鋁線在集中式繞線電機(jī)中應(yīng)用的可行性探討

忻雪青, 李偉冬

(上海日立電器有限公司，上海 201206)

2006年以來,銅價的大幅飆升使材料成本大幅上漲,導(dǎo)致以銅為原材料的產(chǎn)品的利潤空間急劇減小。為了減小銅價對材料成本的影響,對于鋁線在X1和X2系列集中式繞線電機(jī)中應(yīng)用的可行性進(jìn)行了探討,在制造方法和產(chǎn)品特性方面進(jìn)行了一些試驗,希望對今后的應(yīng)用有一定的參考價值。

1 鋁線和銅線的特性比較

為了進(jìn)行應(yīng)用探討,有必要對鋁線和銅線的特性進(jìn)行比較。

1.1 物理特性的比較

對鋁線和銅線的物理特性進(jìn)行了比較,見表1。由表1可見,鋁線的熔點大大低于銅線,約只有銅線的60%;鋁線的抗拉強度也大大低于銅線,約只有銅線的40%。

1.2 電氣特性的比較

對鋁線和銅線的電氣特性進(jìn)行了比較,見表2。由表2可見,鋁線的電阻率要高于銅線,約是銅線的1.6倍。

表1 鋁線和銅線的物理特性比較

表2 鋁線和銅線的電氣特性比較

2 鋁線在集中式繞線電機(jī)中的繞線試驗分析

在進(jìn)行繞線試驗前,參閱了三星電子等多家廠商的資料,得知三星電子曾在冰箱壓縮機(jī)上用過鋁線作為原材料,但由于在嵌線后出現(xiàn)壓扁和漆傷等無法和銅線相比的品質(zhì)問題而中止了。然后詢問了日本銅線廠家,得知目前鋁線只用在變壓器上,而且用量逐年減少。

考慮到上述情況,決定先在不采用嵌線方式的集中式繞線電機(jī)(見圖1)上進(jìn)行繞線試驗。

圖1 集中式繞線電機(jī)

2.1 在X1系列電機(jī)中的情況

X1系列電機(jī)是處于開發(fā)階段的大型集中式繞線電機(jī),考慮到集中式繞線試制設(shè)備能夠進(jìn)行繞制,因此決定先在X1系列的直流變頻機(jī)種上進(jìn)行繞線試驗。首先,將靜態(tài)拉力設(shè)置為銅線時的62.5%,在相同的繞線條件下,最大和最小延伸率分別達(dá)到銅線時的167%和175%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了銅線的水平。然后,將靜態(tài)拉力降為銅線時的41.7%,在相同的繞線條件下,基本達(dá)到了和銅線相同的水平,相關(guān)比較結(jié)果見表3。連續(xù)試制3臺,經(jīng)針孔試驗和9 kV脈沖B.D.V.試驗全部合格,在X1系列電機(jī)中的繞線試驗獲得了成功。

表3 鋁線和銅線在X1系列電機(jī)上的繞線情況比較

2.2 在X2系列電機(jī)中的情況

X2系列電機(jī)是處于量產(chǎn)階段的小型集中式繞線電機(jī),在X1系列中繞線試驗的成功給在X2系列中的繞線試驗帶來了信心。利用X2系列的繞線2號機(jī),在X2系列的機(jī)種上進(jìn)行了繞線試驗。有了在X1系列中的繞線試驗經(jīng)驗,將靜態(tài)拉力設(shè)置為銅線時的 58%～59%,在繞線速度為100,200和300 r/min時分別試?yán)@了1臺,經(jīng)針孔試驗全部合格。經(jīng)測定,當(dāng)繞線速度為300 r/min時,在相同的繞線條件下,基本達(dá)到了和銅線相同的水平,相關(guān)比較結(jié)果見表4。連續(xù)試制5臺,經(jīng)針孔試驗和9 kV脈沖B.D.V.試驗全部合格,在X2系列電機(jī)中的繞線試驗也獲得了成功。

表4 鋁線和銅線在X2系列電機(jī)上的繞線情況比較

通過降低靜態(tài)拉力和繞線速度,鋁線應(yīng)用于集中式繞線電機(jī)的繞線是可行的。

3 鋁線末端連接方式的研究

與在集中式繞線電機(jī)的繞線可行性探討中異常順利相反,在進(jìn)行鋁線末端連接方式的探討中遇到了意想不到的困難。

3.1 焊接連接方式

首先,采用了和現(xiàn)在量產(chǎn)的銅線末端連接方式相同的先氣焊再釬焊的方式,焊接條件也相同,但焊點在釬焊時易脫落,而且即使焊點未脫落,焊點強度也較差。

接著,采用了手工繞線廠家普遍采用的電阻熔焊方式,焊接條件相同,但在焊接時焊點易粘附在碳模上,而且即使焊點未粘附在碳模上,焊點強度也較差。

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn):鋁線的熔點較銅線低很多;在空氣中和焊接時表面易產(chǎn)生熔點很高的氧化鋁,氣焊火焰很難將它熔化,這層氧化膜還起隔熱作用;鋁從室溫到液態(tài)的升溫過程中,沒有明顯的顏色變化,不易控制焊接溫度;鋁在540～658℃時,強度低、塑性差,焊接時易產(chǎn)生過熱、過燒現(xiàn)象[2]。

由此可見,焊接連接方式應(yīng)用于鋁線的末端連接較為困難。

3.2 焊錫連接方式

和焊接連接方式較為接近的是焊錫連接方式。焊錫連接方式就是先用脫漆設(shè)備將鋁線表面的漆膜去除,然后使用鋁線專用的焊錫和助焊劑進(jìn)行焊接。焊錫連接方式可分為熔錫式和浸錫式。相關(guān)調(diào)查和探討如下。

(1)脫漆設(shè)備:一般可分為剝漆機(jī)和磨漆機(jī)2種。剝漆機(jī)是利用旋轉(zhuǎn)刀片將漆膜剝除,磨漆機(jī)是利用旋轉(zhuǎn)磨輪將漆膜磨除。兩者功能比較見表5。

表5 脫漆設(shè)備功能比較

磨漆機(jī)根據(jù)線徑和線材有多種磨輪可選。剝漆機(jī)一般可分為手持式和臺座式,手持式可調(diào)速但不能準(zhǔn)確控制脫漆長度;臺座式不可調(diào)速但能準(zhǔn)確控制脫漆長度,且根據(jù)線徑也有多種刀頭可選。無論是磨漆機(jī)還是剝漆機(jī),都會影響現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境。

如果選用焊錫連接方式,磨漆機(jī)無論從效率還是從鋁線適用性方面都比剝漆機(jī)更適合。

(2)焊錫和助焊劑:焊錫和助焊劑的使用方式有2種,一種是將焊錫包裹住助焊劑作為焊絲直接使用,另一種是焊錫和助焊劑分別使用。

(3)焊錫連接方式:一般可分為熔錫式和浸錫式,見圖2。熔錫式是利用電烙鐵將焊錫通過助焊劑熔化在接線部,浸錫式是將涂有助焊劑的接線部沉浸于事先熔化在錫爐中的焊錫中。浸錫式由于有一定的危險性,因此沒有進(jìn)行探討。

圖2 焊錫連接方式

對于熔錫式,通過對焊錫和助焊劑的2種使用方式的試驗,發(fā)現(xiàn)焊點的強度較好,但對于電烙鐵溫度的控制和焊接技術(shù)要求較高,在焊接時會產(chǎn)生煙霧。采用將焊錫包裹住助焊劑作為焊絲直接使用的方式,由于內(nèi)部助焊劑的存在,在焊接時存在輕微飛濺現(xiàn)象。采用焊錫和助焊劑分別使用的方式,由于先涂助焊劑,在焊接時存在助焊劑流淌現(xiàn)象。

3.3 端子連接方式

端子連接方式是和目前的連接方式完全不同的一種連接方式,一般可分為普通式端子連接和刺破式端子連接,見圖3。由于端子是根據(jù)連接的線徑和線束特別設(shè)計的,故各連接部的線徑和線束不應(yīng)有太大的變化,尤其在同一臺電機(jī)中各連接部的尺寸應(yīng)在一定的范圍內(nèi),否則將造成制造成本上升和現(xiàn)場工藝性較差的狀況。相關(guān)調(diào)查和探討如下。

圖3 端子連接方式

(1)刺破式端子連接:①根據(jù)連接的線徑和線束選用合適的刺破式連接端子;②利用端子壓接設(shè)備進(jìn)行端子壓接。目前在冰箱壓縮機(jī)用電機(jī)的末端連接中應(yīng)用較多,在空調(diào)壓縮機(jī)中還沒有應(yīng)用。由于刺破式連接端子是利用端子內(nèi)表面的齒槽受壓后刺破鋁線表面的漆膜實現(xiàn)和鋁線連接的,因此連接的鋁線根數(shù)不宜超過3根,否則容易造成接觸不良。

(2)普通式端子連接:①用脫漆設(shè)備按照指定的脫漆長度將鋁線表面的漆膜去除;②根據(jù)連接的線徑和線束選用合適的普通式連接端子;③利用端子壓接設(shè)備進(jìn)行端子壓接。由于在壓接前去除了漆膜,因此連接的鋁線根數(shù)可以適當(dāng)增加,但也不宜過多,否則也容易造成接觸不良。投資費用方面在上述刺破式端子連接的基礎(chǔ)上,需要增加臺座式剝漆機(jī)的投資費用。

端子連接方式由于需要先期投資,因此沒有進(jìn)行試制探討。鋁線的末端連接方式對于各連接部線徑和線束變化較大,尤其是在同一臺電機(jī)中各接線部的尺寸變化較大的情況,適合采用焊錫連接方式,投資成本也較低;反之則適合采用端子連接方式,雖然投資成本較高,但可以進(jìn)一步開發(fā)直接引出線方式,降低材料成本。

當(dāng)然,鋁線的末端連接方式除上述已經(jīng)調(diào)查和探討的,也不排除還有更好的方式。

4 集中式繞線電機(jī)采用鋁線和銅線的電機(jī)特性比較

鋁線電機(jī)制作完成后,有必要就其電機(jī)特性和銅線電機(jī)進(jìn)行比較,為今后的電機(jī)設(shè)計提供參考。

4.1 在X1系列電機(jī)中的比較

首先對不同轉(zhuǎn)速下定格點的相對電機(jī)效率進(jìn)行了比較,結(jié)果見表6。

表6 X1系列鋁線電機(jī)和銅線電機(jī)的相對電機(jī)效率比較

由表6可見,在中低速時鋁線電機(jī)的電機(jī)效率較銅線電機(jī)下降明顯,但是隨著轉(zhuǎn)速的上升,兩者的電機(jī)效率差異變小。

由于兩者采用的定子鐵芯的材質(zhì)和疊高相同,因此兩者的鐵損應(yīng)該相同,造成兩者電機(jī)效率差異的只能是銅損。對不同轉(zhuǎn)速下定格點的相對銅損進(jìn)行了比較,結(jié)果見表7。

表7 X1系列鋁線電機(jī)和銅線電機(jī)的相對銅損比較

由表7可見,鋁線電機(jī)的銅損要大于銅線電機(jī),這主要是由于鋁線的電阻率要高于銅線。這也導(dǎo)致了鋁線電機(jī)的電機(jī)效率要低于銅線電機(jī),而且由于銅損對電機(jī)效率的影響與電機(jī)轉(zhuǎn)速成反比[3],最終造成在中低速時鋁線電機(jī)的電機(jī)效率較銅線電機(jī)下降明顯,但是隨著轉(zhuǎn)速的上升,兩者的電機(jī)效率差異變小。

X1系列鋁線電機(jī)效率改善措施:通過增加電機(jī)疊高,改善中低速段的效率;通過增加磁鐵磁能級,減少電流,進(jìn)而降低銅損[4];通過增加特別冷卻措施,降低線圈溫度,減小電阻,進(jìn)而降低銅損。

4.2 在X2系列電機(jī)中的比較

對不同轉(zhuǎn)速下定格點的相對電機(jī)效率進(jìn)行了比較,結(jié)果見表8。

表8 X2系列鋁線電機(jī)和銅線電機(jī)的相對電機(jī)效率比較

由表8可見:同樣在中低速時鋁線電機(jī)的電機(jī)效率較銅線電機(jī)下降明顯,但是隨著轉(zhuǎn)速的上升,兩者的電機(jī)效率差異變小。同樣由于兩者采用的定子鐵芯的材質(zhì)和疊高相同,因此兩者的鐵損應(yīng)該相同,造成兩者電機(jī)效率差異的只能是銅損。

對不同轉(zhuǎn)速下定格點的相對銅損進(jìn)行了比較,結(jié)果見表9。由表9可見,同樣鋁線電機(jī)的銅損要大于銅線電機(jī),這主要是由于鋁線的電阻率要高于銅線。導(dǎo)致了鋁線電機(jī)的電機(jī)效率要低于銅線電機(jī),而且由于銅損對電機(jī)效率的影響與電機(jī)轉(zhuǎn)速成反比[3],最終造成在中低速時鋁線電機(jī)的電機(jī)效率較銅線電機(jī)下降明顯,但是隨著轉(zhuǎn)速的上升,兩者的電機(jī)效率差異變小。

表9 X2系列鋁線電機(jī)和銅線電機(jī)的相對銅損比較

X2系列鋁線電機(jī)效率改善措施:通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍,降低電機(jī)最高轉(zhuǎn)速,減少電流,進(jìn)而降低銅損[4];通過增加電機(jī)疊高,改善中低速段的效率;通過增加磁鐵磁能級,減少電流,進(jìn)而降低銅損;通過增加特別冷卻措施,降低線圈溫度,減小電阻,進(jìn)而降低銅損。

為了驗證增加電機(jī)疊高對中低速段的效率改善,對45疊高鋁線電機(jī)和30疊高銅線電機(jī)不同轉(zhuǎn)速下定格點的相對電機(jī)效率進(jìn)行了比較,結(jié)果見表10。

表10 X2系列45疊高鋁線電機(jī)和30疊高銅線電機(jī)的相對電機(jī)效率比較

由表10可見,鋁線電機(jī)通過增加電機(jī)疊高可以縮小在中低速段和銅線電機(jī)的效率差距。由于鋁線的電阻率要高于銅線,導(dǎo)致鋁線電機(jī)的銅損要大于銅線電機(jī),最終造成鋁線電機(jī)的電機(jī)效率要低于銅線電機(jī),尤其在中低速段。因此鋁線電機(jī)只有通過降低銅損,改善中低速段的效率,提高電機(jī)效率,才能取代銅線電機(jī)。

5 結(jié) 語

通過對鋁線在集中式繞線電機(jī)中應(yīng)用的可行性探討,在繞線方面通過降低靜態(tài)拉力和繞線速度是可行的。在末端連接方式方面,對于各連接部線徑和線束變化較大,尤其是在同一臺電機(jī)中各接線部的尺寸變化較大的情況,適合采用焊錫連接方式,投資成本也較低;反之則適合采用端子連接方式,雖然投資成本較高,但可以進(jìn)一步開發(fā)直接引出線方式,降低材料成本。在電機(jī)特性方面,由于鋁線的電阻率要高于銅線,導(dǎo)致鋁線電機(jī)的銅損要大于銅線電機(jī),最終造成鋁線電機(jī)的電機(jī)效率要低于銅線電機(jī),尤其在中低速段。因此鋁線電機(jī)只有通過降低銅損,改善中低速段的效率,提高電機(jī)效率,才能取代銅線電機(jī)。

[1]柴田電子公司.特殊漆包線[EB/OL].(2006-04)[2006-04].http://www.shibata.co.jp/CHINESE/3_f_f2.htm.

[2]實用電工電子技術(shù)手冊編委會.實用電工電子技術(shù)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[3]葉金虎.現(xiàn)代無刷直流永磁電動機(jī)的原理和設(shè)計[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

[4]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.