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構上采用稀土永磁材料作轉子，位置傳感器為電子磁敏式霍爾元件。由于具有容易驅動、節能、調速方便、噪音小、結構緊湊、壽命長等諸多優點，所以直流無刷電機應用領域更加廣泛，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。定子電流與磁場均對稱分布，轉子永磁體始終作無阻尼運動；將齒槽效應以及電樞反應在氣隙磁場中產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；其氣隙磁感應強度的分布形式為方波。

吸塵器是通過電流控制電機轉動，形成強烈的空氣渦流而使吸塵器內的密閉空間出現負壓，從而吸入紙屑、灰塵等雜質，使用十分方便。吸塵器電機的基本要求是轉矩大、轉速高、質量輕、體積小，最好還能節能等。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、吸力大并且更加節能的無刷數碼電機。

吸塵器是一個體驗性很強的產品。如果消費者在賣場看到一款產品外觀很酷的吸塵器，試用的時候卻發現噪音很大，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。

無刷電機對吸塵器性能提升的意義

目前，國內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，這兩款產品也分別搭載了目前吸塵器行業最先進的直流無刷電機。下面就通過兩個電機的數據分析一下這兩款產品的性能（見表一）。

D和K都是世界知名的電機生產商，其電機在小家電產品中的應用很廣。D公司每年用于研發的費用可達數億美元，用于搭載在自有品牌的多類產品上。如吸塵器，吹風機等。K公司是國內技術水平最高的無刷電機企業之一，并以其技術領先的優勢成功上市。K公司生產的電機除了用于國內市場以外，還出口海外市場。

一款吸塵器用什么樣的電機，取決于研發人員在設計產品時候的需求。轉速越高，體積越小。V10數碼電機重量只有至125g，轉速達到了行業內同類電機的最高轉速125000轉/分鐘。高轉速也是D公司領先于電機制造業的指標之一。但是在轉速高的同時，這款功率550W電機的效率低于50%。從電機的設計工藝上看，D品牌目前的無刷電機全部采用效率相對較低的單相設計，并將單相電機的工藝做到了極致。行業認為，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，很可能是其前期導入的技術平臺是單相的，模具等通用零件也是建立在單相電機的基礎上，后期的研發按照這個技術一直做深入的研發，不但保持較好的穩定性和可靠性，制造成本上也具有優勢。同時，D品牌的電機采用了單相霍爾結構，這在生產過程中的工藝控制要求極高，也是目前國內生產企業很難做到的。

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，風道的設計也非常關鍵。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化設計，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，這款產品的續航時間更長。K品牌的電機轉速控制在10萬轉以內，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。比較高轉速的電機需要從材質等多方面配套，制造成本提高是必然的。

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

尤其是做家用產品，電機的穩定性和成本都很重要。不惜成本地研發和制造一款電機，并不一定能夠給品牌帶來真正好的市場反應。從消費者的角度分析，性價比才是選購產品最好的解釋。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。這就需要研發人員在產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國。最知名的品牌當屬日本電產（Nidec）。國內多個品牌的電風扇、吸塵器和掃地機器人都采用了Nidec的無刷電機。專業人士認為，日本企業生產的無刷電機在性能、轉速等方面的優勢并不明顯，但是因為日本企業歷來在制造上非常重視材質和工藝，其電機的穩定性和可靠性卻是有口皆碑的。

吸塵器是目前城鎮消費者家居生活品質提升的代表性產品之一，更多新的技術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，使得吸塵器的續航和吸凈率的體驗更好。