空調(diào)負離子對無刷直流電機芯片損傷影響探究

胡盛文,尤 濤,吳彬彬

(廣東美的制冷設(shè)備有限公司,順德 528311)

0 引 言

本文根據(jù)芯片損傷機理,基于對比排除法,找出影響F平臺電機芯片不良異常的原因:負離子在電機周邊累積形成高電壓,導(dǎo)致芯片過壓損壞。根據(jù)實驗,探尋累積電壓對芯片的放電路徑,提出負離子累積電壓對無刷直流電機芯片放電評價方法,完善健康空調(diào)中無刷直流電機風(fēng)險評價體系。

1 無刷直流電機芯片損傷機理

無刷直流電機芯片損傷主要原因有過電應(yīng)力和靜電放電[2]。

過電應(yīng)力是指元器件承受的電流或電壓應(yīng)力超過其允許的最大范圍,過電應(yīng)力是引起器件失效的主要機理之一。電子元件在其參數(shù)指標(biāo)中設(shè)定了使用時所承載的最大應(yīng)力,包括最高環(huán)境溫度,最大工作電壓、電流等。如果在使用過程中,外界出現(xiàn)電應(yīng)力超過元件的最大應(yīng)力,即使是瞬間通過,芯片也會受到損傷,芯片局部形成熱點,當(dāng)溫度進一步升高達到材料熔點時,會造成材料熔化,進而造成開路或者短路,導(dǎo)致芯片失效。

靜電放電是指具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉(zhuǎn)移。靜電放電引發(fā)的失效一般分為突發(fā)性失效和潛在性失效兩種。突發(fā)性失效是指芯片在靜電放電損傷后,突然出現(xiàn)開路、短路或參數(shù)漂移,喪失功能。潛在性失效是指靜電放電能量較低,芯片內(nèi)部輕微損傷,放電后參數(shù)變化不大,但芯片抗過電應(yīng)力能力已經(jīng)下降,使用壽命縮短,芯片的繼續(xù)使用將逐步導(dǎo)致其失效。

2 整機分析

2.1 批次和地域分析

針對F平臺2022全年與2021全年電機芯片不良對比,各地維修中心維修率無明顯異常,如圖1所示,排除電機批次和終端客戶處使用場景的過電應(yīng)力問題。

圖1 F平臺電機2022年芯片不良同比2021年變化率

2.2 整機結(jié)構(gòu)對比分析

統(tǒng)計F平臺所用無刷直流電機在其他平臺整機的故障率,發(fā)現(xiàn)電機在不同平臺維修率差異較大。不帶負離子的VP和LP平臺和帶負離子的J平臺,電機芯片故障率基本一致;F平臺和J平臺同樣帶負離子,但F平臺電機芯片不良的維修率遠高于J平臺。不同平臺室內(nèi)機的結(jié)構(gòu)對比如表1所示。

表1 不同平臺內(nèi)機結(jié)構(gòu)對比

通過對不同平臺內(nèi)機分析,各平臺機型主體結(jié)構(gòu)和部件基本一致,區(qū)別在F和J平臺負離子發(fā)生器安裝位置不同,F平臺負離子發(fā)生器在空調(diào)左側(cè)濾網(wǎng)上方(進風(fēng)口),J平臺負離子發(fā)生器在出風(fēng)口,如圖2和圖3所示。

圖2 F平臺機型內(nèi)機結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 J平臺機型內(nèi)機結(jié)構(gòu)示意圖

負離子發(fā)生器[3-5]是一種生成空氣負離子的裝置。它采用碳纖維作為放電極,放電極與蒸發(fā)器形成一微弱電場,如圖4所示。電場的作用使得發(fā)射出的大量電子沿著電場反向運動,此時由于蒸發(fā)器部位正電荷極少,電子也無法長久存在于空氣中(空氣中存在的電子壽命只有ns級)。因此,只有少量電子被中和形成中性離子,而絕大部分電子逸出后被空氣中的氧分子捕捉形成空氣負離子,在貫流風(fēng)輪的作用下向外擴散。

加強林業(yè)資源保護力度和完善森林防火管理措施是實現(xiàn)林業(yè)資源的可持續(xù)發(fā)展的根本性措施之一，通過加快我國經(jīng)濟社會產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級速度、提高林業(yè)資源保護管理機制的全面性、強化林業(yè)管理人員的防火意識等來提高林業(yè)資源保護效果。

圖4 負離子發(fā)生器放電原理

F平臺和J平臺的主體結(jié)構(gòu)和部件基本相同,但F平臺增加濾網(wǎng)自動清潔功能,負離子兼顧濾網(wǎng)積塵作用,故布置在左側(cè)蒸發(fā)器上方(圖2)?？照{(diào)工作時,風(fēng)從蒸發(fā)器上方進入空調(diào)后從出風(fēng)口吹出,負離子經(jīng)過室內(nèi)機,負離子在室內(nèi)機中累積,并傳導(dǎo)到電機軸上。而J平臺負離子發(fā)生器裝配在左側(cè)出風(fēng)口處,空氣負離子[6-7]直接被吹走(圖3),電機附近負離子的累積有限。

從上述分析可知,F平臺負離子發(fā)生器在蒸發(fā)器上方造成了無刷電機芯片的不良異常。

3 負離子對電機影響分析

3.1 負離子累計電壓

為探究自帶負離子發(fā)生器[8-9]平臺機型負離子對電機的影響,分別在F、J 平臺空調(diào)風(fēng)輪上均勻分布設(shè)置6個監(jiān)測點(①～⑥),并在電機輸出軸和風(fēng)輪連接處設(shè)置監(jiān)測點⑦、電機后端蓋處設(shè)置監(jiān)測點⑧,如圖5所示。

空調(diào)在額定電壓下進行額定制冷運行,同時負離子發(fā)生器開啟運行,運行1 h后,使用源恒通靜電測試儀(型號:FMX-004)分別探測8個監(jiān)測點累積電壓,測試結(jié)果如表2所示。

表2 F平臺和J平臺不同監(jiān)測點累積電壓測試結(jié)果

從表2可知:F平臺電機軸伸端監(jiān)測點⑦和電機后端蓋監(jiān)測點⑧兩處位置的累積電壓遠高于J平臺,該累積電壓傳導(dǎo)到電機芯片最終導(dǎo)致電機芯片燒毀。

3.2 放電路徑

為研究負離子累積電壓放電路徑,用NOISEKEN(型號:ESS-B3011)靜電放電模擬器[10-12]模擬負離子累積電壓對電機軸伸端和后端蓋進行放電測試。

通過室內(nèi)機電控板控制電機在額定轉(zhuǎn)速運行,靜電槍頭距離后端蓋或軸伸端距離5 mm,靜電電壓從-2 kV開始,分別對后端蓋或軸伸端進行空氣放電,放電10次。若電機正常運轉(zhuǎn),將負電壓調(diào)高1 kV,繼續(xù)放電10次,依次進行,直至電機芯片損壞。實驗裝置如圖6所示。

分別在軸伸端和后端蓋兩處各8臺電機進行靜電槍放電實驗,實驗結(jié)果如表3所示。

表3 軸伸端和后端蓋放電實驗結(jié)果對比

上述實驗結(jié)果表明,電機軸伸端放電電壓在13～15 kV時電機芯片損傷,平均電壓為14.125 kV。電機后端蓋放電電壓在18～22 kV時才發(fā)生芯片損傷。由此可知,電機軸伸端處受負離子電壓的影響更大,可確認負離子累積電壓是從軸伸端進入電機,從而造成芯片損毀的。

4 評價方法建立

分析電機結(jié)構(gòu)可知,在電機后端蓋和電控板之間有一絕緣隔電環(huán),如圖7所示,基本消除了負離子電壓對芯片的影響。而電機軸與轉(zhuǎn)子連接為一體,軸、轉(zhuǎn)子鐵心和磁瓦之間是連通的。電控板在轉(zhuǎn)子正上方,并且芯片引腳在磁瓦端面的正上方。從結(jié)構(gòu)上看,磁瓦端面距離芯片引腳間距離較小,負離子累積電壓通過軸—轉(zhuǎn)子矽鋼片—磁瓦到芯片引腳此路徑對芯片進行放電,造成芯片損傷。

圖7 電機簡易剖視圖

為評價負離子發(fā)生器對空調(diào)直流電機的影響,建立負離子發(fā)生器累積電壓對直流電機芯片過電應(yīng)力的評價方法。

通過電控板控制電機在額定電壓下運行,使用內(nèi)機配備的負離子發(fā)生器對電機軸伸端進行放電,其中負離子發(fā)射端碳纖維捆扎后靠近軸伸端一定距離。電機在規(guī)定的時間運行后,檢查電機的功能和芯片是否正常,測試方法如圖8所示。

圖8 負離子對直流電機影響的評價測試圖

通過選取正常電機和在芯片引腳涂膠樣品進行對比實驗,實驗結(jié)果如表4所示。

表4 不同狀態(tài)樣品試驗結(jié)果

由上述實驗結(jié)果可知,當(dāng)電機芯片引腳不涂膠時,在40 min內(nèi)8個樣品全部失效;當(dāng)電機芯片引腳涂膠(隔離轉(zhuǎn)子磁瓦端面與芯片引腳),此時所有樣品均可滿足120 min的負離子放電實驗。芯片引腳涂膠相當(dāng)于在引腳端面增加了絕緣層,隔斷放電路徑,提升電機芯片耐受負離子累積電壓能力。由此可知,此方法可以用于帶負離子發(fā)生器的空調(diào)產(chǎn)品新品評價,評估負離子對直流電機芯片的影響。

5 結(jié) 語

本文簡要分析了無刷直流電機芯片損傷機理,借助源恒通FMX-004靜電測試儀和NOISEKEN ESS-B301靜電放電模擬器探尋出F平臺電機芯片不良異常的主要原因為負離子在電機周邊累積,形成較高的累積電壓,對電機芯片造成損傷。其次,通過負離子對軸伸端和端蓋端的放電激發(fā)實驗,識別出負離子電壓是通過軸伸端傳入到電機內(nèi)部,從而損傷芯片,建立了負離子累積電壓從軸—轉(zhuǎn)子矽鋼片—磁瓦到芯片引腳的放電路徑。最后,建立負離子對電機芯片影響評價方法,在新品開發(fā)時,評估負離子累積電壓對無刷直流電機芯片損傷風(fēng)險。