張興志，顧添其，張秉芬

(1.上海交通大學(xué)，上海200240;2.上海日立電器有限公司，上海201206)

0 引 言

近年來銅價(jià)一直呈上漲趨勢(shì)，從2003年每噸不到20 000元，到2011年每噸超過72 000元。特別是在2006年上半年，銅價(jià)上漲了近一倍。之后的幾年銅價(jià)均維持在每噸50 000～60 000元的水平，僅在2008年底的國際金融危機(jī)過程中出現(xiàn)過大幅下跌，但隨著經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，銅價(jià)很快回到高位水平。

銅漆包線的成本在電機(jī)的材料成本中占有約50%比例，如何應(yīng)對(duì)銅價(jià)的上漲成為一個(gè)嚴(yán)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(jī)成本，但鋁漆包線會(huì)使電機(jī)效率顯著下降，且鋁線機(jī)械性能差、熔點(diǎn)低，沒有在空調(diào)壓縮機(jī)中大規(guī)模使用的經(jīng)驗(yàn)，其可靠性及相關(guān)制造工藝都是值得我們研究的問題。

近期銅價(jià)的波動(dòng)情況如圖1所示。

圖1 2010年1月～2011年4月上海期貨銅價(jià)

1 銅、鋁漆包線特性分析

1.1 銅、鋁物理特性的差異

銅和鋁都具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)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。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(duì)鋁漆包線的應(yīng)用產(chǎn)生了很大的影響［1］。

表1 銅和鋁特性比較

從表1中可以看出，鋁的電阻率為銅的1.6倍，電機(jī)的銅損和電機(jī)電阻成正比，如果直接用相同線徑的鋁線替代銅線，將造成電機(jī)損耗增大、效率下降。鋁的抗拉強(qiáng)度較低，會(huì)給定子繞線工藝帶來困難。鋁的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于銅，較易氧化，銅鋁的焊接問題一直是鋁線應(yīng)用中的一大障礙。鋁的密度僅為銅的約1/3左右，相同體積鋁線的重量是銅線的1/3左右，因此使用鋁線材料成本可以明顯降低。但由于漆包線的加工費(fèi)用與漆包線長度有關(guān)，同重量的鋁線加工費(fèi)要高于銅線。

1.2 銅、鋁漆包線主要性能比較

表2對(duì)銅漆包線和鋁漆包線的特性進(jìn)行了實(shí)測(cè)比較:

表2 銅和鋁漆包線特性比較

從表2可以看出，由于材料本身的性質(zhì)，鋁線在電阻率及延伸率方面都比銅線要差。

盡管鋁線的很多性能比銅線差，但是在銅價(jià)高漲的情況下，采用鋁線代替銅線也是降低電機(jī)成本的有效手段之一。下面將分析鋁線電機(jī)的設(shè)計(jì)和加工工藝。

2 鋁漆包線電機(jī)設(shè)計(jì)方法

2.1 鋁漆包線對(duì)電機(jī)性能的影響

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(dǎo)致電機(jī)繞組的電阻增大。電機(jī)的銅損WCu=I2R，在Pout相同的情況下，電流I變化不大，電阻R增加將會(huì)使銅損接近正比例增大［2］。

電阻增加還會(huì)使電機(jī)的最大力矩Tmax降低，造成電機(jī)停轉(zhuǎn)，詳細(xì)如下［3－4］:

式中:R1為定子電阻。

槽滿率較低的電機(jī)可以用導(dǎo)線截面積1.6倍的鋁漆包線直接替代銅線。但一般電機(jī)槽滿率都已接近極限，不能使用該方法。為保持電機(jī)效率及滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。通常方法是增加鐵心外徑或疊高，并適當(dāng)增加定子槽面積［5］。考慮到設(shè)備的通用性，下面介紹在沖片不變情況下的鋁線電機(jī)的設(shè)計(jì)方法。

表3 被測(cè)電機(jī)主要參數(shù)

2.2 全鋁漆包線電機(jī)

在電機(jī)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，從圖2可以看出，使用鋁漆包線后，電機(jī)效率下降明顯，因此在對(duì)電機(jī)性能要求較高的情況下，必須通過相關(guān)設(shè)計(jì)變更來彌補(bǔ)電機(jī)效率下降的比例。

圖2 全鋁線電機(jī)效率曲線

2.3 鋁漆包線電機(jī)優(yōu)化

從上述內(nèi)容可知，在直接更換鋁線的情況下，電機(jī)效率下降明顯，為了提高電機(jī)的效率必須對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)?？梢栽黾与姍C(jī)鐵心的長度，主線圈仍采用銅線，副線圈采用鋁線，同時(shí)優(yōu)化匝數(shù)和線徑，以提高電機(jī)性能。詳細(xì)計(jì)算參數(shù)如表4所示。

表4 鋁線電機(jī)參數(shù)表

電機(jī)效率曲線比較如圖3所示，可以看出，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，副線圈采用鋁線的電機(jī)的效率基本達(dá)到了銅線電機(jī)的水平。

圖3 副線圈鋁線電機(jī)效率曲線

2.4 電機(jī)成本比較

副線圈采用鋁線的電機(jī)在優(yōu)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(jī)成本顯著下降。按照目前的銅價(jià)，直接材料成本可降低29元，全鋁線電機(jī)成本可降低103元，但是效率下降太多，在效率要求高的場(chǎng)合不能使用。詳細(xì)成本分析如圖4所示。

圖4中銅漆包線價(jià)格為77元/kg，鋁漆包線價(jià)格為46元/kg，鋼板價(jià)格為9元/kg。

圖4 電機(jī)成本比較

3 鋁漆包線電機(jī)加工工藝

3.1 鋁線電機(jī)在加工中的難點(diǎn)

由于鋁線具有機(jī)械性差、熔點(diǎn)低、易氧化等缺點(diǎn)，在電機(jī)的加工過程中存在以下難點(diǎn)［6］:

(1)鋁線機(jī)械性能差，在繞線、嵌線、整形過程容易產(chǎn)生斷線、漆膜脫落、漆膜傷、電阻變化等問題。

(2)鋁的熔點(diǎn)低，易氧化，電機(jī)的電源線聯(lián)接困難，普通火焰焊接等方式會(huì)造成鋁線氧化，無法保障可靠的聯(lián)接。

為了保證鋁線電機(jī)的質(zhì)量，需要在繞線工藝、電源線接線工藝等方面進(jìn)行改善，下面分別介紹。

3.2 鋁線電機(jī)的繞線工藝的改善

鋁線的機(jī)械性能決定了在鋁線的生產(chǎn)過程中要在以下方面進(jìn)行改善:

(1)繞線速度

由于鋁線相對(duì)銅線來說要柔軟，因此同等工藝條件下，理論上鋁線的延伸率要比銅線大，需要降低繞線速度，以便延伸率控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。

(2)整形壓力

在電機(jī)線圈端部整形的工藝環(huán)節(jié)，需要減小整形量和整形速度，減少線圈壓痕的產(chǎn)生。

3.3 鋁線電機(jī)電源線聯(lián)接方式

電源線一般采用銅線，常規(guī)的火焰焊接方式(如氧－乙炔火焰焊接)對(duì)于鋁銅焊接來說，鋁與銅熔合后，將生成鋁與銅的合金，其中一類金屬化合物，硬而脆，導(dǎo)電性能差，而且由于鋁和銅的熔點(diǎn)不一致，所以焊接溫度不能高于鋁銅共晶溫度(548℃)，火焰溫度很難控制，焊接質(zhì)量很難保證，因此，采用熔焊法來焊接鋁銅電源線是不合理的，需要探討其它的方式。

鋁銅連接的常用方法有以下幾個(gè):

(1)冷壓焊

不加熱，不用焊料，可以對(duì)接或搭接，接頭強(qiáng)度不低于基本金屬，工藝設(shè)備簡單。對(duì)接Φ0.8 mm以上圓線及扁線，可做預(yù)制接頭，也可搭焊電機(jī)、變壓器引出線，適用于扁鋁－銅線的焊接。

(2)摩擦焊

利用兩個(gè)工件相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生摩擦熱。鋁－銅采用低溫摩擦，轉(zhuǎn)速低，設(shè)備簡單;鋁－銅接頭在共晶溫度下焊成，無中間合金，不需其他填充金屬。適用于鋁－銅過渡接頭的生產(chǎn)，適于中等截面積鋁－銅焊接;預(yù)制過渡接頭，大量用于中型以上電機(jī)、變壓器及其他配電部門。

(3)閃光焊

焊接時(shí)熔接金屬噴射，能對(duì)焊各種斷面鋁－銅接頭，接頭內(nèi)中間合金厚度控制在0.01～0.02 mm以下，可以保證電氣和力學(xué)性能。同樣適用中等截面以上的鋁－銅焊接。

(4)電容儲(chǔ)能焊

可以減小設(shè)備容量，焊接速度塊，接頭質(zhì)量好，可以對(duì)接鋁－銅，對(duì)接時(shí)，低壓儲(chǔ)能操作較平穩(wěn)，沒有爆聲。適用于Φ4 mm以下鋁－鋁、鋁－銅導(dǎo)線焊接，預(yù)制小線徑的鋁－銅過渡接頭或直接在繞組上焊接銅引出線。

根據(jù)電機(jī)電源線的特點(diǎn)，“冷壓焊”是比較合適的鋁銅聯(lián)接方式，Tyco公司專門生產(chǎn)了可刺破漆包線皮膜的適用于鋁線聯(lián)接的端子。如圖5所示。

圖5 Tyco特殊端子

4 結(jié) 語

通過本文的設(shè)計(jì)分析可以看出，壓縮機(jī)電機(jī)中采用鋁線替代銅線在技術(shù)上是可行的，特別是副線圈采用鋁線，通過增加電機(jī)鐵心長度等手段對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以在保持效率的情況下大幅降低成本。通過對(duì)電機(jī)的加工工藝進(jìn)行針對(duì)性的完善，可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

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

［2］ 陳秋明.用鋁線代替銅線設(shè)計(jì)小功率異步電動(dòng)機(jī)［J］.微特電機(jī)，2008(9):16－17.

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

［4］ 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990:76－96.

［5］ 黃哲理，趙志剛.單相電機(jī)鐵心系列優(yōu)化設(shè)計(jì)方法［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1995，15(2):124 －129.

［6］ Han P W，Chun Y D，Choi J H，et al.The study to substitute aluminum for copper as a winding material in induction machine［C］//The 31st International Telecommunications Energy Conference.2009:1－3.