新型冰箱风机 - 文章

新型冰箱风机

作者：ebm-papst风机(上海)有限公司孙继光

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冰箱风机使用环境恶劣，低温、潮湿以及频繁的温度转换要求风机具有非常可靠的性能；压缩机功能的多样化要求风机能够长期频繁开启，并达到10万小时以上运转寿命；美国和欧洲新的能耗标准要求风机具有高效率；还有很重要的一点是消费者生活水平不断提高，要求安装在热塑材料（这些材料的吸音效果极差）制成的冷冻或冷藏室内风机降低噪音。这些都成为新型风机研制过程中的需要考虑因素。下面主要介绍提高风机效率和性能的方法，并把交流风机和新型直流无刷风机的特性作一定比较。

外部环境

风机在冰箱内运转，产生部分热量，一定程度上增加了压缩机的负荷，导致整个系统效率的降低。

无霜风机

无霜风机大都安装在蒸发器和冰箱内气流流经的通道。制冷时，风机把干燥的冷气从蒸发器吹到箱体内；除霜时，风机周围的环境温度会短时间处于冰点以上，湿度由于冰霜融化会达到饱和，这时风机一般会停止工作，水气会在风机的表面凝结。当蒸发器重新工作并达到正常温度时，风机重新启动，干燥的气流会将凝结在风机表面的水分带走。

循环风机

用于风循环的风机工作环境温度在冰点之上，流动的气流可以使冰箱内产生不同的温层。风机工作的环境湿度取决于安装位置和开关门的次数。

工作点

无霜风机典型的风叶尺寸是100mm, 转速约为每分钟2400转，这是综合考虑交流电机效率和噪音的结果。风机的输出功率为0.7W。按照一个标准的2.5英寸、输入功率为7W C型罩极电机计算，效率只有10%。下面我们来看一下新型电机与标准C型电机的比较。

图1：罩极电机EM2513LN

改进后的电机

新型的罩极电机（如图1所示）是为整个冰箱市场特别研制开发的，充分考虑了能耗、性能和工作环境。

与目前市场标准的C型罩极电机相比，新型电机采用了较小的转子尺寸，增加磁场作用长度，由此减小了边缘效应引起的损耗。铁通道和线圈两边的横截面的减少，使转子的滑差损耗与定子的杂散损耗得到非线性整合，磁通量密度保持在合理的水平。这些改动主要的优点在于减少了线圈的平均周长，减少了铜耗。电机的轴向距离采用弹性橡胶圈安装定位，由此产生的3mm厚度的增加，因为使用了较小尺寸端盖得到了补偿。

在以往的设计中，油毡或纤维不能有效的防止由于频繁的温度改变或过饱和的湿度引起的润滑油外漏，一般采用轴承盖解决这一问题。新型电机摒弃了油毡，采用特殊的润滑方式，润滑油能够在电机启动之后缓慢释放；并采用毛细原理，使轴承上任何需要润滑的地方都只会从“储油区”汲取需要数量的润滑油，不会超额，这样在各种状况下轴承都能得到更加可靠的润滑。这是采用毛毡设计所不能达到的。进一步的实验证明这种风机的使用寿命可以达到10万小时以上。更为重要的是，在实际的应用中，风机转动过程中润滑油发出吱吱声和泄露现象基本消除。

新型润滑剂采用低粘稠系数的含硅油脂，比通常使用的合成油脂的粘稠度要低。低粘稠系数使电机使用一种油脂就能够在-40℃～60℃的温度范围内工作，特别适用于如压缩机冷却等用途。

线圈用聚酰胺树脂密封。线圈和引出线接头处采用特殊专利技术，保证了接头处也严格密封。可供选择的还有插头等其它连接方式。

图2：直流无刷电机BG2012

直流无刷电机

为了替代现有冰箱使用的交流风机，提高效率，不对称罩极电机的机械原理引入了直流无刷电机的设计中（图2）。附加的电路板表面涂有一层防腐蚀的珐琅，使少量的冷凝水不会影响电路板的电子特性。这在一定程度上解决了防潮问题。但是，由于某些电子元器件仍需要额外的保护，整个电机必须加以密封。为了保护电子元器件不受坚硬树脂的挤压，密封外壳采用了普通塑料。这样，电路板与潮湿的气流隔离。在除霜阶段，环境温度上升，密封盒内的气体膨胀，防止潮湿的空气进入，冷凝水也避免附着在电机的表面。在环境温度低于电机的表面温度时开启电机也会对电路起到一定的保护作用。

电机通过低压线圈供电，外接电源通过一个电容性限流器直接供给低压线圈。一列电阻提供短路和过载保护。直流无刷电机的形状和安装方式和交流电机基本一致，在多数的产品中能够直接替代，从而达到A级节能标准。

节能

我们把两种新的设计与市场上标准的风机作了能耗比较。结果如图3所示，C型罩极电机带100mm风叶转速在每分钟2400转的时候，功率为6.9W，而EM2513LN只有4.8W，功率消耗减少了30%。继续提高效率可以把轴径减少到3.175mm (1/8英寸)以下。其实对于轴承来说，2mm的轴径就足够了，但是必须小心放置电机，因为轴过细容易受到损坏。如果使用更好的矽钢片和高纯度的铜，功耗可以进一步降到4W以下，当然成本会有所增加。

测试结果显示，直流无刷电机BG2012的节能效果更好，功耗2.4W, 只有标准电机的1/3。即使这样，很大一部分功率被起保护作用的电阻消耗掉了。如果使用外接装置替换电阻，功耗可以进一步降低到约1.8W。

图3：无霜风机的输入功率

噪音

电器中使用的电机和风机数量的增加要求降低噪音，尤其是家用电器，所以我们也对新型电机的噪音进行了测试。测试比较了不同的设计：4极和2极直流无刷电机以及2极罩极电机。虽然4极直流无刷电机采用了更为昂贵的材料，但是最后的结果还是2极直流无刷电机设计比较合理，因为2极直流无刷电机的噪音特性要远远好于4极直流无刷电机。

实验设置

把带100mm标准风叶的电机安装在1.84m高的立式商用冷柜中。风机上配有橡胶减震圈。实验中，风机通过外部电源直接供电，压缩机处于停机状态，这样消除了其他因素的影响，从而只测定、比较风机工作时的噪音。在每次试验之前，风机的转速调整到每分钟2400转。

声压通过一个放置在闭门状态的冰柜前1m处，高度在冰柜一半的位置的麦克测得。也可以采用带有录音装置立体声麦克（模拟人耳）记录分析声音效果。声音的测试在特殊的噪音实验室进行。噪音水平通过频率范围从16Hz～10kHz的1/24倍频程滤波器自动光谱仪显示。

分光光谱测试

图4显示了噪音测试的基本结果。电机的主要噪音，反映在基频也就是电机的转动频率40Hz分频。谐波（80、120、160、200Hz）分频的噪音水平也有差别。线频是引起100Hz分频噪音的主要原因，尤其是对罩极式电机而言。仅从基频来看，罩极式电机比其他两种直流无刷电机的噪音要大。但是人耳随着声音频率的升高感受越来越明显。从谐波来看，罩极式电机在人耳敏感的较高分频区域噪音较低，所以经验告诉我们，罩极式电机的噪音应当是最小的。在较高分频，2极和4极的直流无刷电机噪音变化较大。4极直流无刷电机在较高频段会发出令人不安的噪音。

图4：2400转/分钟单频噪音水平

另一方面线频产生的100Hz分频噪音只与罩极式交流电机相关，电压整流会优化直流无刷电机在此频段的噪音。当用普通A型滤波器测试噪音时，如图5所示，4极设计有明显的缺陷。而2极直流无刷电机产生的噪音水平与罩极式交流电机相差不大。这与经验基本一致。

图5：2400转/分钟单频噪音水平（A型滤波器）

综合考虑噪音和节能的因素，2极直流无刷电机是最理想的选择。外形尺寸与罩极式电机相似是2极直流无刷电机的另外一个优点，它可以用来直接替代现有设备中的交流电机而不需要任何的改动。

结论

冰箱的功能由于采用了新型风机得以改进。采用含硅润滑剂的含油轴承技术减少了在冰点温度的摩擦，使风机工作的温度范围更加广泛；防潮处理的直流无刷电机进一步降低了功率消耗，使风机达到新的能耗标准要求，并且不需要额外的装置来降低噪音。

注：文章中所有数据和图片来源于ebm-papst公司实验数据和资料。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/25/2005)


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