超低溫條件下直流電機(jī)啟動(dòng)性能的研究與分析

姚新祥 熊碩 楊偉奇

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

隨著全球環(huán)境保護(hù)要求的提高，在極寒地區(qū)使用空調(diào)來(lái)代替煤、木材等取暖方式的需求越來(lái)越迫切。目前北美北部、北歐等寒冷地區(qū)室外氣溫最低達(dá)到-40℃，而傳統(tǒng)空調(diào)使用的元器件最低只能在-30℃條件下使用，且行業(yè)內(nèi)空調(diào)器宣傳的最低使用溫度只到-30℃。所以元器件的低溫性能制約了空氣源熱泵在寒冷地區(qū)的應(yīng)用，特別是室外機(jī)使用的電機(jī)。在空調(diào)結(jié)構(gòu)的限制條件下，電機(jī)外部無(wú)法額外增加加熱裝置。所以在低溫條件下容易出現(xiàn)啟動(dòng)不成功的情況[1]，最終導(dǎo)致制熱量不足、外機(jī)易結(jié)霜等問題。故有必要對(duì)極寒氣候條件下電機(jī)的啟動(dòng)性能進(jìn)行研究和分析，以提高空調(diào)器的舒適性和可靠性。本文以直流風(fēng)機(jī)為例，通過對(duì)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)軸系的受力情況及影響啟動(dòng)力矩的因素進(jìn)行分析，相應(yīng)地提出了切實(shí)可行的解決方案，對(duì)今后快速解決空調(diào)器的電機(jī)啟動(dòng)問題具有一定的指導(dǎo)作用。

2 電機(jī)啟動(dòng)時(shí)軸系的受力情況分析及提高啟動(dòng)性能的方案

2.1 電機(jī)啟動(dòng)時(shí)軸系的受力情況分析

電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子受磁場(chǎng)力作用，產(chǎn)生的磁場(chǎng)力矩即為啟動(dòng)力矩Tst[2]，力矩方向同轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向一致。但是轉(zhuǎn)子同時(shí)受到風(fēng)機(jī)負(fù)載及電機(jī)內(nèi)部潤(rùn)滑油等的阻力矩T，力矩方向同轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向相反。如圖1所示，如果啟動(dòng)力矩大于阻力矩，直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速由零逐步增加，最終達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速，此時(shí)電機(jī)可以正常啟動(dòng)。與此同時(shí)在轉(zhuǎn)子加速過程中，產(chǎn)生的磁場(chǎng)力矩逐漸減小直到與阻力矩相等。但是如果電機(jī)的啟動(dòng)力矩克服不了阻力矩，就會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)失敗，造成電機(jī)堵轉(zhuǎn)，甚至燒毀電機(jī)。

圖1 電機(jī)啟動(dòng)時(shí)軸系的受力示意圖

根據(jù)以上電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的受力分析，可以從加大啟動(dòng)力矩和減小阻力矩兩個(gè)方面來(lái)提高電機(jī)的啟動(dòng)性能。

2.2 加大電機(jī)啟動(dòng)力矩提高啟動(dòng)性能

一般直流電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩如計(jì)算公式[3]（1）：

其中：Tst為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，單位為：Nm；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)；N為電機(jī)總導(dǎo)體數(shù)；a為電機(jī)支路對(duì)數(shù)；為啟動(dòng)時(shí)每極下的磁通，單位為：Wb；Ist為啟動(dòng)電流，單位為：A。

對(duì)于成熟電機(jī)，電機(jī)的p、N、a值已經(jīng)確定，所以公式（1）可以變換成公式（2）：

其中：CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。由公式（2）可以得出：對(duì)于成熟電機(jī)，啟動(dòng)力矩與啟動(dòng)時(shí)每極下的磁通和啟動(dòng)電流呈正相關(guān)。而磁通量 又由公式（3）計(jì)算得出：

其中：B為磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為：T；S為截面積，單位為：m2。由此可得出：當(dāng)截面積不變的時(shí)候，電流越大，磁場(chǎng)強(qiáng)度就越大，磁通量也就越大。

綜上，結(jié)合公式（2）和（3）可知：調(diào)整直流電機(jī)的啟動(dòng)電流可以有效增大啟動(dòng)力矩。

2.3 減小阻力矩提高啟動(dòng)性能

風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)受到的阻力矩包括風(fēng)機(jī)負(fù)載以及電機(jī)內(nèi)部的潤(rùn)滑油等產(chǎn)生的阻力矩。其中風(fēng)機(jī)負(fù)載的變更將導(dǎo)致整機(jī)性能、可靠性的變化，所以不能作為減小阻力矩的有效手段。本文主要以減小電機(jī)內(nèi)部的阻力為研究重點(diǎn)。根據(jù)粘滯阻力公式[4]（4）可知：

其中：F為粘滯阻力，單位為：N；μ為流體動(dòng)力粘度，單位為：Pa?s；v為運(yùn)動(dòng)速度：?jiǎn)挝粸椋簃2/s；A為接觸面積，單位為：m2；h為相對(duì)運(yùn)行的兩個(gè)物體之間的距離，單位為：m。對(duì)于結(jié)構(gòu)相同的直流電機(jī)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)速都是由零逐步增加的，所以v、A、h的值都是相同的，粘滯阻力只與流體動(dòng)力粘度有關(guān)。根據(jù)圖2潤(rùn)滑油在不同溫度下的動(dòng)力粘度特性，即溫度越低，粘度系數(shù)越高。所以電機(jī)在-40℃條件下長(zhǎng)期放置后，重新啟動(dòng)時(shí)將會(huì)受到潤(rùn)滑油粘度的影響導(dǎo)致啟動(dòng)瞬間的阻力矩較大，易發(fā)生啟動(dòng)不良的問題。但是如果降低潤(rùn)滑油脂的粘度系數(shù)，同時(shí)減小電機(jī)軸承在低溫下的形變，避免內(nèi)外鋼圈因?yàn)槭湛s導(dǎo)致的摩擦力[5]，就可以有效降低低溫啟動(dòng)時(shí)的阻力矩，從而提高電機(jī)的啟動(dòng)性能。

圖2 電機(jī)內(nèi)部潤(rùn)滑油在不同溫度下的動(dòng)力粘度

3 低溫條件下電機(jī)啟動(dòng)試驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果

為了對(duì)上述理論分析進(jìn)行驗(yàn)證，制作樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)分別為：低溫長(zhǎng)期放置、低溫逆風(fēng)啟動(dòng)、低溫堵兩器啟動(dòng)、低溫帶載啟動(dòng)。

3.1 低溫長(zhǎng)期放置啟動(dòng)性能對(duì)比

試驗(yàn)工況為：（室內(nèi)5℃/0℃；室外：-40℃/-）；試驗(yàn)方法為：在工況穩(wěn)定后，整機(jī)不開機(jī)靜置8小時(shí)，然后開機(jī)。對(duì)同一設(shè)計(jì)方案的電機(jī)分別采用普通潤(rùn)滑油L605和抗低溫潤(rùn)滑油5K進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，兩種牌號(hào)的潤(rùn)滑油隨溫度變化的動(dòng)力粘度特性如圖3所示。

從圖3普通牌號(hào)L605潤(rùn)滑油與抗低溫潤(rùn)滑油5K在不同溫度條件下的動(dòng)力粘度進(jìn)行對(duì)比的結(jié)果來(lái)看：抗低溫潤(rùn)滑油5K動(dòng)力粘度在各溫度條件下均大幅下降，潤(rùn)滑效果更好，對(duì)電機(jī)軸承的阻力更小。故采用新型耐低溫的潤(rùn)滑油可以降低油脂粘度系數(shù)，同時(shí)也能有效避免電機(jī)軸承內(nèi)外鋼圈因?yàn)槭湛s導(dǎo)致的摩擦力[5]，從而有效降低低溫啟動(dòng)時(shí)的阻力矩。

圖3 電機(jī)不同牌號(hào)潤(rùn)滑油在不同溫度下的動(dòng)力粘度

根據(jù)如表1所示低溫長(zhǎng)期放置啟動(dòng)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：電機(jī)潤(rùn)滑油由普通牌號(hào)L605更改為抗低溫潤(rùn)滑油牌號(hào)5K后，-40℃條件下粘度系數(shù)降低為原來(lái)的10%，顯著改善了電機(jī)的啟動(dòng)性能。從圖4電機(jī)啟動(dòng)波形圖（紫色波形）也可以看出，電機(jī)啟動(dòng)波形正常。

表1 采用不同潤(rùn)滑油的電機(jī)啟動(dòng)性能對(duì)比

圖4 電機(jī)啟動(dòng)成功波形圖

3.2 低溫環(huán)境下極端惡劣條件時(shí)的啟動(dòng)性能驗(yàn)證

在空調(diào)實(shí)際使用的過程中，除了上述低溫放置后再啟動(dòng)的情況，還會(huì)遇到颶風(fēng)天氣，以及外機(jī)進(jìn)風(fēng)口被阻塞和雨雪堆積的情況。分別模擬此種惡劣條件，然后進(jìn)行啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證方案和測(cè)試結(jié)果如下。

（1）低溫逆風(fēng)啟動(dòng)：使用額外的大風(fēng)量風(fēng)機(jī)按照?qǐng)D5所示，對(duì)準(zhǔn)風(fēng)葉吹風(fēng)，模擬開機(jī)前颶風(fēng)迫使風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)，加大風(fēng)機(jī)負(fù)載，提高風(fēng)機(jī)啟動(dòng)難度。然后分別對(duì)電機(jī)加載不同的啟動(dòng)電流，進(jìn)行啟動(dòng)性能的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖5 逆風(fēng)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)示意圖

表2 相同電機(jī)在不同啟動(dòng)電流條件下啟動(dòng)性能對(duì)比

（2）低溫堵兩器啟動(dòng)：用不透風(fēng)薄膜（綠色部分）按照?qǐng)D6所示把冷凝器進(jìn)風(fēng)口堵一半，模擬兩器臟堵。減少進(jìn)風(fēng)風(fēng)口面積，增大風(fēng)場(chǎng)中的流動(dòng)阻力，進(jìn)而加大風(fēng)機(jī)負(fù)載。在電機(jī)啟動(dòng)電流增大到1.5 A時(shí)，啟動(dòng)試驗(yàn)合格。

圖6 堵兩器啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)示意圖

（3）風(fēng)葉帶載1.5倍啟動(dòng)：在風(fēng)葉的每片葉片上按照?qǐng)D7所示粘貼等質(zhì)量膠泥，膠泥總重量為風(fēng)葉重量的0.5倍，模擬積雪堆積在風(fēng)葉上增加風(fēng)葉重量以加大風(fēng)機(jī)負(fù)載。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在-40℃靜置24小時(shí)后開機(jī)，采用啟動(dòng)電流為1.5 A的樣機(jī)依然可以正常啟動(dòng)。

從上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在風(fēng)機(jī)阻力矩大的情況下，提高電機(jī)的啟動(dòng)電流，可以有效提高電機(jī)的啟動(dòng)力矩，從而克服阻力矩，達(dá)到成功啟動(dòng)的目的。