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摘要：论述了电吹风设计的现状和不足，并在分析电吹风设计对电机的具体需求基础上，提出了在电吹风上使用无刷电机可行性方案
关键词：无刷电机；电吹风；设计；可行性
0 引言
无刷电机是一种新型的无级变速电机，它由一台同步电机和一组逆变桥组成，具有结构简单、制造方便、使用寿命长、低噪音等优点。随着科技水平的提高和制造成本降低，无刷电机的应用范围也不断扩大。笔者在本文中根据从事电吹风开发设计的经验，探讨无刷电机在电吹风上使用的可行性。
1 目前电吹风的电机使用情况
电吹风主要用于吹干头发与整形，也可用于食物、衣物的吹干。当电吹风接通电源后，电机带动风叶旋转，将空气从进风口吸入，经过电热元件加热，把热风从出风口吹出，再加上适当的开关设定及温度控制保护，输出不同温度和不同流速的空气流。电吹风根据用途分为专业和家用电吹风。专业电吹风采用交流电机驱动风叶，功率大，寿命为500小时；家用电吹风使用直流电机，功率偏小，寿命为200小时。由于电吹风中其他元件的使用寿命都相对较长，电吹风的使用寿命就取决于电机。
按照每次使用时间15分钟算，家用电吹风只能用800次，专业电吹风也只有2000次，远不能达到理想要求，增加使用寿命就成为电吹风开发设计的一个主要方向。由于电吹风使用寿命的决定因素是电机，各电机制造商纷纷推出长寿命电机，例如德昌电机公司的300小时直流电机、意大利电机商推出的1000小时超长碳刷交流电机等等。上述电机基本采用加长碳刷的方式来延长寿命，受限于电机外形，很难再有提高的可能。产品开发设计人员需要寻找新的设计方案来提高产品寿命。
2 有刷电机的缺点
2.1 噪声大，损耗大，电磁干扰大
有刷电机的电刷与换向器在工作时容易产生换向火花或环火，造成相当程度的噪声、震动、电磁干扰（EMI）以及电弧，同时磨耗的导电物质粉末也会充斥电机内部，造成若干程度的电气污染。
2.2 发热大，寿命短
由于有刷电机的结构原因，电刷和换向器的接触电阻很大，造成电机整体电阻较大，易发热，同时电刷是消耗零件，到达使用极限就无法使用，限制了电机寿命。
2.3 效率低，故障多
有刷电机发热是因为电流做功在电机内部电阻上了，电能转化为热能，所以有刷电机的输出功率不大，效率也不高。电刷与换向器压力接触靠弹簧，容易产生接触不可靠，故障也随之增多。
3 无刷电机的原理
无刷电机由电机主体和驱动器组成，是典型的机电一体化产品。它是利用电子换相电路将电源供应到电机转子绕组，因为没有机械式的电刷，所以称作无刷电机。电机主体由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成。电机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电机转子的极性，在电机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电机的启动、停止、制动信号，以控制电机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等。位置传感器按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流。定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。
由于无刷电机具备高效率、精准的控制性能，以及能够利用电子构装来达到安全规范的要求等特性，通常使用在控制要求比较高的设备上。以前由于无刷电机和驱动器的成本都很高，只有比较高端的设备才被使用。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆近几年来，由于加工技术的快速发展，无刷电机的成本下降许多，目前已经被广泛地被应用在空调、电动车、航模、医疗器械以及高经济价值的家电产品中。
4无刷电机的优点
4.1、无电火花、低干扰
无刷电机去除了电刷，没有了有刷电机运转时产生的电火花，极大减少了电火花对产品内部其他元件和其他电器的干扰。
4.2、噪音低、运转顺畅、转速可调
无刷电机没有了电刷，运转时摩擦力大大减小，运行顺畅，噪音降低许多。无刷电机通常是数字变频控制，可控性强，从每分钟几转到几万转都可以很容易实现。
4.3、寿命长，低维护成本
由于没有电刷，无刷电机的磨损主要是在轴承上，无刷电机通常使用寿命在几万小时这个数量级。
5电吹风使用无刷电机的可行性
5.1功能性分析
电吹风的转速一般只有高低两个档位，有时会有加速档位，而电机转速的高低档位实际是靠电机电流的全、半波导通得到的，电压没有改变，综上所述，风筒的电机实际上只有两个电压输入。无刷电机可以利用改变电压得到多级速度，在电吹风中只要通过改变与电机串联的发热线电阻值，很容易得到两个电机输入电压，相对在无刷电机在其他产品上的多档甚至是无极变速要求，更容易满足设计要求。无刷电机相对有刷电机多出的驱动器部分，可以放置在电机旁边或手柄中。驱动器在进行塑封和屏蔽后，对其他控制元件也没有电磁干扰。
电吹风通常使用的直流电机为385型直流微电机，它的外形尺寸为?27.7*38mm，重量为70g，U5415交流电机体积更大，重量达到240g，而无刷电机中?16*28mm的产品就有很多，而?22*30mm的无刷电机连同驱动器也只有70克左右。选用与385型电机功能接近的?22mm左右的无刷电机进行改进，使用在电吹风上完全可行。目前的直流电机电吹风整机重量约450g，交流电机电吹风重量约620g，使用无刷电机后的电吹风重量相当于直流电机电吹风，而使用寿命可达10000小时，远远高于目前的500小时的寿命。
无刷电机以电子回路取代机械式换相器和电刷，不会出现电气污染。同时，对于电子电路所撷取到的电气讯号，还可以利用其他逻辑电路作讯号的放大、比较，而使电机运转效率提升。更重要的是，原先无法利用外加硬件保护装置来保护电机的问题得以解决，在无刷电机上可以利用微处理器与软件，来判断电子电路所撷取到的电气讯号，而达到对电机堵转、欠相、过负载以及其他与安全功能相关的管理与保护。也有利于电吹风产品在安全认证时的电磁兼容性等项目测试。
5.2 无刷电机的实验进展
笔者曾与深圳一家电机制造商合作，试制出了一款无刷电机。将?22*30mm无刷电机改进后放入385型电机外壳，，按照385型电机的功能设计功率曲线，由于功能简单，驱动器只有15*15*10mm，相当于电吹风用的负离子发生器大小，放置在电吹风手柄中。该款电机相比385型电机的噪音降低近20dB,只有60 dB。缺点是连接引线相对较多。该款电机的成本约35元，比目前电吹风使用的U5415交流电机贵15元。虽然这款电机有重量轻、寿命长的优点，但由于价格较贵，只能适用于专业使用电吹风上，不能全面推广。
6 使用无刷电机存在的问题和建议
电吹风中能否使用无刷电机，首先需要解决的问题是价格。目前电吹风除电机外其他元件成本35元左右，使用无刷电机后，电吹风成本翻番，不利于大规模利用，只能用于专业用电吹风，失去家用电吹风这个市场。目前，我国每年出口的电吹风约9千万个，其中90%是家用电吹风，无刷电机只有降低价格，才有可能占领家用电吹风这个大市场。
其次，由于无刷电机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，即属于具有电子保护控制器的电机。对于提供电子保护功能的电机，必须接受电磁兼容性评估，同时要满足世界各国安全标准中对具有电子保护控制器的电机的具体要求。只有满足上述要求，无刷电机才能广泛应用于电吹风，出口到世界各地。
家电用电机是二次配套产品，它的功能、特性、参数、甚至尺寸都决定于所配套产品的要求，电机制造厂家也跟随家电厂商的要求进行产品研究、设计、制造电机。由此，电机制造商应该和家电制造商联手合作，按照电吹风的使用要求和安全标准，设计出合格的电机，取代目前使用的有刷电机，使电吹风在寿命、噪音等方面有质的提高。
论文作者:王进述
论文发表刊物:《科技新时代》2019年6期
论文发表时间:2019/8/15
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