1、1201.1 家用吸尘器的原理吸尘器是现代家庭中受到人们广泛喜爱的清洁用具，传统的用具清扫房间往往不能将家里的微细尘埃清扫干净，尘埃总是从一处转移到另一处，尤其是地毯窗帘等处的灰尘就更难以清除，利用吸尘器来做清洁工作就无此弊。吸尘器不但可以清洁地面，也可以用来清洁一般的器具难以清洁的地方，如沙发，墙壁等。吸尘器在工作时要经过起尘、吸尘和滤尘三个阶段。吸尘器一般包括吸尘器电机和风机（电机多为串激整流子电动机、风机是离心式风机）、机身、吸尘管（手持式吸尘器的机身和吸尘管常联为一体）控制电路、滤尘器（袋）和吸尘附件。一般吸尘器的电机工作功率为 400-1000W，体积大一些的吸尘器的功率更高一些，而
2、便携式吸尘器的功率则一般为 250W 以下，吸尘器工作时靠电动机高速驱动风机叶轮旋转，使空气高速排出，而风机前端吸尘部分的空气不断地补充风机中的空气，使吸尘器内部产生瞬时真空，和外界大气压形成负压差；在此压差的作用下，吸尘器吸入含灰尘的空气，并经滤尘器过滤，排出清净的空气。负压差越大风量越大，则吸力也越大，而这时的电机工作功率也就越高。所以吸尘器也叫真空吸尘器。真空吸尘器由于应用广泛，特别是为了可以用于不同的场地和场所，需要配置不同规格的吸头，这样可分别用来清除地毯、衣物、沙发、各种物品及电子仪器上的尘屑，使用十分方便。当然，也有一些是专门设计或专用型吸尘器。1.1.1 家用吸尘器的分类1.按
3、形状大小分类（1）立式：呈圆桶形或方形居多，分上、下两部分，上部装有电机，是动力部分，下部为集尘箱。（2）卧式：长方形或车型状，有前后两部分，前部为集尘箱，后部为电机部分。 （3）便携式，它一般有五种形式 1) 肩式：体积较小，使用时背在肩上，小功率输出。 2) 杆式：形状似杆，上端为把手，下端为吸嘴，小功率输出。 3) 手提式：体积更小，可直接握在手中使用，小功率输出通常用干或蓄电池做电源。 4) 微型式：多用电池供电，体积更小，多用于清洁衣物、仪器等，微功率。15) 无绳式: 吸尘器拖着长长的电线, 极易纠缠不清。倘若是无绳式的吸尘器，则可以避免上述情况的发生。2.按功能分类按功能大致有以
4、下种：干式干湿两用式地毯式及打蜡吸尘式。干式吸尘器就是上面介绍的几种吸尘器。干湿两用式吸尘器具有与干式吸尘器相同的性能和用途，此外还能吸取肥皂之类的液体或多水性泡沫污物。地毯式主要用于地毯的清洁。打蜡式吸力较差，主要以打蜡为主。3.按电器安全分类（1）类吸尘器，额定电压超过 42 伏，只有基本绝缘。（2）类吸尘器，额定电压超过 42 伏，全部为双重绝缘，当基本绝缘破坏时，还有一层补充绝缘作用。（3）类吸尘器，额定电压低于 42 伏，避免了触电危险。1.2 全自动吸尘器工作原理智能吸尘器吸尘器的工作原理是，利用电动机带动叶片高速旋转，同时使吸尘部分内空气不断地补充进风机。致使吸尘室内产生瞬时真空
5、，和外界大气压形成负压差，在此压差的作用下，吸入的尘埃、脏物随空气，经过滤尘器过滤，将尘埃、脏物收集与尘筒内。负压差越大，风量越大，则吸尘能力也越大。智能吸尘器工作原理如下:智能吸尘器的种类虽然很多，但是结构大同小异，都是由壳体、电机、自动充电座、2虚拟墙发射器、感应头、开关、电动刷、垃圾盒等组成。 智能吸尘器各部分的作用是： 1、壳体保护内部机件；2、电机吸尘器电机是吸尘器的心脏，产生吸力；3、自动充电座让主机自动充满电；4、虚拟墙发射器定时预约清扫功能，虚拟墙会发射红外线形成一款堵虚拟的墙，按您的意愿来为您清洁地面；5、感应头 对家中的强体，柱体进行感应，是智能吸尘器机器人的眼睛；6、开关
6、控制机器的工作状态；7、螺丝固定机件；8、电动刷清洁地面等；9、垃圾盒存放灰 尘 。结构分析345壳体保护内部机件；6电机吸尘器电机是吸尘器的心脏，产生吸力；吸尘器电机（VACUUM CLEANER MOTOR）是吸尘器的心脏，吸尘器电机的主要种类有：干吸吸尘器电机（THRU-FLOW），干湿吸尘器电机（BY-PASS）。 吸尘器电机由两部分构成：电机部分和风机部分，由于吸尘器电机对转速要求很高，一般在 20000-30000 转每分钟，故电机主要采用的是串激类电机，又称为串励电机。串 激 电 机1串 励 电 动 机 的 定 义 : 定 子 励 磁 绕 组 和 电 枢 (转 子 )绕 组 为
7、串 联 ,既 可 通 直 流 又 可 通 交 流 电 ,具 有 换向 器 换 向 的 电 动 机 . 串 励 电 动 机 的 基 本 结 构 : 串 励 电 动 机 主 要 是 由 定 子 ,转 子 ,前 、 后 端 盖 (罩 )及 散 热 风 叶 组 成 .定 子 由 定子 铁 芯 和 套 在 极 靴 上 的 绕 组 组 成 ,其 作 用 是 产 生 励 磁 磁 通 ,导 磁 及 支 撑 前 后 罩 ;转 子 由转 子 铁 芯 ,轴 ,电 枢 绕 组 及 换 向 器 组 成 ,其 作 用 是 保 证 并 产 生 连 续 的 电 磁 力 矩 ,通 过 转轴 带 动 负 载 做 功 ,将 电 能
8、 转 化 为 机 械 能 ; 前 后 罩 起 支 撑 电 枢 ,将 定 、 转 子 连 结 固 定 成一 体 的 作 用 . 其 中 转 轴 ,前 、 后 罩 要 有 足 够 的 强 度 ,以 防 电 枢 与 罩 发 生 共 振 现 象 ,引 起振 动 和 危 险 .一 般 前 、 后 罩 内 有 滚 动 或 滑 动 轴 承 . 了 解 了 串 激 电 机 的 基 本 结 构 后 ， 再 回 到 吸 尘 器 电 机 的 风 机 部 分 ， 风 机 部 分 主要 有 两 个 主 要 部 件 ： 动 叶 轮 和 定 叶 轮 ， 动 叶 轮 主 要 是 产 生 风 ， 当 动 叶 轮 以 20000
9、-30000 转 每 分 钟 的 高 转 速 进 行 旋 转 时 ， 进 风 口 处 会 产 生 负 压 形 成 真 空 ， 进 而 形 成 吸 力 ；定 叶 轮 ， 又 称 为 导 风 轮 ， 主 要 作 用 是 使 得 动 叶 轮 产 生 的 风 量 更 加 平 顺 的 释 放 出 去 ， 定叶 轮 风 道 的 好 坏 ， 直 接 影 响 吸 尘 器 电 机 的 效 率 。 7干 湿 吸 尘 器 电 机吸 尘 器 电 机 的 应 用 范 围 ： 各 种 家 用 工 业 用 干 吸 吸 尘 器 ， 干 湿 两 用 吸 尘 器 ， 中 央 吸尘 器 ， 工 业 吸 尘 器 以 及 各 种 类
10、型 的 扫 地 机 。 其 实 ， 吸 尘 器 电 机 不 局 限 于 应 用 在 吸 尘 器上 ， 例 如 泡 泡 浴 ， 喷 漆 ， 舞 台 人 工 雪 花 ， 农 业 机 械 等 等 需 要 吸 力 的 设 备 。8自动充电座让主机自动充满电；虚拟墙发射器定时预约清扫功能，虚拟墙会发射红外线形成一款堵虚拟的墙，按您的意愿来为您清洁地面；9感应头 对家中的强体，柱体进行感应，是智能吸尘器机器人的眼睛；10开关控制机器的工作状态；螺丝固定机件；电动刷清洁地面等；11垃圾盒存放灰 尘 。今年来,随着中国工业的快速发展,吸尘器的产销量也大幅增加,在我国市场具有旺盛的生命力。随着设会的进步和发展,
11、人们的物质和精神生活质量的提高,迫切需要从繁重的清洁工作中解脱出来由此诞生了一种家用服务型吸尘机器人,它将移动机器人技术和吸尘技术有机地融合起来,实现家庭、宾馆、写字楼等室内环境的半自动或全自动清洁,因此具12有广阔的市场前景。目前在欧美日等发达国家,吸尘机器人开发较早,应用范围也较广,近两年来,已经开发出多种面向市场的智能吸尘机器人。澳大利亚某公司研制出可自动行驶并打扫房间的型机器人这种全自动吸尘器表面光滑,体积很小,呈圆形,内置搜索雷达,可以搜索各种房间里的每一处,不会碰撞家具或其它障碍物。微处理小电脑使它具备在拐至屋角处能探测方向、选择前进路线的能力。只要将全自动吸尘器放在地面上,它便可
12、自动开始工作。其搜索雷达会探测出距离最近的墙壁,先顺着墙壁把地板四周的灰尘及异物吸尽;然后再不规则地来回移动于房间的其它位置,并且能在接近障碍物之前迅速转向。该吸尘机器人由于在主机的周围配备了障碍物传感器,因此可以在检测墙壁及障碍物的同时打扫地面; 当打扫完可以行驶的场所后,机器人就自动关闭电源。不管房间的外形及面积的大小、导航算法引导机器人在任何房间的所有无遮掩区域四处运动来进行清洁工作,因为机器人导航沿房间的周围,所以它要创建自己的空间参考图,机器人不需要任何编程“教它应该去哪里” 。该机器人操作简单,仅有个按钮: 开始、结束以及暂停,人们只要简单地将它放置在需要清扫的区域或房间中,按下开
13、始按钮即可。国内目前也已开始有关的研究开发工作,特别是在移动机器人的运动规划与控制方面取得了一定的成就,为研究开发吸尘机器人奠定了技术基础。吸尘机器人作为服务机器人领域中的一个新产品,将使人们能在无人看守情况下轻松地完成室内环境的吸尘等清洁工作。因此,该吸尘机器人如能大批量生产使成本降低,以低价格进入市场,将会具有巨大的市场前景,有关资料也预测吸尘机器人是未来几年需求量最大的是服务机器人。1.3 全自动吸尘器的发展前景尽管目前国内外在吸尘机器人研究开发方面已取得一定的成果,但成本过高和许多关键技术问题急待解决。 目前,价格过高是严重影响吸尘机器人打入家电市场的主要因素,为了大幅度降低其成本,必
14、须开发智能传感器、专用运动控制的数字处理芯片;其次,应该看到蓝牙技术在家电行业的应用前景,通过采用蓝牙技术将过高的数字处理成本转移到用户的个人电脑上,则有望在短期内将吸尘机器人的成本降低在千元左右。未来的吸尘机器人将向自主式和人工智能化发展,因此必须结合现有的基于自适应控制、预测控制、模糊逻辑、神经网络等移动机器人运动规划和控制技术,研究对环境障碍物具有安全可靠的防碰撞功能的智能运动规划与控制器及高效的传感器融合算法,是在现实环境中实现具有良好的自适应性和鲁棒性行为的机器人的关键。13电源技术是吸尘机器人研究工作的核心问题之一,除了为机器人运动、吸尘及控制电路提供能量外,还需优化自动充电方案,
15、保证机器人能及时进行充电,能够自动完成对指定环境的吸尘任务。在研究提高化学电池使用寿命、缩小体积的同时,一种新兴的质子交换膜燃料电池具有功率大、能量高、寿命长和体积小等优点,为移动电源提供了一种合适的电源,目前,上海某大学燃料电池研究所在这方面进行着有益的尝试。随着吸尘机器人关键技术和性能价格比的不断提高或改进,相信在现有的软硬件条件的基础上,未来几年内就会推出价格适中的全自动吸尘机器人产品,进而使吸尘机器人能像普通家电产品一样走进千家万户,为这一高新技术产品带来可观的市场和经济效益。1.1.2 全自动吸尘器的主要优缺点一.优点：吸尘器主要优点作用：有计算机系统、导航系统、感应系统、机械系统、
16、记忆系统、自救系统，利用自动吸尘、拖地、净化空气几大功能同步进行清洁。（1） 、省时、省力，整个清洁过程全部自动控制，减轻您操作负担，让您有更多的时间陪家人、看电视。（2） 、低噪音：噪音控制在 60 分贝以下，有别于其他家用吸尘器产生的震耳噪声，清洁房间的过程中便您免受噪音之苦。（3） 、净化空气：内置特制过滤器，粉尘净化率高达 96, 吸尘过滤效率 100%。（4） 、轻便小巧：扁平设计，能轻松打扫普通吸尘器清理不到的死角。 （与汽车方向盘大小相似）其他作用：1、 收 藏 物 品 时 使 用 。季 节 变 更 时 收 藏 被 褥 等 物 品 由 于 占 用 储 藏 空 间 大 、 保 管
17、不 当 易 蛀 。 如 果 将 它们 放 入 定 制 的 塑 料 密 封 袋 ， 再 用 吸 尘 器 将 袋 内 空 气 抽 掉 密 闭 扎 紧 ， 不 仅 可 以 大 节 省 储藏 空 间 ， 而 且 也 不 易 受 潮 霉 变 。 142、 找 寻 细 小 物 品 。居 家 生 活 难 免 会 不 慎 跌 落 诸 如 纽 扣 、 药 片 、 瓶 盖 、 缝 衣 针 等 细 小 物 品 ， 借 助吸 尘 器 就 能 毫 不 费 力 地 找 到 。 使 用 前 ， 可 先 将 吸 尘 器 的 吸 管 口 用 一 层 薄 纱 布 包 扎 好 ，再 根 据 物 品 大 小 选 择 适 当 的 风
18、力 ， 随 后 接 通 电 源 用 吸 管 口 在 落 物 处 周 围 来 回 滑 动 ， 跌落 的 物 品 很 快 就 会 吸 附 到 纱 布 上 。 3、 清 洁 电 器 除 尘 。利 用 吸 尘 器 也 可 以 对 诸 如 电 视 机 、 影 碟 机 、 电 脑 、 键 盘 、 音 响 、 空 调 机 等 电器 进 行 日 常 保 养 ， 清 除 电 器 内 外 的 灰 尘 。 除 尘 时 ， 应 先 将 电 器 的 电 源 插 头 拔 掉 ， 按 说明 书 将 电 器 外 壳 打 开 卸 下 ， 选 用 合 适 形 状 的 吸 管 伸 进 电 器 内 部 将 灰 尘 清 除 ， 然 后
19、 再 用电 吹 风 驱 除 潮 气 ， 最 后 再 将 外 壳 装 好 恢 复 原 状 即 可 。二 缺 点 ：1 噪 音 较 大 。2.吸 尘 器 容 易 散 发 异 味 污 染 空 气 。3.经 常 要 清 洗 储 尘 袋 拆 卸 繁 琐4.使 用 过 程 容 易 两 次 污 染 出 气 过 滤 纸 需 要 合 理 改 进 。5.一 般 只 能 干 用 碰 到 水 后 容 易 损 坏 电 机 和 电 路 板 吸 尘 器 效 果 也 不 好 。 使 用有 一 定 的 局 限 性 。6.一 般 不 能 长 时 间 的 连 续 使 用 有 损 寿 命 。 1.1.3 第 4 章 全自动吸尘器的改
20、进最主要的改进应该是在产品的功能方面，通过降低产品配件或者是其他相关部件的成本，来降低整个产品的成本。我从中了解到吸尘器的不足如下：15具体的措施可以有以下几种方案：1、改变外壳的材料，使用较低廉环保的材质，使噪音的音量减低，达到最优化成本与低廉的目的。 。2、将智能吸尘器的发射器做得更娇小便捷或将她与机身融合，整合产品的结构，使产品的成本降下来。降低噪音的分析改进：噪声主要分为三大类，即振动噪声、气动噪声和电磁噪声，其中：固体的振动导致声能的产生和辐射，属于结构件噪声范畴。由湍流和非定常流诱导的压力波动引起的流体流动诱导噪声，属于气动噪声范畴。气动声源不易识别，有意义的区域一般在流体流动自身
21、的内部，而且包含声源。这些噪声源在不断地生成或随流动在对流，通常实验很难获取设计相关的指导数据确定噪声源 01 整机 63.7 02 拆除毛刷 59.3 03 拆除毛刷、拆除灰尘盒 57.504 灰尘盒风机停止运行 62.9 5 灰尘盒风机停止运行、抬起机器人 5806 灰尘盒风机停止运行、更换毛刷 64.8 07 毛刷停止运行 56.7毛刷噪声主要是在毛刷传动机构的避振上。因为毛刷为旋转工作部件，不论是新机或者是工作一段时间后的脏机，旋转部件的动不平衡，将导致整个旋转传动部件的振动，这些传动机构的振动，传递到整机机壳上，会使机壳成为一个大的振动发声体，产生较大的噪声。另外，机械振动引起的噪声
22、问题，可以通过结构件的优化改进来得到明显改进，工作难度不高，比较容易获得明显效果。 针对振动问题，可拟的解决方案是避振。将旋转工作部件部分在使用悬挂部件连接的基础上，使用柔软的橡胶材料与整机客体进行隔离。这么做的目的是减轻该振动部件与机壳的敲击发声；并且降低机壳的振动，减轻机壳上的振动发声。还可以采用低转速大扭力的电机，以降低齿轮机构的降速比，减少传动齿轮个数，降低齿轮机构的振动和噪声。4.3 吸尘盒风机噪声仿真及降噪优化 针对吸尘器风机噪声，由于采用传统比较难获取能够用于指导风机设计的数据依据，本文采取 CFD 分析的方法，首先分析风机的工作状态，寻找气动噪声源，在保证灰尘盒压降的前提下，可
23、以采取降低过滤网件风阻的方法，降低风机上的压升负荷，从而达到改善风机工作工况，并降低噪声的目的。 前处理中建模主要是建立灰尘盒风机系统以及整个空气流道的求解域，这里是空气流动区域，是气动噪声的主要来源，求解域的模型及网格划分如图 4.1 和 4.2 示。 16图 4.1 扫地机器人的 CAD 模型 图 4.2 空气流道建模图及网格生成 采用滑移网格（Moving mesh）技术的三维非定常（二阶隐式）计算；压强-速度耦合采取二阶迎风格式；使用 RNG k-epsilon 湍流模型，增强壁面处理；噪声源的分析使用宽频噪声源分析方法（Broadband Noise Sources） 。 对于过滤网
24、，采取多孔介质方法来处理，包括一层过滤支架的过滤网、进口出的过滤海绵17图 4.4 和图 4.5 分别为风机的静压分布和通过转轴平面的噪声源强度分布。从图4.4 风机的静压等值线分布可以看到由于风机入口过滤网支架出的气流流道截面积偏小，导致气流高速通过该处再进入风机入口，由此，在这里产生了较大的总压损失。那么，要求灰尘盒压力达到需要的压力值时，风机必须提供很高的压升，才能弥补风机系统入口损失的总压，因此风机的工作压力负荷较大图 4.6 原机风叶截面速度矢量分布及风叶截面速度矢量分布局部放大图，当风机工作在在高压升要求下的小流量和高转速的工况下，从速度矢量图可以观察到风机叶栅内的气流分离比较严重
25、，分离涡占据了较大的叶栅通道。这些分离涡是重要的气动噪声源。从噪声源的强度分布图可以观察到气动噪声源主要分布在风叶流道内。 由以上分析，可以提出有针对性的改善措施： 1、降低风机安装位置高度，增加入口流通面积； 2、降18低风机转速； 3、在不降低防尘效果的前提下，减少过滤网。 以上三条措施综合使用，可以适当增加流量，并在保证灰尘盒负压的前提下，减轻风机上的压升负荷，减少并尽可能消除叶栅通道中的大分离涡，从而能够降低噪声源强度，最终达到降低灰尘盒风机系统噪声的目的。 根据仿真结果，优化计算方案为拆除出口过滤网，并将风叶工作转速由 6800rpm 降低至 5500rpm。下表统计了原机和优化后方案的风道参数统计：
