小型永磁直流无刷风机概况

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小型永磁直流无刷风机概况

邬显光

（苏州电讯电机厂）

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ｌ概述

众所周知，小型风机是电子仪器、自动化设备，办公用品自动化设备中广泛使用的通风散热文

件，旨在保证设备在工作时建立一个通风散热的条件。从而保证设备在技术条件允许的最极限高温条件下安全可靠地工作．因此风机在保证设备的性能、精度、可靠性和使用寿命方面起到至关重要

的作用．

７０年代末，随着电子技术。尤其是传感技术，集成电路技术的发展，一种新颖的小型永磁直漉

无刷风机异军崛起。并广泛地使用在以办公自动化设备为主的一些领域．目前无刷风机在外强安装尺寸方面已完全和交流风机兼容，并较交流风机有更小型化的标准产品问世，现计有２５ｘ２５×１０，

４０×４０×２０，６０×６０×２０，８０×８０×２５。９２ｘ９２×２５，１２０×１２０×３８，中１４５×３８等标准系列产品．标准电压等级为１２伏和２４伏，转速范圈为２０００～７０００转／分，风量范围为ｏ．００３～５．ｏ米３／分，轴承

结构型式有含油轴承和滚珠轴承二种。取决于风机的使用环境温度．

本文将着重介绍小型永磁直流无刷风机（下简称无刷风机）在技术、应用、市场和发展趋势等方面的情况．

‘

２无届Ⅱ风机的技术性能特点

（１）无刷风机的效率高、功耗小，与传统的交流罩极式、电容式风机相比较。其效率从百分之十

几提高到３０％～４０％．

（２）无尉风机温升低，传统的交流覃极式、电容式风机其绕组温升为５０～７５℃，无剥风机绕组锰升一般不超过２０℃．

（３）安全可靠性高．无刷风机使用的鬯披电压为ｂ，１２。２４，３６，４８伏，均属于安垒电压之列，因此无刷风机其绕组对耐压、绝缘处理的要求均较传统的罩极式．电容式风机要求低．

（４）通过电压改变可较容易地对无刷风机进行调速，从而可获得较宽广的气流特性范暖ｔ以适合不同系统阻抗场合使用：

（５）无刷风机工作时由于没有电刷与整流子高转速的相对接触摩擦，因此没有由于换向火花产生的电磁干扰，适合于需要电磁兼容的整机系统．

（６）寿命长、可靠性高是无刷风机的另一特点，在一般正常使用环境温度下无刷风机的使用寿

命可达５年之上．

（７）无刷风机噪声低．更适合使用在要求环境安静如办公自动化设备中．

‘

（８）无刷风机在外形安装尺寸上已和交流风机一样形成了国际标准系列规格；２５×２５×ｌｏ，４０×４０×２０。６０ｘ６０×２０。８０×８０×ｚ５，９２×９２×２ｓ；ｌ岔Ｄｘｌ２０×３８，和中１５０ｘ３８．其使用电源电压也已形成６Ｖ，１２Ｖ，２４Ｖ，３６Ｖ和４８Ｖ等标准电压等级．’

（９）无刷风机执行的国际标准为美国军用标准ＭＩＬ—Ｂ一２８８７３“小型无刷直流风机军用标

准”．在我国目前尚无完整的国家标准．但由苏州电讯电机厂为主要起草单位制定的电子工业部行

一５５—

业军标ＳＪ００２３９—９２“小型无刷直流风机通用规范”已对我图无刷风机的型号命名、技术要求、检验要求、试验方法和验收规则进行了详细的规定．

３无刷风机技术发展趋势

由于科学技术的发展，办公自动化设备（如电脑、打印机、复印机、绘图仪等）更趋小型化。因此

对无刷风机在性能指标、小型化和智能化等综合指标方面提出了更高的要求．

（１）对无刷风机小型化的要求

办公自动化设备对无刷风机的外型安装尺寸更趋小型化的要求越来越迫切．

目前使用在薄孤笔记本电脑中冷却中央处理嚣的无捌风机其尺寸为２５×２５×ｌｏ．额定电压为５伏，电流为Ｏ．１安，转速为８０００转／分，风量为０．０９米。／分。噪声为２５分贝．

（２）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晨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，目前无尉风机的噪声指标可达到３０分贝以下，更能适合办公自

动化设备的使用要求．

（３）无捌风机电子换向线路集成化要求

早期的无捌风机其电子换向线路由三搬管、电阻、电容等十几个元器件在印刷线路板上进行分

立元件播件焊接设成。其工艺复杂．质量一致性和可靠性整．近年来随着集成电路技术的发曩．目前已有霍尔开关集成电路生产。集曩尔元件，放大器、触发嚣ｔ功率输出于一体ｔ使换向线路的生产工艺大大简化，降低了功耗，并提高了电子换向线珞的可靠性．这种典型的霍尔开关集成电路。国外的生产厂有美国ｓｐｒａｇｕｅ公司，日本松下公司Ｉ国内有南京半导体器件总厂和上无十六厂等．

驱动电路集成化也是无尉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，美国ｓｐｒａｇｕｅ公司ｕＤＮ２９５２Ｂ型全桥马达驱动器是该领域的先驱者．目前该项技术尚难在无刷风机中

实现是价格较昂贵．

（４）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能够报警，对故障引起的过流进行保护．对极性

反接时的诬性保护和根据不同的气流阻抗系统进行自动调速．

过流保护和饭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，它与无尉风机定于绕组相串联。当风机由于故障而出现过流时，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．

可以通过在系统中预置热敏元件来适应风机所处的气流阻抗变化．当气流阻抗高时，热敏元件的电阻变大：再通过计算机或傲处理嚣调节电压变高，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，从而实现可以根据系统阻抗变化而获得调速，使风机输出不同’

的气流特性．

４无刷风机的市场

根据最新商情，目前无捌风机全世界的话求量巳超过１亿５千万台／年，其需求量也巳大大超

过交流风机，而且这种市场增长的趋势也随着办公自动化设备需求量的不断增长而继续看好．由于

无刷风机如此巨大的市场。因此世界上许多著名的风机制造公司．如美田ｃｏｍａｉｒＲｏｔｒｏｎ公司。蕾

茸Ｅｂｍ

Ｐａｐｓｔ公司，日本三洋、伺服公司等都对无尉风机的生产技术进行潜心研究，不断创新和开

拓，力争在刷烈的风机市场竞争中占有领先地位．无尉风机如此巨大的市场，对经挤发达的台湾是

一５６—

有一定诱惑力的．目前台湾无捌风机的生产巳在全世界风机市场中占有举足轻重的地位．笔者根据

。

有关资料对台湾主要生产无刷风机的公司作了如下的统计；

（１）建准电机工业股份有限公司（ｓｕｎｏｎＷｅａｌｔｂ

Ｅ１ｅｃｔｒｉｃＭａｃｈｉｎｅｌｎｄｕｓｔｒｙ

ｃｏ）公司创立于

１９８０年．总部设在高雄市，雇员人员为６００人．在台湾地区和中国大陆设有五家工厂。月产量达４００

万台．其独特产品是用于薄型笔记本电脑冷却中央处理器的２５×２５×６的无刷风机，其重量仅为６

克．

该公司巳获Ｉｓ０９００１认证，公司董事长洪报树称该公司已是世界上最大的无嗣风机生产厂

商．产品的主要原材料组件来自本地、美国和日本．７０％的产品外蛸欧州。美国，亚州和凑州．９８年

公司营业额为ｓ８００万美元，预测９９年可这７８００万美元．

（２）科升科技有限公司（ＧＩｏｂａｌ

ｗｉｎ‰ｈ∞Ｉｏｇｙｃｏ．Ｌｔｄ）

公司成立于１９９２年。总部设在台

北。雇员人敷５５人。三名工程师，专门生产ＩｎｔｅｌＰｅｎｔｉｕｍ中央处理器芯片的冷却风机。公司在中国、德国、美国和台湾地区均巳申请专利．产品的９０％外饷，主要市场是欧州，风机的原材料和组件均立足台湾生产，１９９８年的销售额为６５０万美元，９９年预期可达８００万美元．

（３）翔风电子股份有限公司（Ｍａｘ—ｗｉ“ｇＥｌ∞ｔｒｏｎｉｃｓｃ０．Ｌｔｄ）公司创建于１９９４年，资本额

为１５０万美元．总公司设在台北市．建筑面积５００米２，在中国大陆设有３０００米２的生产厂，窟员３１５人。公司已获ｌｓ０９００ｚ认证．日产量３万台风机，无刷风机中的关键部件均立足于台湾生产，７０％的产品销往美国，１０％销往日奉和韩国。５％销往欧州．９６年营业瓤为３２０万美元，９９年顶期可达

６００万美元．

（４）福佑电机股份有限公司（Ｆｕｌｌｔｅｃｈ，ＥＩｅｃｔｒｉｃｃｏ．Ｌｔｄ）公司建立于１９９０年位于台湾北部

的桃园市．占地面积３５０米２．雇员数３５人．具有月产量８万台风机的能力・９８年营业额为４６０万美元，９９年预期增长３％．

（５）政久兴业股份有限公司（ＤｙＭｅｏｎｌｎｄｎ３ｔｒｉ８ｌ

Ｃｏ．Ｌｔｄ）公司成立于１９９３年．资本额为６０

万美元，公司专业生产用于ＰｅｎｔｉｕｍＰｒｏ处理器中的警报无刷风机，产品的６５％销往美国、德国、日

本、韩国．

（６）仟同实业有限公司（Ｌｅ“＆Ｒｉｇｈｔ

Ｉｎｄｕ８ｔｒｙ

ｃＤｒｐ．）公司刨立于１９９２年，在中国大陆设有

雇员３００人的工厂，建筑面积为１０００米２，总部设在台北市．现具有月生产５０万台风机的能力．为适应不断增长的无刷风机市场需求量，公司又在台北郊区成立了新工厂，目前已投入生产．９８年公司的营业顿为５６０万美元，９９年预计达１２００万美元．

综观台湾无刷风机六家公司的概况。我们清晰地感到无尉风机是一种具有极大发晨前途并具有极大诱感力的产品，台湾这些公司都是一些小公司．在９０年代期间相继发展壮大起来的．无刷风机现在已成为兼劳动密集型和技术密集型的产品，台湾厂商能够利用其较价廉的劳动力（尤其是采取在中国大陆投资设厂）并借用美冒、日本的高科技，获得如此巨大的资本积累，很是值得我们深

－・

台湾的无刷风机已在全世界的无刷风机市场稳稳地站住了脚跟．反之我国内地无刷风机的生产却不尽如人意．目前国内无刷风机最大的生产厂——苏州电讯电机厂从８０年代就开始开发生产无尉风机，也有系列产品生产，并为美胃施乐复印机公司（ｘｅｒｏｘ）配套生产１２０×１２０×３８的无剧风机．但是由于价格，质量等诸多因素，其市场占有率和生产量均较低（和交流风机相比较）・始终难成气候．面临即将来临的甘一世纪，我们应该奋起直追。使无捌风机以崭新的面貌出现在世界风机

市场．

一５７—

５附录

办公自动化设备中常用的无刷风机一览表

风机号（叶轮直径）

（１ｎｒｎ）

■定电压

（Ｖ）

■人功率ｔＷ）

０．５

量★风量

（ｍ’，ｍｉｎ）

量大●压

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３９

图１圆形轴流风机外形图

一５８—

小型永磁直流无刷风机概况

作者：作者单位：

邬显光电讯电机厂

1.期刊论文 黄大明. Huang daming 永磁直流电机的EMI抑制 -安全与电磁兼容2007,""(5)

永磁直流电机在小家电和电动玩具中应用非常广泛,电机在工作时会产生电磁干扰,对周围的电子设备和人员产生一定的危害.阐述了永磁直流电机的结构、工作原理和产生电磁干扰的原因.通过对电机电磁干扰(端子骚扰电压、骚扰功率、辐射骚扰)的测试,分析电机存在的电磁干扰并给出解决措施;分析解决措施的有效性,从而得出抑制永磁直流电机电磁干扰的最佳方案.

2.学位论文 余辉 基于混编有限元程序的少槽永磁直流电机性能分析 2005

永磁直流电机由传统的电励磁直流电机发展而来，兼有直流电机和永磁材料的诸多优点，从日常生活到国防建设的广泛领域里，都得到了广泛的应用，其中又以中小容量的少槽永磁直流电机所占的比例最大。

该文采用VC++与MATLAB混合编程的技术自行开发了少槽永磁直流电机性能的有限元分析程序，并利用该程序以一台两极三槽永磁直流电机为例，对电机的空载、负载运行性能等进行了有针对性的分析，文章最后形成的完整的程序开发方法和例机性能分析结果，对该类电机的设计优化和其他类型永磁电机的有限元程序开发都具有一定的实用参考价值。该文共分四章。

第一章阐述了课题研究的目的和意义。因为永磁电机较之普通电励磁电机在结构方面更为复杂、磁路组成富于更多的变化，由此引出有限元方法在永磁电机性能分析方面所具有的优越性。同时总结了前人对永磁直流电机的研究情况，并介绍了该文的研究内容。 第二章讲述了混合编程技术和有限元程序的开发方法。其中涉及了MATLAB自带的PDETOOL工具箱的介绍，VC++程序的编制方法，两种语言的数据接口问题。并介绍了有限元前处理中永磁体的数学建模问题以及在后处理中一些主要电机参数的计算方法。 第三章给出了一台例机，并在第二章程序开发的基础上对该电机气隙轴向计算长度及其与永磁体轴向外伸长度的函数关系、电机的空载特性、电机负载运行性能核算程序的形成以及负载转矩脉动等几个方面的问题进行了详细深入的计算和分析。 第四章针对少槽永磁直流电机普遍存在的机壳不对称开孔问题，在定量计算的基础上讨论了其对空载和负载运行时电机磁振动力大小的影响，并提出了一种结构上的改进方案且验证了其有效性。

3.会议论文 孙建中. 白凤仙. 田立坚. 唐任远 利用二维有限元法计算盘式永磁直流电机的三维磁场分布 2000

在三维电磁场分析的基础上,提出了通过两次二维电磁场有限元分析获得盘式永磁直流电机的三维磁场分布的方法,并用这种方法计算了这种电机的漏磁系数,解决了盘式直流电机设计时难以确定工作点的问题.

4.学位论文 张洁 少槽永磁直流电机有限元分析 2007

永磁直流电机由传统的电励磁直流电机发展而来，兼有直流电机和永磁材料的诸多优点，从日常生活到国防建设的广泛领域里，都得到了广泛的应用，其中又以中小容量的少槽永磁直流电机所占的比例最大。

本文采用软件Ansofl Maxwell对少槽永磁直流电机性能进行有限元分析，并以一台两极三槽永磁直流电机为例，利用Ansofl Maxewll的强大功能对电机的空载运行性能，参数计算，永磁体充磁方向等进行了有针对性的分析，通过实例证明了利用AnsoftMaxwell对永磁直流电机磁场进行分析所具有的方便和快捷；文章最后形成的软件分析方法和样机性能分析结果，对该类电机的设计优化和其他类型永磁电机的有限元程序开发都具有一定的实用参考价值。全文共分五章进行论述。

第一章阐述了课题研究的目的和意义，讨论了有限元方法在永磁电机性能分析方面所具有的优越性。同时总结了前人对永磁直流电机的研究情况，并介绍了本文的研究内容。第二章阐述了有限元理论的基本原理，并介绍了目前有限元计算中的关键技术网格剖分的发展和现状。第三章通过以样机为例对Ansofl Maxwell软件在电磁场分析上进行了深入剖析。第四章讨论了电机气隙磁密、线圈感应电势、电磁转矩和磁感应强度的计算方法，根据样机数据有重点地对该电机气隙轴向计算长度、电机的空载特性等几个方面的问题进行了深入的计算和分析。第五章针对永磁电机充磁方向对电机性能的影响进行了讨论。

5.期刊论文 阎璐. 胡欲立. YAN Lu. HU Yu-li 温度升高对永磁直流电机效率的影响 -微电机2007,40(3)

永磁材料的磁性能随温度的升高而降低,因此温度的升高对永磁电机的影响较电励磁电机更为明显.介绍了一种温升对电机效率影响的计算思路与方法,并以一台水下使用的永磁直流电机为例,计算在20℃～80℃范围内效率的下降情况.

6.期刊论文 朱达荣. 朱卫国. ZHU Da-rong. ZHU Wei-guo 低速高扭矩永磁直流电机的设计及参数解析计算 -安徽建筑工业学院学报（自然科学版）2006,14(4)

设计出汽车电动千斤顶需要的一种低速高扭矩永磁直流电机.本文根据此电机的特点和使用的工况,分别对电机的永磁材料、气隙磁密波形、电枢绕组和电路形式、转子结构、定子结构进行选择和确定,并利用分离变量法求解永磁电机绕组的电枢反应磁场、绕组的自感互感、电机负载气隙磁场、绕组电流和电磁转矩,从而得出该电机的参数表.

7.学位论文 苏展 永磁直流电机CAD系统 2007

永磁直流电动机保留了传统直流电动机良好的调速特性和机械特性，还因省去了励磁绕组和励磁损耗而具有结构简单、体积小、用铜量少、效率高等特点。因而从家用电器、便携式电子设备、电动工具到要求有良好动态性能的精密速度和位置传动系统都大量应用永磁直流电动机。本文研究了永磁直流电动机的设计特点，开发了永磁直流电动机c A D系统。 论文总结了国内外电机c A D领域的研究现状，深入研究了永磁直流电动机的设计特点和设计方法，提出适合计算机计算的永磁直流电动机的设计方法。论文详细介绍了永磁直流电机设计模型、软件系统开发环境、CAD系统体系结构和主要功能，详细讨论了系统的技术实现过程。本永磁直流电动机CAD系统基于MICROSOFT公司的面向对象的编程语言VlSUALC++ 6.0编程，基于工程数据库管理，是运行于WINDOWS操作系统的模块化、面向用户的CAD软件，能够完成电机参数的自动计算。

本文给出了若干永磁直流电机样机的主要性能指标的设计值和试验值的对比分析，使用效果和设计结果证明了本 CAD 设计软件具有计算准确、输入输出方便快速、人机界面友好、通用性强等优点，适合于生产厂家对常用的铁氧永磁体和稀土永磁直流电机进行电磁设计，有一定的实用价值。

8.会议论文 徐彬. 冀路明. 廖自立. 张永谦. 李长兵 稀土永磁同步电机和永磁无刷方波直流电机的数字式调速系统 1999

该文介绍了舰船电力推进系统可能采用的稀土永磁同步电机和永磁无刷方波直流电机的数字式调速系统。采用电机控制专用单片机87C196MC和专用数字信号处理器TMS320C24X设计的数字式调速系统电路简单，动静态性能好。

9.学位论文 吕继煌 抑制少槽永磁直流电机定位力矩的方法研究 2004

在永磁直流电机中，即使电枢绕组不通电，由于永磁体产生的磁场同电枢铁芯的齿槽相互作用而产生转矩，即齿槽定位力矩(CoggingTorque)。定位力矩使电机输出转矩波动，产生振动及噪声。文中阐述了产生定位力矩的原理，综述了包括德昌电机公司的技术在内的抑制定位力矩的方法和研究现状。抑制定位力矩的方法，主要就是减小电枢旋转过程中气隙中磁场能量的变化。

文中以少槽永磁直流电机为例，通过有限元分析，以及DOE实验验证，对转子冲片增加辅助凹槽、充磁方式和转子冲片不同类型对定位力矩的影响进行了研究，深入分析了冲片辅助凹槽对抑制少槽永磁直流电机定位力矩的作用，结果表明，同一冲片上在对称位置上排布辅助凹槽能取得很好的效果，而以冲片中心线对称地加两个辅助凹槽时，辅助凹槽角度不同作用不同。对不同冲片，适合的辅助凹槽角度也是不同的。文中找出了一个较成熟的抑制少槽永磁直流电机定位力矩的系统方法，给出了生产中实用的抑制方法，同时通过实验给出了这些方法对电机性能的影响。 DOE方法能从不同因素中找出对定位力矩起主要作用的变异因素，并且寻找到各变异因素之间的影响作用，给出抑制定位力矩各变量的最佳组合，相比现时生产中的方法，该组合可将定位力矩降低70％。

10.期刊论文 邵晓强 永磁直流电机最佳齿槽数方案的研究 -微电机2004,37(1)

从电机学的基本理论出发,推导出永磁直流电机转矩波动(感应电势纹波)与电机齿槽数、极对数的关系表达式,实用、明了,实验表明,其结论与实验结果相吻合.

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_348249.aspx

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