节能环保巴士空调直流无刷风机的最新动向和发展趋势
节能环保巴士空调直流无刷风机的最新动向和发展趋势
张驰* 徐博 梁宝钱 邱恺
（重庆工学院材料科学与工程学院 重庆400050）
摘要：由于无刷风机与普通传统有刷电机风机相比，具有节能、环保、噪音小、寿命长和可靠性高等优点，并成功解决了有刷电机风机电流消耗高、启动电流大、寿命短、有电火花产生以及效率低、噪音大和维护困难的难点。国际市场上对无刷风机需求旺盛，国内市场潜力巨大，市场前景巨大。本文分析了巴士空调直流无刷风机系统的基本结构及特点，深入介绍了无刷风机系统运行的基本工作原理及优势，阐述了该系统的应用与发展。
关键词：直流无刷风机; 巴士空调; 发展趋势
The Latest Technology and Development Trend of DC Brush-less Fans of Environment Friendly & Energy Saving Air Conditioners for the Buses
Zhang Chi, Xu Bo, Liang Baoqian, Qiu Kai
(Chongqing Institute of Technology, Chongqing 400050, <st1:country-region w:st="on">China)
Abstract : In comparison to conventional brush fans , the brush-less fans not only have the merits of being environment friendly , energy saving , low noise level , long life cycle and more reliable , they have been proven successfully as the solution to reduce high current consumption , high start-up current , short life cycle , risk of sparks generation , low work efficiency , high noise level and difficulties of maintenance work . Thus there is a very huge demand of the brush-less fans in the global markets as well as the potential in domestic markets with excellent prospect. This article analyzes the basic structures and the main features of the DC brush-less fan system of air conditioners for buses, and it high-lights the fundamental working principles and its advantages of the operation of brush-less fan system in depth. It also elaborates the application fields and the direction of its development.
Key Words: DC Brush-less Fans; Air Conditioners for Bus; Development Trend
1 引言
随着国民经济的稳定发展，中、高级客车的需求量越来越大，乘客对车厢内环境的要求也越来越高。空调作为车厢内温度的调节设备，对车厢提供适宜的温度条件与舒适的乘车
环境起着重要的作用。而空调风机系统作为空调的主要部分之一，其质量的优劣直接关系到空调工作的正常与否。
目前，国内巴士空调风机系统中，大部分采用的仍是有刷电机，欧美国家巴士有少量采用无刷风机系统，日本采用的无刷风机系统较多。由于无刷风机与普通传统有刷电机风机相比，具有节能、环保、噪音小、寿命长和可靠性高等优点，并成功解决了有刷电机风机电流消耗高、启动电流大、寿命短、有电火花产生以及效率低、噪音大和维护困难的难点。并随着绿色空调概念的提出，势必使客车空调技术的发展走向转型，再加上无刷风机系统技术的日益成熟，且成本的大幅度下降，因此无刷风机系统在国际上得到了好评和欢迎，正在大量取代有刷风机，日益显示出强大的生命力，市场前景巨大。
2 巴士空调直流无刷风机系统的基本结构
巴士空调风机，从狭义上说，包括空调冷凝器风机和空调蒸发风机。一般说来，大中型空调系统大都采用顶置空调系统。蒸发风机是巴士空调装置上驱动风轮送出蒸发器冷气的装置，它们装在顶置壳体内蒸发器的两侧，一般有4～6个。蒸发风机为小风机，因为顶置出风风口必须与车内两侧风道相连接，所以应在每个出风口安装一个小风机。冷凝风机是巴士空调装置上驱动风叶排出冷凝器热量的装置，按照安装位置的不同可分为顶置式、后置式与侧置式等几种形式。由于蒸发风机与冷凝风机的工作环境比较恶劣，特别是位于顶部的风机，必须经受常年日晒雨淋的考验，对其质量性能的要求很高。因此，空调风机应具备以下的功能特点：①体积小，适用位置范围广；②低噪音、高可靠性，电磁干扰小；③适用于各种恶劣环境下。如图2.1为巴士空调系统的结构及工作原理图。
2.1巴士空调系统的结构图
巴士空调直流无刷蒸发风机、直流无刷冷凝风机的结构主要由直流无刷电机、控制器和风叶及外罩四部分组成。
2.1 直流无刷电机
目前，国内绝大多数巴士用空调风机还是采用直流有刷电机的结构型式。直流有刷电动机的定子安装了永磁磁钢，转子为绕电枢绕组，通过换向器进行绕组电流的换向，并大多安装了L-C网络。直流电机而要藉由碳刷及整流子，而碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。同时，产品的接触并不可靠,主要表现为碳刷、换向器之间的接触电阻变大,性能降低,工作不稳定。这些问题的产生主要原因是:(1)碳刷材料的质量问题,选用碳刷材料合理性问题。(2)簧片的材料、尺寸、形状和热处理的工艺、碳刷的焊接等问题,造成接触不良。(3)刷握与碳刷配合尺寸不合理,不能可靠的接触。(4)换向器下刻不到位,绝缘材料高出换向器表面。交流电机没有碳刷及整流子，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。
无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，而且结构简单、运行可靠、易于控制。在结构上，与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的定子绕组作为电枢，励磁绕组由永磁材料所取代。另外，直流电机相对于交流电机而言，它的运用范围更为广泛，不需要受使用条件的限制。无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电动机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。
直流无刷电动机的结构原理如图2.2所示。它主要由电动机本体和电子开关线路二部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2,4,…）组成。图2.2中的电动机本体为三相两极。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联接，在图2.2中，A相、B相、C相绕组分别与功率开关管V1、V2、V3相接。
2.2 直流无刷电机的结构原理图
当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位位置检测电路将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。因此，直流无刷电动机就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电动机以及位置传感器（位置检测电路）三者组成的“电动机系统”[1]。
2.2 无位置传感器直流无刷控制器
巴士空调直流无刷风机的核心和关键就是无刷电机的智能控制器。无刷直流电动机按转子位置检测的方式，可分为有位置传感器和无位置传感器两种。中小功率无刷直流电动机常采用霍尔元件作为位置传感器。带这种位置传感器的无刷直流电动机安装定位不便，元件片薄易碎，线细易断。而利用电机反电势信号控制电机换向的方法的线路简单，技术成熟，成本低廉[2] 。无位置传感器无刷电动机采用反电势法，在无刷直流电动机稳态运行时、忽略电机电枢反应的前提下，通过检测关断相反电动势的过零点来获得永磁转子的关键位置信号，从而可以控制绕组电流的切换，实现了电机的运转。这种方法用三相低通滤波器和电压比较器所组成的电子电路取代了传统的机械位置传感器，实现了转子位置信息的获得，使无刷直流电动机实现了正确换向、正常运转。如图2.3所示，重庆多耐达公司开发的无位置传感器直流无刷电机的智能控制器，可以根据系统的压力、温度、焓值及特定的温湿图曲线（Psychrometric Charts）自动调整风机转速至最佳值，实现人体工程学设计，从而保证必要通风降热所需的风量；另外通过采用先进的集成电路技术取代分离元件线路控制板，大大提高了生产效率，确保了产品性能的一致性，具有显著的创新性，处于国际先进水平。
无位置传感器无刷直流电动机控制器电路的核心器件控制芯片的发展决定了控制器的成本与性能。目前，有很多专用的集成芯片用于控制直流无刷电动机，如MicroLinear公司的芯片ML44ll,ML4428,Unitrode公司的UC3646以及SiliconSystems公司的32M595等芯片均可以实现无位置传感器的无刷直流电动机简单控制，而且都是采用反电动势检测方法和开环起动方法。这些芯片内部集成了反电动势检测电路、起动及换向逻辑电路和多种保护电路，保证了无位置传感器无刷直流电动机的简单而实用的控制，用在对控制性能要求不高的场合，现在这些芯片已经广泛应用在国内外的很多场合。由微处理器（MCU）构成的控制电路正在逐步取代传统的模拟控制电路，在提高控制性能和可靠性的同时简化了硬件电路、使系统能够完成更复杂的控制任务。如Intel、Fujitsu、Toshiha等很多家公司都生产专用电机控制芯片，使控制无刷直流电动机变得很容易，这些芯片内部集成PWM发生器，ROM、RAM、A/D转换器、定时器、WATCHDOG等等，另外其Windows开发界面和C语言编程也缩短了开发周期，随着高速低成本单片机的不断推出，微处理器的应用也更加普遍[3]。
2.3无位置传感器直流无刷电机的智能控制器图
2.3 直流无刷风机风叶
风机风叶、外壳（外罩）的设计主要是根据空气动力学原理进行设计。冷凝风机风叶一般采用多叶片轴流式风叶而蒸发风机叶片一般是离心式的。多翼离心式风机具有流量系数大、压力系数高,尺寸系数小以及噪声低等特点。离心式风机主要由电机、风机轴(与电机同轴）、风机叶片、风机壳体等组成，如图2.4所示。风机叶片有直叶片、前弯片、后弯片等形状，随叶轮叶片形状不同，所产生的风量和风压也不同。多翼叶轮作为风机中的旋转部件,对风机中能量的传递起着主要作用,叶轮结构参数的改变如:叶片数及其布置型式、叶片的进口安装角、出口安装角、翼型以及中弧线形状等都会对风机的内部流场以及外部气动性能产生很大的影响。符合条件的翼型有助于在叶轮的气流主要流出区获得更高的气流速度,表面应达到气流的流线型设计,在前盘区域循环的流量要少,以获得更大的风量和全压[4]。
2.4 直流无刷蒸发风机图
轴流式风机主要由电机、风机轴、风机叶片、键等组成，如图2.5所示。叶片固定在骨架上，叶片常做成3、4、5片不等，叶片骨架穿在电机轴上，由键带动旋转。
2.5 轴流式直流无刷冷凝风机图
在工程分析中，一般借助于商业软件FLUENT对不同叶片型的风机进行整机模拟计算和性能预测,以寻求适合于空调用离心式风机和轴流式风机的叶片型。然后运用CAD\CAM\CAE技术和相应软件对风叶设计，一方面可以优化产品的结构，使之得到一个最佳的设计方案，另一方面大大减少了设计到生产的周期，提高了设计的效率。
3 巴士空调直流无刷风机系统的应用与发展
目前，国内外巴士空调风机系统中，大部分采用的仍是有刷电机，欧美国家巴士有少量采用无刷风机系统，新加坡、日本采用的无刷风机系统较多。由于无刷风机系统节能、环保、寿命长等优越性，并随着绿色空调概念的提出，势必使客车空调技术的发展走向转型，再加上无刷风机系统技术的日益成熟，且成本的大幅度下降，因此无刷风机系统在国内外得到了好评和欢迎，正在大量取代有刷风机，日益显示出强大的生命力，市场前景巨大。国际市场上对无刷风机需求旺盛，国内市场潜力巨大，因此该项目行业具有可观的发展前景，正日益显示出强大的生命力。
在国外，较为知名的巴士空调直流无刷风机制造商有德国的EBM、西班牙制冷Hispacold，并在世界范围内这一领域中的处于领导地位。
因为影响无刷电机发展应用的主要因素还是它的电子控制电路及驱动电路的集成化产品的成本，所以在过去很长一段时间里国外巴士空调风机产品一直占据着国内的市场。但随着国内巴士空调企业的快速发展与壮大，人们对巴士空调风机的需求高速增长，现在在国内已有了越来越多的无刷风机系统企业，虽然起步较晚，但是发展十分迅速，并取得了一定的成果。其中就有在国内技术居领先地位的重庆多耐达科技公司为代表，该公司研发的巴士空调直流无刷风机（蒸发风机和冷凝器风机）系统，采用反电动势过零点检测技术与PWM控制方式，并辅以各种保护功能组成了无刷无位置传感器直流电机控制系统，实现了“无传感器”式的控制方式，在技术上达到了国内先进水平。产品设计上把控制器和电机本体作为两个互相配合而又相对独立的组成部分，保持了设计上的紧凑性，具有广泛的通用性和互换性，减少了使用者的保养和后续维护成本。该巴士空调直流无刷风机系统将一般车用风机（有刷）的使用寿命从一般的5000小时延长到了2万至3万小时，工作效率提高18％，风量增加10％，节能效率提高20％左右，且无污染。
在未来，对巴士空调直流无刷风机在性能指标、智能化等综合指标方面提出了更高的要求。主要有以下几点[5]：
(1)进一步提高风机的气流特性,减少功耗,降低风机噪声
目前这方面的技术发展趋势是对风叶的截面进行研究,然后通过气流特性测试进行优化设计。提高无刷风机中使用的永磁材料等级,采用高精度低噪声的滚珠轴承,目前无刷风机的噪声指标可达到30dB以下,更能适合自动化的使用要求。
(2)无刷风机电子换向线路集成化要求
早期的无刷风机其电子换向线路由三极管、电阻、电容等十几个元器件在印刷线路上进行分立元件插件焊接改成,其工艺复杂,质量一致性和可靠性差,近年来随着集成电路技术的发展,目前已有霍尔开关集成电路生产,集霍尔元件、放大器、触发器,功率输出于一体,使换向线路的生产工艺大大简化,降低了功耗。驱动电路集成化是无刷风机技术发展趋势之一,目前只有在较小功率的风机中可实现。
(3)无刷风机智能化技术
无刷风机智能化的要求是指当风机出现故障时报警,对故障引起的过流进行保护,对极性反接时的极性保护和根据不同的气流阻抗系统进行自动调速。过流保护和极性保护经常采用的有线路保护和元件保护两种。如采用具有正温度系数的开关型PTC元件,它与无刷风机定子绕组相串联,当风机由于故障出现过流时,PTC元件其阻值因自身发热而急剧上升,从而实现了限流保护。当气流阻抗高时,热敏元件的电阻变大,再通过计算机或微处理器调节电压变高,使无刷风机转速增加;当气流阻抗低时,则调节电压变低,使无刷风机转速变慢,从而实现根据系统阻抗变化而调速,使风机输出不同的气流特性。
由此看来，无刷直流电动机已经向着电机——风扇一体化发展，并采用PWN脉宽调速的技术来控制电机的输出转速。并随着工程技术及计算机仿真技术（虚拟现实）的不断发展，国内外的大型专业电机生产制造商己采用CAD／CAM／CAE来优化电机和风扇的结构与性能。同时，随着对人本身的进一步关注，行车的安全可靠、车厢内的舒适程度会不断地提高。电机产品将越来越电子化，智能化。能源的短缺，也将迫使电机制造商更多地考虑提高电机的运行效率。由此可以推断，便于控制及高效的直流无刷电机将会在巴士空调风机系统的舞台上扮演越来越重要的角色。
目前，我国车用空调直流有刷风机已经制定了相应的行业标准，但是对于车用空调直流无刷风机还没有制定相应的行业标准，从某种程度来讲，这已经制约了无刷风机的发展，需亟待解决。
3 结束语
巴士直流无刷风机系统是一种集电子技术、微电子技术、数字技术、自控技术、物理学以及材料科学的科研成果为一体的高科技产品。随着电子换向部分成本的降低,采用反电动势过零点检测技术与PWM控制方式，以及无位置传感器无刷直流电动机高频信号注入法研究的深入，直流无刷电机系统的应用将越来越广泛，而国内直流无刷电机系统应用于巴士空调的技术也将更加成熟，为优化巴士空调的送风性能、提高运行安全水平和改善巴士的乘车环境提供有力的支持。
参考文献
[1]张琛．直流无刷电动机原理及应用．机械工业出版社．
[2]晏刚等．无位置传感器无刷电动机及其控制原理．大专院校推介，2001，（10）：42-44．
[3]宋海龙等．无刷直流电动机的无位置传感器控制［J］．电机与控制学报，2002，（6）：209-211．
[4]罗嘉陶，王嘉冰．多翼离心通风机叶片翼型的研究［J］．风机技术，2004，（3）：20-22．
[5]张文勇，邬显光．小型永磁直流无刷轴流风机概况［J］．微特电机，2001，（5）：27-31．
作者简介：张驰，44岁，教授，主要从事巴士空调直流无刷风机系统、金属成形及模具设计、制造的研究、开发和教学工作。 E-mial:zhangchi@cqut.edu.cn