用于风机系统的高可靠运行数码马达系统的制作方法

本发明涉及机电领域，具体涉及一种用于风机系统的高可靠运行数码马达系统。

背景技术：

“马达”为英语motor的音译，即为电动机、发动机。传统马达，大致可分为两大类，一类是有刷马达，一类是无刷马达。

有刷马达转速基本没超过30000转/分钟的，如775马达是双滚珠轴承高转速大扭力直流马达，空载转速大约22000转/分钟，有些航模380马达转速达到29000转/分钟。有刷马达的换向器和电刷之间，每圈都要分、合交替接触多次。换向器工艺要求高，又有不间断的摩擦，所以电刷采用含有自润滑效果的纯石墨或含石墨复合材料以便降低磨损消耗，但磨损必然出现。因此有刷马达维护不但非常麻烦而且无法避免，另外换向过程会产生电火花，不能用在易燃易爆等场所。因此有许多使用上的限制。长期以来，有刷直流马达以其优良的运行特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但由于采用电刷以机械方式进行换向，因而存在机械摩擦，由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短、转速无法很高等致命弱点。

由于有刷马达使用的碳刷很柔软，所以本身易耗，加上运行时有可能因压力不均出现变故，外界异物有可能使碳刷接触不良，所以有刷马达的设计缺陷造成的多故障现象很难满意地控制。这种以移动部件的相互摩擦接触为基础的机械切换方式，其先天的设计缺陷不是碳刷成分、弹力构件等改进就能消除的。

无刷马达也是中、低转速居多，当然个别号称“暴力马达”的大功率无刷马达也有达到10万转/分钟的，例如某些国外三相无刷吸尘器马达。当然，早些年的马达，当高运转时，都有噪音高、寿命短、稳定性差的情况。无刷马达规避了有刷马达的诸多缺陷，放弃机械式的换向机构使维护变得简单，没有了“明火”使运用的环境限制放宽许多，并且体积比有刷马达缩小，使用寿命相对延长。无刷马达还有调速性能好、可调转向、运行效率高等优点。

在老问题解决的同时，新问题产生了。具体地，由于使用电子换向技术，成本提高了；由于电子元器件大量使用，电控故障出现了：积灰容易造成短路也影响散热，过热容易造成电解电容失效也容易造成半导体性能异常。

对要求高的设备系统，当前越来越多采用无刷马达。无刷马达突出优点就是取消了机械切换方式的碳刷，磁场的极性依靠机载电源电子线路上的微处理器进行数码切换。无刷马达消除机械切换缺点的同时，也带来一个新的缺点。电子元器件也会出现不稳定，特别是继电器或电子开关、电解电容容易损坏，另外随着功率密度的提升，马达绕组和轴承的发热过多问题变得严重起来，随着转速的大幅提高，偏心度稍大就会带来一大串的问题。配件故障随着高转速发生率明显提高。当配件故障发生时，整个设备系统如何保证继续正常工作成为核心环节。

特别是新型超高速马达，体积小、转速高，驱动器电路相对复杂，其元器件多，功耗大，造成发热多散热难，可靠性下降，长时间运行非常困难。超高速马达，尤其是商业运用或工业运用而需要连续工作的超高速马达，一旦罢工，很容易造成使用者体验感差，维护成本也居高不下；同时，在一些会出现间接损失的运用中(如血液体外循环设备)，还可能带来无法挽回的损失。因此，高可靠性的马达运行方案成为迫切的社会需要。

在英国戴森公司开发出数码马达后，马达进入一个新的发展阶段。当前，市面上出现了一些性能不错的数码马达。数码马达的优点是，体积更小、重量更轻、转速更高、噪音更低，当前最常见应用的是风叶与马达集成为一体的大风量高风压的风机。

数码马达的缺点也是明显的，它仍然是无法长时间连续工作，特别是在满负荷情况下，连续工作时间比一些优秀的传统马达还要短。

一方面是高速马达作为广泛使用的动力源都存在寿命短、稳定性差的共性，另一方面是市场上又需要高性能、长寿命、高稳定、易维护的动力来源，这就需要一个综合成本降低，社会效益升高的技术方案和运行系统。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种综合成本降低、高性能、长寿命、高稳定、易维护的用于风机系统的高可靠运行数码马达系统。

根据本发明，提供了一种用于风机系统的高可靠运行数码马达系统，包括：冗余马达阵列；其中，冗余马达阵列由x个马达组成，其中x为不小于2的自然数；每个马达都包括电动机主体和具有通信功能的数码变频驱动控制电路，组成方式可以是集成一体的，也可以是分置相连的；各个马达之间通常用并联方式设置，特殊情况也可串联设置。x个马达按照预定的轮流工作周期或者按照预设的组合方案运转，使得独立工作的x个数码变频驱动控制电路间保持通信，从而实时识别出冗余马达阵列中处于功能正常状态的马达，并且根据预定周期或预设方案从处于功能正常状态的马达中自动协商选出作为主节点的马达；操作者对风机系统的要求从风机系统的人机交互界面或操控面板输入，由控制电路转换成运行指令，主节点马达依照运行指令运转，达到可靠工作的目的。

优选地，冗余马达阵列中的各个马达具有用于识别的唯一的数字地址。

优选地，所述用于风机系统的高可靠运行数码马达系统还包括用于采集各个马达的温度的温度传感器系统。

优选地，从处于功能正常的马达中协商选出作为主节点的马达的步骤包括：根据温度传感器系统采集到的各个马达温度和/或转速选出作为主节点的马达。

根据本发明，还提供了一种用于风机系统的高可靠运行数码马达系统，包括：冗余马达阵列和控制器；其中，冗余马达阵列由通过控制器协调的x个马达组成，其中x为不小于2的自然数；控制器产生操控指令数据流，并且通过使得操控指令数据流依程序送入冗余马达阵列中的各个马达的驱动电路中来协调所述x个马达；其中，操控指令数据流用于指示冗余马达阵列中的各个马达的执行时序，而且执行时序从处于功能正常状态的马达中自动协商选出作为主节点的马达，使得作为主节点的马达为满足操作者对风机系统的要求，让马达系统的运行做出相应的操作反应。

优选地，操控指令是即时执行的或者是预约式的。

优选地，冗余马达阵列中的各个马达具有用于识别的唯一的数字地址。

优选地，所述用于风机系统的高可靠运行数码马达系统还包括用于采集各个马达的温度的温度传感器系统。

优选地，温度传感器系统将采集到的各个马达的温度数据发送给控制器。

优选地，控制器根据温度传感器系统采集到的各个马达的温度来参与产生操控指令数据流。

例如，控制器产生的操控指令数据流送入冗余马达阵列中的各个马达的驱动电路，使得选出温度最低的马达来针对马达系统的操作做出相应的操作反应。

本发明的益处是多方面的，其中最基本的有三方面：

1、安全风险方面。多传感器侦测与自动保护设置，大幅减少自燃或/和漏电触电等安全风险；

2、停机风险方面。长时间工作，马达故障难免，仍可避免或大幅减少停机损失；

3、优质运行方面。充分运用本发明，即使部分马达故障，及时维护仍然可以让风机系统总成连续优质运行。

由此，本发明提供了一种易维护、综合成本降低、高性能、长寿命、高稳定的用于风机系统的高可靠运行数码马达系统。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1示意性地示出了根据本发明第一优选实施例的用于风机系统的高可靠运行数码马达系统的系统框图。

图2示意性地示出了根据本发明第二优选实施例的用于风机系统的高可靠运行数码马达系统的系统框图。

需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。

具体实施方式

为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。

高可靠至少包括三个方面，1、避风险。风机系统对操作者和周边环境安全度极高，2、防停机。风机系统意外停机概率极低，3、稳指标。风机系统运行指标符合操作者要求的保障率极高。

本发明专门针对马达与马达驱动的冗余提供“冗余马达阵列”方案。冗余马达阵列系统采用(1+n)个马达构成的思路，n为自然数。其中“1+”表达的是至少一个马达单元正常工作。运行时，可以是m只马达工作(其中m为自然数，而且1≤m≤1+n)，各工作马达依照预先编制的程序由操控电路指挥运行。如果一个马达发生故障，可以不停机或暂时停机切换，切换可以自动或手动完成，切换后系统自检通过后即可恢复工作。当n＝1,2,3,4,5,6,7时，系统就是双马达系统，三马达系统，四……，八马达系统。

由(1+n)个马达构成的冗余马达阵列，可以是(n+1)个马达都在系统操控之下，同时或部分进入运行状态。如果一个马达发生故障，系统自动终止(1+n)方案，同时启动n马达方案，也就是1+m方案(其中m＝n-1，m≥1)。例如，八马达方案运行“1+7”程序，当一只马达故障时，系统终止8马达方案，开始执行7马达方案(即“1+6”程序)；如果再有马达故障，系统依次执行(1+5)方案，…，(1+1)方案，极端情况是(1+0)方案。

风机系统的输入/输出部分，主要指操控开关、继电器(或类似功能电子开关)和马达驱动电路、通讯电路、传感器、触摸屏(显示屏)、指示灯等。操控开关冗余是在开关面板上使用并联双开关，在常用位置和偏置位置(隐藏位置)安装，日常使用在常用位置的开关，常用位置开关出现故障可使用偏置位置冗余开关。

偏置位置开关可用微孔方案安置在隐蔽位置，也可以用伪装方案或高阻力方案，确保平时待机，需时工作。常用位置开关通路带常闭状态解除结构(即强制断路结构)，可避免影响偏置冗余开关工作。触摸屏(显示屏)、指示灯故障时，系统自动进入单马达切换运行状态，主节点选择仍旧按传感器获得的最低温度为控制参数，此时可按原设定自动关机，也可人工关机。重新开机时，可自动执行单马达方案，也可人工调整运行方案。

设备的冗余等级，随着配件的故障递增而递减，同时由指示灯显示状态。按8级冗余为例，无故障绿色柔和；坏一个单元绿色高亮长亮，坏二个绿闪烁，坏三个蓝长亮，坏四个蓝闪烁，坏五个黄长亮，坏六个黄闪烁，坏七个红长亮，坏八个红闪烁。

例如，凡是无故障，皆用绿色柔和装饰灯；出现故障，按下表或类似明显区别方案灯光报警，红灯亮时增加蜂鸣器报警。并需手动才能关闭，重新开机时重复报警并需手动才能关闭，提醒使用者及时更换故障单元。

冗余马达阵列为(1+7)方案时，这八个马达的一种极端工况是8马达各承担12.5％的工作任务，低负荷也是延寿从而提高可靠性的一种方法。系统马达总数可以9个或者更多。原理上没有差异，也属于本方案的覆盖范围。

如果需要加大风量与风压，从而提高风速，采用m马达超1/m的工作量运行。如果需要更大的风压还可以二只或三只串接运行，形成2*k或者3*k的阵列模式。

也就是说，马达阵列模式可以是全并列，可以是串接后并列，也可以是并列后串接。如果是全串接，有冗余作用，并且能产生比单马达更高的风压、抗风阻能力提高，但风量不增或增加有限并且效率较低，风道设置不当常会低于单马达风量，在特殊需要情况下可予实施。

在本发明中，冗余马达阵列采用“主动式冗余架构”。其中实现方法是各马达单元(节点)能够自动检查全部(1+n)个节点的运行状态，并且在k个节点故障时自动从(1+n)方案切换到备用的(1+m)方案，其中m＝n-k，m≧0。(比如，“1+7”方案，某节点故障，就自动降级为“1+6”方案，如果又连续出现二个节点故障，“1+6”方案就自动降级为“1+4”方案)。

本发明采用的主动冗余架构也有两种实现方式：

一是主节点与备用节点间设有交换运行状态的通讯通道，由它们“自行协商”何时进行主备切换，可以称为自控方式。这里的马达数码变频驱动控制电路具有必要的通讯功能，当两个马达之间不能通讯时，或者当前系统中仅有一个马达正常时，它们会自动将自己设定为主节点，提供风机系统所需动力。当两个马达建立了通讯连接后，它们会就谁是主节点进行协商，主节点将对包括是否读取风机操作者通过按钮发来的指令和各温度风速传感器传送来的状况信息，是否对外围系统如显示屏、灯光声响警示设备提供数据，是否让风叶按哪个转速运转的驱动服务给出反应。当确定谁是主节点后，两个马达就会自觉把自己设定为相应的工作状态。自动方式中的主节点备节点，它们在系统中都具有不同的“数字地址”，方便确定它们的存在状态和工作状态，也方便对它们提供的信息进行不同的处理。

第二种实现方法是基于一个专门的冗余控制模块，冗余控制模块分别与主备节点通讯，冗余控制模块还采集手动发送的使用要求信息(档位高低及微调信号)，也采集温度传感器传来的出风口与马达升温信息和出风口风速信息，并根据预编程序决定何哪些单元作为备用节点、何时进行主备切换。这套综合数据集中控制方式，简称“集控方式”。

在集控方式的实现中，主备节点在运行时都向冗余控制器“注册”，由冗余控制器读出和确定他们的存在方式，另外冗余控制器还担任监视主备节点运行状态的责任。当主节点在设定的时间内没有响应时，冗余控制器则重新设定主备节点的运行方式，备节点代替主节点接收运转指令、执行动力提供任务。各节点单元的驱动电路，可以以可更换模块的形式集成在冗余控制模块上，较多的是只统一通信而将驱动电路依节点单元分设。特别需要指出的是“集控方式”的冗余控制器包括数据总线及其它关键模块本身至少有1级冗余配置。

在这种情况下，主备节点具有使用指定的逻辑地址，它们的运行状态对客户程序是全息的透明的，所有的“客户请求”都通过冗余控制器节制，并由冗余控制器调制后发送给各主备节点。

支持冗余的马达，为了满足对应的系统切换性能要求，其驱动电路对识别功能、通讯功能和执行功能优选地可以特别设计(特别是待机状态识别、指令接收、指令反馈、运行或故障状态识别)。

一般的冗余系统，粗略地说就是备用系统，不管是主动式还是被动式的，其目的和作用是保障系统的常规工作正常运行。本发明的冗余系统，首先也有保障作用，另外有性能的提升，更有新功能的拓展(量变引起质变)。

本发明能够把电脑服务器等高可靠要求设备上的“冗余”概念，创造性用于风机系统中，特别是军事、科研、医疗、工业、商业等特殊要求的风机系统。实际上，本发明提供的具有冗余功能的系统可用于各种以马达为动力，需要长续航的设备系统。

下面将描述本发明的具体优选实施例。

<第一优选实施例>

图1示意性地显示出了根据本发明第一优选实施例的用于风机系统的高可靠运行数码马达系统的系统框图。

如图1所示，根据本发明第一优选实施例的用于风机系统的高可靠运行数码马达系统包括：冗余马达阵列100；其中，冗余马达阵列由x个马达10组成，其中x为不小于2的自然数；每个马达10包括具有通信功能的马达数码变频驱动控制电路11；以预定周期或者按照预定设置，各个马达之间通过各自的马达数码变频驱动控制电路11进行通信，从而识别出冗余马达阵列中处于功能正常状态的马达，并且从处于功能正常状态的马达中协商选出作为主节点的马达(其它马达为备节点)，使得作为主节点的马达为满足操作者对风机系统的要求，让马达系统的运行做出相应的操作反应。即，操作者对风机系统的要求从风机系统的人机交互界面或操控面板输入，由控制电路转换成运行指令，主节点马达依照运行指令运转，达到可靠工作的目的。

优选地，操控指令可以是即时执行的，也可以是预约式的。

优选地，冗余马达阵列中的各个马达具有用于识别的唯一的数字地址。

优选地，根据本发明第一优选实施例的用于风机系统的高可靠运行数码马达系统还包括用于采集各个马达的温度的温度传感器系统。

进一步优选地，当某主节点马达的温度超限时，系统启动主节点选择变更程序。从处于功能正常的马达中协商选出作为主节点的马达的步骤包括：采集所有温度传感器系统采集到的各个马达温度值，与设定的正常温度上限比对，数据都在正常范围时温度启动通路不动作，数据有超出设定上限时启动主节点变更程序。变更方式例如：选择选出温度最低的马达作为主节点的马达；或者选择选出温度最高的主节点马达变更为备节点马达。

优选地，当某主节点马达转速超限时，系统启动主节点选择变更程序。当某主节点马达转速达到额定转速的某个百分比(比如70％)，并且还有副节点马达，系统自动增加主节点马达的量，使送风量符合操作者要求的同时，可降低主节点马达的转速。

风机总成的出风口，设置有风速传感器，风速数据与设备接收的操控指令或预设程序指令都与主控制板(中心控制电路)实时通信，对主节点马达的数量与运行状况进行调节。

优选地，当某主节点马达持续工作时间达到预设值时，系统启动主节点选择变更程序。系统选择副节点为主节点或/和提升不超速的主节点转速。

实现的高可靠性包含三个方面：1、安全的，不出现过温自燃和不漏电；2、不停机，马达不烧毁或烧毁有冗余替换；3、风力恰当，不过低过高，在操作指令范围。

<第二优选实施例>

图2示意性地示出了根据本发明第二优选实施例的用于风机系统的高可靠运行数码马达系统的系统框图。

如图2所示，根据本发明第二优选实施例的用于风机系统的高可靠运行数码马达系统包括：冗余马达阵列100和控制器200；其中，冗余马达阵列由通过控制器200协调的x个马达10组成，其中x为不小于2的自然数；控制器200产生操控指令数据流，并且通过使得操控指令数据流依程序送入冗余马达阵列中的各个马达的驱动电路中来协调所述x个马达；其中，操控指令数据流用于指示冗余马达阵列中的各个马达的执行时序，而且执行时序从处于功能正常的马达中协商选出作为主节点的马达(其它马达为备节点)，使得作为主节点的马达为满足操作者对风机系统的要求，让马达系统的运行做出相应的操作反应。

优选地，操控指令可以是即时执行的，也可以是预约式的。

优选地，冗余马达阵列中的各个马达具有用于识别的唯一的地址。

优选地，根据本发明第一优选实施例的用于风机系统的高可靠运行数码马达系统还包括用于采集各个马达的温度的温度传感器系统；而且温度传感器系统将采集到的各个马达的温度数据发送给控制器200。

进一步优选地，控制器200根据温度传感器系统采集到的各个马达的温度的温度来产生操控指令数据流。例如，控制器200产生的操控指令数据流送入冗余马达阵列中的各个马达的驱动电路，使得选出温度最低的马达为主节点马达或变温度最高的主节点马达为备节点马达来针对马达系统的操作做出相应的操作反应。

由此，本发明提供了一种综合成本降低、高性能、长寿命、高稳定、易维护的用于风机系统的高可靠运行数码马达系统。

<其它设计考虑>

此外，针对马达的温度，当前的微型数码马达要有效工作，转速在1万/分钟～十几万转/分钟之间，将来只会更高。马达每天转十几、二十小时甚至24小时，很多时候每分钟转大约十万转，平均工作温度在六、七十度的高热是常见的。对马达来说，如果机壳或硅钢片的温度降低了，这将意味着减少马达主轴轴承的润滑剂的蒸发并且减少轴承间隙的大小变化，这将大大降低其损坏的机率。据seagate公司公开的某型号硬盘马达测试结果，在34℃时的mtbf为150,000小时，但在25℃时，会达到230,000小时，温度降低9℃＝寿命延长到1.53倍。

降低马达温度，风机系统里最方便的是利用并加大风的散热量。加强方案就是增加一枚金属散热片(常规产品选铝散热片，更好的选铜散热片与银散热片)。风叶高速转动，一定要考虑振动的问题。要知道风扇较高的转速才能达到一定的风量，但如采用较劣质的风叶，成本虽低，但寿命短且自振厉害，还可能带来不稳定谐振，对马达和内部构件的稳定性和操作者的体验感带来不利影响，还可能使一些构件提早出现材料疲劳而损坏。除了选择高质量的风叶与马达，在安装马达时增加吸震软垫、机壳吸震片都有一定效用。

风机驱动还可以加入振动传感器，可以根据操作者不同的指令，按程序规划调整温度与风扇转速的同时，侦测是否有不和谐振动，当有不和谐振动出现时，通过微量升高或降低风速转速来消除或减轻谐振，在更好的控制了风扇噪音和震动的同时，延长整机使用寿命。

如何保养和维护好风机系统，最大限度的延长其使用寿命，必须关注灰尘问题。灰尘对风机系统构成的威胁不容忽视。从以往的风机维修经验看，即使在看似非常干净的环境中工作，由于pcb一些部位带有较高电压的静电，容易吸附灰尘，而灰尘的沉积会影响电子元器件的热量散发，这将导致元件温度上升，进而出现热稳定性下降甚至产生过热宕机，严重时导致烧毁。另外，灰尘也会吸收水分，造成一些莫名其妙的短路问题，或腐蚀电子线路，造成断路问题。因此，细小的灰尘，是设备稳定运行的大敌。

风机系统使用环境各异，灰尘必然会不断累积。所以，有必要时可以定期进行清理，

设置累计工作计时器，在洁净环境工作800小时或在较多粉尘环境工作300小时可以到售后服务部保养，另设置灰尘传感器，当灰尘厚度达到某个数值时，设备提示，当灰尘厚度超过某个数据时，设备进入保护状态。

保养时，例如，可以使用防尘喷剂(例如美国crc牌防尘剂)、使用有防静电(esd)功能的小毛刷小心进行清扫，或使用吹风球或吹气枪清洁灰尘，减少出故障的机率。所有保养工作都在断电的状态下轻柔进行。特别是进风口和排风口有传感器的附近，以及板卡的插接部位灰尘最多。

mtbf计算中主要考虑的是产品中每个器件的失效率。但由于器件在不同的环境、不同的使用条件下其失效率会有很大的区别，例如，同一产品在不同的环境下，如在实验室和海洋平台上，其可靠性值肯定是不同的；又如一个额定电压为16v的电容在实际电压为25v和5v下的失效率肯定是不同的。所以，在计算可靠性指标时，必须考虑上述多种因素。

所选择的元器件，受热位置优选具有超出可能的最高温的耐热性，过流的位置优选地具有超10倍工作电流的耐流性，须承载波动电压的位置优选地具有超过3倍的耐压性。有电火花产生的位置，可以用工业白金触点或镀银处理。

确定某些部件易损或已发生故障，可分析原因，予以调整或局部冗余。

<高可靠>

高可靠包括的三个方面的实现：

1、避风险---风机系统对操作者和周边环境安全度极高，

措施：主控板、各节点马达、发热体、出风口的热传感器过温或漏电检测异常时，可先局部切断电源，也可全面切断电源或之前的局部切断无效后全面切断电源

2、防停机---风机系统意外停机概率极低，

措施：主控板与各马达的独立驱动实时通信，主节点马达故障，副节点马达随即启动，接替原主节点马达工作，其它重要或/和易损部件也做好冗余。

3、稳指标---风机系统运行指标符合操作者要求的保障率极高。

相应的措施包括：出风口的风速传感器和出风口温度传感器分别都与主控板实时通信，当风速偏离或温度偏离指令数据时，主控板发指令给主节点马达驱动或发热体，达到“反偏离方向”的调节，形成一种“动态回中”，使指标稳定在要求范围内。

需要说明的是，除非特别指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术思路或方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。