变频器的工业设计与创新

作者：艾默生网络能源有限公司

欢迎访问e展厅 展厅 2 工业设计/产品设计展厅 产品设计, 工业设计, 样件打样, 手板制作, 模型制作, ... 1 引言 首先引用一段德国总理格哈德.施罗德的话，并由此开始下面讨论： 如果德国要在21世纪的全球化中争取更多机会，创造与革新的乐趣是必不可少的。新的情况和条件创造了更现代化的，需要更多可能性的新工作。工业设计越来越重要，技术的发展和完善并不会必然取得商业上的成功。在这个有着多样化生活方式的时代，人们对生活的需求会更多，而未来的目标就是让这些生活方式有更大的空间和自由来获得体现。 产品设计代表着个性，造型和色彩是对生活的一种感受的表达，那些认可独特性并将之融入企业战略的人，必将是明天的胜利者。今天的世界，知识在飞速增长，信息变得越来越珍贵，工业设计的价值日益突显，社会与技术的变化带来更多挑战的同时，也为设计提供了更大的空间。今天的设计主要是让人们更容易使用越来越复杂的产品，让技术和信息更容易成为生活的一部分。作为拥护与产品之间的桥梁设计成了这个社会的重要先锋。 这段话中我认为有两点是值得我们国内变频器企业和电气传动行业人员认真思索和积极实践的： (1) 工业设计(产品设计)的重要意义； (2)创造与革新。 2 工业设计(也称产品设计) 就批量生产的产品而言，凭借训练、技术知识、经验及视觉感受而赋予材料、结构、形态、色彩、表面加工以及装饰以新的品质和资格称为工业设计。设计师对产品包装、宣传、展示、市场开发等问题的解决付出自己的知识和经验以及视觉评价能力也属于工业设计范畴。产品设计是狭义上的工业设计，也是工业设计的主要内容。所以人们常将产品设计称为工业设计。 工业设计萌芽于18世纪60年代，到现在已经发展100多年了，它是现代科学技术与艺术有机结合的产物。在市场经济时代，由于产品大批量生产，厂商众多，竞争激烈，市场由供不应求走向了供大于求的局面，企业开始认识到产品的生产和销售并不完全取决于技术的高低、生产能力的大小，还需要考虑来自消费者、市场及社会的各种因素。在当今产品同质化日益严重的时代，通过产品设计提高产品和企业形象、突出个性和吸引消费者的注意成为非常有效的至胜法宝。如近年三星电子公司由于重视产品设计和品牌建设，击败众多日本和欧美企业，一跃成为品牌价值仅次于索尼的世界电子企业。 工程师(engineer)与产品设计师(Product Designer)的区别。工程师主要是解决产品设计中物与物之间的关系，如产品的性能指标、结构、各零件之间的配合、机器的工作效率、使用寿命等等。工程师要解决的问题一般不与人发生直接的关系，是一种纯技术的工作。工程师的作用在于向人们或产品提供可服务于生活和工作的技术和工艺。一种产品或一项技术究竟以什么样的方式进入人们的生活空间，如何进入市场，如何才能让人们更好的使用，则主要由产品设计师来完成。产品设计师主要是解决产品设计中人与物、物与环境的关系。如一个产品如何操作，怎样使用更方便，什么样的外观造型能够满足人们的生理和心理需要，如何节省原材料和保护生态环境等。产品设计师在企业扮演了非常重要的角色，是他们赋予了产品的形象、美学价值、社会地位象征的特点，他们是把技术、生产最终与消费者联系起来的桥梁。产品设计师追求的是人与产品、产品与环境的和谐与统一，它除了满足人们对物质功能的要求外，还要满足人们的审美情趣。产品设计师要利用市场学的观念，不断分析和研究市场以及人们的消费观念，根据消费者的年龄、性别、收入、地位等因素，将其细分成不同的目标市场，设计出针对性强的产品。设计师是为大多数人服务的职业，他设计的产品最终要为社会公众所接受，他的工作成就也最终由用户来下结论。因此他需要既了解市场，又要懂得工程知识，还要使自己的产品便于合理生产。 在信息时代，产品设计师已经全方位参与企业的新产品开发。国际化的大企业都有自己的产品设计部门，如松下电器超过500人的工业设计部、飞利浦的设计中心。有些企业通过委托独立的设计事务所来承担。设计部已脱离技术部门而由公司高层直接领导。产品设计师不只是从事具体的产品开发，还与企业开发部一起从事客户调查，参与分析并制定新产品开发方案和发展计划。 目前国内变频器企业对工业设计的认识：(1)国内变频器企业还未充分认识到工业设计对变频器产品和企业的重大意义；(2)国内企业领导人普遍存在无工业设计的观念和认识；(3)尚无人研究如何将工业设计的原理用于变频器产品的开发和管理实践过程。 国内变频器厂家众多(估计已有50个以上)，但规模和技术实力与西门子、ABB、富士、等国际大公司相差太远，据统计，国内变频器的市场占有率仅10％左右，年销售量多数在500万～2000万之间徘徊，销售量超过5000万的也只有屈指可数的3～4家。目前国产变频器品牌，处于前几位的品牌实力比较接近，产品性能和功能也大同小易。由于起步较晚，技术和研发实力弱，基本上是仿造甚至抄袭国外变频器的设计，不但功能和参数基本一致，甚至连外观和瑕疵也设计的一摸一样。随着电机控制技术日趋成熟，一些国产变频器与国外同类产品相比，功能、性能和各项技术指标已无明显劣势。但由于企业尚无产品设计方面的观念和认识，缺乏专业的产品设计师，致使开发出来的产品总存在许多这样或那样的缺陷和不足，如缺乏准确的产品定位、功能和性能组合不优化、不符合用户的使用习惯、外观丑陋、参数难设置，不容易安装、配线不方便、可维护性差、等等。这样的局面，国内企业何时才能开发出与ABB的ACS800、安川G7和富士G11相媲美的产品呢? 目前交流调速技术的发展基本上表现为已有调速控制理论的应用和逐步完善。矢量控制和直接转矩控制的思想分别在70年代和80年代就已提出，之后调速控制理论并无大的突破，各公司都把精力集中于矢量控制或直接转矩控制的低成本实现和解决产品的实际工程应用问题以及产品化问题。虽然有些现代控制理论方法在调速控制系统中的应用，如状态观测器、卡尔曼滤波器、最优控制滑模变结构控制等。这些理论目前还基本停留在研究和试验阶段，并无适用化产品问世，离商品化的普及应用还任重而道远。许多大学如清华大学、浙江大学、上海大学等对矢量控制、DTC、无速度传感器控制等电机控制理论的研究已经比较深入和成熟了，国内的变频器厂家若与他们合作，开发出高性能的矢量控制甚至无速度传感器矢量控制的变频器也并无多大障碍，时间也不会很长。 变频器是一种工业产品，用户并不直接关心它采用了何种先进技术，他们购买它的实质是它的物质功能和精神功能，按功能支付相应的金额。他们更关心它的价格是否能承受、功能是否实用，使用方便性等。由于变频器功能和使用的复杂性，用户普遍反应操作使用困难，如何提高变频器的易用性、改善人机界面的友好度是摆在厂家面前的一个难题。 国内的变频器企业的产品都集中与低端市场，这里是价格战狼烟四起的战场，相信不少的企业家已经能够感觉到国产品已经逐渐丧失了成本方面的优势，据反映，一些日本品牌的变频器其售价已经低于国产产品了。我们的企业家们必须要有危机意识，企业唯一的出路是长大、采用正确的方法不断的长大。重视工业设计，引进产品设计师主持产品的设计和研发工作不失为一个非常有效的措施。 我国的大多数企业其实质是工厂而不是企业，工厂的体制使他们重生产过程而不重视开发，也不重视营销和市场，更缺乏用户导向和工业设计的理念，生产出来的产品缺乏竞争力。大部分企业没有产品设计组织和产品设计师，他们只是用工程师来代替产品设计师。即便少数企业设有产品设计组织，也是将这一组织从属于技术部门之下，作些产品美化的工作，类似国外40～50年代的情况。中国已经成为世界制造业的重要基地，并逐渐发展成为“世界工厂”，杨振宁博士认为：21世纪是工业设计的世纪，一个不重视工业设计的国家将成为明日的落伍者。以工业设计提升“中国制造”的创新能力和整体水平迫在眉睫。 下面结合变频器产品谈谈几个工业设计的基本原理。 (1) 重视产品的外观造型设计 在造型设计过程中，设计师要调动一切感官体验和心灵体验，把逻辑思维和形象思维创造性的结合，找到问题的本质，创造出新的产品形象。外观造型要能长久保持魅力，质感佳，识别性高并与企业传统一致。显然工程师需要培养自己的审美能力，了解大众的审美心理。国内企业设计的变频器大多是一个毫无生气的方盒形状，质感粗糙，颜色单调且搭配不协调，带给用户的只能是低档和粗制滥造的形象。相反国外的许多变频器如三菱的S500、西门子的MMV420等，外观设计的美轮美奂，他们漂亮的表面弧线、优美的字体、精良的细部设计，给人艺术品的感觉，产品给人高品质、高科技和尊贵的形象。 (2) 一切从用户的角度考虑问题，以系统工程的观念设计和评估产品 站在客户的角度理解和分析问题，了解客户的需求，关注客户的利益，这些对把握产品设计的方向非常重要，客户花钱购买你的产品不是为了满足设计师的个人表现欲望，而是为了满足他们的使用利益。产品设计好坏的评价标准也应以用户的评价为最高标准。在产品设计过程中设计师应该把注意力从产品转向客户的利益，始终坚持“设计为人”的思想，为用户创造尽可能多的利益。设计师要转变观念，把自己扮演成一个沟通者或协调者的角色，放弃一些个人最理想的想法，设计时兼顾生产者和用户的利益，既要综合考虑客户提出的产品所有方面的质量和价格，也要考虑生产者的技术、材料、成本、用户和商业等各种现实的限制。企业往往强调一个方面的质量，而忽视了其他。在确定了设计定位并经客户代表的认同之后，设计工作就完成了一大半。 产品设计是一项系统工程，产品设计包括多个要素：技术因素、功能因素、造型因素。或技术因素、人为因素、市场环境因素、审美形态要素。我们应按表1所列出的要点对产品设计进行全面、综合和深层次的评估。 (3) 关注产品的市场特征和个性，明确和了解企业相应的产品发展战略和营销策略 产品设计师要有宏观的眼光、全局思维和对产品未来发展趋势的预测能力。设计产品时要考虑产品形象、企业形象、产品个性以及产品市场定位。产品设计必须有自己的个性(或独特性)，设计师应将个人和企业认可的独特性融入所设计的产品和企业战略中。企业决定开发廉价型的变频器，我们应该从简化、保留用户必须用的功能，去掉不适用的花哨功能，节约材料，使用廉价通用元件等，对变频器的可靠性和安全性却一点也不能马虎，外观设计简洁(但不能丑陋和乏味)，去掉一切不必要的装饰部件。 森兰变频器公司经过广泛而细致的调查研究发现，大多数基础调速应用多采用简单开环控制，即可满足工程设计的要求，复杂的系统设计不但显得毫无用武之地，而且会耗费用户大量不必要的成本投资。基于这一思想，SB20系列变频器原理设计被充分简化，使其在充分满足基础调速应用的前提下，明显降低了购置和使用成本。与同类型产品繁琐的系统设定相比，SB20XI系列变频器的全部设定只需要40余个功能代码即可完成。用户仅需要变频器前面板上的几个按键，即可方便、快捷的完成系统调试和设定，这对于产品快速投入运行，迅速产生经济效益，无疑具有重大的意义。 (4) 对产品设计师的要求：能够独当一面，具有优秀的表达能力和与人交往的技巧，良好的沟通能力，做一个真正的实践者。 设计师要与多个部门或团队中的人员，如市场调查员、模具和造型设计师、客户主管、设计主管、生产主管、测试人员等充分的沟通和交流，推动设计在各部门的接受和执行。产品设计不是个人能胜任的，需要集思广益，成员要有团队合作精神。如变频器设计师和市场人员交流可以更准确的了解用户的功能要求和关注点，和用服工程师交流可了解产品的维护和使用过程，发现一些可维护性、可操作性方面的问题。作为变频器设计师，你要经常到一些用户现场，观察产品在现场的安装和使用情况、帮助组他们解决工程应用问题，了解操作人员的操作习惯、调试过程，分析他们的使用心理、需求的合理性等。 (5) 遵从人机工程学原理，重视产品细部设计 人机工程学为工业设计中人与物之间的关系提供科学依据，产品设计必须满足人的生理和心理要求，让人们使用产品时必须感到舒适和愉悦。 变频器人机工程学原理的几个重要方面： (1) 人机界面，菜单操作模式，显示内容尽可能多，功能参数合理科学分组(如按类别、使用频繁度等)； (2) 应用功能的模块化设计，变频器功能多，对应的功能参数也容易互相混杂，这方面ABB和西门子的一些努力值得借鉴； (3) 用户手册：采用普通用户能理解的语言编写，避免大量专业词汇，图文并茂，列举各种应用实例(包括接线图、功能参数配置表、调试步骤等)以便用户直接参考和快速应用。 在变频器设计，需注意的要点如表2所示。 “神在设计细节之中”，产品整体形态设计完成后，对细部设计的推敲和优化就显得非常的关键。细部设计对传达情感有非常大的影响，细部设计优良的产品给人传达的是高质量感和高品位感，人性化的细部设计体现了产品和设计师对用户的体贴与关怀。对于变频器的操作面板，按键的大小和操作手感、位置排列、显示内容和亮度设置、间距以及与机箱面板的配合这些都需要足够的重视和反复调校。有的厂家设计的面板其按键小，间距也小，按键时经常同时按下了两三个键。某公司设计的操作面板边沿设计不合理，握在手上的感觉一点也不舒适。某公司一个系列产品其按键与面板的其他部分间隔太小，阻挡了人手的正常操作。某变频器控制板上的用户跳线靠着插座，人手根本无法设置。……如此众多的缺陷与不足，让人触目惊心。 3 创造与革新 是目前国内变频器企业最缺也是最迫切需要的素质，只需仔细想一想在世界变频器行业，有那些技术的创造和革新是我们国内的企业创造的呢。国内常能见到有的变频器企业仅靠一两个旧产品生存，几年都未推出新产品，用户对他们产品的兴趣逐渐淡忘，逐渐丧失了对他们的信心。 (1) 基础层次，“创新就是率先模仿”。早年日本产品从抄袭模仿欧美产品中找到了成功之道(这已不失为一种创新的典范)，韩国不少企业也经历过这一阶段。对于目前许多规模小、技术实力弱的国内变频器企业确是也一个不错的选择。我希望他们能做到“率先”，这需要企业时刻关注市场产品发展趋势对竞争对手产品的分析了解，更盼望他们能从中找到适合自己的成功之道。 (2) 综合层次的创新。变频器控制理论方面的创新是非常困难且进展缓慢的，需要企业作长期、巨大的投入，国内还没有任何企业有ABB研制的DCS600时的实力和魄力，比较现实的是根据国情和对国内市场及行业的了解，有针对性的采取一些局部和特殊的创新：如森兰变频器公司就在产品功能、营销模式、生产方式、服务等方面做了卓有成效的创新(如公司提出的两网合一，及时服务，变频技术专家的品牌建设)。国内市场庞大的电机装机量，只有10%的变频化率，节能环保意识的普及，变频器向各种新行业、新应用的扩展，另外随着当中国经济的迅猛发展以及“世界工厂”的定位，变频器市场的发展空间和市场容量是很大。当前及今后的几年，我国变频器市场将以每年10%～15%的速度发展，各种功率等级、各种性能、各种用途的变频器都将有大幅度的上升，只要找准市场定位，努力开拓市场，采用灵活高效的营销策略，许多厂家都会有相对的市场。 (3) 高层次的创新，如核心控制技术的创新，这里谈谈一个变频器行业还很少谈及的创新：生态设计理念。 生态设计的标准：(a) 材料选择；(b) 材料的效率；(c) 能源的利用率；(d) 可循环性；(e) 耐久度；(f) 易于维护和修理；(g) 产品的使用寿命。 变频器产品设计师应按上面的标准来衡量和检验自己的设计。设计的变频器应是简洁适用的，价格低，坚固耐用(长时间可靠工作)的。零件设计易于拆卸和安装，采用可互换性好的器件。结构设计不合理，体积大，重量重，导致大量原材料如铜、铁等的浪费，这方面日本的产品值得国内企业学习和借鉴。选择经典性的、持久性好、简洁的外观设计，最好通过改换少数的关键部件就可以方便的更换造型风格。变频器的工作寿命应按10年设计，据观察目前国产变频器能工作3年就不错了。易损件(或寿命短的部件，如变频器内部的电解、风机、模块等)易于现场更换，而且操要作简单工作量小。我曾经见过两家国内公司的产品，为了拆卸损坏的风机和模块，需要把整机大卸八块，整个过程还需要操作工有特别的技巧，即便如此，没有1~2个小时仍然是无法完成的。看到过要，由于可靠性差，不到预定的设计年限就严重损害无法修复(修复费用与买台新机相差无几)，机部件锈迹斑斑，灰尘和异物到处堆积。 变频器尽量采用可回收利用的材料如铝、铜等，同时厂家开展回收利用和以旧换新的业务。或者开展租赁业务，由生产企业给用户提供产品、保养和日常维护。森兰变频器公司在今年开展了一些租赁业务，意外的深受用户的欢迎，几个销售公司的销售业绩也大幅上升。开展这项业务是森兰变频器公司为用户、为社会、为环境考虑和奉献精神的体现。 通过技术创新减少原材料的消耗，如大功率变频器一般要用到220V的交流风扇，因此需要用到380-220的变压器，对于160kW的变频器，不少厂家产品的变压器功率达200W、甚至300W以上，森兰变频器公司采用了独特的技术只需用50W的变压器即满足了要求，可见节约了多少硅钢片和铜线。热设计是变频器系统的难点和重点，需要耗费大量的铝材，森兰变频器公司在如何提高散热器的效率上做了大量了的研究工作，通过采用专利的散热器，同等热耗散情况下，产品散热器的重量只有竞争对手的2/3以下，既降低了整机成本也节约了原材料。 4 结束语 工业设计和创新可以极大的提高国内变频器企业的产品形象和企业形象，提高产品品质和市场竞争力，改变国产变频器仅集中于低端市场打价格战、只限于国内市场(尚不能打开国际市场)窝里斗的被动局面，具有非常明显的作用和意义。作为立志长大并持续发展的国内变频器企业，必须尽快将工业设计和创新的观念和原理融入企业的产品设计、开发和管理实践中。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/30/2004)