空調(diào)負(fù)離子對(duì)無刷直流電機(jī)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(jī)理,基于對(duì)比排除法,找出影響F平臺(tái)電機(jī)芯片不良異常的原因:負(fù)離子在電機(jī)周邊累積形成高電壓,導(dǎo)致芯片過壓損壞。根據(jù)實(shí)驗(yàn),探尋累積電壓對(duì)芯片的放電路徑,提出負(fù)離子累積電壓對(duì)無刷直流電機(jī)芯片放電評(píng)價(jià)方法,完善健康空調(diào)中無刷直流電機(jī)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系。

1 無刷直流電機(jī)芯片損傷機(jī)理

無刷直流電機(jī)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(jī)理之一。電子元件在其參數(shù)指標(biāo)中設(shè)定了使用時(shí)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(huì)受到損傷,芯片局部形成熱點(diǎn),當(dāng)溫度進(jìn)一步升高達(dá)到材料熔點(diǎn)時(shí),會(huì)造成材料熔化,進(jìn)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(jī)分析

2.1 批次和地域分析

針對(duì)F平臺(tái)2022全年與2021全年電機(jī)芯片不良對(duì)比,各地維修中心維修率無明顯異常,如圖1所示,排除電機(jī)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(tái)電機(jī)2022年芯片不良同比2021年變化率

2.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

統(tǒng)計(jì)F平臺(tái)所用無刷直流電機(jī)在其他平臺(tái)整機(jī)的故障率,發(fā)現(xiàn)電機(jī)在不同平臺(tái)維修率差異較大。不帶負(fù)離子的VP和LP平臺(tái)和帶負(fù)離子的J平臺(tái),電機(jī)芯片故障率基本一致;F平臺(tái)和J平臺(tái)同樣帶負(fù)離子,但F平臺(tái)電機(jī)芯片不良的維修率遠(yuǎn)高于J平臺(tái)。不同平臺(tái)室內(nèi)機(jī)的結(jié)構(gòu)對(duì)比如表1所示。

表1 不同平臺(tái)內(nèi)機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)比

通過對(duì)不同平臺(tái)內(nèi)機(jī)分析,各平臺(tái)機(jī)型主體結(jié)構(gòu)和部件基本一致,區(qū)別在F和J平臺(tái)負(fù)離子發(fā)生器安裝位置不同,F平臺(tái)負(fù)離子發(fā)生器在空調(diào)左側(cè)濾網(wǎng)上方(進(jìn)風(fēng)口),J平臺(tái)負(fù)離子發(fā)生器在出風(fēng)口,如圖2和圖3所示。

圖2 F平臺(tái)機(jī)型內(nèi)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 J平臺(tái)機(jī)型內(nèi)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

負(fù)離子發(fā)生器[3-5]是一種生成空氣負(fù)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(yùn)動(dòng),此時(shí)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(jí))。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(fù)離子,在貫流風(fēng)輪的作用下向外擴(kuò)散。

加強(qiáng)林業(yè)資源保護(hù)力度和完善森林防火管理措施是實(shí)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(jì)社會(huì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)速度、提高林業(yè)資源保護(hù)管理機(jī)制的全面性、強(qiáng)化林業(yè)管理人員的防火意識(shí)等來提高林業(yè)資源保護(hù)效果。

圖4 負(fù)離子發(fā)生器放電原理

F平臺(tái)和J平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)和部件基本相同,但F平臺(tái)增加濾網(wǎng)自動(dòng)清潔功能,負(fù)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)。空調(diào)工作時(shí),風(fēng)從蒸發(fā)器上方進(jìn)入空調(diào)后從出風(fēng)口吹出,負(fù)離子經(jīng)過室內(nèi)機(jī),負(fù)離子在室內(nèi)機(jī)中累積,并傳導(dǎo)到電機(jī)軸上。而J平臺(tái)負(fù)離子發(fā)生器裝配在左側(cè)出風(fēng)口處,空氣負(fù)離子[6-7]直接被吹走(圖3),電機(jī)附近負(fù)離子的累積有限。

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

3 負(fù)離子對(duì)電機(jī)影響分析

3.1 負(fù)離子累計(jì)電壓

為探究自帶負(fù)離子發(fā)生器[8-9]平臺(tái)機(jī)型負(fù)離子對(duì)電機(jī)的影響,分別在F、J 平臺(tái)空調(diào)風(fēng)輪上均勻分布設(shè)置6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(①～⑥),并在電機(jī)輸出軸和風(fēng)輪連接處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)⑦、電機(jī)后端蓋處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)⑧,如圖5所示。

空調(diào)在額定電壓下進(jìn)行額定制冷運(yùn)行,同時(shí)負(fù)離子發(fā)生器開啟運(yùn)行,運(yùn)行1 h后,使用源恒通靜電測試儀(型號(hào):FMX-004)分別探測8個(gè)監(jiān)測點(diǎn)累積電壓,測試結(jié)果如表2所示。

表2 F平臺(tái)和J平臺(tái)不同監(jiān)測點(diǎn)累積電壓測試結(jié)果

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

3.2 放電路徑

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

通過室內(nèi)機(jī)電控板控制電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)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(duì)后端蓋或軸伸端進(jìn)行空氣放電,放電10次。若電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn),將負(fù)電壓調(diào)高1 kV,繼續(xù)放電10次,依次進(jìn)行,直至電機(jī)芯片損壞。實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。

分別在軸伸端和后端蓋兩處各8臺(tái)電機(jī)進(jìn)行靜電槍放電實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 軸伸端和后端蓋放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,電機(jī)軸伸端放電電壓在13～15 kV時(shí)電機(jī)芯片損傷,平均電壓為14.125 kV。電機(jī)后端蓋放電電壓在18～22 kV時(shí)才發(fā)生芯片損傷。由此可知,電機(jī)軸伸端處受負(fù)離子電壓的影響更大,可確認(rèn)負(fù)離子累積電壓是從軸伸端進(jìn)入電機(jī),從而造成芯片損毀的。

4 評(píng)價(jià)方法建立

分析電機(jī)結(jié)構(gòu)可知,在電機(jī)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(fù)離子電壓對(duì)芯片的影響。而電機(jī)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(fù)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(duì)芯片進(jìn)行放電,造成芯片損傷。

圖7 電機(jī)簡易剖視圖

為評(píng)價(jià)負(fù)離子發(fā)生器對(duì)空調(diào)直流電機(jī)的影響,建立負(fù)離子發(fā)生器累積電壓對(duì)直流電機(jī)芯片過電應(yīng)力的評(píng)價(jià)方法。

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

圖8 負(fù)離子對(duì)直流電機(jī)影響的評(píng)價(jià)測試圖

通過選取正常電機(jī)和在芯片引腳涂膠樣品進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同狀態(tài)樣品試驗(yàn)結(jié)果

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)電機(jī)芯片引腳不涂膠時(shí),在40 min內(nèi)8個(gè)樣品全部失效;當(dāng)電機(jī)芯片引腳涂膠(隔離轉(zhuǎn)子磁瓦端面與芯片引腳),此時(shí)所有樣品均可滿足120 min的負(fù)離子放電實(shí)驗(yàn)。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(jī)芯片耐受負(fù)離子累積電壓能力。由此可知,此方法可以用于帶負(fù)離子發(fā)生器的空調(diào)產(chǎn)品新品評(píng)價(jià),評(píng)估負(fù)離子對(duì)直流電機(jī)芯片的影響。

5 結(jié) 語

本文簡要分析了無刷直流電機(jī)芯片損傷機(jī)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(tái)電機(jī)芯片不良異常的主要原因?yàn)樨?fù)離子在電機(jī)周邊累積,形成較高的累積電壓,對(duì)電機(jī)芯片造成損傷。其次,通過負(fù)離子對(duì)軸伸端和端蓋端的放電激發(fā)實(shí)驗(yàn),識(shí)別出負(fù)離子電壓是通過軸伸端傳入到電機(jī)內(nèi)部,從而損傷芯片,建立了負(fù)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(fù)離子對(duì)電機(jī)芯片影響評(píng)價(jià)方法,在新品開發(fā)時(shí),評(píng)估負(fù)離子累積電壓對(duì)無刷直流電機(jī)芯片損傷風(fēng)險(xiǎn)。