这东西动起来,居然可以这么快

原标题:这东西动起来,居然可以这么快

像机哥这一代风华正茂的男青年。

在孩童时期,大多都迷恋过一部动画——《四驱兄弟》

除了在中二的年纪,喊出那句中二的台词“冲吧,旋风冲锋”。

我们还收获了人生当中第一款属于自己的马达

还记得当时还流行组装马达,机哥自己绕线,装磁铁。

可以说,这波随动画流行起来的 DIY 热潮,给了当时的孩子们,探究电动机最初的启蒙。

机哥也是从那时候起,知道了一个马达最基本的组成:

要有带磁铁的马达外壳。

还有要有个绕着漆包线能转动的装置。

不过它为什么会转呢?以那个年纪的知识水平,还不能理解。

慢慢地,这批孩子们渐渐长大,步入校园。

为了上下学代步,他们拥有了自己的第一辆车——电动车

电瓶车、小绵羊、小电驴,虽然叫法各异。

但它们的核心都是一颗放大版的四驱车马达。

与此同时,我们在课堂里学到了电流的磁效应。

离搞明白马达转动的原理更近了一步。

后来,我们成年了,生活当中能接触到的马达就更多了。

比如,小青年的大玩具——无人机,就是靠马达驱动四旋翼旋转,让飞机飞上天空。

再比如,家中的电风扇,也是靠电机驱动扇叶,带来凉风。

小到电动牙刷,中到吸尘器,大到电动汽车。

男人的剃须刀,女人的吹风机,老人的代步车。

哪里需要旋转,哪里就有马达的身影,这是你一辈子的绕不开的东西。

那么问题来了,这样一个每天都会接触到的东西,到底是怎么转起来的呢?

机哥觉得有必要给大家科普一下马达(电动机)的原理了。

这一切,要从 1820 年说起。

当时丹麦有一名物理学家,叫奥斯特(Ørsted)

他基于前人的启发,无意间发现,通电的导线会对磁体产生一种规律性的横向作用力。

具体来说,就是通电导线正下方的磁针,会根据电流方向的不同,产生不同磁极的微微跳动。

当时的奥斯特大概不会想到,这为电动机的发明,打开一扇大门。

同年九月,法国物理学家安培(Ampère),在奥斯特研究的基础上,扩展了实验。

安培把单个导线换成了通电的线圈,最后把电流产生磁场的规律,总结了一番。

物理学上称作“安培定则”,又叫“右手螺旋定则”。

上面这张图解释得很清楚,同四指方向的电流,能产生 N 极同拇指方向的磁场。

好,有了理论基础,接下来说说马达的原理。

为了更好理解,机哥就拿直流电机中,结构最简单的一种来讲解。

直流电机最核心的两个部件,分别是“定子”“转子”

如上图所示,定子提供恒定磁场,而中间的转子通电。

我们拿右手螺旋比一比,发现通电后的转子会产生一个 N 极朝下的磁场。

异极相吸同极相斥,迫使转子顺时针转动。

那么肯定有人会问了:不对啊机哥,当转子移动到竖直状,磁极稳定下来不就停了?

嘿,这就要说到马达设计的巧妙之处了。

你们注意转子的根部,有两个特别的小玩意:换向器和电刷

当转子转过 180° 之后,换向器和电刷的连接会互相交换。

转子电流产生的磁场方向立马颠倒,同极相斥异极相吸,迫使它继续转下去。

是不是很巧妙~

当然了,机哥介绍的只是结构最简单的有刷直流电机。

真正细究下去,电动机的种类和原理,花三天三夜都说不完。

但不管是哪种啦,一款马达最重要的技术指标,当然是“转速”

为了提高这项核心指标,人们也是绞尽了脑汁。

机哥上面所介绍的有刷电机,因为电刷和换向器的接触,不可避免地会给转动带来损耗。

快到一定程度还会产生火花,严重限制了马达转速的提高。

于是,人们又发明了“无刷直流电机”

简单来说,无刷电机把恒定磁场放到了转子上。

通过改变定子上的电流,来牵引转子运动。

这样,无刷电机便成功去掉了“电刷”这一结构,得以实现更高的转速。

如今的马达转速一般可以达到多少呢?

机哥列举几个数字:

传统马达转速一般能达到每分钟 25000 转。F1 汽车马达转速为每分钟 19000 转。而喷气式马达转速是每分钟 17000 转。

听起来还不错吧,当大家在为两三万转的成绩沾沾自喜的时候,行业内有个近乎 Bug 般的玩家出现了。

它的名字你们也很熟悉——

戴森

机哥以前曾经跟大家介绍过戴森的创始人,James Dyson。

与其说他是戴森公司的老板,倒不如说他是个强悍的发明家。

20 年前,James Dyson 对市面上数码马达技术的功率和效率不满意,便决定自己做。

不干不知道,一干吓一跳。

2004 年,第一台被 James Dyson 和他团队完全认可的成熟马达——戴森 V1 数码马达横空出世。

这款马达采用了开关磁阻技术,转速达到了惊人的每秒 1666 转。

换算过来就是 100000 转每分钟啊!

十万转啊朋友们,这还只是个开始呀。

从这之后,戴森的数码马达一代代更迭,不断在挑战自己。

2013 年的 V6 数码马达,百尺竿头更进一步,转速又被推进至 110000 转每分钟。

2018 年和今年,戴森分别推出 V10、V11 数码马达,继续挑战极限,将转速提升至每分钟 125000 转

说起来就是几个数字,但真正实现起来,戴森面临的难题一个比一个艰巨。

且听机哥慢慢说来,首先是——

精确控制

嘴上说说谁都会,不就是采用开关磁阻技术的无刷直流马达嘛。

但生活经验告诉我们,跑 100 米和跑马拉松,难度不可同日而语。

马达也是如此,当转速冲上 100000 转,定子上的电流开关变化就得做到非常迅捷且精确。

而电机上检测电流,决定何时切换数字脉冲的传感器,也不能出任何问题。

更别说后来的戴森 V9 数码马达,采用了无传感器的设计,必须通过算法来进行每秒 1900 多次的调节

想想就觉得无比艰巨。。

这还只是高转速带来的技术难点之一,解决了它,你还得考虑——

结构强度

高速转动的转子,对轴体的强度也提出了严峻考验。

就像飞速运转下的轮胎,遇到不靠谱的车轴,后果是很严重的。

以往的马达转轴,大多采用钢材料。

坚固度是够了,但戴森并不满足,他们想在保证结实的同时,还能实现轻巧。

于是,戴森 V10 数码马达用上了在 1600℃ 下固化的陶瓷材料

硬度是钢的两倍,而密度却只有钢的一半。

戴森 V10 数码马达

接下来的问题是——

噪音

即便是市面上最常见的电吹风,转速大概只有每分钟两万转,噪声都高得吓人。

而戴森爆火的吹风机 Dyson Supersonic,搭载的 V9 数码马达,转速高达 11 万转每分钟。

那噪声不得上天了?

然而用过的人都知道,戴森这款吹风机噪声控制得很好。

戴森工程师解决这个问题的方法也很秀。

V9 数码马达采用了十三个叶轮的设计,并引入“气动声学研究”

为了让气流呈直线流出,减少湍流的影响。工程师足足打造测试了 4865 个原型

经过多番调校,他们最终提高了马达内 13 个叶片叶轮的声频,使其超出了人类的听觉范围。

大大减少噪音。

解决了这一个个难题后,戴森又有了新目标——

减小体积

还是拿这款 V9 数码马达来说吧。

你猜这样一款每秒钟能推动 13 升空气的马达,体积会有多大?

答案就在下图 James Dyson 的手上。

左为戴森 V9 数码马达,右为普通马达

这款马达,转速比传统马达快 8 倍,可重量却只有传统马达的一半。

直径更是做到了 27 毫米,跟一枚硬币差不多。

再比如 2013 年的 V4 数码马达,是世界上最小的一体化 1600W 马达之一。

戴森把它用在了干手机上,嗯,就是在高端酒店里经常看见的 Dyson Airblade Wash+Dry。

想不到吧,这个长得酷似水龙头的玩意,把洗手和干手整合在了一起,可以在 14 秒内快速而有效地烘干双手。

这十几年来,戴森数码马达从第一代到 V10,功率重量比提升了三倍以上。

……

为了研发出强悍的马达,实现产品的一流水准,戴森在研发上可是下了血本。

自 1997 年以来,戴森在研发上的投入已超过 3.5 亿英镑

他们的全自动产线 Westpark 于 2012 年投入使用,截止 2018 年底,共生产了 5000 多万台数码马达,平均每 2.3 秒就能生产一台。

讲真要不是机哥深入了解了一番,还真以为戴森那些漂亮产品,是手工打磨、人工装配的呢。。

话说回来,别看戴森的产品那么好看,就想当然地以为它徒有其表。

真正拼起硬核技术,人家一点也不虚。

被誉为“家电界的苹果”,不是没道理返回搜狐,查看更多

责任编辑:

声明:该文观点仅代表作者本人,搜狐号系信息发布平台,搜狐仅提供信息存储空间服务。
免费获取
今日搜狐热点
今日推荐