小功率電機熱保護器選型與應用

毛躍輝

（珠海格力電器股份有限公司家用空調技術部 廣東珠海 519070）

1 引言

在家用電器迅速發展和普及應用的同時，產品質量和安全性能方面的問題也逐漸暴露出來，電氣火災已引起了廣大消費者和國家有關部門的高度重視。電機熱保護器就是為防止電機在異常條件下由于工作超溫燒毀和杜絕因電機超溫引發火災的安全件。作為與電器產品配套的小功率電機對主機的安全性能影響很大，如水泵長期浸泡在水中，導致轉軸被堵死、空調器長時間不用，導致電機軸承生銹卡死而無法啟動，電氣產品在使用中偶然發生的負載變化、重復啟動、外來物卡滯、運行時間過長等原因，造成電機燒毀，為了安全起見，小功率電機一般在電樞繞組中都安裝塑殼或金屬的雙金屬熱保護器。

小功率電機目前已經越來越多地應用于各類家用電器產品中，不僅對電機性能、可靠性有了嚴格要求，而且對電機的安全特性、安全措施也有了比較嚴格的要求。熱保護器作為小功率電機或整機的關鍵部件，如何正確選用熱保護器、合理匹配好熱保護器，對電機乃至整機的性能、安全性有著非常大的影響。針對上述情況，本文重點介紹了小功率電機熱保護器的保護形式、選型與匹配使用情況等。

2 熱保護器種類和應用

電機的溫度保護系統，一般由熱檢測器和控制系統或熱保護器等組成。從控制方式上來說，采用熱保護器直接控制是一種比較方便和實惠的控制方法，成本也較省。

2.1 產品形式分類

1）按照動作原理分：溫度型（僅對溫度敏感而動作）、電流溫度型（對溫度、電流均敏感而動作）；2）按動作方式分：速動式、緩動式；3）按觸點狀態分：常開式、常閉式；4）按觸點結構分：單端式、雙端式；5）按雙金屬片受熱方式分：自身通電發熱式、復熱式、旁熱式；6）按雙金屬片的形狀分：碟形、條形；7）按調節溫度分：可調和定溫；8）按密封形式分：敞開式和密封式；9）按外殼電位分：帶電和不帶電。

2.2 熱保護器應用方式

1）對電熱器件的溫度控制和調溫；2）對電機的超溫運行進行控制和保護；3）對電機由于長時間發生堵轉或過載等引起的對繞組的過熱保護。

目前，熱保護器廣泛應用于電熱器具、電熱水壺、空調器、洗碗機、消毒柜、變壓器、罩極式電機、電容運轉式電機、空調壓縮機、風機等。

3 熱保護器工作原理

雙金屬型保護器實際上是一種用雙金屬片制成的開關或繼電器，由于價格低廉而得到廣泛應用。雙金屬片由兩層熱膨脹系數不同的合金疊合而成，其中，膨脹系數較大的稱為主動層；膨脹系數較小的稱為被動層。由于兩層材料膨脹系數不同，雙金屬片在溫度升高時會彎曲變形，而溫度降低后又會恢復原來的樣子。圖1為常規熱保護器的形狀。

熱保護器中的關鍵部件是由高靈敏的雙金屬元件與動觸頭、靜觸頭組成。在電機正常工作時，雙金屬元件處于自由狀態，動觸頭和靜觸頭閉合緊密，如圖2中的a圖，電路導通正常工作。當電機在使用過程中其內部繞組的發熱、溫度上升到熱保護器的動作溫度值時，雙金屬元件受熱產生內應力而迅速動作，如圖2中的b圖示意。拉動動觸頭，使觸點斷開，從而切斷電源，使得電機停止工作。當電機繞組溫度下降到熱保護器額定復位溫度值時，雙金屬元件又恢復到初始閉合狀態，此時，電路又被導通，電機正常工作。

3.1 熱保護器主要參數

3.1.1 額定斷開溫度

額定斷開溫度指觸點脫扣時的溫度。一般容差為±7℃。

3.1.2 額定復位溫度

額定復位溫度指重新閉合觸點時的溫度，標稱值容差一般為±15℃。

3.1.3 臨界脫扣電流

臨界脫扣電流指在特定的環境下，能承受的最大連續電流。

3.1.4 額定脫扣電流

額定脫扣時電流指環境溫度25℃時，在規定時間內脫扣的電流。

4 小功率電機熱保護器選型匹配

4.1 小功率電機過熱分析

電機在運行過程中會發生熱過載，引起熱過載的原因很多，主要有：通風系統故障，環境溫度或冷卻介質溫度過高，電機長期處于過電壓或欠電壓狀態運行，斷續工作制電機超過其規定工作方式運行。以上原因會造成電機超過正常運行溫度的溫度慢速增加，這種現象稱為慢變化熱過載，變化的曲線如圖3示意。

當電機發生堵轉時，或啟動時負載轉距異常大，啟動電壓過低等將會造成電機繞組的溫度以超過正常運行溫度的溫度快速增加，這種現象稱為快變化熱過載，變化曲線如圖4示意。

上述分析可知，電機在實際運行過程中存在兩個熱過載形式，而這兩種熱過載都會使電機繞組的絕緣過早老化，減少其使用壽命。那么如何有效的防止繞組絕緣過早老化呢？除了對電機進行合理選用外，還應該考慮電機正常和特殊情況下工作時其繞組溫度的情況，尤其是在電機出現堵轉情況時，使得繞組長時間的處于發熱狀態，溫度不斷升高，老化速度飛快，我們選擇合理的熱保護器是為了防止電機繞組在出現慢變化熱過載和快變化熱過載時，能有效的對電機進行過熱保護。一般情況下，當電機過載連續運行，繞組溫升每增加8K-10K，電機繞組的絕緣有效壽命將降低一半。

快變化熱過載和慢變化熱過載都可以引起內部繞組溫升過高，從而導致繞組絕緣的加速老化。因此，當電機長期處于過載中運行是不可取的。

電機在過熱情況下，電機內部零件溫度分布各不相同，有的低有的高，因此對熱保護器的放置位置很有講究，其中溫度上升最快達到危險值的部件稱熱臨界部件，直接在熱臨界部件上安裝熱保護器的方式叫直接熱保護，相反，當安裝位置不在熱臨界部件上，但是，與熱保護器還有聯系的方式叫間接熱保護。根據理論分析，電機繞組表面的溫度遠高于鐵芯及槽中部的溫度，因此，最好的安裝位置就是直接把熱保護器安裝在繞組表面，能貼緊繞組表面最好。雙金屬熱保護器對小功率電機快變化熱過載和慢變化熱過載都能有較好的追隨性。

4.2 熱保護器選型與匹配試驗

目前，在小功率電機的熱保護器安裝方式上，適合選用直接保護的方式，也就是說把熱保護器直接安裝在電機繞組的表面上。

熱保護器無論怎么安裝，其加工的材料必須適合于該用途的材料，有足夠的耐壓、剛度和強度、絕緣和耐熱性能，有一定的絕緣阻抗，能經歷惡劣的環境實驗后其各動作性能不發生改變，如冷熱沖擊、耐寒實驗等等。其次還應該滿足壽命實驗要求，比如金屬觸片閉合和開斷的次數等。

下面以實際使用中某款小功率電機為例，選擇一種與它相匹配的熱保護器。我們結合電機的參數，包括額定功率、額定電壓、相數、堵轉電流、耐熱等級、工作環境溫度等驗證熱保護器選擇的正確與否和熱保護器與電機的匹配利弊。具體熱電偶布置效果圖如圖5。

首先根據電機的本身參數，用電阻法測試內部繞組的溫度，即測試空載和堵轉時的繞組溫度，測試結果如表1。

考慮堵轉時的繞組最高溫升為91.2K，平均值85.1K。結合電機實際使用環境溫度一般在25℃左右，從而估算該熱保護器的溫度應該選擇在100℃左右，然后考慮熱保護器的安裝位置，該小功率電機的熱保護器安裝位置是放置在絕緣紙上面，如圖6。

該保護器頭部裸露帶電，安裝方式屬于間接安裝。因為在繞組與熱保護器之間隔一層絕緣紙，在傳熱效果上有點差異。因而在考慮熱保護器溫度點選擇上需要再降低一點溫度，本案例中結合使用環境和安裝方式，大致選擇80℃的熱保護器，誤差控制在±7℃。在25℃的室溫下。電壓220V的條件下開始試驗，得到如下試驗溫度曲線，如圖7。

實驗分析及結論：由溫度曲線可以知道，熱保護器在整個過程中共動作3次，分別在1400S、3200S、5150S，對應的繞組溫度分別為110℃、109.3℃、109.5℃，很好的起到了保護的作用，符合實驗預期，因此可以使用保護溫度為80℃的熱保護器在此小電機上，實驗與預估的完全符合。

在堵轉試驗中，選用熱保護器的溫度點過高，電機嚴重過載時仍未保護，可能燒毀電機，選用熱保護器溫度過低，在額定負載下電壓波動大的情況下，熱保護器立即保護，使得小功率電機無法在正常狀態下工作。本試驗驗證了小功率電機在額定電壓下，慢變化熱過載的過程，由于小功率電機一般保護的是電機的繞組，因此，把熱保護器安裝在接近繞組表面，通過繞組工作發熱后，熱傳導和熱輻射，使得熱保護器感受溫度達到其保護溫度點后，自動切斷電源輸入，使電機得到很好的保護，延長繞組的使用壽命。

表1 小功率電機空載與堵轉時的測試數據（室溫25℃）

通過上述分析，我們在選擇熱保護器的時候，一般按照以下方式進行選擇和匹配：1)首先根據電機的結構、容量、所保護的對象，確定熱保護器的安裝位置；2)根據安裝位置和電機的加工工藝、確定熱保護器的結構和觸點形式，是否需要在頭部進行環氧樹脂密封絕緣等；3)根據電機的安裝位置，環境因素影響、電機電流等，決定電機的保護目標，比如繞組等；4)根據電機的絕緣等級、使用環境、額定電壓、堵轉電流、溫升速率、堵轉時間，確定電機的熱保護器的保護溫度點；5)通過最終試驗，確定熱保護器的動作溫度和復位溫度是否符合設計要求；6)考慮熱保護器的使用壽命和電機的使用壽命匹配和熱保護器的功率因素選擇。

4.3 熱保護器壽命實驗

熱保護器接入220V±5%，在25℃環境中，循環動作3000個周期后，滿足動作溫度與初始溫度相比變化滿足+5K/-10K或者+5K/-10%，且觸點在分離狀態下能通過375V/min，無閃絡且泄漏電流≤10mA，試驗后外觀無明顯變形，觸點未互相粘連或未復位，從壽命試驗知，同一規格熱保護器，如250V/2A ，動作溫度80±7℃的熱保護器，在250V/2A的電流下工作，其使用壽命為3000次循環，但是當它在＜2A的電流下工作時，其使用壽命可以達5000次甚至10000次以上。

5 結束語

合理選擇熱保護器與電機相配合，是設計員關心的問題，選用得當，能起到良好的保護作用，如熱保護器溫度選得過低，會使電機正常使用出現頻繁保護，選用過高，會導致電機繞組溫度過高運行，超出繞組極限溫度后還未保護，減短繞組壽命，從而使電機出現燒毀。正確選擇合適的熱保護器，通過試驗并結合電機實際工作情況和環境，可以正確的選擇出熱保護器的保護溫度，如果熱保護器還有其它特殊用途，還可進行諸如：極限短路、冷熱沖擊、耐腐蝕等試驗，從而選擇最佳的保護溫度點，使電機熱保護器工作在最完美狀態，發揮出其應有的功能。

[1]魏靜微.小功率永磁電機原理、設計與應用.北京：機械工業出版社,2009.3

[2]家用和類似用途電器的安全 第一部分 通用要求.國交標準GB4706.1-2005

[3]旋轉電機裝入式熱保護、旋轉電機的保護規則.國家標準 GB/T13002-91

[4]李發海、王巖.電機與拖動基礎.北京.清華大學出版社,2005

[5]電動機熱保護器特殊要求.國家標準GB 14536.3-2008