超低溫條件下直流電機啟動性能的研究與分析

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

隨著全球環境保護要求的提高，在極寒地區使用空調來代替煤、木材等取暖方式的需求越來越迫切。目前北美北部、北歐等寒冷地區室外氣溫最低達到-40℃，而傳統空調使用的元器件最低只能在-30℃條件下使用，且行業內空調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的應用，特別是室外機使用的電機。在空調結構的限制條件下，電機外部無法額外增加加熱裝置。所以在低溫條件下容易出現啟動不成功的情況[1]，最終導致制熱量不足、外機易結霜等問題。故有必要對極寒氣候條件下電機的啟動性能進行研究和分析，以提高空調器的舒適性和可靠性。本文以直流風機為例，通過對風機啟動時軸系的受力情況及影響啟動力矩的因素進行分析，相應地提出了切實可行的解決方案，對今后快速解決空調器的電機啟動問題具有一定的指導作用。

2 電機啟動時軸系的受力情況分析及提高啟動性能的方案

2.1 電機啟動時軸系的受力情況分析

電機啟動時，轉子受磁場力作用，產生的磁場力矩即為啟動力矩Tst[2]，力矩方向同轉子的轉向一致。但是轉子同時受到風機負載及電機內部潤滑油等的阻力矩T，力矩方向同轉子的轉向相反。如圖1所示，如果啟動力矩大于阻力矩，直流電機轉子的轉速由零逐步增加，最終達到預定轉速，此時電機可以正常啟動。與此同時在轉子加速過程中，產生的磁場力矩逐漸減小直到與阻力矩相等。但是如果電機的啟動力矩克服不了阻力矩，就會導致啟動失敗，造成電機堵轉，甚至燒毀電機。

圖1 電機啟動時軸系的受力示意圖

根據以上電機啟動時的受力分析，可以從加大啟動力矩和減小阻力矩兩個方面來提高電機的啟動性能。

2.2 加大電機啟動力矩提高啟動性能

一般直流電機的啟動轉矩如計算公式[3]（1）：

其中：Tst為啟動轉矩，單位為：Nm；p為電機極對數；N為電機總導體數；a為電機支路對數；為啟動時每極下的磁通，單位為：Wb；Ist為啟動電流，單位為：A。

對于成熟電機，電機的p、N、a值已經確定，所以公式（1）可以變換成公式（2）：

其中：CT為轉矩常數。由公式（2）可以得出：對于成熟電機，啟動力矩與啟動時每極下的磁通和啟動電流呈正相關。而磁通量 又由公式（3）計算得出：

其中：B為磁場強度，單位為：T；S為截面積，單位為：m2。由此可得出：當截面積不變的時候，電流越大，磁場強度就越大，磁通量也就越大。

綜上，結合公式（2）和（3）可知：調整直流電機的啟動電流可以有效增大啟動力矩。

2.3 減小阻力矩提高啟動性能

風機啟動時受到的阻力矩包括風機負載以及電機內部的潤滑油等產生的阻力矩。其中風機負載的變更將導致整機性能、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內部的阻力為研究重點。根據粘滯阻力公式[4]（4）可知：

其中：F為粘滯阻力，單位為：N；μ為流體動力粘度，單位為：Pa?s；v為運動速度：單位為：m2/s；A為接觸面積，單位為：m2；h為相對運行的兩個物體之間的距離，單位為：m。對于結構相同的直流電機，啟動轉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力粘度有關。根據圖2潤滑油在不同溫度下的動力粘度特性，即溫度越低，粘度系數越高。所以電機在-40℃條件下長期放置后，重新啟動時將會受到潤滑油粘度的影響導致啟動瞬間的阻力矩較大，易發生啟動不良的問題。但是如果降低潤滑油脂的粘度系數，同時減小電機軸承在低溫下的形變，避免內外鋼圈因為收縮導致的摩擦力[5]，就可以有效降低低溫啟動時的阻力矩，從而提高電機的啟動性能。

圖2 電機內部潤滑油在不同溫度下的動力粘度

3 低溫條件下電機啟動試驗及測試結果

為了對上述理論分析進行驗證，制作樣機進行測試，試驗分別為：低溫長期放置、低溫逆風啟動、低溫堵兩器啟動、低溫帶載啟動。

3.1 低溫長期放置啟動性能對比

試驗工況為：（室內5℃/0℃；室外：-40℃/-）；試驗方法為：在工況穩定后，整機不開機靜置8小時，然后開機。對同一設計方案的電機分別采用普通潤滑油L605和抗低溫潤滑油5K進行對比實驗，兩種牌號的潤滑油隨溫度變化的動力粘度特性如圖3所示。

從圖3普通牌號L605潤滑油與抗低溫潤滑油5K在不同溫度條件下的動力粘度進行對比的結果來看：抗低溫潤滑油5K動力粘度在各溫度條件下均大幅下降，潤滑效果更好，對電機軸承的阻力更小。故采用新型耐低溫的潤滑油可以降低油脂粘度系數，同時也能有效避免電機軸承內外鋼圈因為收縮導致的摩擦力[5]，從而有效降低低溫啟動時的阻力矩。

圖3 電機不同牌號潤滑油在不同溫度下的動力粘度

根據如表1所示低溫長期放置啟動性能對比實驗結果可以發現：電機潤滑油由普通牌號L605更改為抗低溫潤滑油牌號5K后，-40℃條件下粘度系數降低為原來的10%，顯著改善了電機的啟動性能。從圖4電機啟動波形圖（紫色波形）也可以看出，電機啟動波形正常。

表1 采用不同潤滑油的電機啟動性能對比

圖4 電機啟動成功波形圖

3.2 低溫環境下極端惡劣條件時的啟動性能驗證

在空調實際使用的過程中，除了上述低溫放置后再啟動的情況，還會遇到颶風天氣，以及外機進風口被阻塞和雨雪堆積的情況。分別模擬此種惡劣條件，然后進行啟動實驗，驗證方案和測試結果如下。

（1）低溫逆風啟動：使用額外的大風量風機按照圖5所示，對準風葉吹風，模擬開機前颶風迫使風機反轉，加大風機負載，提高風機啟動難度。然后分別對電機加載不同的啟動電流，進行啟動性能的對比實驗，實驗結果如表2所示。

圖5 逆風啟動實驗示意圖

表2 相同電機在不同啟動電流條件下啟動性能對比

（2）低溫堵兩器啟動：用不透風薄膜（綠色部分）按照圖6所示把冷凝器進風口堵一半，模擬兩器臟堵。減少進風風口面積，增大風場中的流動阻力，進而加大風機負載。在電機啟動電流增大到1.5 A時，啟動試驗合格。

圖6 堵兩器啟動實驗示意圖

（3）風葉帶載1.5倍啟動：在風葉的每片葉片上按照圖7所示粘貼等質量膠泥，膠泥總重量為風葉重量的0.5倍，模擬積雪堆積在風葉上增加風葉重量以加大風機負載。實驗樣機在-40℃靜置24小時后開機，采用啟動電流為1.5 A的樣機依然可以正常啟動。

從上面的實驗結果來看，在風機阻力矩大的情況下，提高電機的啟動電流，可以有效提高電機的啟動力矩，從而克服阻力矩，達到成功啟動的目的。