風(fēng)扇異步電機(jī)熔斷體熔斷保護(hù)現(xiàn)象研究分析

焦 鵬 賀 雷 李明亮 施清清

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519000）

引言

熔斷體也叫溫度保險絲，常作為電源通路使用，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、能耗低、性能穩(wěn)、價格低等特點；因此電機(jī)大多都采用熔斷體作為保護(hù)器；此次研究的某款風(fēng)扇電機(jī)使用某品牌K6不可復(fù)位的低熔點合金型熔斷體，其由合金絲、引線、助熔劑、環(huán)氧封膠、陶瓷外殼組成，見圖1；當(dāng)環(huán)境溫度+自身溫度超過其設(shè)計溫度且達(dá)到一定時間時，合金絲便會熔斷切斷電路，實現(xiàn)對系統(tǒng)電路的保護(hù)[1]。本文結(jié)合熔斷體熔斷模式對售后故障電機(jī)熔斷狀態(tài)進(jìn)行分析，研究熔斷保護(hù)的失效原因，并針對失效點制定優(yōu)化措施。

圖1 熔斷體的組成結(jié)構(gòu)圖

1 熔斷體熔斷保護(hù)現(xiàn)象研究分析

1.1 正常熔斷體參數(shù)及狀態(tài)

K6熔斷體額定動作溫度145 ℃、實測動作溫度140±2 ℃、保持溫度121 ℃、額定電流/電壓AC 2 A/250 V，圖2左圖為正常熔斷體的解剖圖。

圖2 熔斷體正常狀態(tài)及熔斷狀態(tài)解剖圖

1.2 熔斷保護(hù)分析

觀察售后故障電機(jī)熔斷體，其外觀本體完整、封口狀態(tài)良好，透過外殼發(fā)現(xiàn)內(nèi)部溫度保險絲已熔斷；解剖并去除助熔劑后，觀察熔斷體熔斷狀態(tài)為兩種狀態(tài)，一種為蘑菇頭狀（見圖2中），合金單側(cè)縮成紡錘狀依附在引腳上，斷面圓潤，符合過熱熔斷的特征；一種為紡錘體狀（見圖2右），合金收縮成紡錘依附在兩側(cè)引腳上，合金球完全浸潤包裹引腳形成紡錘狀。

為確認(rèn)合金絲材料差異可能導(dǎo)致的異常熔斷，對故障品的合金絲進(jìn)行DSC熔點測試，圖3熔點曲線表明樣品合金熔點為140.3 ℃，符合K6熔斷體的動作溫度范圍：140±2 ℃。排除材料差異導(dǎo)致異常保護(hù)的可能。

圖3 故障電機(jī)熔斷體樣品測試的DSC熔點曲線

進(jìn)一步分析熔斷形貌，蘑菇頭狀熔斷合金絲為單邊熔斷狀態(tài)，表明熔斷體兩側(cè)引腳受熱不均勻，單邊引腳傳熱先達(dá)到合金熔點后迅速斷開，另一側(cè)溫度未達(dá)到熔點合金無收縮跡象。左側(cè)引腳上易熔合金已經(jīng)收縮成球狀，右側(cè)引腳根部合金無熔化痕跡而斷開截面有合金熔化收縮痕跡呈蘑菇狀，外形圓潤，表面有粗糙顆粒質(zhì)感，是合金熔化收縮后再冷卻的特征，表明斷開時右側(cè)引腳的溫度低于合金熔點。從合金的熔斷狀態(tài)可以推斷合金絲開路時環(huán)境溫度還未達(dá)到其合金熔點，此時引腳根部的合金無熔化痕跡，且未形成浸潤引腳的紡錘狀合金球，但是出現(xiàn)短時大電流過載，合金絲自身發(fā)熱增大，過載時合金絲局部發(fā)熱+外部環(huán)境溫升超過合金熔點，導(dǎo)致合金絲出現(xiàn)熔斷[2]，熔斷后合金收縮向兩側(cè)引腳并迅速降溫，由于環(huán)境溫度未超過合金熔點，因此收縮的合金并未與引腳焊接點根部的合金完全熔合，形成這種蘑菇狀。

紡錘體狀熔斷合金絲雙側(cè)完全熔斷、合金球完全浸潤包裹引腳，表明熔斷體兩側(cè)引腳受熱均勻，已超過合金熔點；兩側(cè)引腳根部合金完全熔化，外形圓潤光滑，是合金絲均勻受熱收縮冷卻的特征。因此從合金的熔斷狀態(tài)可以推測出合金絲開路時合金絲環(huán)境溫度已達(dá)到合金熔點，合金絲自身發(fā)熱+環(huán)境溫度導(dǎo)致合金熔斷；由于環(huán)境溫度已達(dá)到合金熔點，合金完全熔化收縮至引腳根部焊接點，隨著環(huán)境溫度降低合金逐漸冷卻，形成這種紡錘狀。

不同的熔斷因素導(dǎo)致合金絲熔斷形成兩種典型形貌特征。

1.3 熔斷體實驗驗證

1.3.1 溫升測試驗證

根據(jù)GB 9816.1-2013《熱熔斷體要求和應(yīng)用導(dǎo)則》[3]中熔斷體額定動作溫度的測試條件，及圖4所示的熔斷體額定動作溫度測試原理[4]進(jìn)行溫升測試驗證，電壓調(diào)節(jié)電路用來調(diào)節(jié)電熱器加熱上升速度，熔斷報警顯示電路用來記錄被測樣品熔斷時的測試溫度數(shù)據(jù)，A為被測樣品，B為熱電偶，油池試驗媒介采用甘油。

圖4 額定動作溫度測試原理

實驗1：熔斷體接入熔斷電路，并浸沒油池中使熔斷體均勻受熱；設(shè)置測試溫度為145 ℃，待熔斷體熔斷后切斷電源，待甘油逐漸冷卻后，取出熔斷體進(jìn)行解剖觀察；熔斷體熔斷狀態(tài)與圖2右圖一致，合金完全浸潤報過引腳收縮成紡錘依，附在兩側(cè)引腳上。

實驗2：熔斷體接入熔斷電路，一側(cè)引腳浸沒油池中受熱，另一側(cè)未浸沒油池中；設(shè)置測試溫度為145 ℃，待熔斷體熔斷后切斷電源，待甘油逐漸冷卻后，取出熔斷體進(jìn)行解剖觀察；熔斷體熔斷狀態(tài)如圖5所示，合金左側(cè)受熱熔斷，合金收縮成紡錘狀依附在引腳上，另一側(cè)因溫度未達(dá)到熔點，未能收縮依附在引腳上。

圖5 熔斷體引腳單側(cè)受熱熔斷狀態(tài)

1.3.2 過載測試驗證

常溫條件下，將K6溫度保險絲接入熔斷與壓降測試儀，分別調(diào)整輸入電流10 A、15 A、20 A、25 A、30 A、35 A、40 A測試過載條件下熔斷的時間，測試電壓6 V，每組3個樣品。

圖6為熔斷體過載熔斷電流-時間測試結(jié)果，熔斷體在過載情況下，電流越大其熔斷時間越短，熔斷點之間有電弧燒焦助熔斷劑發(fā)黑痕跡，合金熔斷狀態(tài)呈現(xiàn)蘑菇狀，與圖2中圖一致。

圖6 K6熔斷體過載熔斷電流-時間圖

2 電機(jī)故障模式分析

2.1 紡錘體狀-電機(jī)故障分析

檢測熔斷體熔斷狀態(tài)為紡錘體狀故障電機(jī)，其電機(jī)轉(zhuǎn)軸順暢、匝間耐壓測試合格、繞組無短路、短路情況，電機(jī)無其他故障點；進(jìn)一步核實售后信息發(fā)現(xiàn)故障風(fēng)扇在發(fā)生故障時整機(jī)出現(xiàn)傾倒風(fēng)葉與網(wǎng)罩干涉卡死，電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)；圖7為整機(jī)堵轉(zhuǎn)驗證情況，整機(jī)堵轉(zhuǎn)第15 min熔斷體熔斷，溫升達(dá)到151 K，電流變化不大；堵轉(zhuǎn)熔斷狀態(tài)為紡錘體狀。

圖7 整機(jī)堵轉(zhuǎn)電流、溫升變化情況

3.2 蘑菇頭狀-電機(jī)故障分析

檢測熔斷體熔斷狀態(tài)為蘑菇頭狀故障電機(jī)，發(fā)現(xiàn)此類電機(jī)存在匝間耐壓不合格和繞組表面漆包線燒黑短路現(xiàn)象。分析為電機(jī)生產(chǎn)過程對漆包線和定子防護(hù)不當(dāng)使刮傷碰傷漆包線，漆包線長期運行后受熱加速損傷出現(xiàn)短路現(xiàn)象，此時產(chǎn)生短時過載大電流，導(dǎo)致熔斷體合金迅速熔斷冷卻，合金呈現(xiàn)蘑菇狀。圖8左圖為漆包線受損運行發(fā)生短路的電機(jī)繞組，標(biāo)記位置有明顯短路打火痕跡，圖8右圖為采用脈沖波形原理[5]測試電機(jī)匝間耐壓的波形，實測紅色波形與白色波形未重合且偏差較大，耐壓不合格；以上兩種情況熔斷體熔斷狀態(tài)為蘑菇頭狀。

圖8 漆包線受損發(fā)生短路的電機(jī)繞組及匝間耐壓的測試波形

3 結(jié)論

通過對售后風(fēng)扇電機(jī)熔斷體熔斷的故障現(xiàn)象及失效機(jī)理分析，確認(rèn)合金絲蘑菇頭狀熔斷主要原因為電路電流過載，合金絲紡錘體狀熔斷主要為電機(jī)負(fù)載過載。針對電流過載，電機(jī)生產(chǎn)過程應(yīng)當(dāng)保證電機(jī)生產(chǎn)過程裝配、擺放、運輸中漆包線防護(hù)有效，防止漆包線損傷；針對電機(jī)負(fù)載過載，產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)保證電機(jī)負(fù)載合理，同時考慮選用可復(fù)位限溫器，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計上避免產(chǎn)品出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)等電機(jī)負(fù)載過載情況；通過以上兩方面整改優(yōu)化可有效降低電機(jī)熔斷體熔斷保護(hù)故障率，提高產(chǎn)品整體質(zhì)量及可靠性，降低售后維修和服務(wù)費用。