基于用户体验的风力发电机设计研究

李虹茹　龙英睿

关键词：风力发电机;工业设计;用户体验

1 用户体验概述

用户体验是用户在操作和使用产品或服务过程中的动作、思考及感悟，其包括由产品和服务提供给用户的理性价值和感性体验，是用户在使用产品过程中建立的一种纯粹的主观感受[1]。用户体验满足的不仅是工作环境中行为目标的实现，而且还是一种主观、情境化、复杂、动态的体验[2]，其核心主体是用户，过程涉及到人、产品、情景之间的互动，是一个十分复杂的过程，需要从人的生理、心理、情感等方面深入挖掘用戶需求[3]。

Jesse James Garrett 提出用户体验要素模型[4]，分为战略层、范围层、结构层、框架层、表现层五个层次。战略层即通过对商业目标及产品目标进行明确，最终确定企业定位;范围层即通过对需求的分析和采集，确定产品功能范围和优先级;结构层即以各类手段和方式满足产品功能的实现;框架层即以实现产品功能和满足需求的手段和方式进行物化和总体界面的设计;表现层即针对产品的形式，对造型、纹理、色彩、图案、材质等进行设计，使产品视觉效果更加协调、平衡、自然。

2 风力发电机设计现状与问题

双馈风力发电机（以下简称发电机）是一种绕线式感应发电机，是变速恒频风力发电机组的核心部件。发电机虽然是工业产品，但其安装、检修、维护都与人息息相关。目前，市面上发电机大多以功能为导向开展产品设计。在产品造型上，将各部件进行组合以满足使用功能，产品布局比较凌乱，缺乏设计美感;在加工制造上，现有工艺水平比较粗糙，产品表面处理不平整，存在较多的棱角和外露边缘;在色彩设计上，多应用传统的深灰色系，同质化程度较高，无法有效识别，且易于忽视通过色彩传达的情感属性与企业品牌文化理念;在使用维护上，对于“人—产品—环境”间关系的分析考量不足，不符合用户使用习惯，操作比较繁琐。随着“以人为中心”思想的演变，在产品设计过程中对人的因素越来越重视，发电机作为支撑现代工业发展的基础性设备，具备极其广阔的设计优化空间。

3 基于用户体验的风力发电机设计分析

3.1 用户行为分析

用户行为地图，如图1 所示，是一种流程可视化工具，主要描述用户在完成某个目标过程中经历的行为阶段、路径、情绪、痛点等。发电机用户的目标需求主要为产品安装、日常运维，两个需求共涵盖8 个阶段，18 种行为。通过细化每阶段行为、分析具体动作、用户情绪体验，可以有效寻找到影响用户体验的痛点，主要在于，产品安装过程中工件易掉落，掉落后不易拾取，环境昏暗容易误操作，日常运维过程中长期蹲姿作业易劳累，产品需维护部件安装拆卸比较复杂，产品表面台阶和边缘多等。用户情绪及用户痛点隐藏着产品改进的需求，针对情绪反馈及痛点深入分析，可以为存在的问题寻求解决策略，找寻产品改进机会点和功能实现的可行性。

3.2 产品造型分析

产品造型设计与材料、结构、加工方法关系密切，是基于功能性、经济性与美观性，对产品的形态比例、部件结构、组合方式的综合考量。发电机承袭了风电能源“低碳、环保”的内涵，具有鲜明的行业特征，其造型设计除了满足功能实现、成本优先外，也应体现其蕴含的丰富语义，为用户带来美的感受。

1） 形态比例。发电机的形态大小和结构比例主要受两大方面影响，一是电磁设计冲片外径和铁心长度要求;二是技术条件安装尺寸的规定。通常来说在设计初期，发电机已经具备有比较明确的安装接口位置及限界尺寸，可变动的幅度较小。

2） 部件结构。发电机根据功能属性不同可分为主要部件及通用部件两部分。主要部件为发电机本体和冷却系统，承载发电机的核心功能，对可靠性要求高。通用部件包括各类接线盒、润滑泵等，为发电机的正常运行提供重要保障，在满足设备安装尺寸及功能实现的前提下，可进行排布方式的统一考量和造型的通用化，提升整体协调性。

3） 组合方式。发电机通常采用螺栓连接与焊接连接以实现部件间的组合，现有的两种连接方式样式稳固、安全可靠，却对产品整体美观度有较大影响。例如，机座与冷却系统折边、冷却系统内部均以螺栓连接，会形成比较明显的接缝;定子、转子接线盒螺栓外露，形成凸出台阶;焊接部件容易残留焊渣等。连接结构直接关系到产品外形，合理运用各种连接结构及组合方式，使外部结构具有更大的灵活性，更易成为造型创新的源泉[5]。发电机常用连接方式比较，如表1 所示。

3.3 产品色彩分析

产品可以通过色彩设计强调产品功能，协调“人—机—环境”的关系。巧妙应用色彩的心理映射还能传递产品的设计语意，表达蕴含的思想感情，使用户获得思维上的联想与情感上的共鸣。可以说，产品的色彩设计与用户体验息息相关，良好的色彩设计能给产品带来审美、功能的双提升。发电机色彩设计具备如下特点。

1） 安全性要求高。发电机为机舱内带电工作设备，在运转和检修时需严格按照规程进行操作，否则将带来人身和财产的巨大损失。在发电机的色彩设计上需注意安全引导，多采用高明度、高饱和度色彩，正确使用安全色、警示色，在狭窄机舱内形成较强对比，为用户起到提醒、示警作用，避免用户误操作的可能性。

2） 客户定制设计。发电机主要颜色通常均为主机厂客户指定，一般采用单一颜色面漆进行全表面涂装，长期以来各主机厂客户已形成了较为稳定的配色体系，可变动性较小。有别于汽车、家电类工业产品，发电机并未出现潮流性色彩设计。

3.3 使用环境分析

根据环境对用户的影响和用户对环境的适应程度，可把用户的作业环境分为四个区域，即最舒适区、舒适区、不舒适区、不能忍受区。最佳方案是创造一种人体舒适而又有利于工作的环境条件[6]。针对不同的环境对产品进行研究，可以使产品的设计优化更具有针对性。发电机舱内实景如图2 所示，其使用环境具有三大特点。

1） 空间狭窄。机舱内单侧最小距离仅容一成人侧身通过，因此对于发电机及相关附属开合部件的宽高限界有严格要求。在设计时需要严格把控尺寸，同时充分预留后续的安装维护空间。

2） 设备众多。机舱内集成的功能部件形状各异且突出的台阶较多，在狭窄空间内一旦用户碰撞或摔倒，将带来较大伤害。在产品设计时，需充分考量安全性，最大限度减少用户被设备误伤的可能性。

3） 存在暗角。机舱光源设置于顶部，由于舱内设备众多会对光线产生遮挡，在部件间存在暗角盲区，用户极易发生误操作，工件存在掉落的可能性。因而设计时，应多采用一体式的可拆卸结构，减少螺栓和易掉落部件的使用。

4 基于用户体验的风力发电机设计优化思路

依据Jesse James Garrett [4] 提出五个自上而下的用户体验层次，结合对发电机进行的设计分析，可提出发电机设计优化思路。在战略层面定位于企业打造“低碳动力先锋”的世界一流机电企业的标准，在范围层力求实现高效节能型、维护友好型、成本优先型产品;重点通过结构层、框架层、表现层三个层次层层递进，在结构层通过部件通用化等方式探寻功能和需求的满足，在框架层着力提升操作舒适度、维修便利度，在表现层开展产品色彩造型优化，在形式和功能上取得平衡。基于用户体验的发电机设计优化构架如图3 所示。

4.1 基于结构层的通用化设计

通过对发电机产品平台进行梳理，整理既有发电机产品信息，研究产品共性特征，可以为通用部件的选型提供依据。经分析发现，目前使用的辅助接線盒、转子接线盒在空间尺寸的设计上余量较大，外形尺寸仍有压缩的空间。对此，将辅助接线盒和转子接线盒的尺寸重新进行设计，以匹配全平台的发电机，实现模块化、通用化设计。

4.2 基于框架层的功能提升设计

1） 操作舒适度。为使优化后的发电机产品更为合理，与人相关的部件设计均需以人机工程学数据支持，以增强设计的易用性和舒适度。在产品设计的人机工程分析中，常以第95 百分位和第5 百分位中国成年人体尺寸作为尺寸设计的上限和下限，将第50 百分位中国成年人体尺寸作为一般人体尺寸，设计即可满足大部分用户的需要[7]。根据人体尺寸数据，首先对安装调试与检修维护时用户最常接触的部件定子接线盒、转子接线盒、辅助接线盒的位置进行调整，将定子接线盒离地高度由165 ～ 865mm 调整至365 ～ 1065mm，将辅助接线盒离地高度由464 ～ 700mm调整至878 ～ 1063mm，使用户以蹲姿作业时臂展范围更为舒适，最佳视域聚焦最常用工作区域，有效规避疲劳状态操作;其次，将接线盒开门把手的安装高度进行调整，选取第50 百分位中国成年人体尺寸作为设计依据，以适合不同身高的人使用。

2） 维修便利度。风场山高路远、维护成本高，发电机机舱空间狭窄、操作不便，因此在产品设计初期就应充分考虑产品维护的便利性。发电机油盒是需常更换清洗的拆卸部件，原来使用的是螺栓结构，需用户手动拆装清洗更换，优化后使用卡扣连接结构代替原螺栓结构，比常规清洗更换流程节约80% 时间，整体清洗更换时间小于5 分钟，提升了用户维护便利度;接线盒起到保护和连接电缆的作用，优化后定、转子接线盒、辅助接线盒的开合方式都由螺栓连接改为铰链连接，节省用户拆装螺栓的时间。其中，定子接线盒开门部件置于框体前侧，单侧门宽约450mm，开门角度可达到180°平开，符合机舱内狭窄空间的设计需求。由于去除了螺栓，以上两项优化设计在提升维护便利程度、节约维护时间的同时，还省去了螺栓工件掉落的烦恼，提升安全度。功能提升优化设计应用图，如图4 所示。

4.3 基于表现层的造型色彩设计

1） 造型设计。发电机整体结构为冷却系统与机座上下对称，定子接线盒开门方式左右对称，充分体现视觉稳定性。通过修改冷却系统与机座结构，使之在侧面形成U 型内陷凹槽，为原分布于发电机机座表面的管路走线提供嵌入空间。同时，以可拆卸盖板进行表面覆盖，既能有效隐藏机座表面管路走线，又可隐藏外露的冷却系统与机座连接接缝，达到美观整体的目的。

2） 色彩设计。发电机采用高明度、高饱和度的蓝色（RAL5015）进行大面积涂装，给用户以清洁、干净的感受，承袭风电能源设备“低碳、环保”的内涵，达到视觉上的统一和语义上的协调;在吊耳、地脚等需重点关注区域，以黄色（RAL1012）进行涂装，在暗角较多的狭窄空间内能有效引起用户注意，避免误操作可能性，减少由单一颜色涂装引起的视觉疲劳，将色彩设计与功能、情感紧密相结合。

3） 标识设计。VI 标识设计是体现产品家族性特征最简单且行之有效的方法。对发电机进行VI 标识设计的内容包括：标志、标识、铭牌、型号、字体等。具体来说，包括开展发电机表面LOGO 的涂装、产品型号的涂装、产品铭牌的设计等;此外，发电机的警示标识设计也与用户安全息息相关，警示标识数量、位置与大小均依照相关国家标准进行重新设计，同时结合人机工程学数据和应用考察结果，进一步加强警示标识的醒目度和可见性。发电机产品工业优化后最终效果图， 如图5所示。

5 结语

随着时代的发展和对人的因素越来越重视，从用户体验的角度去开展工业产品的设计显得极为重要。文章以配套风力发电机组的双馈风力发电机为研究对象，依据相关理论，提升了发电机产品的操作舒适度、维修便利度，实现了发电机产品外形的创新，为后续发电机产品的研制提供了设计范例和一定的参考。从战略层、范围层、结构层、框架层、表现层五个用户体验层次出发，结合具体的产品特征及使用环境进行分析，将人文关怀转化到产品形态之中，提升了产品安全性、实用性、便利性、美观性，从而为用户创造出更加良好的使用体验。