家用吸塵器的高效節能電機設計技術要點分析

［摘 要］本項目主要研究基于產品生命周期理論的家用吸塵器無刷電機的數字化創新設計技術，通過高性能無刷直流電機的研發，結合MES 等數字化管理軟件，配合自動化設備、智能化設備，實現信息流、物料流的無縫對接，實現無刷電機從產品設計到產品制造的數字化和智能化。

［關鍵詞］家用吸塵器；高效節能；電機；設計

［中圖分類號］TM30 ［文獻標志碼］A ［文章編號］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。市面上的吸塵器多使用無刷電機，該電機基本依靠進口，產品價格昂貴。而國內的無刷電機研發起步晚，尚未生產出高性價比的成熟產品，吸塵器市場急需一款性價比高的產品來替代進口。為此，研究和開發出一款基于產品生命周期理論設計的高性能無刷電機，并通過數字化智能制造技術提高電機的制造質量，提高生產效率，減輕勞動強度，有著重要意義。

1 家用吸塵器的高效節能電機設計要點

1.1 主要研究開發內容

1.1.1 BLDC生命周期的數字化設計技術研究

在家用吸塵器的高效節能電機設計項目中，BLDC（無刷直流電機）生命周期的數字化設計技術研究為關鍵一環，主要通過數字化手段對BLDC 的設計、制造、運行及維護過程給予優化，提升電機性能、可靠性與壽命，以此來取得更高效的節能效果。同時，采用三維軟件對產品設計和工藝進行仿真模擬，結合電機使用場景的數字化設計技術，可有效縮短系列化產品設計研發周期，實現產品設計的可視化。

（1）BLDC 的數字化設計。具體包括以下內容：①模擬仿真。采用計算機輔助設計與計算機輔助工程軟件展開模擬仿真，對電機結構、磁場分布、電磁特性等展開精準分析與優化設計。②參數優化。采用數值優化算法，優化電機線圈布局、磁場強度、轉子設計等關鍵參數，從而提升電機效率與功率密度。③熱仿真。采用有限元分析等方法對電機熱特性展開仿真分析，使得電機在長時間運行狀態下可有效散熱，延長其使用壽命。

（2）BLDC 制造與測試。具體包括以下內容：①數字化制造。采用數控加工、3D 打印等先進的數字化制造技術，實現電機零部件的精密加工與快速制造。②在線監測與調試。采用傳感器和實時監測技術對電機運行狀態展開在線監測，及時發現且調整電機的運行參數，保證其穩定性和性能。

（3）BLDC 維護與管理。具體包括以下內容：①預測性維護。依靠物聯網技術與數據分析算法，達到對電機運行狀態的實時監測和故障預測，提前展開維護，避免意外停機和損壞。②遠程診斷與服務。依靠遠程監控和診斷系統，做到對電機的遠程監控、故障診斷及遠程維護，減少維護成本與停機時間。

1.1.2 BLDC高效節能技術研究

BLDC 的高效節能技術研究是家用吸塵器的高效節能電機設計中的核心領域。本項目所研究的新型驅動集成式電機結構，通過將電機機座、轉子組件、定子繞組及驅動控制板集成在一起，并同步開展對電機的轉子結、動葉輪結構、電機風罩結構的優化，以及在材料選用方面展開研究，實現電機的節能化。

（1）磁場優化。對電機定子和轉子磁路設計進行優化，改善磁場分布，減小磁阻損耗，提高磁場利用率。

（2）電機控制算法。對電機控制算法展開研究與應用，如磁場定向控制或空間矢量調制，來提高電機的運行效率與動態響應性能。

（3）材料與輕量化。選擇碳纖維復合材料等先進的輕量化材料，降低電機組件的質量，提高動力密度與能源利用效率。

（4）電機冷卻系統。對高效電機的傳導冷卻、液體冷卻或強制散熱系統展開研究，使電機在高負載運行時的穩定性和效率得到保障。

（5）系統集成與優化。經整體系統優化，包括電機、控制器、傳動裝置等的協同設計，提高整個清潔裝置的能效比。

1.1.3 BLDC智能控制技術研究

本項目所研究的BLDC 主要采取無位置傳感器結構的智能算法，可實現電機的智能控制，以及欠壓保護、過流保護、堵轉保護等保護功能，對電機和電池進行保護，確保電機使用及安全。

（1）傳感器less 控制。通過對傳感器less 技術（如反電動勢觀測法、高階諧波注入法）的研究與應用，可實現在無霍爾傳感器的條件下對電機運行狀態的精確控制。

（2）閉環控制算法。設計且優化閉環控制算法，如速度環或位置環閉環控制，經精準的定位與調速，增強電機運行穩定性與可靠性。

（3）智能調速與負載感知。對電機智能調速技術展開研究，結合清潔任務的不同需求自動調整電機轉速。并且引進負載感知技術，監測負載變化，做好電機工作參數的實時調整，提高清潔效率。

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

（5）智能保護與故障診斷。研究智能保護功能和故障診斷技術，監測電機運行狀態，及時響應，避免發生過載、過熱等現象，增強電機安全性與穩定性。

（6）遠程監控與智能互聯。結合物聯網技術，實現電機遠程監控和智能互聯功能，用戶能夠借助手機應用或云端平臺實時監測并控制電機狀態，提高用戶體驗。

1.1.4 MES智能車間管控系統開發

本項目開發的智能車間管控系統的主要建設方案是通過應用現代信息技術和先進工藝，對原有裝備、生產線、車間等實施數字化技術改造，投入MES 等數字化管理軟件，配合自動化設備、智能化設備，實現信息流、物料流的無縫對接，真正做到生產數據的實時采集、反饋，并通過數據中心形成全程可視化管理。

（1）生產計劃與調度優化。開發針對家用吸塵器生產的計劃與調度優化模塊，依照訂單需求與生產資源情況，實現生產任務的合理安排及最優調度，提高生產效率。

（2）物料管理與追溯。建構完善的物料管理系統，實現對原材料、半成品及成品的追溯管理，使生產過程中物料得到及時準確供應與使用。

（3）質量控制與過程監控。開發質量控制與過程監控模塊，對生產期間的關鍵參數展開監測，及時發現異常情況且作出處理，保證產品質量滿足標準。

（4）數據分析與決策支持。開發數據分析與決策支持系統，依靠大數據分析技術挖掘生產數據中隱藏的規律及價值信息，為管理層提供決策支持，優化生產運作。

1.1.5 基于智能物聯的數字化、智能化自動生產線建設

本項目購買和研發自動轉子繞線機、自動平衡修正機、電機外觀、焊點、凹陷缺陷自動檢測機等自動化生產和檢測設備，通過尖端設備的整合，使得生產過程全程自動化、智能化、可視化、數據化，配合上線的一整套的軟件系統和過程MES 解決方案，實現生產車間機聯網，滿足對設備、過程、品質等的實時管控和數據統計。下述是研究開發的核心內容。

（1）智能傳感器與設備互聯。在生產線上布署智能傳感器和設備，實現對生產過程的實時監測與數據采集，借助物聯網技術將數據傳輸至中央控制系統，為生產優化與決策提供實時信息支持。

（2）數字化生產計劃與調度。在數字化技術的支持下，建立智能化的生產計劃與調度系統，做到按需生產并靈活調度，提高生產線利用率，控制等待時間，降低庫存成本。

（3）數字化質量控制與工藝優化。在智能物聯技術的應用下，建立數字化質量控制系統，達到對生產過程中關鍵環節的實時監測及品質控制，并且經數據分析技術做到工藝優化，提升產品質量。

（4）自動化數據采集與分析。建立自動化數據采集與分析平臺，對生產線各項數據展開實時采集與分析，發現隱藏的生產優化機會，支持持續改進和精益生產。

1.2 家用吸塵器的高效節能電機設計關鍵技術

（1）電機本體結構優化技術。本項目通過數字化設計與仿真綜合技術對電機本體結構進行優化。電機采用高性能硅鋼片加永磁轉子設計，使用高性能磁體材料，電機轉速可以達10 000 r/min 以上。采用發泡密封結構風罩配合高性能電泳動葉輪設計，提高電機的吸入功率和真空度。通過Ansoft 有限元磁場分析設計電機磁場，增加電機的低轉速輸出力矩，提高電機的低速性能，加強電機的除水和除塵能力，增加其穩定性。

（2）電機和驅動板集成設計技術。現有的無刷電機通常需要額外設置驅動器來實現對電機的轉速控制?，F有技術中通常將驅動器與電機分體設置，并通過外接導線實現電連接。電機及驅動部分主要為兩個獨立的個體進行機械連接，整體體積龐大。外觀上可以明顯識別控制器與電機的布局位置，導致集成后的整體外形不規則，空間占用大，且重量大。本項目所研究的新型驅動集成式電機，通過將電機機座、轉子組件、定子繞組及驅動控制板集成在一塊，實現了電機系統的小型化、輕量化及集成化。

（3）模糊神經網絡控制技術。BLDC 是一個多變量、非線性、強耦合的控制對象，面對日益復雜的控制對象，智能控制算法受到關注。本項目針對BLDC轉矩脈動主要是由于諧波和相電流換向而產生的這一因素，用模糊神經網絡控制器代替傳統的PID 控制器，使電流在不同的速度段平滑而均勻地變化，從而有效減小了轉矩脈動。系統采用了參數自調整模糊控制和BP 神經網絡相結合的智能雙模控制策略。在大偏差范圍內，采用參數自調整的模糊控制，以加快系統響應，減小超調和調節時間，并提高系統魯棒性。在小偏差范圍內，采用3 層BP 神經網絡來逼近期望偏差，從而提高了系統的控制精度。

（4）極端環境的適應技術。無刷電機由于超高轉速的特點，對材料的使用有著極其苛刻的要求。本項目主要選用了PPS 熱塑性特種工程塑料，制作支架和風道一體化結構，減少風阻，降低電機噪聲。

（5）生產數據實時采集與傳輸技術。電機自動化生產線上的制造現場設備種類繁多，且各設備間需實時數據傳輸。同時，面對各種數據庫系統異構的情況，以及工業大數據所具備的并發數大、易獲取、狀態復雜多變等特征，數據的持續采集尤為重要。因此，如何對現場上傳的數據進行有效采集、存儲、管理、建模、交換、分析及利用，成為當前企業亟待解決的技術難題。針對這一問題，本項目在電機生產過程中采用了MES 系統與ERP 系統的高度集成方案。通過這一方案，MES 系統能夠自動抓取ERP 系統中的多項基礎數據，包括產品品號信息、產品BOM（物料清單）信息、工單信息等，實現了兩個系統之間的互聯互通。這種集成方式不僅提高了數據的實時性和準確性，還滿足了企業管控生產過程和質量的迫切需求，為家用吸塵器的高效節能電機設計提供了有力的技術支持。

2 高效節能電機在家用吸塵器中的應用案例

2.1 電機選型與參數匹配

以某款家用吸塵器為例，選擇了BLDC 的一款型號。該電機有高效節能的特征，其參數和吸塵器的性能需求相匹配，詳細參數見表1。

這款電機不但考慮了吸塵器的性能需求，保證電機高效節能的同時，又可提供不錯的清潔效果。

2.2 電機與吸塵器的集成設計

在電機和吸塵器集成設計上，主要采用直驅式傳動方式，把電機直接連接至吸塵器的吸入部分。該設計不但減小了傳輸損失，還能提高吸入效率，降低噪聲。并且，還設計了電機控制系統，該系統可依照吸塵器的實際工作狀態，調整電機轉速與功率，以此來實現高效節能。

2.3 應用效果評估

通過具體應用效果評估，該家用吸塵器表現出色。

（1）清潔效果。使用期間，吸塵器可達到預期清潔效果，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。和同類產品相比，這款吸塵器能耗更低，可實現節能目標。

（3）噪聲。吸塵器在使用時噪聲水平與國家標準相符，不會為用戶帶來不適。

（4）壽命。經長時間運行測試，電機性能穩定，使用壽命達到預期。

3 結束語

文章通過對家用吸塵器高效節能電機設計項目展開探究，對電機線圈繞組、磁路設計、材料選擇、仿真優化等關鍵技術環節進行探索，提出了BLDC 高效無刷節能電機的優化設計方案，可提高家用吸塵器電機的運行效率與性能，延長電機應用壽命。總的來講，BLDC 高效無刷節能電機在家用吸塵器的應用，可實現節能目標，有極高的實用價值，市場應用前景可觀。

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