空调负离子对无刷直流电机芯片损伤影响探究.pdf

设计分析 年第 卷第 期胡盛文等空调负离子对无刷直流电机芯片损伤影响探究 收稿日期:空调负离子对无刷直流电机芯片损伤影响探究胡盛文尤 涛吴彬彬(广东美的制冷设备有限公司顺德)摘 要:负离子发生器发射出的负离子具有净化空气的优良特性在空调上应用越来越广泛 负离子发生器发射出的负离子在空调室内机部件上累积当负离子累积电压达到一定程度时对无刷直流电机芯片过电损伤带来极大隐患 以一款自带负离子发生器的健康空调为研究对象基于结构对比法找出负离子发生器安装在进风口处是造成电机芯片不良异常的根本原因 通过负离子对电机的放电激发实验识别出负离子累积电压是通过轴伸端传入从而损伤芯片建立了负离子累积电压从轴转子矽钢片磁瓦到芯片引脚的放电路径 建立负离子对电机芯片影响评价方法在新品开发时评估负离子累积电压对无刷直流电机芯片的损伤风险关键词:负离子累积电压无刷直流电机放电路径评价方法中图分类号:.文献标志码:文章编号:()(.):.:引 言随着空调在日常生活中的普及它已经不单局限于室内温度调节的功能而是在健康、舒适空间的营造上不断加码因此健康功能空调诞生 洁净空气舒适风感这是当下赋予健康空调的新指标 负离子能够净化空气、消除粉尘、营造舒适环境我司推出的一款 平台分体套机自带负离子滤网自动除尘功能受市场广泛好评 同时根据市场反馈 平台产品室内无刷直流电机芯片不良率远高于其他平台电机 鉴于此我们对 平台的无刷直流电机进行了研究以提升该健康空调中无刷直流电机的可靠性本文根据芯片损伤机理基于对比排除法找出影响 平台电机芯片不良异常的原因:负离子在电机周边累积形成高电压导致芯片过压损坏 根据实验探寻累积电压对芯片的放电路径提出负离子累积电压对无刷直流电机芯片放电评价方法完善健康空调中无刷直流电机风险评价体系 无刷直流电机芯片损伤机理无刷直流电机芯片损伤主要原因有过电应力和静电放电过电应力是指元器件承受的电流或电压应力超过其允许的最大范围过电应力是引起器件失效的主要机理之一 电子元件在其参数指标中设定了使用时所承载的最大应力包括最高环境温度最大工作电压、电流等 如果在使用过程中外界出现电应力超过元件的最大应力即使是瞬间通过芯片也会受到损伤芯片局部形成热点当温度进一步升高达到材料熔点时会造成材料熔化进而造成开路或者 年第 卷第 期设计分析 胡盛文等空调负离子对无刷直流电机芯片损伤影响探究 短路导致芯片失效静电放电是指具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移 静电放电引发的失效一般分为突发性失效和潜在性失效两种 突发性失效是指芯片在静电放电损伤后突然出现开路、短路或参数漂移丧失功能 潜在性失效是指静电放电能量较低芯片内部轻微损伤放电后参数变化不大但芯片抗过电应力能力已经下降使用寿命缩短芯片的继续使用将逐步导致其失效 整机分析 批次和地域分析针对 平台 全年与 全年电机芯片不良对比各地维修中心维修率无明显异常如图 所示排除电机批次和终端客户处使用场景的过电应力问题 图 平台电机 年芯片不良同比 年变化率 整机结构对比分析统计 平台所用无刷直流电机在其他平台整机的故障率发现电机在不同平台维修率差异较大 不带负离子的 和 平台和带负离子的 平台电机芯片故障率基本一致 平台和 平台同样带负离子但 平台电机芯片不良的维修率远高于 平台 不同平台室内机的结构对比如表 所示表 不同平台内机结构对比平台电控板底盘风轮蒸发器面框附加功能健康功能负离子发生器安装位置负离子发射极电压/一致一致一致一致基本一致滤网自清洁带负离子空调左侧滤网上方 一致一致一致一致基本一致带负离子出风口左侧 一致一致一致一致基本一致无负离子一致一致一致一致基本一致无负离子 通过对不同平台内机分析各平台机型主体结构和部件基本一致区别在 和 平台负离子发生器安装位置不同 平台负离子发生器在空调左侧滤网上方(进风口)平台负离子发生器在出风口如图 和图 所示图 平台机型内机结构示意图图 平台机型内机结构示意图负离子发生器是一种生成空气负离子的装置 它采用碳纤维作为放电极放电极与蒸发器形成一微弱电场如图 所示 电场的作用使得发射出的大量电子沿着电场反向运动此时由于蒸发器部位正电荷极少电子也无法长久存在于空气中(空气中存在的电子寿命只有 级)因此只有少量电子被中和形成中性离子而绝大部分电子逸出后被空气中的氧分子捕捉形成空气负离子在贯流风轮的作用下向外扩散图 负离子发生器放电原理 平台和 平台的主体结构和部件基本相同但 平台增加滤网自动清洁功能负离子兼顾滤网积尘作用故布置在左侧蒸发器上方(图)空调工作时风从蒸发器上方进入空调后从出风口吹出负离子经过室内机负离子在室内机中累积并传导到电机轴上 而 平台负离子发生器装配在左侧出风口处空气负离子直接被吹走(图)电机附近负离子的累积有限设计分析 年第 卷第 期胡盛文等空调负离子对无刷直流电机芯片损伤影响探究 从上述分析可知 平台负离子发生器在蒸发器上方造成了无刷电机芯片的不良异常 负离子对电机影响分析 负离子累计电压为探究自带负离子发生器平台机型负离子对电机的影响分别在、平台空调风轮上均匀分布设置 个监测点()并在电机输出轴和风轮连接处设置监测点、电机后端盖处设置监测点 如图 所示图 各累计电压测试点分布示意图空调在额定电压下进行额定制冷运行同时负离子发生器开启运行运行 后使用源恒通静电测试仪(型号:)分别探测 个监测点累积电压测试结果如表 所示表 平台和 平台不同监测点累积电压测试结果平台测试点累积电压测试结果/平均值 平台机型 平台机型 注:每个平台机型共选取 台样机进行测试最终求取平均值作为该监测点的累积电压 从表 可知:平台电机轴伸端监测点和电机后端盖监测点两处位置的累积电压远高于 平台该累积电压传导到电机芯片最终导致电机芯片烧毁 放电路径为 研 究 负 离 子 累 积 电 压 放 电 路 径 用(型号:)静电放电模拟器模拟负离子累积电压对电机轴伸端和后端盖进行放电测试通过室内机电控板控制电机在额定转速运行静电枪头距离后端盖或轴伸端距离 静电电压从 开始分别对后端盖或轴伸端进行空气放电放电 次 若电机正常运转将负电压调高 继续放电 次依次进行直至电机芯片损坏 实验装置如图 所示图 静电枪放电示意图分别在轴伸端和后端盖两处各 台电机进行静电枪放电实验实验结果如表 所示上述实验结果表明电机轴伸端放电电压在 时 电 机 芯 片 损 伤 平 均 电 压 为 电机后端盖放电电压在 时才发生芯片损伤 由此可知电机轴伸端处受负离子电压的影响更大可确认负离子累积电压是从轴伸端进入电机从而造成芯片损毁的 年第 卷第 期设计分析 胡盛文等空调负离子对无刷直流电机芯片损伤影响探究 表 轴伸端和后端盖放电实验结果对比样品轴伸端电压/实验次数样品后端端盖电压/实验次数平均 平均 评价方法建立分析电机结构可知在电机后端盖和电控板之间有一绝缘隔电环如图 所示基本消除了负离子电压对芯片的影响 而电机轴与转子连接为一体轴、转子铁心和磁瓦之间是连通的 电控板在转子正上方并且芯片引脚在磁瓦端面的正上方 从结构上看磁瓦端面距离芯片引脚间距离较小负离子累积电压通过轴转子矽钢片磁瓦到芯片引脚此路径对芯片进行放电造成芯片损伤图 电机简易剖视图为评价负离子发生器对空调直流电机的影响建立负离子发生器累积电压对直流电机芯片过电应力的评价方法通过电控板控制电机在额定电压下运行使用内机配备的负离子发生器对电机轴伸端进行放电其中负离子发射端碳纤维捆扎后靠近轴伸端一定距离 电机在规定的时间运行后检查电机的功能和芯片是否正常测试方法如图 所示图 负离子对直流电机影响的评价测试图通过选取正常电机和在芯片引脚涂胶样品进行对比实验实验结果如表 所示表 不同状态样品试验结果样品芯片引脚不涂胶芯片引脚涂胶运行时间/电机状态运行时间/电机状态损坏正常运行损坏正常运行损坏正常运行损坏正常运行损坏正常运行损坏正常运行损坏正常运行损坏正常运行 注:不同状态样品各取 个进行实验本实验电机运行 或者 内芯片出现损坏时停止本实验碳纤维与轴端的距离为 由上述实验结果可知当电机芯片引脚不涂胶时在 内 个样品全部失效当电机芯片引脚涂胶(隔离转子磁瓦端面与芯片引脚)此时所有样品均可满足 的负离子放电实验 芯片引脚涂胶相当于在引脚端面增加了绝缘层隔断放电路径提升电机芯片耐受负离子累积电压能力 由此可知此方法可以用于带负离子发生器的空调产品新品评价评估负离子对直流电机芯片的影响 结 语本文简要分析了无刷直流电机芯片损伤机理 借 助 源 恒 通 静 电 测 试 仪 和 静电放电模拟器探寻出 平台电机芯片不良异常的主要原因为负离子在电机周边累积形成较高的累积电压对电机芯片造成损伤 其次通过负离子对轴伸端和端盖端的放电激发实验识别出负离子电压是通过轴伸端传入到电机内部从而损伤芯片建立了负离子累积电压从轴转子矽钢片磁瓦到芯片引脚的放电路径 最后建立负离子对电机芯片影响评价方法在新品开发时评估负离子累积电压对无刷直流电机芯片损伤风险参考文献 刘颖高旭梁勇超等.浅谈日本家用空调的健康功能技术.家电科技():.贺丽.塑封器件常见失效模式及其机理分析.集成电路应用():.赵志宽李代杨志刚.负离子发生器用于空调系统初步实验探讨.家用电器科技():.(下转第 页)年第 卷第 期设计分析 谢峰等内置式永磁电机转子冲片断裂强度分析 超速工况测试如图 所示 最高转速为 /超速运行 超速实验后重新测试电机性能参数未发现异常现象图 电机超速实验 结 语本文通过有限元方法分析了转子冲片在不发生塑性变形前提下的最高允许工作转速对复杂结构的永磁电机转子结构设计具有指导意义在转子达到允许工作转速之后进一步提高转速转子冲片将进入塑性变形阶段随着转速的增加变形将急剧增大 当冲片应变达到最大应变之后转子冲片将出现断裂 可以根据屈服转速和断裂转速分析从屈服到断裂之间的转速裕量 后续可以在测试台上对转子进行破坏性超速实验以验证转子断裂转速在现有转子外径条件下提高电机转速可以从电机冲片结构入手通过调整磁钢之间夹角、磁桥宽度及倒角尺寸等提高低应力区域应力值降低应力瓶颈点应力水平 参考文献 张飞唐任远陈丽香等.永磁同步电动机电抗参数研究.电机技术():.佟文明次元平.高速内置式永磁电机转子机械强度机械研究.电机与控制学报():.张超朱建国佟文明等.高速内置式永磁转子强度分析与设计.电机与控制学报():.韩雪岩田东.高速内置式永磁同步电机转子强度的等效计算与分析.电气工程学报():.谢婧萍胡青春麦千里等.高速 形内置式永磁转子动力学分析及结构优化.微特电机():.陈远杨韩则胤陈阳生.高速内嵌式永磁电动机转子机械强度分析.微特电机():.魏小丰胡青春.含填充胶表贴式高速永磁电机转子保护套强度研究.机床与液压():.朱炎胡小飞宋满存等.高速永磁电机转子强度分析.机床与液压():.沈建新秦雪飞尧磊等.高速永磁电机转子强度分析与护套设计.中国电机工程学报():.周赟文赵才其.新型模块化单层铝合金网壳节点的弹塑性分析.建筑结构():.徐绍桐王长辉杨成骁.液体火箭发动机再生冷却结构弹塑性分析.航空动力学报():.王秀文.兆瓦级风力发电机组轮毂弹塑性分析.能源与节能():.李韶岗贾大朋毛召芝.薄带钢轧制过程有限元仿真分析.冶金设备():.晁利宁刘云苑清英等.特殊螺纹接头弹塑性有限元模拟机试验研究.塑性工程学报():.作者简介:谢峰()男研究员研究方向为电机结构设计周严鉴()男博士研究方向为高速电机及其控制系统(上接第 页)李杰王海军赵保中等.负离子空气净化器结构对负离子流的影响.东北师大学报(自然科学版)():.韩树璘.负离子空气净化器设计与应用技术研究.长春:吉林大学.孙刚森.空调气流场对空气净化器循环风流的影响研究.大连:大连理工大学.杨艺周沛赖志强.通风管道内负离子传输的数值模拟及试验验证.环境科学研究():.李军华郑小建刘腾举等.影响空气净化器负离子浓度因素总结.洁净与空调技术():.农钢钮式如.负离子发生器的离子扩散规律及影响因素的实验研究.环境与健康杂志():.谢喜宁胡小锋.一种静电放电模拟装置的设计.强激光与粒子束():.吕友成陈仲永聂帆宇等.基于.测试系统对芯片静电放电()测试分析.现代信息科技():.王振雄曾韡.功率器件芯片封装和静电放电失效分析.复旦学报(自然科学版)():.