家用吸塵器的高效節(jié)能電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)分析

［摘 要］本項(xiàng)目主要研究基于產(chǎn)品生命周期理論的家用吸塵器無刷電機(jī)的數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)，通過高性能無刷直流電機(jī)的研發(fā)，結(jié)合MES 等數(shù)字化管理軟件，配合自動(dòng)化設(shè)備、智能化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)信息流、物料流的無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到產(chǎn)品制造的數(shù)字化和智能化。

［關(guān)鍵詞］家用吸塵器；高效節(jié)能；電機(jī)；設(shè)計(jì)

［中圖分類號(hào)］TM30 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）09–0037–03

家用清潔無線吸塵器由于小巧輕便、除塵效率高，已被越來越多的人接受。家用吸塵器的核心部件是電機(jī)。市面上的吸塵器多使用無刷電機(jī)，該電機(jī)基本依靠進(jìn)口，產(chǎn)品價(jià)格昂貴。而國內(nèi)的無刷電機(jī)研發(fā)起步晚，尚未生產(chǎn)出高性價(jià)比的成熟產(chǎn)品，吸塵器市場急需一款性價(jià)比高的產(chǎn)品來替代進(jìn)口。為此，研究和開發(fā)出一款基于產(chǎn)品生命周期理論設(shè)計(jì)的高性能無刷電機(jī)，并通過數(shù)字化智能制造技術(shù)提高電機(jī)的制造質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，有著重要意義。

1 家用吸塵器的高效節(jié)能電機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 主要研究開發(fā)內(nèi)容

1.1.1 BLDC生命周期的數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)研究

在家用吸塵器的高效節(jié)能電機(jī)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，BLDC（無刷直流電機(jī)）生命周期的數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)研究為關(guān)鍵一環(huán)，主要通過數(shù)字化手段對(duì)BLDC 的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行及維護(hù)過程給予優(yōu)化，提升電機(jī)性能、可靠性與壽命，以此來取得更高效的節(jié)能效果。同時(shí)，采用三維軟件對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝進(jìn)行仿真模擬，結(jié)合電機(jī)使用場景的數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，可有效縮短系列化產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可視化。

（1）BLDC 的數(shù)字化設(shè)計(jì)。具體包括以下內(nèi)容：①模擬仿真。采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助工程軟件展開模擬仿真，對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)、磁場分布、電磁特性等展開精準(zhǔn)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。②參數(shù)優(yōu)化。采用數(shù)值優(yōu)化算法，優(yōu)化電機(jī)線圈布局、磁場強(qiáng)度、轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)等關(guān)鍵參數(shù)，從而提升電機(jī)效率與功率密度。③熱仿真。采用有限元分析等方法對(duì)電機(jī)熱特性展開仿真分析，使得電機(jī)在長時(shí)間運(yùn)行狀態(tài)下可有效散熱，延長其使用壽命。

（2）BLDC 制造與測試。具體包括以下內(nèi)容：①數(shù)字化制造。采用數(shù)控加工、3D 打印等先進(jìn)的數(shù)字化制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)零部件的精密加工與快速制造。②在線監(jiān)測與調(diào)試。采用傳感器和實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)展開在線監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)且調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，保證其穩(wěn)定性和性能。

（3）BLDC 維護(hù)與管理。具體包括以下內(nèi)容：①預(yù)測性維護(hù)。依靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與數(shù)據(jù)分析算法，達(dá)到對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和故障預(yù)測，提前展開維護(hù)，避免意外停機(jī)和損壞。②遠(yuǎn)程診斷與服務(wù)。依靠遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷系統(tǒng)，做到對(duì)電機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷及遠(yuǎn)程維護(hù)，減少維護(hù)成本與停機(jī)時(shí)間。

1.1.2 BLDC高效節(jié)能技術(shù)研究

BLDC 的高效節(jié)能技術(shù)研究是家用吸塵器的高效節(jié)能電機(jī)設(shè)計(jì)中的核心領(lǐng)域。本項(xiàng)目所研究的新型驅(qū)動(dòng)集成式電機(jī)結(jié)構(gòu)，通過將電機(jī)機(jī)座、轉(zhuǎn)子組件、定子繞組及驅(qū)動(dòng)控制板集成在一起，并同步開展對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)、動(dòng)葉輪結(jié)構(gòu)、電機(jī)風(fēng)罩結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，以及在材料選用方面展開研究，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的節(jié)能化。

（1）磁場優(yōu)化。對(duì)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子磁路設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，改善磁場分布，減小磁阻損耗，提高磁場利用率。

（2）電機(jī)控制算法。對(duì)電機(jī)控制算法展開研究與應(yīng)用，如磁場定向控制或空間矢量調(diào)制，來提高電機(jī)的運(yùn)行效率與動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

（3）材料與輕量化。選擇碳纖維復(fù)合材料等先進(jìn)的輕量化材料，降低電機(jī)組件的質(zhì)量，提高動(dòng)力密度與能源利用效率。

（4）電機(jī)冷卻系統(tǒng)。對(duì)高效電機(jī)的傳導(dǎo)冷卻、液體冷卻或強(qiáng)制散熱系統(tǒng)展開研究，使電機(jī)在高負(fù)載運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和效率得到保障。

（5）系統(tǒng)集成與優(yōu)化。經(jīng)整體系統(tǒng)優(yōu)化，包括電機(jī)、控制器、傳動(dòng)裝置等的協(xié)同設(shè)計(jì)，提高整個(gè)清潔裝置的能效比。

1.1.3 BLDC智能控制技術(shù)研究

本項(xiàng)目所研究的BLDC 主要采取無位置傳感器結(jié)構(gòu)的智能算法，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制，以及欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)等保護(hù)功能，對(duì)電機(jī)和電池進(jìn)行保護(hù)，確保電機(jī)使用及安全。

（1）傳感器less 控制。通過對(duì)傳感器less 技術(shù)（如反電動(dòng)勢觀測法、高階諧波注入法）的研究與應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)在無霍爾傳感器的條件下對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的精確控制。

（2）閉環(huán)控制算法。設(shè)計(jì)且優(yōu)化閉環(huán)控制算法，如速度環(huán)或位置環(huán)閉環(huán)控制，經(jīng)精準(zhǔn)的定位與調(diào)速，增強(qiáng)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性與可靠性。

（3）智能調(diào)速與負(fù)載感知。對(duì)電機(jī)智能調(diào)速技術(shù)展開研究，結(jié)合清潔任務(wù)的不同需求自動(dòng)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。并且引進(jìn)負(fù)載感知技術(shù)，監(jiān)測負(fù)載變化，做好電機(jī)工作參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整，提高清潔效率。

（4）能效優(yōu)化控制。采取先進(jìn)的能效優(yōu)化控制策略，如最大效率點(diǎn)追蹤算法、能量管理系統(tǒng)，讓電機(jī)于不同工況下能效最大化，減少能耗且延長電池壽命。

（5）智能保護(hù)與故障診斷。研究智能保護(hù)功能和故障診斷技術(shù)，監(jiān)測電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)響應(yīng)，避免發(fā)生過載、過熱等現(xiàn)象，增強(qiáng)電機(jī)安全性與穩(wěn)定性。

（6）遠(yuǎn)程監(jiān)控與智能互聯(lián)。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能互聯(lián)功能，用戶能夠借助手機(jī)應(yīng)用或云端平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測并控制電機(jī)狀態(tài)，提高用戶體驗(yàn)。

1.1.4 MES智能車間管控系統(tǒng)開發(fā)

本項(xiàng)目開發(fā)的智能車間管控系統(tǒng)的主要建設(shè)方案是通過應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)和先進(jìn)工藝，對(duì)原有裝備、生產(chǎn)線、車間等實(shí)施數(shù)字化技術(shù)改造，投入MES 等數(shù)字化管理軟件，配合自動(dòng)化設(shè)備、智能化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)信息流、物料流的無縫對(duì)接，真正做到生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、反饋，并通過數(shù)據(jù)中心形成全程可視化管理。

（1）生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度優(yōu)化。開發(fā)針對(duì)家用吸塵器生產(chǎn)的計(jì)劃與調(diào)度優(yōu)化模塊，依照訂單需求與生產(chǎn)資源情況，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)的合理安排及最優(yōu)調(diào)度，提高生產(chǎn)效率。

（2）物料管理與追溯。建構(gòu)完善的物料管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)原材料、半成品及成品的追溯管理，使生產(chǎn)過程中物料得到及時(shí)準(zhǔn)確供應(yīng)與使用。

（3）質(zhì)量控制與過程監(jiān)控。開發(fā)質(zhì)量控制與過程監(jiān)控模塊，對(duì)生產(chǎn)期間的關(guān)鍵參數(shù)展開監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況且作出處理，保證產(chǎn)品質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)。

（4）數(shù)據(jù)分析與決策支持。開發(fā)數(shù)據(jù)分析與決策支持系統(tǒng)，依靠大數(shù)據(jù)分析技術(shù)挖掘生產(chǎn)數(shù)據(jù)中隱藏的規(guī)律及價(jià)值信息，為管理層提供決策支持，優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)作。

1.1.5 基于智能物聯(lián)的數(shù)字化、智能化自動(dòng)生產(chǎn)線建設(shè)

本項(xiàng)目購買和研發(fā)自動(dòng)轉(zhuǎn)子繞線機(jī)、自動(dòng)平衡修正機(jī)、電機(jī)外觀、焊點(diǎn)、凹陷缺陷自動(dòng)檢測機(jī)等自動(dòng)化生產(chǎn)和檢測設(shè)備，通過尖端設(shè)備的整合，使得生產(chǎn)過程全程自動(dòng)化、智能化、可視化、數(shù)據(jù)化，配合上線的一整套的軟件系統(tǒng)和過程MES 解決方案，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間機(jī)聯(lián)網(wǎng)，滿足對(duì)設(shè)備、過程、品質(zhì)等的實(shí)時(shí)管控和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。下述是研究開發(fā)的核心內(nèi)容。

（1）智能傳感器與設(shè)備互聯(lián)。在生產(chǎn)線上布署智能傳感器和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至中央控制系統(tǒng)，為生產(chǎn)優(yōu)化與決策提供實(shí)時(shí)信息支持。

（2）數(shù)字化生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度。在數(shù)字化技術(shù)的支持下，建立智能化的生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度系統(tǒng)，做到按需生產(chǎn)并靈活調(diào)度，提高生產(chǎn)線利用率，控制等待時(shí)間，降低庫存成本。

（3）數(shù)字化質(zhì)量控制與工藝優(yōu)化。在智能物聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用下，建立數(shù)字化質(zhì)量控制系統(tǒng)，達(dá)到對(duì)生產(chǎn)過程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)監(jiān)測及品質(zhì)控制，并且經(jīng)數(shù)據(jù)分析技術(shù)做到工藝優(yōu)化，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

（4）自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集與分析。建立自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集與分析平臺(tái)，對(duì)生產(chǎn)線各項(xiàng)數(shù)據(jù)展開實(shí)時(shí)采集與分析，發(fā)現(xiàn)隱藏的生產(chǎn)優(yōu)化機(jī)會(huì)，支持持續(xù)改進(jìn)和精益生產(chǎn)。

1.2 家用吸塵器的高效節(jié)能電機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

（1）電機(jī)本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)。本項(xiàng)目通過數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真綜合技術(shù)對(duì)電機(jī)本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。電機(jī)采用高性能硅鋼片加永磁轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，使用高性能磁體材料，電機(jī)轉(zhuǎn)速可以達(dá)10 000 r/min 以上。采用發(fā)泡密封結(jié)構(gòu)風(fēng)罩配合高性能電泳動(dòng)葉輪設(shè)計(jì)，提高電機(jī)的吸入功率和真空度。通過Ansoft 有限元磁場分析設(shè)計(jì)電機(jī)磁場，增加電機(jī)的低轉(zhuǎn)速輸出力矩，提高電機(jī)的低速性能，加強(qiáng)電機(jī)的除水和除塵能力，增加其穩(wěn)定性。

（2）電機(jī)和驅(qū)動(dòng)板集成設(shè)計(jì)技術(shù)?，F(xiàn)有的無刷電機(jī)通常需要額外設(shè)置驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制?，F(xiàn)有技術(shù)中通常將驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)分體設(shè)置，并通過外接導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)電連接。電機(jī)及驅(qū)動(dòng)部分主要為兩個(gè)獨(dú)立的個(gè)體進(jìn)行機(jī)械連接，整體體積龐大。外觀上可以明顯識(shí)別控制器與電機(jī)的布局位置，導(dǎo)致集成后的整體外形不規(guī)則，空間占用大，且重量大。本項(xiàng)目所研究的新型驅(qū)動(dòng)集成式電機(jī)，通過將電機(jī)機(jī)座、轉(zhuǎn)子組件、定子繞組及驅(qū)動(dòng)控制板集成在一塊，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)系統(tǒng)的小型化、輕量化及集成化。

（3）模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。BLDC 是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合的控制對(duì)象，面對(duì)日益復(fù)雜的控制對(duì)象，智能控制算法受到關(guān)注。本項(xiàng)目針對(duì)BLDC轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)主要是由于諧波和相電流換向而產(chǎn)生的這一因素，用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID 控制器，使電流在不同的速度段平滑而均勻地變化，從而有效減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。系統(tǒng)采用了參數(shù)自調(diào)整模糊控制和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的智能雙?？刂撇呗浴Ｔ诖笃罘秶鷥?nèi)，采用參數(shù)自調(diào)整的模糊控制，以加快系統(tǒng)響應(yīng)，減小超調(diào)和調(diào)節(jié)時(shí)間，并提高系統(tǒng)魯棒性。在小偏差范圍內(nèi)，采用3 層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來逼近期望偏差，從而提高了系統(tǒng)的控制精度。

（4）極端環(huán)境的適應(yīng)技術(shù)。無刷電機(jī)由于超高轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，對(duì)材料的使用有著極其苛刻的要求。本項(xiàng)目主要選用了PPS 熱塑性特種工程塑料，制作支架和風(fēng)道一體化結(jié)構(gòu)，減少風(fēng)阻，降低電機(jī)噪聲。

（5）生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與傳輸技術(shù)。電機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線上的制造現(xiàn)場設(shè)備種類繁多，且各設(shè)備間需實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，面對(duì)各種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)異構(gòu)的情況，以及工業(yè)大數(shù)據(jù)所具備的并發(fā)數(shù)大、易獲取、狀態(tài)復(fù)雜多變等特征，數(shù)據(jù)的持續(xù)采集尤為重要。因此，如何對(duì)現(xiàn)場上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效采集、存儲(chǔ)、管理、建模、交換、分析及利用，成為當(dāng)前企業(yè)亟待解決的技術(shù)難題。針對(duì)這一問題，本項(xiàng)目在電機(jī)生產(chǎn)過程中采用了MES 系統(tǒng)與ERP 系統(tǒng)的高度集成方案。通過這一方案，MES 系統(tǒng)能夠自動(dòng)抓取ERP 系統(tǒng)中的多項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)品品號(hào)信息、產(chǎn)品BOM（物料清單）信息、工單信息等，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。這種集成方式不僅提高了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，還滿足了企業(yè)管控生產(chǎn)過程和質(zhì)量的迫切需求，為家用吸塵器的高效節(jié)能電機(jī)設(shè)計(jì)提供了有力的技術(shù)支持。

2 高效節(jié)能電機(jī)在家用吸塵器中的應(yīng)用案例

2.1 電機(jī)選型與參數(shù)匹配

以某款家用吸塵器為例，選擇了BLDC 的一款型號(hào)。該電機(jī)有高效節(jié)能的特征，其參數(shù)和吸塵器的性能需求相匹配，詳細(xì)參數(shù)見表1。

這款電機(jī)不但考慮了吸塵器的性能需求，保證電機(jī)高效節(jié)能的同時(shí)，又可提供不錯(cuò)的清潔效果。

2.2 電機(jī)與吸塵器的集成設(shè)計(jì)

在電機(jī)和吸塵器集成設(shè)計(jì)上，主要采用直驅(qū)式傳動(dòng)方式，把電機(jī)直接連接至吸塵器的吸入部分。該設(shè)計(jì)不但減小了傳輸損失，還能提高吸入效率，降低噪聲。并且，還設(shè)計(jì)了電機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可依照吸塵器的實(shí)際工作狀態(tài)，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速與功率，以此來實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。

2.3 應(yīng)用效果評(píng)估

通過具體應(yīng)用效果評(píng)估，該家用吸塵器表現(xiàn)出色。

（1）清潔效果。使用期間，吸塵器可達(dá)到預(yù)期清潔效果，不管是地面塵埃，或是家具縫隙的灰塵，均可有效清除。

（2）能耗。和同類產(chǎn)品相比，這款吸塵器能耗更低，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

（3）噪聲。吸塵器在使用時(shí)噪聲水平與國家標(biāo)準(zhǔn)相符，不會(huì)為用戶帶來不適。

（4）壽命。經(jīng)長時(shí)間運(yùn)行測試，電機(jī)性能穩(wěn)定，使用壽命達(dá)到預(yù)期。

3 結(jié)束語

文章通過對(duì)家用吸塵器高效節(jié)能電機(jī)設(shè)計(jì)項(xiàng)目展開探究，對(duì)電機(jī)線圈繞組、磁路設(shè)計(jì)、材料選擇、仿真優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行探索，提出了BLDC 高效無刷節(jié)能電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，可提高家用吸塵器電機(jī)的運(yùn)行效率與性能，延長電機(jī)應(yīng)用壽命?？偟膩碇v，BLDC 高效無刷節(jié)能電機(jī)在家用吸塵器的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，有極高的實(shí)用價(jià)值，市場應(yīng)用前景可觀。

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