陳曦

（華意壓縮股份有限公司 江西景德鎮(zhèn) 333001）

0 引言

產(chǎn)品技術(shù)與品質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)是未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)的重中之中。在此基礎(chǔ)上保障產(chǎn)品的可靠性和安全性，對(duì)于設(shè)計(jì)的要求也越加嚴(yán)格。

電機(jī)作為壓縮機(jī)最重要的核心部件，也是帶電部件，世界主要安全認(rèn)證機(jī)構(gòu)，例如UL認(rèn)證、VDE認(rèn)證、CCC認(rèn)證等等，對(duì)壓縮機(jī)安全認(rèn)證要求中，均對(duì)壓縮機(jī)電機(jī)有很高、很詳細(xì)的要求。設(shè)計(jì)師必須通過(guò)更加合理的設(shè)計(jì)，在控制成本的同時(shí)，保障壓縮機(jī)的安全，盡可能的降低產(chǎn)品的工藝難度，從而提高批量產(chǎn)品可靠性的。

1 冰箱壓縮機(jī)電機(jī)繞組設(shè)計(jì)和電容選型的安全因數(shù)及其影響

而在冰箱壓縮機(jī)電機(jī)性能設(shè)計(jì)階段，繞組參數(shù)和電容的安全因數(shù)，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，即：力矩設(shè)計(jì)、槽滿(mǎn)率設(shè)計(jì)、電容最大耐電電壓。

1.1 力矩設(shè)計(jì)

電機(jī)力矩直接影響壓縮機(jī)的啟動(dòng)性能和過(guò)載能力。電機(jī)力矩設(shè)計(jì)不足，將導(dǎo)致壓縮機(jī)不啟動(dòng)或啟動(dòng)時(shí)間偏長(zhǎng)，降低壓縮機(jī)過(guò)載運(yùn)行能力。

壓縮機(jī)不啟動(dòng)，將會(huì)是壓縮機(jī)電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，以市場(chǎng)主流180~210升的冰箱，與其匹配的壓縮機(jī)堵轉(zhuǎn)電流一般可以達(dá)到5A以上，此時(shí)電機(jī)的發(fā)熱功率將接近甚至超過(guò)1000W。雖然壓縮機(jī)有熱保護(hù)器斷電保護(hù)，但是熱保護(hù)器冷卻以后依然會(huì)再次通電使電機(jī)再次堵轉(zhuǎn)。如果這種循環(huán)沒(méi)有被用戶(hù)發(fā)現(xiàn)，時(shí)間一長(zhǎng)是相當(dāng)危險(xiǎn)的。

另外，壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，將導(dǎo)致耗電量增加以及繞組溫升的增加。啟動(dòng)電流與啟動(dòng)功率遠(yuǎn)大于正常負(fù)載是的電流和功率。

1.2 槽滿(mǎn)率設(shè)計(jì)

過(guò)大槽滿(mǎn)率，將帶來(lái)電機(jī)生產(chǎn)的困難，從而增加電機(jī)隱患。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：繞組嵌線(xiàn)困難、繞組整形困難，從而增加電機(jī)安全隱患。

1.2.1 繞組嵌線(xiàn)困難帶來(lái)的安全隱患

繞組嵌線(xiàn)困難時(shí)，容易電機(jī)產(chǎn)生批量生產(chǎn)漆包線(xiàn)漆膜損傷，俗稱(chēng)破皮。

漆包線(xiàn)破皮，特別是漆包線(xiàn)槽內(nèi)破皮，在破皮點(diǎn)相聚較遠(yuǎn)時(shí)，是有可能通過(guò)國(guó)家準(zhǔn)規(guī)定的耐壓測(cè)試以及絕緣測(cè)試。但是這并不意味著沒(méi)有安全隱患。根據(jù)導(dǎo)體同相電流相互吸引的原理，電機(jī)在通電的時(shí)候，同相繞組每匝線(xiàn)圈將會(huì)有收緊的趨勢(shì)，此時(shí)可能造成匝間短路。

匝間短路時(shí)，整組線(xiàn)圈形成兩個(gè)部分，同變壓器感應(yīng)原理，極有可能在圈數(shù)少的那部分線(xiàn)圈感應(yīng)出極大的電流，燒毀線(xiàn)圈。

1.2.2 繞組端部整形困難

這種情況不但容易產(chǎn)生漆包線(xiàn)擠傷槽絕緣、漆包線(xiàn)破皮的現(xiàn)象，還會(huì)使得整形尺寸不合格。更為隱蔽的隱患是電機(jī)在生產(chǎn)線(xiàn)整形尺寸合格，因?yàn)檫^(guò)緊的線(xiàn)包導(dǎo)致在裝配以后因漆包線(xiàn)回彈的特效使得端部尺寸超差。

破皮的安全隱患如同上述，端部尺寸超差必然導(dǎo)致壓縮機(jī)的電氣間隙和爬電距離的減小，使得壓縮機(jī)耐壓性能下降。

1.3 電容的最大耐電電壓

高效壓縮機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)，基本都采取電阻啟動(dòng)電容運(yùn)行的設(shè)計(jì)。電容最大耐電壓不足，將會(huì)燒毀電容，電容燒毀易產(chǎn)生明火。而電機(jī)由于處于封閉系統(tǒng)里，沒(méi)有助燃劑（氧氣），在沒(méi)有高電壓情況不產(chǎn)生電弧的情況下，只是產(chǎn)生較高的溫度，融化或碳化絕緣。

按照冰箱生產(chǎn)的環(huán)保和節(jié)能要求，R600a制冷劑是目前高效冰箱主流制冷劑。作為可燃性氣體，接觸明火的危害巨大。

電容的安全設(shè)計(jì)主要是解決好兩個(gè)參數(shù)的設(shè)計(jì)即：電容的最大耐電壓和電容的容量。選擇將導(dǎo)致電容成本的增加，而選擇過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致燒毀電容危害安全。運(yùn)行電容的選用與容量設(shè)計(jì)是否合理，也決定了壓縮機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)的成敗。

2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決辦法

2.1 高效電機(jī)力矩設(shè)計(jì)難點(diǎn)與應(yīng)對(duì)方法

提高電機(jī)力矩的辦法有很多，例如：調(diào)整繞組參數(shù)、降低鐵芯疊厚、增大定轉(zhuǎn)子氣隙、提高運(yùn)行電容容量、增加啟動(dòng)電容等等。

高效電機(jī)設(shè)計(jì)中，效率和力矩是一對(duì)矛盾點(diǎn)。高效電機(jī)的效率往往超過(guò)80%以上。高效電機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)是相較中、低效電機(jī)有更大的鐵芯疊厚、更低鐵損的硅鋼、更多主繞組的有效圈數(shù)。這些設(shè)計(jì)將導(dǎo)致力矩的下降。

要同時(shí)滿(mǎn)足效率和力矩，電機(jī)疊厚、定轉(zhuǎn)子氣隙、電容容量這些方面的設(shè)計(jì)變更空間非常狹小。一般通過(guò)調(diào)整繞組參數(shù)方法達(dá)到目的。

表1 調(diào)整前后電機(jī)繞組參數(shù)

表2 兩種方案效率對(duì)比測(cè)試

常用的調(diào)整繞組參數(shù)提高力矩的方法有：增加副繞組有效圈數(shù)提高最大轉(zhuǎn)力矩、減少副繞組有效圈數(shù)提高堵轉(zhuǎn)力矩、降低主繞組有效圈數(shù)提高堵轉(zhuǎn)力矩和最大力矩、加大主副繞組線(xiàn)徑提高堵轉(zhuǎn)力矩和最大力矩、增加定轉(zhuǎn)子氣隙提高堵轉(zhuǎn)力矩和最大力矩。

因?yàn)楦咝П鋲嚎s機(jī)電機(jī)的效率，單一的采用減少主、副繞組匝數(shù)等一些辦法，常常伴隨的是效率的下降。所以要兼顧效率和力矩，必須采用增加副繞組有效圈數(shù)以及加大主、副繞組線(xiàn)徑的同時(shí)，綜合采用降低主繞組有效圈數(shù)的辦法。

例如：

電壓220V，頻率50Hz，運(yùn)行電容4μf，無(wú)啟動(dòng)電容，PTC電阻15Ω。電機(jī)繞組參數(shù)如表1，兩種方案力矩-轉(zhuǎn)速對(duì)比測(cè)試曲線(xiàn)如圖1所示。

兩種方案效率對(duì)比測(cè)試結(jié)果如表2所示。本次調(diào)整采用了增加副繞組有效圈數(shù)以及加大主繞組線(xiàn)徑的同時(shí)，綜合采用降低主繞組有效圈數(shù)的辦法提高最大力矩。

2.2 槽滿(mǎn)率的設(shè)計(jì)

由于電機(jī)沖片選擇的限制，設(shè)計(jì)人員無(wú)法通過(guò)增大槽面積的方法，來(lái)降低槽滿(mǎn)率。并且率設(shè)計(jì)的上限值，也是極難把握。

因此，校驗(yàn)一款電機(jī)槽滿(mǎn)率電機(jī)設(shè)計(jì)是否合理，電機(jī)繞組參數(shù)設(shè)計(jì)是否可以定稿，只能通過(guò)對(duì)電機(jī)樣品做相關(guān)試驗(yàn)，來(lái)判斷樣品是否產(chǎn)生了安全隱患，并通過(guò)小批量的試生產(chǎn)來(lái)檢驗(yàn)。

2.2.1 槽滿(mǎn)率設(shè)計(jì)的破皮隱患排除

漆包線(xiàn)破皮，特別是漆包線(xiàn)槽內(nèi)破皮，在破皮點(diǎn)相聚較遠(yuǎn)時(shí)，是有可能通過(guò)國(guó)家準(zhǔn)規(guī)定的耐壓測(cè)試以及絕緣測(cè)試。要排除破皮對(duì)安全帶來(lái)的隱患，最好的辦法是對(duì)壓縮機(jī)整機(jī)做加速壽命試驗(yàn)，利用壓縮機(jī)連續(xù)帶電運(yùn)行來(lái)考驗(yàn)電機(jī)安全性，可參見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。

另外，經(jīng)驗(yàn)表明，在電機(jī)批量試產(chǎn)時(shí)，對(duì)其進(jìn)行電弧偵測(cè)（ARC）,也可以比較有效的驗(yàn)證槽滿(mǎn)率設(shè)計(jì)是否合理。

2.3 電容安全性設(shè)計(jì)與評(píng)估

2.3.1 電容最大耐電壓選擇

我們不可能針對(duì)每一款壓縮機(jī)，針對(duì)其實(shí)際工作情況選擇不同的最大耐壓值，這樣做不但會(huì)帶來(lái)繁瑣的設(shè)計(jì)工作，而其量產(chǎn)時(shí)管理成本和采購(gòu)價(jià)格將會(huì)增加。實(shí)踐證明，針對(duì)額定電壓選擇一定的倍數(shù)的電容最大耐壓值是最為可行的辦法。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐，選擇倍數(shù)為1.8~2.1，是即經(jīng)濟(jì)且安全的選擇。

2.3.2 電容最大耐壓值選定后的電機(jī)設(shè)計(jì)的評(píng)估

評(píng)估我們的電機(jī)設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足電容耐壓值的要求，可以通過(guò)副繞組的電流來(lái)檢驗(yàn)。

根據(jù)電路原理：

Zc—電容的阻抗；Uc—電容的電壓；Ia—副繞組電流；f—電壓頻率。

從式（1）可以看出，電容實(shí)際載荷電壓受到電容容量、電源頻率、副繞組電流直接影響。當(dāng)電容電壓不能滿(mǎn)足要求時(shí)，增加副繞組有效圈數(shù)、減小副繞組線(xiàn)徑、適當(dāng)改變電容值是很有效的設(shè)計(jì)手段。

3 結(jié)論

高效化電機(jī)的設(shè)計(jì)要求及成本控制的要求，將極大的增加電機(jī)的設(shè)計(jì)難度。力矩、效率的不同設(shè)計(jì)，都會(huì)在一定程度上影響到產(chǎn)品的安全性。針對(duì)上述電機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)安全性能的影響，合理運(yùn)用相應(yīng)的辦法優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)，才可以保障壓縮機(jī)性能的要求能為產(chǎn)品的安全性提高保障，同時(shí)提高產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性。

[1] 熊文華等：對(duì)GB/T9098-1996中壓縮機(jī)可靠性試驗(yàn)的分析

[2] 邱關(guān)源：《電路》