像機哥這一代風華正茂的男青年。

在孩童時期，大多都迷戀過一部動畫——《四驅兄弟》。

除了在中二的年紀，喊出那句中二的台詞“沖吧，旋風沖鋒”。

我們還收獲了人生當中第一款屬于自己的馬達。

還記得當時還流行組裝馬達，機哥自己繞線，裝磁鐵。

可以說，這波随動畫流行起來的 DIY 熱潮，給了當時的孩子們，探究電動機最初的啟蒙。

機哥也是從那時候起，知道了一個馬達最基本的組成：

要有帶磁鐵的馬達外殼。

還有要有個繞着漆包線能轉動的裝置。

不過它為什麼會轉呢？以那個年紀的知識水平，還不能理解。

慢慢地，這批孩子們漸漸長大，步入校園。

為了上下學代步，他們擁有了自己的第一輛車——電動車。

電瓶車、小綿羊、小電驢，雖然叫法各異。

但它們的核心都是一顆放大版的四驅車馬達。

與此同時，我們在課堂裡學到了電流的磁效應。

離搞明白馬達轉動的原理更近了一步。

後來，我們成年了，生活當中能接觸到的馬達就更多了。

比如，小青年的大玩具——無人機，就是靠馬達驅動四旋翼旋轉，讓飛機飛上天空。

再比如，家中的電風扇，也是靠電機驅動扇葉，帶來涼風。

小到電動牙刷，中到吸塵器，大到電動汽車。

男人的剃須刀，女人的吹風機，老人的代步車。

哪裡需要旋轉，哪裡就有馬達的身影，這是你一輩子的繞不開的東西。

那麼問題來了，這樣一個每天都會接觸到的東西，到底是怎麼轉起來的呢？

機哥覺得有必要給大家科普一下馬達（電動機）的原理了。

這一切，要從 1820 年說起。

當時丹麥有一名物理學家，叫奧斯特（Ørsted）。

他基于前人的啟發，無意間發現，通電的導線會對磁體産生一種規律性的橫向作用力。

具體來說，就是通電導線正下方的磁針，會根據電流方向的不同，産生不同磁極的微微跳動。

當時的奧斯特大概不會想到，這為電動機的發明，打開一扇大門。

同年九月，法國物理學家安培（Ampère），在奧斯特研究的基礎上，擴展了實驗。

安培把單個導線換成了通電的線圈，最後把電流産生磁場的規律，總結了一番。

物理學上稱作“安培定則”，又叫“右手螺旋定則”。

上面這張圖解釋得很清楚，同四指方向的電流，能産生 N 極同拇指方向的磁場。

好，有了理論基礎，接下來說說馬達的原理。

為了更好理解，機哥就拿直流電機中，結構最簡單的一種來講解。

直流電機最核心的兩個部件，分别是“定子”和“轉子”。

如上圖所示，定子提供恒定磁場，而中間的轉子通電。

我們拿右手螺旋比一比，發現通電後的轉子會産生一個 N 極朝下的磁場。

異極相吸同極相斥，迫使轉子順時針轉動。

那麼肯定有人會問了：不對啊機哥，當轉子移動到豎直狀，磁極穩定下來不就停了？

嘿，這就要說到馬達設計的巧妙之處了。

你們注意轉子的根部，有兩個特别的小玩意：換向器和電刷。

當轉子轉過 180° 之後，換向器和電刷的連接會互相交換。

轉子電流産生的磁場方向立馬颠倒，同極相斥異極相吸，迫使它繼續轉下去。

是不是很巧妙~

當然了，機哥介紹的隻是結構最簡單的有刷直流電機。

真正細究下去，電動機的種類和原理，花三天三夜都說不完。

但不管是哪種啦，一款馬達最重要的技術指标，當然是“轉速”。

為了提高這項核心指标，人們也是絞盡了腦汁。

機哥上面所介紹的有刷電機，因為電刷和換向器的接觸，不可避免地會給轉動帶來損耗。

快到一定程度還會産生火花，嚴重限制了馬達轉速的提高。

于是，人們又發明了“無刷直流電機”。

簡單來說，無刷電機把恒定磁場放到了轉子上。

通過改變定子上的電流，來牽引轉子運動。

這樣，無刷電機便成功去掉了“電刷”這一結構，得以實現更高的轉速。

如今的馬達轉速一般可以達到多少呢？

機哥列舉幾個數字：

傳統馬達轉速一般能達到每分鐘 25000 轉。F1 汽車馬達轉速為每分鐘 19000 轉。而噴氣式馬達轉速是每分鐘 17000 轉。

聽起來還不錯吧，當大家在為兩三萬轉的成績沾沾自喜的時候，行業内有個近乎 Bug 般的玩家出現了。

它的名字你們也很熟悉——

戴森

機哥以前曾經跟大家介紹過戴森的創始人，James Dyson。

與其說他是戴森公司的老闆，倒不如說他是個強悍的發明家。

20 年前，James Dyson 對市面上數碼馬達技術的功率和效率不滿意，便決定自己做。

不幹不知道，一幹吓一跳。

2004 年，第一台被 James Dyson 和他團隊完全認可的成熟馬達——戴森 V1 數碼馬達橫空出世。

這款馬達采用了開關磁阻技術，轉速達到了驚人的每秒 1666 轉。

換算過來就是 100000 轉每分鐘啊！

十萬轉啊朋友們，這還隻是個開始呀。

從這之後，戴森的數碼馬達一代代更疊，不斷在挑戰自己。

2013 年的 V6 數碼馬達，百尺竿頭更進一步，轉速又被推進至 110000 轉每分鐘。

2018 年和今年，戴森分别推出 V10、V11 數碼馬達，繼續挑戰極限，将轉速提升至每分鐘 125000 轉。

說起來就是幾個數字，但真正實現起來，戴森面臨的難題一個比一個艱巨。

且聽機哥慢慢說來，首先是——

精确控制

嘴上說說誰都會，不就是采用開關磁阻技術的無刷直流馬達嘛。

但生活經驗告訴我們，跑 100 米和跑馬拉松，難度不可同日而語。

馬達也是如此，當轉速沖上 100000 轉，定子上的電流開關變化就得做到非常迅捷且精确。

而電機上檢測電流，決定何時切換數字脈沖的傳感器，也不能出任何問題。

更别說後來的戴森 V9 數碼馬達，采用了無傳感器的設計，必須通過算法來進行每秒 1900 多次的調節。

想想就覺得無比艱巨。。

這還隻是高轉速帶來的技術難點之一，解決了它，你還得考慮——

結構強度

高速轉動的轉子，對軸體的強度也提出了嚴峻考驗。

就像飛速運轉下的輪胎，遇到不靠譜的車軸，後果是很嚴重的。

以往的馬達轉軸，大多采用鋼材料。

堅固度是夠了，但戴森并不滿足，他們想在保證結實的同時，還能實現輕巧。

于是，戴森 V10 數碼馬達用上了在 1600℃ 下固化的陶瓷材料。

硬度是鋼的兩倍，而密度卻隻有鋼的一半。

戴森 V10 數碼馬達

接下來的問題是——

噪音

即便是市面上最常見的電吹風，轉速大概隻有每分鐘兩萬轉，噪聲都高得吓人。

而戴森爆火的吹風機 Dyson Supersonic，搭載的 V9 數碼馬達，轉速高達 11 萬轉每分鐘。

那噪聲不得上天了？

然而用過的人都知道，戴森這款吹風機噪聲控制得很好。

戴森工程師解決這個問題的方法也很秀。

V9 數碼馬達采用了十三個葉輪的設計，并引入“氣動聲學研究”。

為了讓氣流呈直線流出，減少湍流的影響。工程師足足打造測試了 4865 個原型。

經過多番調校，他們最終提高了馬達内 13 個葉片葉輪的聲頻，使其超出了人類的聽覺範圍。

大大減少噪音。

解決了這一個個難題後，戴森又有了新目标——

減小體積

還是拿這款 V9 數碼馬達來說吧。

你猜這樣一款每秒鐘能推動 13 升空氣的馬達，體積會有多大？

答案就在下圖 James Dyson 的手上。

左為戴森 V9 數碼馬達，右為普通馬達

這款馬達，轉速比傳統馬達快 8 倍，可重量卻隻有傳統馬達的一半。

直徑更是做到了 27 毫米，跟一枚硬币差不多。

再比如 2013 年的 V4 數碼馬達，是世界上最小的一體化 1600W 馬達之一。

戴森把它用在了幹手機上，嗯，就是在高端酒店裡經常看見的 Dyson Airblade Wash Dry。

想不到吧，這個長得酷似水龍頭的玩意，把洗手和幹手整合在了一起，可以在 14 秒内快速而有效地烘幹雙手。

這十幾年來，戴森數碼馬達從第一代到 V10，功率重量比提升了三倍以上。

……

為了研發出強悍的馬達，實現産品的一流水準，戴森在研發上可是下了血本。

自 1997 年以來，戴森在研發上的投入已超過 3.5 億英鎊。

他們的全自動産線 Westpark 于 2012 年投入使用，截止 2018 年底，共生産了 5000 多萬台數碼馬達，平均每 2.3 秒就能生産一台。

講真要不是機哥深入了解了一番，還真以為戴森那些漂亮産品，是手工打磨、人工裝配的呢。。

話說回來，别看戴森的産品那麼好看，就想當然地以為它徒有其表。

真正拼起硬核技術，人家一點也不虛。

被譽為“家電界的蘋果”，不是沒道理

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