吸尘器的结构和原理吸尘器的原理简述

第二章吸尘器的结构和原理第一节吸尘器的原理简述吸尘器主要由起尘、吸尘、滤尘三部分组成,一般包括串激整流子电动机、离心式风机、滤尘器(袋)和吸尘附件。一般吸尘器的功率为400~1000W或更高,便携式吸尘器的功率一般为250W及以下。近年来,为了适应各方面的需求,有的制造商研发并生产了多种新型吸尘器。新型吸尘器除提升吸力等基本性能之外,主要围绕着使用方便、节省能源、环保及减轻噪声等方面作了改进,具体品种有:强吸力式、无电源线式(用蓄电池供电)、自动卷绕电源线式、无级调速式、零排气式、多重过滤式等。然而,这些新品因成本高、售价贵,普及到家庭尚需较长时间,社会拥有量不大,故这里不作详述,但其核心部件(电机)和其他不少方面的维修原理及方法却与普通吸尘器大多相同。目前国内家庭主要使用的是普通型筒式和车式吸尘器。几年前就陆续进入了维修期,社会维修需求较大。下面就以图2.1所示的典型的筒式吸尘器为例,介绍其基本结构和原理。车式吸尘器除外形不同外,其他与筒式机大同小异。图2.1典型筒式吸尘器基本结构和原理图吸尘器主要是由工程塑料机壳、电机、叶轮、电源开关、过滤罩和吸尘接管等附件所组成。其中,电机安装在机壳的上部,机壳的下部用于收集灰尘,相当于一个集尘箱,灰尘由箱上的进风口被吸入集尘腔。叶轮又称“风轮”,通常用铝合金制成,外观如风扇叶片,但大多有5~9片旋涡状的叶片。叶轮固定在电机转轴的一端,外面装有金属防护罩。附件主要是各种塑料接管和吸刷、吸嘴。一般的吸尘器在使用时,须先将软接管的一端插入机身的进风口,并旋动至两者紧密接合;然后将弯接管与软管另一端相接,再套接上长管,配接上所需的吸刷(或吸嘴)之后,插上电源插头,按下电源开关,电机启动运转就可以吸尘了。有些吸尘器的吸尘管设计得更简洁实用,操作起来就更方便省时。为了便于吸尘器灵活移动,大多数都装有一个或多个万向轮。吸尘器能除尘,主要在于它的“头部”装有一个电动抽风机。抽风机的转轴上有风叶轮,通电后,抽风机就会以500r/s(转/秒)的转速而产生极强的吸力和压力,在吸力和压力的作用下,空气高速排出,而风机前端吸尘部分的空气不断地补充风机中的空气,致使吸尘器内部产生瞬时真空,与外界大气压形成负压差,在此压差的作用下,吸入含灰尘的空气,灰尘等杂物依次通过地毯-地板刷、长接管、弯管、软管、软管接头进入滤尘袋,灰尘等杂物滞留在滤尘袋内,空气经过滤片净化后,由机体尾部排出。由于气体经过电机时被加热,所以吸尘器尾部排出的气体是热的。吸尘器的吸尘桶内装有一个收集灰尘的盒子,尘垢便留在集尘盒里,盒子装满后,可取出用水刷洗清理。吸尘器配上不同的部件,可以完成不同的清洁工作。例如,配上地板刷,可清洁地面;配上扁毛刷,可清洁沙发面、床单、窗帘等;配上小吸嘴,可清除小角落的尘埃和一些家庭器具内的尘垢。图2.2和图2.3分别为立式吸尘器和卧式吸尘器的工作原理示意图。图2.2立式吸尘器的工作原理示意图图2.3卧式吸尘器的工作原理示意图第二节吸尘器的结构吸尘器的种类虽然很多,但基本结构大致相同。主要由电动机、风机、集尘室、滤尘器、自动卷线机构、消音部件、积灰指示器及吸尘附件等部分组成。图2.4所示为卧式吸尘器的结构图,此种吸尘器带有附件箱,当吸尘器吸尘完毕后,可将吸尘附件收藏在附件箱内,携带方便。图2.5所示为普通立式吸尘器的结构图。图2.4卧式吸尘器的结构图图2.5普通立式吸尘器的结构图一、电动机吸尘器所采用的电动机为单相交直流两用串激电动机,它的特点是:转速高(20000~28000r/min),体积小,启动力矩大,且转速可调,又可以在单相交流电源上使用,因而吸尘器都使用这种电动机。电动机的结构如图2.6所示,它主要由定子、电枢、刷握、轴承盖及机壳等组成。图2.6电动机的结构1.定子定子是电动机的固定部分,由定子铁芯和激磁绕组组成,它的作用是产生磁通,同时也作整个电机的支承。定子铁芯如图2.7所示,由磁导率很高的硅钢片冲制而成。冲片需进行叠装,一般采用外压装叠方法,即以定子叠片内圆和槽口为基准定位加工,然后用扣片扣紧,用铆钉铆接或用氩弧焊焊牢。外压装叠法可使定子铁芯前的误差都集中到外圆上,从而保证了铁芯内圆面和槽面的精度。激磁绕组如图2.8所示,由高强度聚酯漆包线绕制而成。当激磁绕组内通电后,便在定子内产生旋转磁场,使电枢转动。图2.7定子铁芯图2.8激磁绕组2.转子转子又称“电枢”,是电动机的转动部分。由转轴、铁芯、电枢绕组和换向器(也称“整流子”)等组成,如图2.9所示。电枢的作用是产生电磁转矩,将电能转变为机械能。图2.9转子的结构电枢的转轴采用阶梯轴,以便于安装铁芯、换向器和轴承。图2.10所示为电枢转轴的结构。其换向器挡(滚花)部位压入换向器,铁芯挡部位则压配铁芯。图2.10电枢转轴的结构电枢铁芯由厚0.5mm(毫米)的铁芯冲片(见图2.11)沿轴向叠装后与转轴压入配合,冲片的槽型为半闭口槽,叠装后的铁芯槽一般与轴的轴线相平行。也可以叠装成斜槽形式,即槽与轴的轴线成一角度,斜槽结构可使极面和电枢间的磁阻变化变小,在运转时可减小电动机的噪声。但斜槽结构工艺要求较高,要求斜槽角度必须准确,其斜度误差一般不得大于0.5°。在铁芯槽内嵌置绝缘材料后,再绕入线圈,线圈的引出端与换向器的换向片相焊接,再经过绝缘处理及调整良好的动平衡。换向器由换向片、云母片、塑料组成,如图2.12所示。换向器是由许多铜片围成的一个圆柱体,铜片也称“换向片”。换向片之间用云母片进行绝缘。换向片一端开有半圈槽,用塑料压制后使各换向片紧固在一起。换向片之间互相绝缘,换向片与电枢轴绝缘,而且可以承受高速旋转而不变形。图2.11电枢铁芯的冲片图2.12换向器的组成换向器转动时,使电刷的电能轮流分配到相应的绕组,因而电能的流向不断在改变,故称为“换向器”。目前,串激电动机的换向器结构形式有半塑料和全塑料两种。全塑料换向器是在换向片之间采用耐弧塑料绝缘。采用塑料换向器的优点是:使换向器绝缘结构简化,省去了许多紧固件;由于采用塑料压制件,换向片的V形槽不必再切削加工,简化了机械加工工艺;使换向片配合紧密,换向器整体性好,电气绝缘性能得到了提高。串激电动机要取得良好的换向效果,换向器质量的好坏是十分重要的,要求换向器圆柱体的表面光滑,没有凹凸不平的缺陷,并应与轴承同心,以保证换向器在正常负荷下运行时能承受25m/s(米/秒)的线速度,在空载时能承受71m/s的线速度。3.刷握刷握由电刷、电刷架、电刷座、弹簧等组成。刷握的结构应保证电刷在换向器上有准确的位置,能正常地工作。电刷与电刷座之间应保持适当的间隙。间隙过大,会引起电刷在电刷座中产生晃动;间隙过小,则易因积尘而发生卡住现象。弹簧的作用是保证电刷在径向上有一定的压力,其压力为(200~400)×98.066Pa(帕),以使电刷在准确的位置上与换向器保持紧密的接触,从而使接触电压保持恒定。此外,为了保持电刷在刷座中的稳定性,电刷座离换向器表面距离不宜过高,2mm左右即可。刷握的结构形式可分为两种:盒式和管式。盒式刷握如图2.13所示,具有结构简单、加工精度要求低以及调节方便等优点,但刚度差,容易变形。这种刷握由于弹簧的摩擦力大,不宜在高速及震动大的场合应用,而且电刷的粉末容易进入刷座,影响电刷的正常滑动。图2.13盒式刷握图2.14管式刷握管式刷握如图2.14所示,可靠性好,不易变形,比较耐用,而且电刷长度可以延伸以延长使用寿命,一般吸尘器电动机均采用管式刷握结构。电刷座用黄铜皮制成,电刷架由耐热性高、不易变形的酚醛塑料制成。电刷架安装固定在机壳上。电刷常称为“碳刷”,它除了沟通电枢与外电路外,还起换向作用。电刷从材料上可分为四类:铜石墨电刷、碳石墨电刷、石墨电刷和电化石墨电刷。一般来说,碳石墨电刷最硬,接触电阻最大,其次是石墨电刷及电化石墨电刷,铜石墨电刷硬度最差,接触电阻最小。4.机壳及轴承盖这部分机械主要用来安装定子和电枢,是电动机的支承部分。机壳和轴承盖均采用薄钢板冲压而成。两者的配合应使定子和电枢同心,以保证电动机正常运行。有些电动机没有机壳,结构更为简单,以定子铁芯作为装配定位的基准,两头配置轴承盖,但此种结构对定子冲片精度及铁芯叠压工艺要求较高。吸尘器电动机主要技术参数见表2.1。表2.1吸尘器电动机参数技术参数功率/W电压/V定子外径/mm定子内径/mm铁芯长度/mm电枢槽数定子每极匝数电枢每元件匝数换向器换向片数定子线规/mm电枢线规/mm170220563135929744270.310.213702206334161219225240.440.316202208847212216024220.50.358002209548281220018240.60.410002209548341216018240.70.5二、风机吸尘器风机是高(静)压头、小流量,转速为20000~28000r/min的离心式风机。1.风机的工作原理与一般离心式通风机的工作原理基本相同,如图2.15所示。当叶轮高速旋转时,叶轮中各部分空气也被带动一起旋转。此时,在叶轮中心处的空气因受到离心力的作用将被抛向叶轮的边缘,在叶轮中心处便形成了真空。于是,外部的空气在压差的作用下,不断地流入,补充到叶轮中心处,这样就使风机具备了吸入空气的能力。由于空气在旋转中离开叶轮叶片的速度远远大于叶轮周围空间的气流速度,这使得气体在运动中有部分动能转变为静压能。在动能转变为静压能的过程中,风机的风罩空间呈现正压,从而使风机具备将气体转入导轮中的能力,并在导轮中再将部分动能转变为静压能,然后流入电机,同时给电机散热,最后经出口压出。图2.15离心式风机的工作原理2.风机的主要性能指标①风量风机在单位时间内所流过的空气量,用体积流量Q来表示,单位为:m2/s(米2/秒)。②静压头风量为Q的风机工作时,在吸入端所形成的真空度,以风压H表示,单位为:Pa。③吸入功率单位时间内在风机吸入端所具有的能量。由图2.16可以看出,吸入功率P是以空气流量Q和相应的真空度P0的乘积来表示的。吸入功率P的大小可以通过改变风量Q及真空度Pa的大小来进行调节。对于每一个Q值,就有一个对应的H及P值,即𝑃=𝑄·𝑃a式中P——吸入功率,W;Q——空气的流量,m3/s(米3/秒);Pa——与Q相对应的真空度,Pa。图2.16风机的性能特性曲线理想的真空吸尘器性能是具有强的空气流量和真空压力,但实际上这两者之间是相互矛盾的,不可能同时由这两方面来评价吸尘器的性能指标。因此,采用吸入功率来评价真空吸尘器,这与IEC定义的最大空气功力来评价真空吸尘器是一致的。④轴功率吸尘器电动机带动风机在额定频率、额定电压运行正常和稳定的情况下,所测得的功率。由于在吸尘器中风机被直接安装在电动机轴上,因此轴功率就是电动机的输出功率。⑤效率由于风机在转动中有一部分能量为内部所消耗,因此风机的轴功率不可能全都转变成有效功率。风机的效率η可用下式进行计算,即𝜂=𝑃𝑊=𝑄×𝑃a𝑊s×𝜂m×104%式中P——吸入功率,W;W——电动机输出功率,W;Ws——电动机输入功率,W;ηm——电动机的效率,%;一般取30%~35%。3.风机的结构由叶轮、导轮及风罩等部分组成,如图2.17所示。叶轮安装在电动机轴上,由电动机直接带动,导轮与风罩都固定在电动机轴承盖上。图2.17风机的结构组成叶轮由面板、叶片及底板铆接而成。叶轮根据叶片出口角度大小的不同,可分为前向式、径向式及后向式三种,如图2.18所示。在叶轮圆周速度相同的情况下,叶片出口角α越大,则产生的压头越高。在同样大小和同样转速的情况下,前向式叶轮的压头比后向式叶轮的压头高,径向式居中,但后向式叶轮的流动效率要比前向式和径向式叶轮好。图2.18前向式、径向式及后向式叶轮图2.19所示为三种形式叶轮风机性能的比较。由图中可以看出,当流量Q超过某一数值时,后向式叶轮风机的轴功率N具有下降的趋势,表明它具有不可超负荷的特性;而径向式叶轮与前向式叶轮风机的轴功率N随流量而增大,具有超负荷的特性。因此,选用不具有可超负荷特性