电子膨胀阀线圈失效研究
2020-08-05胡煜刚胡盛文韦贝贝于磊
胡煜刚 胡盛文 韦贝贝 于磊
广东美的制冷设备有限公司 广东顺德 528311
1 引言
随着人们对能效的标准越来越重视，以及压缩机等变频技术的日益成熟，变频制冷空调愈发受到消费者喜爱，越来越多的厂家开始生产变频制冷产品。空调整机厂在以变频压缩机代替定速压缩机的基础上，引入了双变频系统，即同时使用变频压缩机和电子膨胀阀，可更加精确控制系统蒸发温度和蒸发器出口过热度[1]，从而提升空调的能效。
现阶段国内家用空调市场所使用的电子膨胀阀由阀体、线圈两个分体部件组成[2]，从外形区分主要有两种结构，如图1、图2所示。
电子膨胀阀线圈根据注塑方式分为内塑封线圈和外塑封线圈两种形式，内塑封线圈的极爪壳将塑封层包裹；外塑封线圈的塑封层将极爪壳包裹，其极爪镶嵌注塑在绝缘层内，外塑封线圈局部结构如图3所示。
2 电子膨胀阀线圈低温工况下的失效现象及原因分析
近年来，电子膨胀阀随着变频空调在全球范围内应用，尤其是在北方低温极端工况下（-30℃）[3]，出现了不少电子膨胀阀线圈绝缘失效导致空调不能正常使用的案例，主要表现在线圈绝缘层开裂，线圈匝间短路、击穿等现象。
2.1 线圈绕线变形失效
通过对失效线圈进行CT扫描发现，部分失效线圈与其绕线层变形有强相关，如图4所示，线圈绕线变形，绕线到极爪壳的绝缘层厚度降低，使线圈在极端工况下的老化寿命降低，最终导致短路击穿，烧毁空调电控板。
外塑封线圈的极爪壳被夹在塑封层中间，在注塑时，高温高压的液态注塑料通过极爪壳表面的进料孔进入极爪壳与绕线之间的夹缝中，直至填满。为提升塑效率，增加注塑料的流动性，减少注塑时产生的气孔，线圈生产厂家会在极爪壳设置多个进料孔，如图5所示。
图1内塑封线圈电子膨胀阀
图2 外塑封线圈电子膨胀阀
图3 外塑封线圈局部结构
图4 时效线圈CT扫描
图5极爪壳及其进料孔结构
图6 绕线外层增加保护层
线圈注塑过程中，因存在多处进料孔，液态注塑料在极爪壳与绕线之间的夹缝中填充时，会形成交汇相熔，若不同进料口进入的两股液态注塑料的温度、压力存在差异，就会导致作用在绕线表面的流体压力不均匀，若冲击压力超过绕线涨紧包裹力，就会使绕线受挤压冲击变形，形成凸起，即绕线与极爪壳之间的绝缘层壁厚降低。
2.2 线圈绝缘层开裂失效
由于空调在运行过程中，各管路、阀体表面或多或少存在冷凝水，当线圈在低温工况下（-30℃）工作后，停留在线圈表面的冷凝水会快速结冰[4]，再次开机时线圈温升将冰融化，如此往复，相当于线圈在水中进行高低温循环，加速线圈绝缘层老化而开裂，冷凝水通过裂缝进入线圈绝缘层，最终导致绝缘失效[5]。
3 电子膨胀阀线圈低温失效解决对策
为解决上述两大难题，大部分电子膨胀阀厂家所采用的方法主要有以下几种：
（1）水是线圈击穿和绝缘不良的载体，使线圈处于无水环境或者使冷凝水快速排光，即通过在线圈上设置防水和排水结构来降低绝缘失效风险，如增加线圈内壁排水槽，线圈顶部增加防水帽等。
（2）绕线变形是线圈注塑进料异常导致，所以通过调整进料口位置、注塑压力、注塑温度等工艺参数，以及对异常停机的管控等方式来降低绕线变形失效风险。
（3）替换绝缘材料，提升绝缘材质的耐候性能和耐低温性能，也可以有效降低线圈开裂风险，如采用PPS注塑或柔性橡胶材质等。
（4）绕线外层增加保护层，如图6所示，使其在注塑过程中将注塑料与绕线隔开，保护绕线不产生变形，由单层绝缘变更为双层绝缘，改善并提升绝缘性能。
4 线圈绕线变形失效测试方法
作为主机厂，即电子膨胀阀客户，对线圈做好有效的质量把关才能为广大空调消费者提供最有利的体验保证。尤其对于不可见的线圈绕线变形异常，在规定了量化要求（1 mm最小绝缘壁厚的要求）的同时，也制定了绝缘壁厚的测试方法，主要有以下两种：
（1）轴向或径向解剖线圈，取出绕线，测量最小绝缘层壁厚。
此方法也是电子膨胀阀厂家所采用的常规测试法，主要用于首检和巡检。该方法可以有效测量线圈绝缘层壁厚，效率较高，但需要破坏线圈本体，仅可做型式试验监控手段，如图7所示。
（2）采用X光透视，扫描量化测量绝缘层壁厚，如图8所示。
此方法可以不用解剖线圈本体，采用160 kV以上的X光透视检测方法，可以相对清晰地识别绕线变形部位，同时也可以量化最小绝缘层壁厚，可应用于批量检测监控。
5 结论
通过失效电子膨胀阀线圈剖析，基本确定低温失效原因：线圈绝缘层热胀冷缩引起绝缘层开裂，冷凝水进入线圈细微的裂缝，使线圈的绝缘性能降低，导致线圈失效；线圈绕线异常凸起减薄了绝缘层厚度，也加速了线圈失效。
为解决此类失效问题，通常采用的对策有：增加防水帽结构、增加双层绝缘结构、优化绝缘材质、优化线圈注塑工艺等。
为快速、有效、无损地检测出线圈绕线变形状态，可以采用160 kV以上的X光透视检测方法。
图7 解剖法测量壁厚
图8 线圈X光透视扫描
