鋁漆包線電機在冰箱壓縮機上應用的關鍵技術

張宣樅 李建周 李弢

（1、中國質量認證中心上海分中心 上海 200135；2、合肥美菱股份有限公司 安徽合肥 230601）

1 引言

自從2003年以來，國際銅價一直呈快速上漲趨勢，從2003年每噸不到20 000元，到2011年每噸超過72000元。特別是在2006年上半年，銅價上漲了近一倍。之后的幾年銅價均維持在高位的水平，僅在2008年底的國際金融危機過程中出現過大幅下跌，但隨著經濟的復蘇，銅價很快回到高位水平，尤其是伴隨著銅作為戰略儲備物資受到國際經濟、政治、軍事的影響日益明顯，未來銅價上漲的預期氣氛日益濃厚。

冰箱（柜）采用的銅漆包線電機的壓縮機使用廣泛，其中銅漆包線的成本在電機的材料成本中占有約50%以上比例，其中銅材價格上漲趨勢明顯，壓縮機制造商和主機廠如何應對銅價的上漲成為一個嚴峻的課題。鋁漆包線作為銅線的替代品可以顯著地降低電機成本，但鋁漆包線電機效率顯著下降，且鋁線機械性能差、熔點低，沒有在壓縮機中大規模使用的經驗，其可靠性及相關制造工藝都是值得我們研究的問題。

2 鋁漆包線替代銅漆包線的方向

銅和鋁都具有良好的導電性、導熱性和耐腐蝕性，因此常被用于制作各種電線、電纜和載流零件等，鋁的密度是2.7克/立方厘米，而銅的密度是8.9克/立方厘米；鋁導體的柔軟性比銅導體好，相比之下它更容易做成線圈。但兩者在物理性能上有很大的差異，如表1所示，這些物理性能的差異對鋁漆包線的應用產生了很大的影響。

鋁導線的電阻率是銅導線的1.582倍。根據歐姆定律R=ρL/S和電機繞組溫升公式：

式中： △t—繞組溫升；R —實驗開始的電阻（冷態電阻）；R —實驗結束時的電阻（熱態電阻）；k—銅繞組等于234.5，鋁繞組等于225；t—實驗開始時的室溫；t —實驗結束時的室溫。

壓縮機的電機在同等溫度下，若想使鋁線繞組電阻接近銅線電阻的話，鋁線導線截面積需為銅線導線的1.58倍，即實際鋁線線徑D＝D×1.28。需要重新設計電機沖片，加大槽型，但直接加大槽型會導致鐵心主磁通面積減小，齒、軛部磁通密度增大。鋁線電機要達到銅線電機同樣性能，一般采用增加鐵心疊高或加大整個鐵心面積或采用低鐵損、高磁感應的高牌號硅鋼片的辦法來解決。因此，鋁線代替銅線的前提是增加鐵的用量。

表1 銅和鋁的電阻率比較

3 鋁漆包線替代銅漆包線設計電機的優化途徑

由于鋁線的電阻率比銅高1. 6倍，直接用相同線徑的鋁線替換銅線將導致電機繞組的電阻增大。電機的銅損W = IR，在輸出功率P相同的情況下，電流I變化不大，電阻R 增加將會使銅損接近正比例增大。在電機槽形、鐵心長度不變的情況下，直接把銅線換成相同線徑的鋁線，電機效率下降明顯。在鋁線電機的開發生產過程中，必須通過相關設計變更來彌補電機效率下降的比例。

3.1 鋁漆包線規格

甴上述分析可知，鋁線繞組電阻必須接近或者達到銅線電阻，鋁線導線截面積須要設計為銅線導線截面積的1.58倍，即實際鋁線線徑D＝D ×1.28。

3.2 改進槽形設計

鋁漆包線電機的的繞組根據上述分析需要被加大，以便使得鋁線繞組電阻接近或者達到原銅線繞組的電阻，這就需要改進槽型，改進的方向主要是增大槽口寬度，目的便于嵌線；

3.3 適當降低繞線速度、嵌線速度,防止鋁線變形增大及線傷而影響電機性能

如將繞線速度從最高1800RPM降到1000RPM來嚴格控制繞線速度、嵌線速度。從電機生產工藝角度，由于鋁線比銅線的韌性要差、比較軟，容易斷線，要求電機生產線上的各種工藝，如速度、應力以及模具壓力等都要改進調試。

為降低繞線張力，減小鋁線延伸變形率，機器下線時繞組繞制速度下調。鋁線圈繞組成型的繞線速度應被控制在銅線繞線速度的70～75%；

為減小繞組拉入定子、擴張過程中受力部位鋁線的變形，推桿、推頭、導條的工藝圓角要比銅線工藝要大，同時對線模尺寸根據槽形變化進行調整。

鋁線回彈率遠低于銅線，定子線包絡粗、精整形工裝設計時要減小回彈系數。

3.4 鋁漆包線的連接

鋁漆包線連接具體分為兩個過程：一是脫漆，二是焊接。

A）脫漆 目前主要壓縮機電機廠家普遍采用脫漆機脫漆。如用銅線工藝由于鋁線與滾輪高速摩擦，溫度很高，所以脫漆后的鋁線一方面線徑損傷變細，另一方面鋁線表面變黑，氧化嚴重，極難上錫或鉚接，為此脫漆機滾輪應改用鋁線專用滾輪，輪間適當放大間隙，同時降低滾輪轉速。

B）連接方式壓縮機電機廠家有的采用端子鉚接，有的采用助焊劑加無鉛焊料焊接，兩種方式各有優缺點。采用端子鉚接工藝因鋁線線徑不同須頻繁地調整鉚接刀口凸凹模尺寸，務必使鋁線、線束引線與卡子之間接合處于充分接觸導通狀態，否則會因接觸不良產生不啟動的現象。如采用焊接工藝，則因鋁線焊接非常困難，采用原有的銅線焊接工藝及材料，上錫根本不可能，繞組與線束引線連接必須針對鋁漆包線采用專用助焊劑加無鉛焊料焊接。

3.5 過程增加線徑的檢測,繞線、嵌線整形的外觀檢測控制

鋁線抗拉強度差，繞線時使用張力輪的話，鋁線易斷易損易拉細，影響溫升和壽命。目前推薦使用靠繞線機旋轉臂的甩力自然張緊的處理方案。

3.6 全檢電機電阻、匝間耐壓、對地耐壓、轉向等

3.7 全檢電機繞組高度、安全尺寸

相對于銅，鋁非常容易氧化，焊接非常困難，采用原有的銅線焊接工藝及材料，上錫根本不可能，所以鋁線電機如用焊接工藝，必須采用鋁漆包線專用焊錫材料及工藝。

圖1 漆包線甴鋁代銅前后的槽型變化

4 可靠性驗證

4.1 鋁漆包線的主要可靠性試驗

①軟化擊穿試驗：鋁漆包線按GB/T4074.6方法試驗，鋁漆包線在不低于120℃的溫度下，通220V電壓，持續2分鐘，漆膜應不被擊穿。

②耐溶劑性試驗：漆包線按GB/T4074.4方法試驗，漆包線在經耐溶劑試驗后，其漆膜的硬度應不小于鉛筆硬度”H”。

4.2 壓縮機的可靠性

500小時壽命試驗、2000小時高溫試驗、50萬次啟動耐久性試驗、堵轉試驗、連續過載與最終跳閘試驗等,7000次冰箱模擬循環試驗.冰箱長期運行試驗。

4.3 鋁線電機的電氣安全控制

銅線壓縮機電機成本結構中，銅線成本占大頭，達到電機成本50%以上，甚至更高。鋁線電機則不同，硅鋼的成本變成主要考慮因素，在滿足性能的前提下要使電機有較高的性價比，縮短鐵芯疊厚，提高定子下線槽滿率是不二之選。目前市場上有競爭力的機型其配套電機的槽滿率均在82%以上，同時為提高電機的效率，行業內鋁線電機普遍采用了大槽形、小槽口設計，再加上鋁線線徑較粗，三者疊加即“高槽滿率+粗線徑+小槽口”使鋁線機器下線難度相比銅線明顯增加，特別是鋁線質地較軟，拉入、擴張過程中承壓部位變形難以回復產生壓印，其中隱存的質量風險也成倍增加。為提高對鋁線電機的電氣安全檢測力度，可采取下述措施:首件要進行針孔試驗，檢驗生產線完好狀態；其次提高電機電氣安全項出廠標準，即提高電氣強度檢測電壓，增加電弧偵測手段。

5 鋁漆包線電機壓縮機運用狀況

首次使用HYE81MHU機型匹配210L臥式冷藏/冷凍轉換冷柜產品上，并同步優化了該產品的制冷系統，完成性能匹配及可靠性測試，達到降低冰柜成本以及滿足可靠性與性能等質量與批生產的目標。

表2 210L臥式冷藏/冷凍轉換冷柜產品的能耗測試表

如表2所示，該機型同時滿足500h高溫壽命測試的技術要求，各項指標均為合格。副線圈采用鋁線的電機在優化中增加了鐵心的長度，電工鋼的用量有所增加，但是采用鋁線后，漆包線的成本大幅度降低，電機成本顯著下降。按照目前的銅價，直接材料成本可降低15-20元。

6 結論

通過本文的分析可以看出，壓縮機電機中采用鋁線替代銅線在技術上是可行的，特別是副線圈采用鋁線，通過增加電機鐵心長度等手段對電機進行優化設計，可以在保持效率的情況下大幅降低成本，綜合而言，采用副繞組為鋁漆包線電機的壓縮機單臺成本能下降15-20元。通過對電機的加工工藝進行針對性的完善，采用鋁漆包線電機壓縮機可以實現COP≤1.75的批量生產和使用。

［1］ 忻雪青，李偉冬. 鋁線在集中式繞線電機中應用的可行性探討［J］.上海電氣技術，2010，3( 1) : 44 － 48.

［2］ 陳秋明. 用鋁線代替銅線設計小功率異步電動機［J］.微特電機，2008( 9) : 16 － 17.

［3］ 周鶚，徐德凎，濮開貴. 電機學［M］. 北京: 水力電力出版社，1988: 152 － 206.

［4］ 陳世坤. 電機設計［M］. 北京: 機械工業出版社，1990: 76 － 96.

［5］ 張興志，顧添其，張秉. 鋁漆包線在電機中的應用研究［J］.微特電機，2011，12: 71 － 73.