超低温条件下直流电机启动性能的研究与分析

姚新祥 熊硕 杨伟奇

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070

1 引言

随着全球环境保护要求的提高，在极寒地区使用空调来代替煤、木材等取暖方式的需求越来越迫切。目前北美北部、北欧等寒冷地区室外气温最低达到-40℃，而传统空调使用的元器件最低只能在-30℃条件下使用，且行业内空调器宣传的最低使用温度只到-30℃。所以元器件的低温性能制约了空气源热泵在寒冷地区的应用，特别是室外机使用的电机。在空调结构的限制条件下，电机外部无法额外增加加热装置。所以在低温条件下容易出现启动不成功的情况[1]，最终导致制热量不足、外机易结霜等问题。故有必要对极寒气候条件下电机的启动性能进行研究和分析，以提高空调器的舒适性和可靠性。本文以直流风机为例，通过对风机启动时轴系的受力情况及影响启动力矩的因素进行分析，相应地提出了切实可行的解决方案，对今后快速解决空调器的电机启动问题具有一定的指导作用。

2 电机启动时轴系的受力情况分析及提高启动性能的方案

2.1 电机启动时轴系的受力情况分析

电机启动时，转子受磁场力作用，产生的磁场力矩即为启动力矩Tst[2]，力矩方向同转子的转向一致。但是转子同时受到风机负载及电机内部润滑油等的阻力矩T，力矩方向同转子的转向相反。如图1所示，如果启动力矩大于阻力矩，直流电机转子的转速由零逐步增加，最终达到预定转速，此时电机可以正常启动。与此同时在转子加速过程中，产生的磁场力矩逐渐减小直到与阻力矩相等。但是如果电机的启动力矩克服不了阻力矩，就会导致启动失败，造成电机堵转，甚至烧毁电机。

图1 电机启动时轴系的受力示意图

根据以上电机启动时的受力分析，可以从加大启动力矩和减小阻力矩两个方面来提高电机的启动性能。

2.2 加大电机启动力矩提高启动性能

一般直流电机的启动转矩如计算公式[3]（1）：

其中：Tst为启动转矩，单位为：Nm；p为电机极对数；N为电机总导体数；a为电机支路对数；为启动时每极下的磁通，单位为：Wb；Ist为启动电流，单位为：A。

对于成熟电机，电机的p、N、a值已经确定，所以公式（1）可以变换成公式（2）：

其中：CT为转矩常数。由公式（2）可以得出：对于成熟电机，启动力矩与启动时每极下的磁通和启动电流呈正相关。而磁通量 又由公式（3）计算得出：

其中：B为磁场强度，单位为：T；S为截面积，单位为：m2。由此可得出：当截面积不变的时候，电流越大，磁场强度就越大，磁通量也就越大。

综上，结合公式（2）和（3）可知：调整直流电机的启动电流可以有效增大启动力矩。

2.3 减小阻力矩提高启动性能

风机启动时受到的阻力矩包括风机负载以及电机内部的润滑油等产生的阻力矩。其中风机负载的变更将导致整机性能、可靠性的变化，所以不能作为减小阻力矩的有效手段。本文主要以减小电机内部的阻力为研究重点。根据粘滞阻力公式[4]（4）可知：

其中：F为粘滞阻力，单位为：N；µ为流体动力粘度，单位为：Pa•s；v为运动速度：单位为：m2/s；A为接触面积，单位为：m2；h为相对运行的两个物体之间的距离，单位为：m。对于结构相同的直流电机，启动转速都是由零逐步增加的，所以v、A、h的值都是相同的，粘滞阻力只与流体动力粘度有关。根据图2润滑油在不同温度下的动力粘度特性，即温度越低，粘度系数越高。所以电机在-40℃条件下长期放置后，重新启动时将会受到润滑油粘度的影响导致启动瞬间的阻力矩较大，易发生启动不良的问题。但是如果降低润滑油脂的粘度系数，同时减小电机轴承在低温下的形变，避免内外钢圈因为收缩导致的摩擦力[5]，就可以有效降低低温启动时的阻力矩，从而提高电机的启动性能。

图2 电机内部润滑油在不同温度下的动力粘度

3 低温条件下电机启动试验及测试结果

为了对上述理论分析进行验证，制作样机进行测试，试验分别为：低温长期放置、低温逆风启动、低温堵两器启动、低温带载启动。

3.1 低温长期放置启动性能对比

试验工况为：（室内5℃/0℃；室外：-40℃/-）；试验方法为：在工况稳定后，整机不开机静置8小时，然后开机。对同一设计方案的电机分别采用普通润滑油L605和抗低温润滑油5K进行对比实验，两种牌号的润滑油随温度变化的动力粘度特性如图3所示。

从图3普通牌号L605润滑油与抗低温润滑油5K在不同温度条件下的动力粘度进行对比的结果来看：抗低温润滑油5K动力粘度在各温度条件下均大幅下降，润滑效果更好，对电机轴承的阻力更小。故采用新型耐低温的润滑油可以降低油脂粘度系数，同时也能有效避免电机轴承内外钢圈因为收缩导致的摩擦力[5]，从而有效降低低温启动时的阻力矩。

图3 电机不同牌号润滑油在不同温度下的动力粘度

根据如表1所示低温长期放置启动性能对比实验结果可以发现：电机润滑油由普通牌号L605更改为抗低温润滑油牌号5K后，-40℃条件下粘度系数降低为原来的10%，显著改善了电机的启动性能。从图4电机启动波形图（紫色波形）也可以看出，电机启动波形正常。

表1 采用不同润滑油的电机启动性能对比

图4 电机启动成功波形图

3.2 低温环境下极端恶劣条件时的启动性能验证

在空调实际使用的过程中，除了上述低温放置后再启动的情况，还会遇到飓风天气，以及外机进风口被阻塞和雨雪堆积的情况。分别模拟此种恶劣条件，然后进行启动实验，验证方案和测试结果如下。

（1）低温逆风启动：使用额外的大风量风机按照图5所示，对准风叶吹风，模拟开机前飓风迫使风机反转，加大风机负载，提高风机启动难度。然后分别对电机加载不同的启动电流，进行启动性能的对比实验，实验结果如表2所示。

图5 逆风启动实验示意图

表2 相同电机在不同启动电流条件下启动性能对比

（2）低温堵两器启动：用不透风薄膜（绿色部分）按照图6所示把冷凝器进风口堵一半，模拟两器脏堵。减少进风风口面积，增大风场中的流动阻力，进而加大风机负载。在电机启动电流增大到1.5 A时，启动试验合格。

图6 堵两器启动实验示意图

（3）风叶带载1.5倍启动：在风叶的每片叶片上按照图7所示粘贴等质量胶泥，胶泥总重量为风叶重量的0.5倍，模拟积雪堆积在风叶上增加风叶重量以加大风机负载。实验样机在-40℃静置24小时后开机，采用启动电流为1.5 A的样机依然可以正常启动。

从上面的实验结果来看，在风机阻力矩大的情况下，提高电机的启动电流，可以有效提高电机的启动力矩，从而克服阻力矩，达到成功启动的目的。