小功率電機(jī)熱保護(hù)器選型與應(yīng)用

毛躍輝

（珠海格力電器股份有限公司家用空調(diào)技術(shù)部 廣東珠海 519070）

1 引言

在家用電器迅速發(fā)展和普及應(yīng)用的同時(shí)，產(chǎn)品質(zhì)量和安全性能方面的問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)，電氣火災(zāi)已引起了廣大消費(fèi)者和國(guó)家有關(guān)部門的高度重視。電機(jī)熱保護(hù)器就是為防止電機(jī)在異常條件下由于工作超溫?zé)龤Ш投沤^因電機(jī)超溫引發(fā)火災(zāi)的安全件。作為與電器產(chǎn)品配套的小功率電機(jī)對(duì)主機(jī)的安全性能影響很大，如水泵長(zhǎng)期浸泡在水中，導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸被堵死、空調(diào)器長(zhǎng)時(shí)間不用，導(dǎo)致電機(jī)軸承生銹卡死而無(wú)法啟動(dòng)，電氣產(chǎn)品在使用中偶然發(fā)生的負(fù)載變化、重復(fù)啟動(dòng)、外來(lái)物卡滯、運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等原因，造成電機(jī)燒毀，為了安全起見(jiàn)，小功率電機(jī)一般在電樞繞組中都安裝塑殼或金屬的雙金屬熱保護(hù)器。

小功率電機(jī)目前已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于各類家用電器產(chǎn)品中，不僅對(duì)電機(jī)性能、可靠性有了嚴(yán)格要求，而且對(duì)電機(jī)的安全特性、安全措施也有了比較嚴(yán)格的要求。熱保護(hù)器作為小功率電機(jī)或整機(jī)的關(guān)鍵部件，如何正確選用熱保護(hù)器、合理匹配好熱保護(hù)器，對(duì)電機(jī)乃至整機(jī)的性能、安全性有著非常大的影響。針對(duì)上述情況，本文重點(diǎn)介紹了小功率電機(jī)熱保護(hù)器的保護(hù)形式、選型與匹配使用情況等。

2 熱保護(hù)器種類和應(yīng)用

電機(jī)的溫度保護(hù)系統(tǒng)，一般由熱檢測(cè)器和控制系統(tǒng)或熱保護(hù)器等組成。從控制方式上來(lái)說(shuō)，采用熱保護(hù)器直接控制是一種比較方便和實(shí)惠的控制方法，成本也較省。

2.1 產(chǎn)品形式分類

1）按照動(dòng)作原理分：溫度型（僅對(duì)溫度敏感而動(dòng)作）、電流溫度型（對(duì)溫度、電流均敏感而動(dòng)作）；2）按動(dòng)作方式分：速動(dòng)式、緩動(dòng)式；3）按觸點(diǎn)狀態(tài)分：常開(kāi)式、常閉式；4）按觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)分：?jiǎn)味耸?、雙端式；5）按雙金屬片受熱方式分：自身通電發(fā)熱式、復(fù)熱式、旁熱式；6）按雙金屬片的形狀分：碟形、條形；7）按調(diào)節(jié)溫度分：可調(diào)和定溫；8）按密封形式分：敞開(kāi)式和密封式；9）按外殼電位分：帶電和不帶電。

2.2 熱保護(hù)器應(yīng)用方式

1）對(duì)電熱器件的溫度控制和調(diào)溫；2）對(duì)電機(jī)的超溫運(yùn)行進(jìn)行控制和保護(hù)；3）對(duì)電機(jī)由于長(zhǎng)時(shí)間發(fā)生堵轉(zhuǎn)或過(guò)載等引起的對(duì)繞組的過(guò)熱保護(hù)。

目前，熱保護(hù)器廣泛應(yīng)用于電熱器具、電熱水壺、空調(diào)器、洗碗機(jī)、消毒柜、變壓器、罩極式電機(jī)、電容運(yùn)轉(zhuǎn)式電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等。

3 熱保護(hù)器工作原理

雙金屬型保護(hù)器實(shí)際上是一種用雙金屬片制成的開(kāi)關(guān)或繼電器，由于價(jià)格低廉而得到廣泛應(yīng)用。雙金屬片由兩層熱膨脹系數(shù)不同的合金疊合而成，其中，膨脹系數(shù)較大的稱為主動(dòng)層；膨脹系數(shù)較小的稱為被動(dòng)層。由于兩層材料膨脹系數(shù)不同，雙金屬片在溫度升高時(shí)會(huì)彎曲變形，而溫度降低后又會(huì)恢復(fù)原來(lái)的樣子。圖1為常規(guī)熱保護(hù)器的形狀。

熱保護(hù)器中的關(guān)鍵部件是由高靈敏的雙金屬元件與動(dòng)觸頭、靜觸頭組成。在電機(jī)正常工作時(shí)，雙金屬元件處于自由狀態(tài)，動(dòng)觸頭和靜觸頭閉合緊密，如圖2中的a圖，電路導(dǎo)通正常工作。當(dāng)電機(jī)在使用過(guò)程中其內(nèi)部繞組的發(fā)熱、溫度上升到熱保護(hù)器的動(dòng)作溫度值時(shí)，雙金屬元件受熱產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而迅速動(dòng)作，如圖2中的b圖示意。拉動(dòng)動(dòng)觸頭，使觸點(diǎn)斷開(kāi)，從而切斷電源，使得電機(jī)停止工作。當(dāng)電機(jī)繞組溫度下降到熱保護(hù)器額定復(fù)位溫度值時(shí)，雙金屬元件又恢復(fù)到初始閉合狀態(tài)，此時(shí)，電路又被導(dǎo)通，電機(jī)正常工作。

3.1 熱保護(hù)器主要參數(shù)

3.1.1 額定斷開(kāi)溫度

額定斷開(kāi)溫度指觸點(diǎn)脫扣時(shí)的溫度。一般容差為±7℃。

3.1.2 額定復(fù)位溫度

額定復(fù)位溫度指重新閉合觸點(diǎn)時(shí)的溫度，標(biāo)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(huán)境下，能承受的最大連續(xù)電流。

3.1.4 額定脫扣電流

額定脫扣時(shí)電流指環(huán)境溫度25℃時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)脫扣的電流。

4 小功率電機(jī)熱保護(hù)器選型匹配

4.1 小功率電機(jī)過(guò)熱分析

電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生熱過(guò)載，引起熱過(guò)載的原因很多，主要有：通風(fēng)系統(tǒng)故障，環(huán)境溫度或冷卻介質(zhì)溫度過(guò)高，電機(jī)長(zhǎng)期處于過(guò)電壓或欠電壓狀態(tài)運(yùn)行，斷續(xù)工作制電機(jī)超過(guò)其規(guī)定工作方式運(yùn)行。以上原因會(huì)造成電機(jī)超過(guò)正常運(yùn)行溫度的溫度慢速增加，這種現(xiàn)象稱為慢變化熱過(guò)載，變化的曲線如圖3示意。

當(dāng)電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，或啟動(dòng)時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)距異常大，啟動(dòng)電壓過(guò)低等將會(huì)造成電機(jī)繞組的溫度以超過(guò)正常運(yùn)行溫度的溫度快速增加，這種現(xiàn)象稱為快變化熱過(guò)載，變化曲線如圖4示意。

上述分析可知，電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在兩個(gè)熱過(guò)載形式，而這兩種熱過(guò)載都會(huì)使電機(jī)繞組的絕緣過(guò)早老化，減少其使用壽命。那么如何有效的防止繞組絕緣過(guò)早老化呢？除了對(duì)電機(jī)進(jìn)行合理選用外，還應(yīng)該考慮電機(jī)正常和特殊情況下工作時(shí)其繞組溫度的情況，尤其是在電機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)情況時(shí)，使得繞組長(zhǎng)時(shí)間的處于發(fā)熱狀態(tài)，溫度不斷升高，老化速度飛快，我們選擇合理的熱保護(hù)器是為了防止電機(jī)繞組在出現(xiàn)慢變化熱過(guò)載和快變化熱過(guò)載時(shí)，能有效的對(duì)電機(jī)進(jìn)行過(guò)熱保護(hù)。一般情況下，當(dāng)電機(jī)過(guò)載連續(xù)運(yùn)行，繞組溫升每增加8K-10K，電機(jī)繞組的絕緣有效壽命將降低一半。

快變化熱過(guò)載和慢變化熱過(guò)載都可以引起內(nèi)部繞組溫升過(guò)高，從而導(dǎo)致繞組絕緣的加速老化。因此，當(dāng)電機(jī)長(zhǎng)期處于過(guò)載中運(yùn)行是不可取的。

電機(jī)在過(guò)熱情況下，電機(jī)內(nèi)部零件溫度分布各不相同，有的低有的高，因此對(duì)熱保護(hù)器的放置位置很有講究，其中溫度上升最快達(dá)到危險(xiǎn)值的部件稱熱臨界部件，直接在熱臨界部件上安裝熱保護(hù)器的方式叫直接熱保護(hù)，相反，當(dāng)安裝位置不在熱臨界部件上，但是，與熱保護(hù)器還有聯(lián)系的方式叫間接熱保護(hù)。根據(jù)理論分析，電機(jī)繞組表面的溫度遠(yuǎn)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(hù)器安裝在繞組表面，能貼緊繞組表面最好。雙金屬熱保護(hù)器對(duì)小功率電機(jī)快變化熱過(guò)載和慢變化熱過(guò)載都能有較好的追隨性。

4.2 熱保護(hù)器選型與匹配試驗(yàn)

目前，在小功率電機(jī)的熱保護(hù)器安裝方式上，適合選用直接保護(hù)的方式，也就是說(shuō)把熱保護(hù)器直接安裝在電機(jī)繞組的表面上。

熱保護(hù)器無(wú)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(qiáng)度、絕緣和耐熱性能，有一定的絕緣阻抗，能經(jīng)歷惡劣的環(huán)境實(shí)驗(yàn)后其各動(dòng)作性能不發(fā)生改變，如冷熱沖擊、耐寒實(shí)驗(yàn)等等。其次還應(yīng)該滿足壽命實(shí)驗(yàn)要求，比如金屬觸片閉合和開(kāi)斷的次數(shù)等。

下面以實(shí)際使用中某款小功率電機(jī)為例，選擇一種與它相匹配的熱保護(hù)器。我們結(jié)合電機(jī)的參數(shù)，包括額定功率、額定電壓、相數(shù)、堵轉(zhuǎn)電流、耐熱等級(jí)、工作環(huán)境溫度等驗(yàn)證熱保護(hù)器選擇的正確與否和熱保護(hù)器與電機(jī)的匹配利弊。具體熱電偶布置效果圖如圖5。

首先根據(jù)電機(jī)的本身參數(shù)，用電阻法測(cè)試內(nèi)部繞組的溫度，即測(cè)試空載和堵轉(zhuǎn)時(shí)的繞組溫度，測(cè)試結(jié)果如表1。

考慮堵轉(zhuǎn)時(shí)的繞組最高溫升為91.2K，平均值85.1K。結(jié)合電機(jī)實(shí)際使用環(huán)境溫度一般在25℃左右，從而估算該熱保護(hù)器的溫度應(yīng)該選擇在100℃左右，然后考慮熱保護(hù)器的安裝位置，該小功率電機(jī)的熱保護(hù)器安裝位置是放置在絕緣紙上面，如圖6。

該保護(hù)器頭部裸露帶電，安裝方式屬于間接安裝。因?yàn)樵诶@組與熱保護(hù)器之間隔一層絕緣紙，在傳熱效果上有點(diǎn)差異。因而在考慮熱保護(hù)器溫度點(diǎn)選擇上需要再降低一點(diǎn)溫度，本案例中結(jié)合使用環(huán)境和安裝方式，大致選擇80℃的熱保護(hù)器，誤差控制在±7℃。在25℃的室溫下。電壓220V的條件下開(kāi)始試驗(yàn)，得到如下試驗(yàn)溫度曲線，如圖7。

實(shí)驗(yàn)分析及結(jié)論：由溫度曲線可以知道，熱保護(hù)器在整個(gè)過(guò)程中共動(dòng)作3次，分別在1400S、3200S、5150S，對(duì)應(yīng)的繞組溫度分別為110℃、109.3℃、109.5℃，很好的起到了保護(hù)的作用，符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期，因此可以使用保護(hù)溫度為80℃的熱保護(hù)器在此小電機(jī)上，實(shí)驗(yàn)與預(yù)估的完全符合。

在堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，選用熱保護(hù)器的溫度點(diǎn)過(guò)高，電機(jī)嚴(yán)重過(guò)載時(shí)仍未保護(hù)，可能燒毀電機(jī)，選用熱保護(hù)器溫度過(guò)低，在額定負(fù)載下電壓波動(dòng)大的情況下，熱保護(hù)器立即保護(hù)，使得小功率電機(jī)無(wú)法在正常狀態(tài)下工作。本試驗(yàn)驗(yàn)證了小功率電機(jī)在額定電壓下，慢變化熱過(guò)載的過(guò)程，由于小功率電機(jī)一般保護(hù)的是電機(jī)的繞組，因此，把熱保護(hù)器安裝在接近繞組表面，通過(guò)繞組工作發(fā)熱后，熱傳導(dǎo)和熱輻射，使得熱保護(hù)器感受溫度達(dá)到其保護(hù)溫度點(diǎn)后，自動(dòng)切斷電源輸入，使電機(jī)得到很好的保護(hù)，延長(zhǎng)繞組的使用壽命。

表1 小功率電機(jī)空載與堵轉(zhuǎn)時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)（室溫25℃）

通過(guò)上述分析，我們?cè)谶x擇熱保護(hù)器的時(shí)候，一般按照以下方式進(jìn)行選擇和匹配：1)首先根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、容量、所保護(hù)的對(duì)象，確定熱保護(hù)器的安裝位置；2)根據(jù)安裝位置和電機(jī)的加工工藝、確定熱保護(hù)器的結(jié)構(gòu)和觸點(diǎn)形式，是否需要在頭部進(jìn)行環(huán)氧樹(shù)脂密封絕緣等；3)根據(jù)電機(jī)的安裝位置，環(huán)境因素影響、電機(jī)電流等，決定電機(jī)的保護(hù)目標(biāo)，比如繞組等；4)根據(jù)電機(jī)的絕緣等級(jí)、使用環(huán)境、額定電壓、堵轉(zhuǎn)電流、溫升速率、堵轉(zhuǎn)時(shí)間，確定電機(jī)的熱保護(hù)器的保護(hù)溫度點(diǎn)；5)通過(guò)最終試驗(yàn)，確定熱保護(hù)器的動(dòng)作溫度和復(fù)位溫度是否符合設(shè)計(jì)要求；6)考慮熱保護(hù)器的使用壽命和電機(jī)的使用壽命匹配和熱保護(hù)器的功率因素選擇。

4.3 熱保護(hù)器壽命實(shí)驗(yàn)

熱保護(hù)器接入220V±5%，在25℃環(huán)境中，循環(huán)動(dòng)作3000個(gè)周期后，滿足動(dòng)作溫度與初始溫度相比變化滿足+5K/-10K或者+5K/-10%，且觸點(diǎn)在分離狀態(tài)下能通過(guò)375V/min，無(wú)閃絡(luò)且泄漏電流≤10mA，試驗(yàn)后外觀無(wú)明顯變形，觸點(diǎn)未互相粘連或未復(fù)位，從壽命試驗(yàn)知，同一規(guī)格熱保護(hù)器，如250V/2A ，動(dòng)作溫度80±7℃的熱保護(hù)器，在250V/2A的電流下工作，其使用壽命為3000次循環(huán)，但是當(dāng)它在＜2A的電流下工作時(shí)，其使用壽命可以達(dá)5000次甚至10000次以上。

5 結(jié)束語(yǔ)

合理選擇熱保護(hù)器與電機(jī)相配合，是設(shè)計(jì)員關(guān)心的問(wèn)題，選用得當(dāng)，能起到良好的保護(hù)作用，如熱保護(hù)器溫度選得過(guò)低，會(huì)使電機(jī)正常使用出現(xiàn)頻繁保護(hù)，選用過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)繞組溫度過(guò)高運(yùn)行，超出繞組極限溫度后還未保護(hù)，減短繞組壽命，從而使電機(jī)出現(xiàn)燒毀。正確選擇合適的熱保護(hù)器，通過(guò)試驗(yàn)并結(jié)合電機(jī)實(shí)際工作情況和環(huán)境，可以正確的選擇出熱保護(hù)器的保護(hù)溫度，如果熱保護(hù)器還有其它特殊用途，還可進(jìn)行諸如：極限短路、冷熱沖擊、耐腐蝕等試驗(yàn)，從而選擇最佳的保護(hù)溫度點(diǎn)，使電機(jī)熱保護(hù)器工作在最完美狀態(tài)，發(fā)揮出其應(yīng)有的功能。

[1]魏靜微.小功率永磁電機(jī)原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)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(guó)交標(biāo)準(zhǔn)GB4706.1-2005

[3]旋轉(zhuǎn)電機(jī)裝入式熱保護(hù)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)的保護(hù)規(guī)則.國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T13002-91

[4]李發(fā)海、王巖.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ).北京.清華大學(xué)出版社,2005

[5]電動(dòng)機(jī)熱保護(hù)器特殊要求.國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 14536.3-2008