空調負離子對無刷直流電機芯片損傷影響探究

胡盛文,尤 濤,吳彬彬

(廣東美的制冷設備有限公司,順德 528311)

0 引 言

本文根據芯片損傷機理,基于對比排除法,找出影響F平臺電機芯片不良異常的原因:負離子在電機周邊累積形成高電壓,導致芯片過壓損壞。根據實驗,探尋累積電壓對芯片的放電路徑,提出負離子累積電壓對無刷直流電機芯片放電評價方法,完善健康空調中無刷直流電機風險評價體系。

1 無刷直流電機芯片損傷機理

無刷直流電機芯片損傷主要原因有過電應力和靜電放電[2]。

過電應力是指元器件承受的電流或電壓應力超過其允許的最大范圍,過電應力是引起器件失效的主要機理之一。電子元件在其參數指標中設定了使用時所承載的最大應力,包括最高環境溫度,最大工作電壓、電流等。如果在使用過程中,外界出現電應力超過元件的最大應力,即使是瞬間通過,芯片也會受到損傷,芯片局部形成熱點,當溫度進一步升高達到材料熔點時,會造成材料熔化,進而造成開路或者短路,導致芯片失效。

靜電放電是指具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉移。靜電放電引發的失效一般分為突發性失效和潛在性失效兩種。突發性失效是指芯片在靜電放電損傷后,突然出現開路、短路或參數漂移,喪失功能。潛在性失效是指靜電放電能量較低,芯片內部輕微損傷,放電后參數變化不大,但芯片抗過電應力能力已經下降,使用壽命縮短,芯片的繼續使用將逐步導致其失效。

2 整機分析

2.1 批次和地域分析

針對F平臺2022全年與2021全年電機芯片不良對比,各地維修中心維修率無明顯異常,如圖1所示,排除電機批次和終端客戶處使用場景的過電應力問題。

圖1 F平臺電機2022年芯片不良同比2021年變化率

2.2 整機結構對比分析

統計F平臺所用無刷直流電機在其他平臺整機的故障率,發現電機在不同平臺維修率差異較大。不帶負離子的VP和LP平臺和帶負離子的J平臺,電機芯片故障率基本一致;F平臺和J平臺同樣帶負離子,但F平臺電機芯片不良的維修率遠高于J平臺。不同平臺室內機的結構對比如表1所示。

表1 不同平臺內機結構對比

通過對不同平臺內機分析,各平臺機型主體結構和部件基本一致,區別在F和J平臺負離子發生器安裝位置不同,F平臺負離子發生器在空調左側濾網上方(進風口),J平臺負離子發生器在出風口,如圖2和圖3所示。

圖2 F平臺機型內機結構示意圖

圖3 J平臺機型內機結構示意圖

負離子發生器[3-5]是一種生成空氣負離子的裝置。它采用碳纖維作為放電極,放電極與蒸發器形成一微弱電場,如圖4所示。電場的作用使得發射出的大量電子沿著電場反向運動,此時由于蒸發器部位正電荷極少,電子也無法長久存在于空氣中(空氣中存在的電子壽命只有ns級)。因此,只有少量電子被中和形成中性離子,而絕大部分電子逸出后被空氣中的氧分子捕捉形成空氣負離子,在貫流風輪的作用下向外擴散。

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圖4 負離子發生器放電原理

F平臺和J平臺的主體結構和部件基本相同,但F平臺增加濾網自動清潔功能,負離子兼顧濾網積塵作用,故布置在左側蒸發器上方(圖2)。空調工作時,風從蒸發器上方進入空調后從出風口吹出,負離子經過室內機,負離子在室內機中累積,并傳導到電機軸上。而J平臺負離子發生器裝配在左側出風口處,空氣負離子[6-7]直接被吹走(圖3),電機附近負離子的累積有限。

從上述分析可知,F平臺負離子發生器在蒸發器上方造成了無刷電機芯片的不良異常。

3 負離子對電機影響分析

3.1 負離子累計電壓

為探究自帶負離子發生器[8-9]平臺機型負離子對電機的影響,分別在F、J 平臺空調風輪上均勻分布設置6個監測點(①～⑥),并在電機輸出軸和風輪連接處設置監測點⑦、電機后端蓋處設置監測點⑧,如圖5所示。

空調在額定電壓下進行額定制冷運行,同時負離子發生器開啟運行,運行1 h后,使用源恒通靜電測試儀(型號:FMX-004)分別探測8個監測點累積電壓,測試結果如表2所示。

表2 F平臺和J平臺不同監測點累積電壓測試結果

從表2可知:F平臺電機軸伸端監測點⑦和電機后端蓋監測點⑧兩處位置的累積電壓遠高于J平臺,該累積電壓傳導到電機芯片最終導致電機芯片燒毀。

3.2 放電路徑

為研究負離子累積電壓放電路徑,用NOISEKEN(型號:ESS-B3011)靜電放電模擬器[10-12]模擬負離子累積電壓對電機軸伸端和后端蓋進行放電測試。

通過室內機電控板控制電機在額定轉速運行,靜電槍頭距離后端蓋或軸伸端距離5 mm,靜電電壓從-2 kV開始,分別對后端蓋或軸伸端進行空氣放電,放電10次。若電機正常運轉,將負電壓調高1 kV,繼續放電10次,依次進行,直至電機芯片損壞。實驗裝置如圖6所示。

分別在軸伸端和后端蓋兩處各8臺電機進行靜電槍放電實驗,實驗結果如表3所示。

表3 軸伸端和后端蓋放電實驗結果對比

上述實驗結果表明,電機軸伸端放電電壓在13～15 kV時電機芯片損傷,平均電壓為14.125 kV。電機后端蓋放電電壓在18～22 kV時才發生芯片損傷。由此可知,電機軸伸端處受負離子電壓的影響更大,可確認負離子累積電壓是從軸伸端進入電機,從而造成芯片損毀的。

4 評價方法建立

分析電機結構可知,在電機后端蓋和電控板之間有一絕緣隔電環,如圖7所示,基本消除了負離子電壓對芯片的影響。而電機軸與轉子連接為一體,軸、轉子鐵心和磁瓦之間是連通的。電控板在轉子正上方,并且芯片引腳在磁瓦端面的正上方。從結構上看,磁瓦端面距離芯片引腳間距離較小,負離子累積電壓通過軸—轉子矽鋼片—磁瓦到芯片引腳此路徑對芯片進行放電,造成芯片損傷。

圖7 電機簡易剖視圖

為評價負離子發生器對空調直流電機的影響,建立負離子發生器累積電壓對直流電機芯片過電應力的評價方法。

通過電控板控制電機在額定電壓下運行,使用內機配備的負離子發生器對電機軸伸端進行放電,其中負離子發射端碳纖維捆扎后靠近軸伸端一定距離。電機在規定的時間運行后,檢查電機的功能和芯片是否正常,測試方法如圖8所示。

圖8 負離子對直流電機影響的評價測試圖

通過選取正常電機和在芯片引腳涂膠樣品進行對比實驗,實驗結果如表4所示。

表4 不同狀態樣品試驗結果

由上述實驗結果可知,當電機芯片引腳不涂膠時,在40 min內8個樣品全部失效;當電機芯片引腳涂膠(隔離轉子磁瓦端面與芯片引腳),此時所有樣品均可滿足120 min的負離子放電實驗。芯片引腳涂膠相當于在引腳端面增加了絕緣層,隔斷放電路徑,提升電機芯片耐受負離子累積電壓能力。由此可知,此方法可以用于帶負離子發生器的空調產品新品評價,評估負離子對直流電機芯片的影響。

5 結 語

本文簡要分析了無刷直流電機芯片損傷機理,借助源恒通FMX-004靜電測試儀和NOISEKEN ESS-B301靜電放電模擬器探尋出F平臺電機芯片不良異常的主要原因為負離子在電機周邊累積,形成較高的累積電壓,對電機芯片造成損傷。其次,通過負離子對軸伸端和端蓋端的放電激發實驗,識別出負離子電壓是通過軸伸端傳入到電機內部,從而損傷芯片,建立了負離子累積電壓從軸—轉子矽鋼片—磁瓦到芯片引腳的放電路徑。最后,建立負離子對電機芯片影響評價方法,在新品開發時,評估負離子累積電壓對無刷直流電機芯片損傷風險。