园林工具温升测试分析

2022-05-06黎远

科学与信息化 2022年8期

黎远

上海天祥质量技术服务有限公司徐汇分公司上海 201103

引言

随着人们生活水平的不断提高，家用园林工具开始进入普通家庭，电动园林工具以其轻便、操作简单优点深受人们的喜爱。我们在享受这类工具带来的便捷时，也更要考虑其潜在安全因素，在设计制造过程中尽量规避此类风险。电动园林工具通过控制电路和电机将交/直流电能转换成机械能驱动工作部件工作（如割草机刀片，打草机的打草头，链锯的链条等），在此转换过程中，势必不能100%进行能量转换，归其原因有：①电机绕组的铜损耗，即绕组产生的焦耳热。电机堵转时表现最为突出，能量将全部以铜损发热消耗掉。②铁芯的铁损包含磁滞损耗和涡流损耗，均以铁芯发热温度上升表现出来。当电机空转无负荷时，运行电流为最小值，转速最大，输入到电机的电能也为最小值。但电机输出的有效转矩为零，没有做功，但是消耗了维持其自身转动的能量，此空载过程中铁损耗能最大。③其他损耗，包括传动部件耦合摩擦，有刷电机碳刷与换向器间的摩擦，运动部件与空气阻力之间的摩擦，电路中电子元器件自身热损耗等。

以上各种方式产生的热量在工具长时间工作下会累加在电机和电子元器件上，并通过风道传导至整机外表面，此时产生的潜在风险有：①外壳温度过高会烫伤操作人员；②电机、元器件（内部导线，大功率MOS 管等）随着热量的累加，其温度的升高会降低绝缘材料性能，加速绝缘材料的老化，缩短线路寿命，引起漏电触电风险，和线路短路发生火灾的风险。因此实验室里的温升测试与评估显得尤为重要，为产品开发设计和改进提供依据。

1 温升指标要求

根据IEC 62841-1标准中发热章节，温升要求分为最高正常温升和最高外表面温升。结合电动园林工具实际测试项，完整温升门限参考IEC 62841-1中Table1和Table2。根据下面监控对象，可以看出温升的测试对象主要是：

最高正常温升：电机绕组（定子、转子），内部导线，电源线，开关，PCB等，防止触电或火灾风险。

最高外表面温升：外壳，长时间/短时间握持的手柄，按钮等，防止烫伤风险。

针对以上监控对象，温升测试方法有热电偶法、电阻法和红外热成像法，其中前两种应用更为广泛和准确，红外热成像存在一定的使用局限和精度的原因，可以用于辅助热电偶法进行选择性布点测试。

1.1 热电偶法

将热电偶粘贴在被测对象表面（定子、铁芯、内部导线、外壳等），将温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表转换成被测对象的表面温度显示/记录下来。该测量方法除了电机转子（类似连续运动部件）不可以测量外，其他部件均可测量。

1.2 电阻法

利用金属材料电阻值跟随温度发生变化，而且存在一定函数关系。电机转子由于连续运动特点，通过测量转子绕组的冷热态阻值，利用电阻法计算其整个绕组平均温升数据。

式中：

Δt－温升，单位为开尔文K；

R1－试验开始时绕组电阻值（冷态阻值），单位为欧姆Ω；

R2－试验结束时绕组电阻值（热态阻值），单位为欧姆Ω；

K－常量系数，铜绕组为234.5，铝绕组为225；

t1－实验开始时的环境温度，单位为摄氏度，℃；

t2－实验结束时的环境温度，单位为摄氏度，℃。

根据上面温升计算公式，影响温升Δt有冷态阻值、热态阻值和实验环境温度。分析各参数（R1，R2，t1，t2）的测量过程可以看出，排除人为因素，利用高精度电参数仪表（测量电阻）和温度检测仪表可以确保R1，t1，t2准确性。R2热态阻值是停机那一刻的绕线阻值，即零秒电阻，实际在操作过程中，我们是无法实现在断电的一瞬间测量其转子绕线阻值的，需要采取数学方法利用5s、10s、15s等时刻阻值回推零秒阻值。

2 测试过程

电动园林工具根据供电方式可以分为直流工具和交流工具。以下选取可拆卸锂电池供电割草机（以下简称直流割草机）和交流割草机作为测试对象，就温升测试过程进行项目分析说明。

2.1 直流工具温升测试

根据IEC 62841-1附录K12定义，电池式工具和电池包不应产生过高的温度，其测试过程为：工具基于一个（一套）满充电池包在空载下连续运行，直到电池包放电完成、工具不再工作为止。如工具有固有运行周期，测试则按操作周期连续运行直到电池包放电完、工具不再工作为止。在整个实验过程中，热断路器和过载保护不应动作。温升不应超过最高外表面温升（IEC 62841-1Table2）。由于该直流温升仅对工具表面和电池包做温升考核，所以我们可以选取热电偶法进行温升测试。

2.1.1 下面基于直流修枝剪进行温升测试实验[1]。①控制恒定环境温度20±5℃，尽可能控制环温保持在一个较小的波动范围（2K）。②布热电偶在修枝剪表面。布点选择前手柄，后手柄，扳机，齿轮箱外壳，电池包外壳。将热电偶一端通过胶水、催化剂快速粘贴上述选点，外加一路环温监控。③开启连有热电偶的数据采集仪（Agilent34970A），启动修枝剪，保持工具空载连续运行。④待电池包完全放电，修枝剪因电池包欠压停止运行，停止热电偶数据采集。⑤测试完成后，设备、工具还原，导出温度数据进行分析比较（见表1）。⑥比对温升数据门限，该直流修枝剪符合安规温升要求。

表1 直流修枝剪温升数据

2.2 交流工具温升测试

根据IEC 62841-1 第12章节（发热）定义，交流工具在额定电压的0.94倍和1.06倍情况下，测量的温升都不超过最高正常温升和最高外表面温升（IEC 62841-1 Table 1, Table2），其测试过程为：

无固有运行周期工具，运行在额定电压范围的下限，给电机施加扭矩，使工具达到额定输入功率或额定电流，直到电机达到热平衡，测得该状态下的扭矩T1。保持T1扭矩不变情况下，将输入电压降低到额定电压范围下限的0.94倍，连续运行至电机达到热平衡，根据热电偶法和电阻法获得0.94倍额定电压的下限温升数据[2]。重复以上步骤，测量额定电压范围上限的热平衡扭矩T2，保持扭矩T2不变，升高输入电压至额定电压范围上限的1.06倍，连续运行至电机达到热平衡后，获得1.06倍额定电压上限状态下的温升数据。

有固有运行周期工具与无固有运行周期工具测试相比，将连续运行至热平衡调整为工作周期性运行30min，其他步骤一致。

2.2.1 下面基于交流割草机进行温升测试实验。

2.2.1.1 控制恒定环境温度20±5℃，尽可能控制环温保持在一个较小的波动范围（2K）。

2.2.1.2 测量电机定子绕组和转子绕组阻值，利用电阻仪（HIOKI RM3545）通过四线法表笔连接方式（消除接触电阻和引线电阻）测量绕组阻值，即定子冷态电阻R定1（2.320Ω），转子冷态电阻R转1（2.268Ω），在转子换向片对角打点标记便于测量，如产品结构要求无法对角打点测量，可以减少间隔片数，另外电机定子绕组两端接出引线（注意该端子的绝缘保护，如可以引至空气开关里），便于后面测试热态电阻.根据温升测试测量要求，除转子外，将定子，铁芯，内导线，开关，接线端子，手柄，外壳等布上热电偶。在布线过程中，部分布点外壳需要开孔便于热电偶引线和电机转子、定子热态电阻测量，所以外壳上的开孔尽量下，而用于测量态电阻的开孔要便于停机时可以快速测量阻值，工具运行时，这些开口需要还原并用高温胶带密封好，以免影响温升精度。

2.2.1.3 将布有热电偶的割草机固定在测试台架上，将电机输出轴连同刀片一起通过工装连接至测功机，便于加载测试。

2.2.1.4 启动测功机和割草机，割草机以额定电压230V AC 50Hz启动，启动后，调节测功机扭矩给割草机加载，以0.05Nm步长缓慢加载至割草机的额定功率1200W，记录下该扭矩1.53Nm，保持该扭矩继续运行至电机热平衡，该状态可以通过定子、铁芯上的热电偶实时温度曲线来确定。通常15分钟至20分钟可以达到热平衡。

2.2.1.5 保持测功机的加载不变1.53Nm，调节割草机输入电压至0.94 倍额定电压（230Vx0.94=216.2V），继续测试，观察定子，铁芯上热电偶的温度曲线，待曲线平稳后5分钟则可判定0.94倍额定电压下割草机达到热平衡状态，记录保存热电偶的测试数据，准备测量绕组热态电阻[3]。两人配合测试，一人断电、计时，一人量测转子绕阻阻值，记录断电后5s、10s、15s……每隔5s测量一组阻值至50s，重复0.94倍额定电压和1.53Nm扭矩连续运行测试，再次电机达到热平衡后断电测量定子的5s至60s绕组热态电阻，利用excel曲线拟合（建议选择一元三次非线性回归）回推0s热态阻值（见表2）。

表2 0.94Urating 绕组零秒电阻

2.2.1.6 重新启动测功机和割草机，割草机以额定电压230V AC 50Hz启动，调节测功机扭矩给割草机加载，以0.05Nm步长缓慢加载至1.53Nm，调节割草机输入电压至1.06倍额定电压（230Vx1.06=243.8V），继续测试，观察定子，铁芯上热电偶的温度曲线，待曲线平稳后5分钟则可判定1.06倍额定电压下割草机达到热平衡状态，按上一步骤操作记录保存热电偶数据，断电记录5s至50s 的绕组热态电阻，回推0s热态阻值（见表3）。

2.2.1.7 测试完成后，设备、工具还原，导出温度数据进行分析比较（见表4），比对标准温升门限值，根据下面温升数据（见表5），该割草机符合安规标准温升要求。