低噪聲吸塵器中電機高效性能的實現

鮑盛波

(寧波大華電器有限公司,浙江寧波 315400)

世界能源及環境危機的加劇使得節能環保成為目前全球的主題。吸塵器行業要求高效而且低噪也日益迫切,吸塵器既要實現低噪聲,且又要達到高效率,其存在著某種矛盾:要達到低噪聲,勢必以損失能效為代價,把聲能盡可能轉化為熱能,其吸塵效率大打折扣,一般電機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,這要在吸塵器結構上和電機電磁設計與結構設計上下功夫。

家用吸塵器工作時要和操作者一起移動,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機,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,是吸塵器行業面臨的難題。

現結合一款業內最低噪聲-65 d B(A)、大功率 1 600 W的飛利浦吸塵器進行探討、剖析,并對每一項改進措施和設計通過實驗數據來論證其合理性和有效性。

這里先做吸塵器測試對比試驗,根據 IEC60704-1《家用電器及類似電器用具的噪聲測試方法》,測得結果如表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,但使用者聽起來卻好像靜了好幾倍。研究表明:聲壓級變化 3 dB,聲壓增加 1倍,大多數人要在聲壓級增加6～10 dB時,響度才有加倍感覺。

表1 吸塵器測試結果比較

家用吸塵器用戶需要低噪聲、吸入力大、做工時間短的吸塵器。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,是一款出色的好產品。

通常認為,正常人聽覺 50～70 dB為正常聲,要達到這一目的,在吸塵器中必須使用一個合理的降噪系統。飛利浦FC9066吸塵器使用降噪系統,即雙層隔音電機罩再加貼消音棉實現了低噪聲且高效,這里暫不討論吸塵器,本文著重剖析降噪系統中吸塵器電機實現低噪聲且高效而采取的改進思路與方案。

飛利浦吸塵器電機特點是吸塵器空間小,使用的電機小;功率大,轉速高;效率高,壽命長。

實測綜合測試結果如表2所示。

表2 飛利浦吸塵器電機性能參數

圖1 飛利浦電機性能測試曲線

飛利浦FC9066吸塵器的特點是吸塵器輕巧、低噪聲,使用電機罩空間小,電機小;但吸力要大,勢必功率大,轉速升高。

優點:電機的機械特性硬,裝入吸塵器壓降少,效率損失少,但轉速高;缺點:電樞換向周期Tk極短,這就大大增加換向元件的感應電勢,惡化換向,增加火花。另外,高速使碳刷和換向器的磨損、振動、沖擊和轉子不平衡等急劇增加,又會嚴重惡化換向,縮短電機壽命。這就要求使用的零件材料質量均要提升,換向器要求耐高速,碳刷要求耐磨且耐高轉速變化,壓制火花能力加強,電機使用絕緣系統要提高,轉子的動平衡精度要提高,配件配合精度提高等。

對于上述缺點,飛利浦吸塵器電機采取下列四項措施。

(1)電機尺寸減小。鐵心疊厚減少至 18 mm,使用鐵損小的硅鋼片(相當于國產的 35W230,疊厚比常規減少 29%),這可減小高速帶來的振動、沖擊,減小電抗電勢、電樞反應旋轉電勢,改善換向。電機外殼使用塑料 UP-GF-12,線包與殼體靠得較近,無鐵殼的爬電距離之憂,碳刷可置于風機端,電機的外形尺寸只有 Φ110 mm×110 mm,電機體積縮小16%。

(2)風機縮小,換向器外徑減小(Φ20 mm,比常規換向器外徑縮小10%),這可彌補轉速高帶來的磨損量加大,以降低線速度,減小電樞反應旋轉電勢。加長碳刷達 38 mm(碳刷加長15%),使用扭簧,減短刷架長度,也可減小電機尺寸。

按線速度與轉速的公式:

式中:l為周長;n為轉速。現轉速由原 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%。

目前國內換向器的質量水平跟國外比較接近,但換向器的主要結合體-電木粉原料還是靠進口,用于高速高強度換向器中的樹脂材料國內還不適應,歐洲料對模具工藝要求高,國內較難適用,現多選用日本料,而日本料實際使用時也有一定的局限性,如綜合性能好的日立料 CP7010,長時間工作在36 000 r/min尚可,電機運轉壽命也能達到 600 h以上高要求,當轉速再高,用于高轉速吸塵器電機上的運轉壽命就會出現呈批量性的縮短。

按上述措施用國產材料做試驗進行對比分析。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的軸線連線重合,位于幾何中性線上),電機壽命結果如表3所示。

表3 電機壽命試驗結果比較

試驗情況如下:電機開始運行良好,10天后,火花增大,碳刷磨損極快。試驗后發現電機 -換向器有幾片銅排磨損厲害,槽口變大,碳刷磨損只剩 4mm。

經分析發現,雖然換向器外徑減小,線速度與以前電機相同,但碳刷磨損還是比以前大。主要原因是轉速升高使換向元件的感應電勢加大,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)優化換向,偏移碳刷角度和換向片連線位置。

按串勵電機理論,改善換向的方法,就是減少換向元件中的電抗電勢 er、電樞反應旋轉電勢 ea和旋轉電勢 ekt。即:

式中:Ws為換向元件匝數;L為電樞鐵心疊厚;λ為換向元件的等效比磁導;A為線負荷;V2為電樞表面線速度;Baq為電樞反應在換向區磁密;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、減少元件匝數、選合適的碳刷材料和合適寬度、壓力、換向器材料等,這些方案在電機生產前已完善。在電機生產中可改變的還有三項措施:增大匝比、與換向片掛線超前、逆轉向移動碳刷。但這三項措施都會不同程度降低電機效率,但為盡量達到高效目的,應合理選用。飛利浦電機采取了最有效的后二項,與換向片掛線超前 8°、逆轉向移動碳刷 2°,產生的反向旋轉電勢 em抵消 er和 ea。雖電機效率略降1%左右,但壽命測試運轉時間達 500h以上。

(4)風量減小,電機負載減小,減小了因振動、沖擊和轉子不平衡等不利因素。電機進風口采用塑料套圈,作用相當于硅膠密封,但效率略低,測得電機效率 38%,裝入吸塵器效率31%。

筆者針對以上情況采取的改進措施是在動葉輪進風部改成弧面設計,風量略增,轉速降低 1 000 r/min。電機效率略有提高,其他性能未變。

參考飛利浦吸塵器電機設計的優點,我們對采用改進措施制作的電機(全部采用國產配件)進行了綜合測試,結果如表4所示。

表4 自制電機性能參數

圖2 自制電機性能測試曲線

綜上所述,使用目前國內材料和工藝完全可以達到和超過國外先進吸塵器電機的質量水平。