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串激往复活塞式无油机温升问题的分析解决

  一、引言
 
  【中国压缩机网】对于串激往复活塞式无油机而言,整机工作时的温升,是一个重要而又复杂的问题。顾名思义,串激往复活塞式无油机,采用的肯定是串激电机,英文名称为UNIVERSAL MOTOR。
  据专业机构统计,串激电机是当今世界用量最多的一种小功率电动机,年产量超二亿台,且逐年还有上升的趋势,如图1所示。
 
串激往复活塞式无油机温升问题的分析解决
 
  串激电机之所以被这么广泛的使用,主要是因为它有以下几个优点:
 
  1)可交流、直流两用;如图2所示
 
串激往复活塞式无油机温升问题的分析解决
 
  2)转速高,一般转速在8000~35000转/分
 
  3)调速方便(调压调速),且转速与电源频率无关
 
  4)启动转矩大,一般为4~6倍的额定转矩
 
  5)机械特牲较软,过载能力强;如图3所示
 
串激往复活塞式无油机温升问题的分析解决
 
  6)体积小,用料省
 
  在实际的应用过程中,主要有以下两个方面的原因,可能会导致串激往复活塞式无油机整机工作时的温升偏高:
 
  1)电机部分发热量大;
 
  2)整机的通风系统不良。
 
  二、电机自身的发热量
 
  随着二十一世纪科技的快速发展,大家也逐步提高了节能环保、可持续发展的意识。所以,如何提高电动机的自身效率,成为了一个比较突出的问题。按照能量守恒定律,输入的电能一部分被转成了机械能用来压缩气体,另一部分则被用来发热消耗掉了。不光如此,高温发热的物体还会对空压机缸头部位的零件起到一定的破坏作用。
 
  首先,我们需要先来了解一下电机温升的测试方法。现在行业内常用的为电阻法和热电偶法两种,大多数的权威认证机构,都采用两种方法相结合的方式,来测算特定空压机产品的温升数值。所谓的热电偶法就是在相关的位置点布设上热电偶,然后进行该点位置温升数值的直接读出、记录;电阻法则是通过精密电阻仪,分别测试出电机在温升试验前后的电阻数值,然后再按照以下的特定公式计算出温升的数值。
 
  Δt=((R2-R1)*(Ka+t1))/R1-(t2-t1)
 
  Δt是指温升,单位K;
 
  R1是指测试开始前的电阻值,单位Ω
 
  R2是指测试结束时的电阻值,单位Ω
 
  t1是指测试开始时的环境温度,单位℃
 
  t2是指测试结束时的环境温度,单位℃
 
  Ka:常数铜线绕阻235,铝线绕阻225
 
  现在空压机行业内多用的绝缘等级为B级95K和F级115K两种,当然往上还有更高的。虽说电机绝缘等级越高,允许发热因子的数值也就越大,但在同时,对于制作电机的材料也就要求越高,制作成本也就越高。
 
  下面为大家引入一下发热因子这个概念,因为它直接决定了电机自身发热量的多少。发热因子即电枢绕组的线负荷A和导体电密J的乘积,如下公式所示
串激往复活塞式无油机温升问题的分析解决
 
  A —— 沿电枢圆周单位长度上的安培导体数
  N —— 电枢总导体数
  D —— 电枢外径
  a —— 电枢绕组的并联支路对数
  J —— 导体单位横载面积上通过电流的大小.
  d —— 导体直径
 
  由以上的公式可见,在电流一定的条件下,对于整个电机而言有以下几条总结:1)导线的横载越大,则温升越低;2)电枢直径越大,则温升越低;3)电枢匝数越小,则温升越低。
 
  但在实际情况中,为了增大电机的力矩,往往电枢匝数较大,使得电枢温升高于定子线圈部位的温升。但一般对串激电机而言,A·J应控制在700~1400安/厘米·安/毫米2之间。同时,如果靠增大导线和电枢的直径来减小发热因子,又会使制造成本增加。所以,在设计串激电机的时候,需要首先考虑电机的性能和成本,其次考虑电机的发热量。
 
  三、高效的散热通风系统
 
  对应串激电机的发热,我们需要有一套高效的散热通风系统,来稳定电机的温升。通常会在电机的轴端带上一个风扇,借助串激电机的高转速,来形成一个较为强大的风场,进行通风散热。对于串激往复活塞式无油机而言,多选用轴流风扇,因为它有风量较大、噪音较小、效率较高等优点。
 
  除了串激电机轴端的风扇,对整机温升影响较大的,就是头部分的整体风道设计。行业内相对条件比较好一些的公司,他们有的采用热辐射光谱分析仪,通过头部分内部热气体的走向,来检验风道的合理性。这种方法直观简易、精度高,只是所用设备相对价格比较昂贵。大家多用的一种较为简易的方法叫做“双色飘粉法”,这种方法是借助两种不同颜色的粉末,靠空压机两个进风口的自然吸力,将彩色粉末吸入、吹出。通过查看彩色粉末的轨迹,来验证冷却风是否按照自己的设想流动,从而判定风道的设计是否合理。
 
  图4是进行完“双色飘粉法”试验的一个试验照片。判断这种试验现象时,需要重点关注一下两种颜色重叠和两种颜色都没有的地方。因为两种颜色重叠,说明此处是两个方向的风,交叉汇聚的地方,一般这不是我们要的结果,需要进一步的改善风道,使其各行其道。至于两种颜色都没有的情况,可能性就会多一些;可能是此处产生了内部涡流,也可能是此处被不良遮挡无风流过,具体情况还要具体分析。
 
  为了保证整个系统风流顺畅、散热高效,一般情况下要求进风口面积约等于(1.2~1.4)出风口面积。当然,也要视机体内部情况而定,如内部孔腔较大,比例关系可适当降低。如果要重点加强对电机定转子部位的散热,可以在定转子组件的外部套装一个导风筒,如图4所示。
 
串激往复活塞式无油机温升问题的分析解决
 
  四、整机各项性能参数之间的相互影响
 
  对于串激往复活塞式无油机而言,首先要满足客户对输入功率P1和排气量PD的要求。其次这两项客户要求,又直接或者间接的和转速、转矩、电流、效率等参数有着密切的关联。如上面图表5所示,随着转速的升高,电流和输入功率是一直上升的;根据发热量Q=I2R和Q=P1-P2两个公式,可以间接得出整机的温升曲线也是跟着上升的。这里的输入功率上升,包括两个部分的增加,第一是由于转速升高风扇上的机械损耗,第二是由于转速升高电机的热损耗。然而,机械损耗的增加是伴随着风量增加的,同时增加的风量又会对增加的热损耗有一个冷却,所以机械损耗和热损耗二者之间还有一个相互抵消的关系。
 
串激往复活塞式无油机温升问题的分析解决

串激往复活塞式无油机温升问题的分析解决
 
  五、实例问题的分析和改进
 
  上面我们已经将和串激往复活塞式无油机,整机温升相关的两大因素进行了讨论,接下来我们根据一个实例,再具体和大家一起讨论一下,如何根据具体的温升报告来判定问题点和制定改善措施。
 
  图6所示为一台串激往复活塞式无油机按照电阻法测试出来的温升数据。从数据上来看,试验是合格的,且高低电压之间的温升数值相差不大。
 
  如果出现高电压的温升数值远远高于低电压的温升数值的现象,可以推断出,这台空压机的泵头组件的出风口设计偏小了。因为串激电机随着电压的升高转速也是升高的,同时风量也是加大的。如果有一个合理大小的出风口,可以将增多的风量也顺畅的排放出去,那么整机增加的热损耗就会被抵消掉,温升数值维持不变。
 
  如果出现高电压的温升数值远远低于低电压的温升数值的现象,我们可以推断出,这台空压机的进风量少了。有可能是进风口尺寸的小了,也有可能是风扇产生的风量小了,总之是吹到定转子组件身上的冷却风少了。
 
  如果出现高、低电压的温升数值基本相等,但是都超出限值要求的现象,我们可以推断出,这台串激电机的电磁方案设计有问题。虽然说,高、低电压的温升数值基本相等是一种较优的方案设计,但是,那是要在满足限值的前提下的。
 
  六、结语
 
  串激电机在电磁方案制定时,要和泵头部位风叶和风道的设计相结合,然后再通过试验的多次验证、调整,才能做出来节能、环保、高效、温升低的串激往复活塞式无油机来。
 
  参考文献
 
  [1],吕凤吹,罗选强,王典.电动工具性能曲线的分析[J].电动工具,2014(02)
  [2],凌文星.电机温升分析研究[J].机电技术,2010(03)
  [3],陈遐昌,王在宏.电机温升试验中的数据处理[J].微特电机, 2006(01)
  [4],风扇大小对电机温升影响试验小结[J].中小型电机技术情报,1981(03) 
  [5],邹健.解决电机温升问题的一点体会[J].中小型电机,1998(03) 
  [6],陈兴卫,阎德春.交流电机温升的计算方法[J].防爆电机,2009(03)
 
  作者简介
  吴广忠(1980),男,山东省青岛市人,大学本科(工学学士),毕业于青岛科技大学,中级工程师,研究方向:空气压缩机
 

标签: 压缩机油机活塞  

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