控制器通過邏輯信號對位于逆變器里面的開關(guān)管進行控制，在電機本體電樞繞組上加載直流電壓，讓電機開始旋轉(zhuǎn)。定子電流與磁場均對稱分布，轉(zhuǎn)子永磁體始終作無阻尼運動；將齒槽效應(yīng)以及電樞反應(yīng)在氣隙磁場中產(chǎn)生的影響全部忽略不計；同時忽略電機中控制電路的功耗以及磁滯、渦流損耗等；其氣隙磁感應(yīng)強度的分布形式為方波。

吸塵器是通過電流控制電機轉(zhuǎn)動，形成強烈的空氣渦流而使吸塵器內(nèi)的密閉空間出現(xiàn)負壓，從而吸入紙屑、灰塵等雜質(zhì)，使用十分方便。吸塵器電機的基本要求是轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速高、質(zhì)量輕、體積小，最好還能節(jié)能等。最近幾年，無繩吸塵器最為流行。無論是手持式還是立式的，無繩吸塵器大都選擇搭載體積輕、噪音小、吸力大并且更加節(jié)能的無刷數(shù)碼電機。

吸塵器是一個體驗性很強的產(chǎn)品。如果消費者在賣場看到一款產(chǎn)品外觀很酷的吸塵器，試用的時候卻發(fā)現(xiàn)噪音很大，或者吸力不夠好，肯定就不會購買。而電機在很大程度上決定了吸塵器在噪音和吸力等性能是否完美。因此，電機的性能在很大程度上決定了吸塵器的品質(zhì)。

無刷電機對吸塵器性能提升的意義

目前，國內(nèi)市場無繩吸塵器銷售最好的兩個品牌分別是英國品牌D和中國品牌K，兩個品牌吸塵器的工作方式分別是手持推桿式和立式。2018年，D和K兩大品牌分別推出了旗艦款的V10和M85 Plus，這兩款產(chǎn)品也分別搭載了目前吸塵器行業(yè)最先進的直流無刷電機。下面就通過兩個電機的數(shù)據(jù)分析一下這兩款產(chǎn)品的性能（見表一）。

D和K都是世界知名的電機生產(chǎn)商，其電機在小家電產(chǎn)品中的應(yīng)用很廣。D公司每年用于研發(fā)的費用可達數(shù)億美元，用于搭載在自有品牌的多類產(chǎn)品上。如吸塵器，吹風機等。K公司是國內(nèi)技術(shù)水平最高的無刷電機企業(yè)之一，并以其技術(shù)領(lǐng)先的優(yōu)勢成功上市。K公司生產(chǎn)的電機除了用于國內(nèi)市場以外，還出口海外市場。

一款吸塵器用什么樣的電機，取決于研發(fā)人員在設(shè)計產(chǎn)品時候的需求。轉(zhuǎn)速越高，體積越小。V10數(shù)碼電機重量只有至125g，轉(zhuǎn)速達到了行業(yè)內(nèi)同類電機的最高轉(zhuǎn)速125000轉(zhuǎn)/分鐘。高轉(zhuǎn)速也是D公司領(lǐng)先于電機制造業(yè)的指標之一。但是在轉(zhuǎn)速高的同時，這款功率550W電機的效率低于50%。從電機的設(shè)計工藝上看，D品牌目前的無刷電機全部采用效率相對較低的單相設(shè)計，并將單相電機的工藝做到了極致。行業(yè)認為，目前的無刷電機大多采用較為先進和高效率的三相電機，D公司卻仍舊保持單相技術(shù)，很可能是其前期導入的技術(shù)平臺是單相的，模具等通用零件也是建立在單相電機的基礎(chǔ)上，后期的研發(fā)按照這個技術(shù)一直做深入的研發(fā)，不但保持較好的穩(wěn)定性和可靠性，制造成本上也具有優(yōu)勢。同時，D品牌的電機采用了單相霍爾結(jié)構(gòu)，這在生產(chǎn)過程中的工藝控制要求極高，也是目前國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)很難做到的。

K公司的M85 Plus電機，采用高效三相兩極無刷電機，帶動負載動葉輪，借助線路板無霍爾實現(xiàn)電子換向，電機無霍爾傳感器安裝的機械限制。同時線路板采用正弦波控制，運行平穩(wěn)且效率高。

當然，吸塵器電機性能的提升，除了電機本身起了較大的作用以外，風道的設(shè)計也非常關(guān)鍵。K電機動葉輪采用高強度鋁合金復合材料，采用流體力學分析，對動葉輪、端蓋、風罩以及各個零部件的配合都進行有效的優(yōu)化設(shè)計，減少風在風機部分的損耗，提高了電機效率。K品牌電機的效率高達55%，功率450W可以達到D品牌電機功率538W下的性能，因此，在保持大吸力的同時，這款產(chǎn)品的續(xù)航時間更長。K品牌的電機轉(zhuǎn)速控制在10萬轉(zhuǎn)以內(nèi)，一方面可以滿足吸塵器的大吸力，另一方面也兼顧到了成本。比較高轉(zhuǎn)速的電機需要從材質(zhì)等多方面配套，制造成本提高是必然的。

轉(zhuǎn)速不是衡量一個電機品質(zhì)的唯一標準，一款電機也并非轉(zhuǎn)速越高性能就越好。因為，轉(zhuǎn)速越高，對于電機其他部件的壽命會產(chǎn)生一定的影響，并且對電機的材質(zhì)提出了更高的要求。因此，要在轉(zhuǎn)速與電機整體性能的可靠性和穩(wěn)定性之間做好平衡。

尤其是做家用產(chǎn)品，電機的穩(wěn)定性和成本都很重要。不惜成本地研發(fā)和制造一款電機，并不一定能夠給品牌帶來真正好的市場反應(yīng)。從消費者的角度分析，性價比才是選購產(chǎn)品最好的解釋。性價比不是低價，而是在維持相對較好性能和外觀的同時，能夠用更加實惠的價格購買到。這就需要研發(fā)人員在產(chǎn)品性能與成本之間做好平衡。

目前，日本也是小家電用無刷電機的重要生產(chǎn)國。最知名的品牌當屬日本電產(chǎn)（Nidec）。國內(nèi)多個品牌的電風扇、吸塵器和掃地機器人都采用了Nidec的無刷電機。專業(yè)人士認為，日本企業(yè)生產(chǎn)的無刷電機在性能、轉(zhuǎn)速等方面的優(yōu)勢并不明顯，但是因為日本企業(yè)歷來在制造上非常重視材質(zhì)和工藝，其電機的穩(wěn)定性和可靠性卻是有口皆碑的。

吸塵器是目前城鎮(zhèn)消費者家居生活品質(zhì)提升的代表性產(chǎn)品之一，更多新的技術(shù)正在促使吸塵器在使用便捷、體積輕巧，智能化操作等獲得更多的提升。無刷電機作為吸塵器最核心的部件，使得吸塵器的續(xù)航和吸凈率的體驗更好。