铝漆包线在电机中的应用研究
2011-07-20张兴志顾添其张秉芬
张兴志,顾添其,张秉芬
(1.上海交通大学,上海200240;2.上海日立电器有限公司,上海201206)
0 引 言
近年来铜价一直呈上涨趋势,从2003年每吨不到20 000元,到2011年每吨超过72 000元。特别是在2006年上半年,铜价上涨了近一倍。之后的几年铜价均维持在每吨50 000~60 000元的水平,仅在2008年底的国际金融危机过程中出现过大幅下跌,但随着经济的复苏,铜价很快回到高位水平。
铜漆包线的成本在电机的材料成本中占有约50%比例,如何应对铜价的上涨成为一个严峻的课题。铝漆包线作为铜线的替代品可以显著地降低电机成本,但铝漆包线会使电机效率显著下降,且铝线机械性能差、熔点低,没有在空调压缩机中大规模使用的经验,其可靠性及相关制造工艺都是值得我们研究的问题。
近期铜价的波动情况如图1所示。
图1 2010年1月~2011年4月上海期货铜价
1 铜、铝漆包线特性分析
1.1 铜、铝物理特性的差异
铜和铝都具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性,因此常被用于制作各种电线、电缆和载流零件等。但两者在物理性能上有很大的差异,如表1所示,这些物理性能的差异对铝漆包线的应用产生了很大的影响[1]。
表1 铜和铝特性比较
从表1中可以看出,铝的电阻率为铜的1.6倍,电机的铜损和电机电阻成正比,如果直接用相同线径的铝线替代铜线,将造成电机损耗增大、效率下降。铝的抗拉强度较低,会给定子绕线工艺带来困难。铝的熔点远低于铜,较易氧化,铜铝的焊接问题一直是铝线应用中的一大障碍。铝的密度仅为铜的约1/3左右,相同体积铝线的重量是铜线的1/3左右,因此使用铝线材料成本可以明显降低。但由于漆包线的加工费用与漆包线长度有关,同重量的铝线加工费要高于铜线。
1.2 铜、铝漆包线主要性能比较
表2对铜漆包线和铝漆包线的特性进行了实测比较:
表2 铜和铝漆包线特性比较
从表2可以看出,由于材料本身的性质,铝线在电阻率及延伸率方面都比铜线要差。
尽管铝线的很多性能比铜线差,但是在铜价高涨的情况下,采用铝线代替铜线也是降低电机成本的有效手段之一。下面将分析铝线电机的设计和加工工艺。
2 铝漆包线电机设计方法
2.1 铝漆包线对电机性能的影响
由于铝线的电阻率比铜高1.6倍,直接用相同线径的铝线替换铜线将导致电机绕组的电阻增大。电机的铜损WCu=I2R,在Pout相同的情况下,电流I变化不大,电阻R增加将会使铜损接近正比例增大[2]。
电阻增加还会使电机的最大力矩Tmax降低,造成电机停转,详细如下[3-4]:
式中:R1为定子电阻。
槽满率较低的电机可以用导线截面积1.6倍的铝漆包线直接替代铜线。但一般电机槽满率都已接近极限,不能使用该方法。为保持电机效率及满足相关标准,需要重新进行设计。通常方法是增加铁心外径或叠高,并适当增加定子槽面积[5]。考虑到设备的通用性,下面介绍在冲片不变情况下的铝线电机的设计方法。
表3 被测电机主要参数
2.2 全铝漆包线电机
在电机槽形、铁心长度不变的情况下,直接把铜线换成相同线径的铝线,从图2可以看出,使用铝漆包线后,电机效率下降明显,因此在对电机性能要求较高的情况下,必须通过相关设计变更来弥补电机效率下降的比例。
图2 全铝线电机效率曲线
2.3 铝漆包线电机优化
从上述内容可知,在直接更换铝线的情况下,电机效率下降明显,为了提高电机的效率必须对电机进行优化设计。可以增加电机铁心的长度,主线圈仍采用铜线,副线圈采用铝线,同时优化匝数和线径,以提高电机性能。详细计算参数如表4所示。
表4 铝线电机参数表
电机效率曲线比较如图3所示,可以看出,经过优化设计后,副线圈采用铝线的电机的效率基本达到了铜线电机的水平。
图3 副线圈铝线电机效率曲线
2.4 电机成本比较
副线圈采用铝线的电机在优化中增加了铁心的长度,电工钢的用量有所增加,但是采用铝线后,漆包线的成本大幅度降低,电机成本显著下降。按照目前的铜价,直接材料成本可降低29元,全铝线电机成本可降低103元,但是效率下降太多,在效率要求高的场合不能使用。详细成本分析如图4所示。
图4中铜漆包线价格为77元/kg,铝漆包线价格为46元/kg,钢板价格为9元/kg。
图4 电机成本比较
3 铝漆包线电机加工工艺
3.1 铝线电机在加工中的难点
由于铝线具有机械性差、熔点低、易氧化等缺点,在电机的加工过程中存在以下难点[6]:
(1)铝线机械性能差,在绕线、嵌线、整形过程容易产生断线、漆膜脱落、漆膜伤、电阻变化等问题。
(2)铝的熔点低,易氧化,电机的电源线联接困难,普通火焰焊接等方式会造成铝线氧化,无法保障可靠的联接。
为了保证铝线电机的质量,需要在绕线工艺、电源线接线工艺等方面进行改善,下面分别介绍。
3.2 铝线电机的绕线工艺的改善
铝线的机械性能决定了在铝线的生产过程中要在以下方面进行改善:
(1)绕线速度
由于铝线相对铜线来说要柔软,因此同等工艺条件下,理论上铝线的延伸率要比铜线大,需要降低绕线速度,以便延伸率控制在适当的范围内。
(2)整形压力
在电机线圈端部整形的工艺环节,需要减小整形量和整形速度,减少线圈压痕的产生。
3.3 铝线电机电源线联接方式
电源线一般采用铜线,常规的火焰焊接方式(如氧-乙炔火焰焊接)对于铝铜焊接来说,铝与铜熔合后,将生成铝与铜的合金,其中一类金属化合物,硬而脆,导电性能差,而且由于铝和铜的熔点不一致,所以焊接温度不能高于铝铜共晶温度(548℃),火焰温度很难控制,焊接质量很难保证,因此,采用熔焊法来焊接铝铜电源线是不合理的,需要探讨其它的方式。
铝铜连接的常用方法有以下几个:
(1)冷压焊
不加热,不用焊料,可以对接或搭接,接头强度不低于基本金属,工艺设备简单。对接Φ0.8 mm以上圆线及扁线,可做预制接头,也可搭焊电机、变压器引出线,适用于扁铝-铜线的焊接。
(2)摩擦焊
利用两个工件相对旋转运动,产生摩擦热。铝-铜采用低温摩擦,转速低,设备简单;铝-铜接头在共晶温度下焊成,无中间合金,不需其他填充金属。适用于铝-铜过渡接头的生产,适于中等截面积铝-铜焊接;预制过渡接头,大量用于中型以上电机、变压器及其他配电部门。
(3)闪光焊
焊接时熔接金属喷射,能对焊各种断面铝-铜接头,接头内中间合金厚度控制在0.01~0.02 mm以下,可以保证电气和力学性能。同样适用中等截面以上的铝-铜焊接。
(4)电容储能焊
可以减小设备容量,焊接速度块,接头质量好,可以对接铝-铜,对接时,低压储能操作较平稳,没有爆声。适用于Φ4 mm以下铝-铝、铝-铜导线焊接,预制小线径的铝-铜过渡接头或直接在绕组上焊接铜引出线。
根据电机电源线的特点,“冷压焊”是比较合适的铝铜联接方式,Tyco公司专门生产了可刺破漆包线皮膜的适用于铝线联接的端子。如图5所示。
图5 Tyco特殊端子
4 结 语
通过本文的设计分析可以看出,压缩机电机中采用铝线替代铜线在技术上是可行的,特别是副线圈采用铝线,通过增加电机铁心长度等手段对电机进行优化设计,可以在保持效率的情况下大幅降低成本。通过对电机的加工工艺进行针对性的完善,可以保证产品的质量。
[1] 忻雪青,李伟冬.铝线在集中式绕线电机中应用的可行性探讨[J].上海电气技术,2010,3(1):44 -48.
[2] 陈秋明.用铝线代替铜线设计小功率异步电动机[J].微特电机,2008(9):16-17.
[3] 周鹗,徐德凎,濮开贵.电机学[M].北京:水力电力出版社,1988:152-206.
[4] 陈世坤.电机设计[M].北京:机械工业出版社,1990:76-96.
[5] 黄哲理,赵志刚.单相电机铁心系列优化设计方法[J].中国电机工程学报,1995,15(2):124 -129.
[6] Han P W,Chun Y D,Choi J H,et al.The study to substitute aluminum for copper as a winding material in induction machine[C]//The 31st International Telecommunications Energy Conference.2009:1-3.