園林工具溫升測試分析

黎遠

上海天祥質量技術服務有限公司徐匯分公司 上海 201103

引言

隨著人們生活水平的不斷提高，家用園林工具開始進入普通家庭，電動園林工具以其輕便、操作簡單優點深受人們的喜愛。我們在享受這類工具帶來的便捷時，也更要考慮其潛在安全因素，在設計制造過程中盡量規避此類風險。電動園林工具通過控制電路和電機將交/直流電能轉換成機械能驅動工作部件工作（如割草機刀片，打草機的打草頭，鏈鋸的鏈條等），在此轉換過程中，勢必不能100%進行能量轉換，歸其原因有：①電機繞組的銅損耗，即繞組產生的焦耳熱。電機堵轉時表現最為突出，能量將全部以銅損發熱消耗掉。②鐵芯的鐵損包含磁滯損耗和渦流損耗，均以鐵芯發熱溫度上升表現出來。當電機空轉無負荷時，運行電流為最小值，轉速最大，輸入到電機的電能也為最小值。但電機輸出的有效轉矩為零，沒有做功，但是消耗了維持其自身轉動的能量，此空載過程中鐵損耗能最大。③其他損耗，包括傳動部件耦合摩擦，有刷電機碳刷與換向器間的摩擦，運動部件與空氣阻力之間的摩擦，電路中電子元器件自身熱損耗等。

以上各種方式產生的熱量在工具長時間工作下會累加在電機和電子元器件上，并通過風道傳導至整機外表面，此時產生的潛在風險有：①外殼溫度過高會燙傷操作人員；②電機、元器件（內部導線，大功率MOS 管等）隨著熱量的累加，其溫度的升高會降低絕緣材料性能，加速絕緣材料的老化，縮短線路壽命，引起漏電觸電風險，和線路短路發生火災的風險。因此實驗室里的溫升測試與評估顯得尤為重要，為產品開發設計和改進提供依據。

1 溫升指標要求

根據IEC 62841-1標準中發熱章節，溫升要求分為最高正常溫升和最高外表面溫升。結合電動園林工具實際測試項，完整溫升門限參考IEC 62841-1中Table1和Table2。根據下面監控對象，可以看出溫升的測試對象主要是：

最高正常溫升：電機繞組（定子、轉子），內部導線，電源線，開關，PCB等，防止觸電或火災風險。

最高外表面溫升：外殼，長時間/短時間握持的手柄，按鈕等，防止燙傷風險。

針對以上監控對象，溫升測試方法有熱電偶法、電阻法和紅外熱成像法，其中前兩種應用更為廣泛和準確，紅外熱成像存在一定的使用局限和精度的原因，可以用于輔助熱電偶法進行選擇性布點測試。

1.1 熱電偶法

將熱電偶粘貼在被測對象表面（定子、鐵芯、內部導線、外殼等），將溫度信號轉換成熱電動勢信號，通過電氣儀表轉換成被測對象的表面溫度顯示/記錄下來。該測量方法除了電機轉子（類似連續運動部件）不可以測量外，其他部件均可測量。

1.2 電阻法

利用金屬材料電阻值跟隨溫度發生變化，而且存在一定函數關系。電機轉子由于連續運動特點，通過測量轉子繞組的冷熱態阻值，利用電阻法計算其整個繞組平均溫升數據。

式中：

Δt－溫升，單位為開爾文K；

R1－試驗開始時繞組電阻值（冷態阻值），單位為歐姆Ω；

R2－試驗結束時繞組電阻值（熱態阻值），單位為歐姆Ω；

K－常量系數，銅繞組為234.5，鋁繞組為225；

t1－實驗開始時的環境溫度，單位為攝氏度，℃；

t2－實驗結束時的環境溫度，單位為攝氏度，℃。

根據上面溫升計算公式，影響溫升Δt有冷態阻值、熱態阻值和實驗環境溫度。分析各參數（R1，R2，t1，t2）的測量過程可以看出，排除人為因素，利用高精度電參數儀表（測量電阻）和溫度檢測儀表可以確保R1，t1，t2準確性。R2熱態阻值是停機那一刻的繞線阻值，即零秒電阻，實際在操作過程中，我們是無法實現在斷電的一瞬間測量其轉子繞線阻值的，需要采取數學方法利用5s、10s、15s等時刻阻值回推零秒阻值。

2 測試過程

電動園林工具根據供電方式可以分為直流工具和交流工具。以下選取可拆卸鋰電池供電割草機（以下簡稱直流割草機）和交流割草機作為測試對象，就溫升測試過程進行項目分析說明。

2.1 直流工具溫升測試

根據IEC 62841-1附錄K12定義，電池式工具和電池包不應產生過高的溫度，其測試過程為：工具基于一個（一套）滿充電池包在空載下連續運行，直到電池包放電完成、工具不再工作為止。如工具有固有運行周期，測試則按操作周期連續運行直到電池包放電完、工具不再工作為止。在整個實驗過程中，熱斷路器和過載保護不應動作。溫升不應超過最高外表面溫升（IEC 62841-1Table2）。由于該直流溫升僅對工具表面和電池包做溫升考核，所以我們可以選取熱電偶法進行溫升測試。

2.1.1 下面基于直流修枝剪進行溫升測試實驗[1]。①控制恒定環境溫度20±5℃，盡可能控制環溫保持在一個較小的波動范圍（2K）。②布熱電偶在修枝剪表面。布點選擇前手柄，后手柄，扳機，齒輪箱外殼，電池包外殼。將熱電偶一端通過膠水、催化劑快速粘貼上述選點，外加一路環溫監控。③開啟連有熱電偶的數據采集儀（Agilent34970A），啟動修枝剪，保持工具空載連續運行。④待電池包完全放電，修枝剪因電池包欠壓停止運行，停止熱電偶數據采集。⑤測試完成后，設備、工具還原，導出溫度數據進行分析比較（見表1）。⑥比對溫升數據門限，該直流修枝剪符合安規溫升要求。

表1 直流修枝剪溫升數據

2.2 交流工具溫升測試

根據IEC 62841-1 第12章節（發熱）定義，交流工具在額定電壓的0.94倍和1.06倍情況下，測量的溫升都不超過最高正常溫升和最高外表面溫升（IEC 62841-1 Table 1, Table2），其測試過程為：

無固有運行周期工具，運行在額定電壓范圍的下限，給電機施加扭矩，使工具達到額定輸入功率或額定電流，直到電機達到熱平衡，測得該狀態下的扭矩T1。保持T1扭矩不變情況下，將輸入電壓降低到額定電壓范圍下限的0.94倍，連續運行至電機達到熱平衡，根據熱電偶法和電阻法獲得0.94倍額定電壓的下限溫升數據[2]。重復以上步驟，測量額定電壓范圍上限的熱平衡扭矩T2，保持扭矩T2不變，升高輸入電壓至額定電壓范圍上限的1.06倍，連續運行至電機達到熱平衡后，獲得1.06倍額定電壓上限狀態下的溫升數據。

有固有運行周期工具與無固有運行周期工具測試相比，將連續運行至熱平衡調整為工作周期性運行30min，其他步驟一致。

2.2.1 下面基于交流割草機進行溫升測試實驗。

2.2.1.1 控制恒定環境溫度20±5℃，盡可能控制環溫保持在一個較小的波動范圍（2K）。

2.2.1.2 測量電機定子繞組和轉子繞組阻值，利用電阻儀（HIOKI RM3545）通過四線法表筆連接方式（消除接觸電阻和引線電阻）測量繞組阻值，即定子冷態電阻R定1（2.320Ω），轉子冷態電阻R轉1（2.268Ω），在轉子換向片對角打點標記便于測量，如產品結構要求無法對角打點測量，可以減少間隔片數，另外電機定子繞組兩端接出引線（注意該端子的絕緣保護，如可以引至空氣開關里），便于后面測試熱態電阻.根據溫升測試測量要求，除轉子外，將定子，鐵芯，內導線，開關，接線端子，手柄，外殼等布上熱電偶。在布線過程中，部分布點外殼需要開孔便于熱電偶引線和電機轉子、定子熱態電阻測量，所以外殼上的開孔盡量下，而用于測量態電阻的開孔要便于停機時可以快速測量阻值，工具運行時，這些開口需要還原并用高溫膠帶密封好，以免影響溫升精度。

2.2.1.3 將布有熱電偶的割草機固定在測試臺架上，將電機輸出軸連同刀片一起通過工裝連接至測功機，便于加載測試。

2.2.1.4 啟動測功機和割草機，割草機以額定電壓230V AC 50Hz啟動，啟動后，調節測功機扭矩給割草機加載，以0.05Nm步長緩慢加載至割草機的額定功率1200W，記錄下該扭矩1.53Nm，保持該扭矩繼續運行至電機熱平衡，該狀態可以通過定子、鐵芯上的熱電偶實時溫度曲線來確定。通常15分鐘至20分鐘可以達到熱平衡。

2.2.1.5 保持測功機的加載不變1.53Nm，調節割草機輸入電壓至0.94 倍額定電壓（230Vx0.94=216.2V），繼續測試，觀察定子，鐵芯上熱電偶的溫度曲線，待曲線平穩后5分鐘則可判定0.94倍額定電壓下割草機達到熱平衡狀態，記錄保存熱電偶的測試數據，準備測量繞組熱態電阻[3]。兩人配合測試，一人斷電、計時，一人量測轉子繞阻阻值，記錄斷電后5s、10s、15s……每隔5s測量一組阻值至50s，重復0.94倍額定電壓和1.53Nm扭矩連續運行測試，再次電機達到熱平衡后斷電測量定子的5s至60s繞組熱態電阻，利用excel曲線擬合（建議選擇一元三次非線性回歸）回推0s熱態阻值（見表2）。

表2 0.94Urating 繞組零秒電阻

2.2.1.6 重新啟動測功機和割草機，割草機以額定電壓230V AC 50Hz啟動，調節測功機扭矩給割草機加載，以0.05Nm步長緩慢加載至1.53Nm，調節割草機輸入電壓至1.06倍額定電壓（230Vx1.06=243.8V），繼續測試，觀察定子，鐵芯上熱電偶的溫度曲線，待曲線平穩后5分鐘則可判定1.06倍額定電壓下割草機達到熱平衡狀態，按上一步驟操作記錄保存熱電偶數據，斷電記錄5s至50s 的繞組熱態電阻，回推0s熱態阻值（見表3）。

2.2.1.7 測試完成后，設備、工具還原，導出溫度數據進行分析比較（見表4），比對標準溫升門限值，根據下面溫升數據（見表5），該割草機符合安規標準溫升要求。

表3 1.06Urating 繞組零秒電阻

表4 繞組溫升ΔT

表5 交流割草機溫升數據

3 結束語

基于以上測試過程和數據分析，可以看出直流產品僅考核產品表面溫度，所以整體溫升偏低，采用熱電偶法測量較為簡便。交流產品不僅考核產品表面溫度，還需檢測內部元器件溫升，特別是電機繞組溫升，測試采取熱電偶法和電阻法相結合來完成，在數據分析時，繞組零秒熱態阻值更是決定溫升誤差大小關鍵因素。