小功率电机热保护器选型与应用

毛跃辉

（珠海格力电器股份有限公司家用空调技术部 广东珠海 519070）

1 引言

在家用电器迅速发展和普及应用的同时，产品质量和安全性能方面的问题也逐渐暴露出来，电气火灾已引起了广大消费者和国家有关部门的高度重视。电机热保护器就是为防止电机在异常条件下由于工作超温烧毁和杜绝因电机超温引发火灾的安全件。作为与电器产品配套的小功率电机对主机的安全性能影响很大，如水泵长期浸泡在水中，导致转轴被堵死、空调器长时间不用，导致电机轴承生锈卡死而无法启动，电气产品在使用中偶然发生的负载变化、重复启动、外来物卡滞、运行时间过长等原因，造成电机烧毁，为了安全起见，小功率电机一般在电枢绕组中都安装塑壳或金属的双金属热保护器。

小功率电机目前已经越来越多地应用于各类家用电器产品中，不仅对电机性能、可靠性有了严格要求，而且对电机的安全特性、安全措施也有了比较严格的要求。热保护器作为小功率电机或整机的关键部件，如何正确选用热保护器、合理匹配好热保护器，对电机乃至整机的性能、安全性有着非常大的影响。针对上述情况，本文重点介绍了小功率电机热保护器的保护形式、选型与匹配使用情况等。

2 热保护器种类和应用

电机的温度保护系统，一般由热检测器和控制系统或热保护器等组成。从控制方式上来说，采用热保护器直接控制是一种比较方便和实惠的控制方法，成本也较省。

2.1 产品形式分类

1）按照动作原理分：温度型（仅对温度敏感而动作）、电流温度型（对温度、电流均敏感而动作）；2）按动作方式分：速动式、缓动式；3）按触点状态分：常开式、常闭式；4）按触点结构分：单端式、双端式；5）按双金属片受热方式分：自身通电发热式、复热式、旁热式；6）按双金属片的形状分：碟形、条形；7）按调节温度分：可调和定温；8）按密封形式分：敞开式和密封式；9）按外壳电位分：带电和不带电。

2.2 热保护器应用方式

1）对电热器件的温度控制和调温；2）对电机的超温运行进行控制和保护；3）对电机由于长时间发生堵转或过载等引起的对绕组的过热保护。

目前，热保护器广泛应用于电热器具、电热水壶、空调器、洗碗机、消毒柜、变压器、罩极式电机、电容运转式电机、空调压缩机、风机等。

3 热保护器工作原理

双金属型保护器实际上是一种用双金属片制成的开关或继电器，由于价格低廉而得到广泛应用。双金属片由两层热膨胀系数不同的合金叠合而成，其中，膨胀系数较大的称为主动层；膨胀系数较小的称为被动层。由于两层材料膨胀系数不同，双金属片在温度升高时会弯曲变形，而温度降低后又会恢复原来的样子。图1为常规热保护器的形状。

热保护器中的关键部件是由高灵敏的双金属元件与动触头、静触头组成。在电机正常工作时，双金属元件处于自由状态，动触头和静触头闭合紧密，如图2中的a图，电路导通正常工作。当电机在使用过程中其内部绕组的发热、温度上升到热保护器的动作温度值时，双金属元件受热产生内应力而迅速动作，如图2中的b图示意。拉动动触头，使触点断开，从而切断电源，使得电机停止工作。当电机绕组温度下降到热保护器额定复位温度值时，双金属元件又恢复到初始闭合状态，此时，电路又被导通，电机正常工作。

3.1 热保护器主要参数

3.1.1 额定断开温度

额定断开温度指触点脱扣时的温度。一般容差为±7℃。

3.1.2 额定复位温度

额定复位温度指重新闭合触点时的温度，标称值容差一般为±15℃。

3.1.3 临界脱扣电流

临界脱扣电流指在特定的环境下，能承受的最大连续电流。

3.1.4 额定脱扣电流

额定脱扣时电流指环境温度25℃时，在规定时间内脱扣的电流。

4 小功率电机热保护器选型匹配

4.1 小功率电机过热分析

电机在运行过程中会发生热过载，引起热过载的原因很多，主要有：通风系统故障，环境温度或冷却介质温度过高，电机长期处于过电压或欠电压状态运行，断续工作制电机超过其规定工作方式运行。以上原因会造成电机超过正常运行温度的温度慢速增加，这种现象称为慢变化热过载，变化的曲线如图3示意。

当电机发生堵转时，或启动时负载转距异常大，启动电压过低等将会造成电机绕组的温度以超过正常运行温度的温度快速增加，这种现象称为快变化热过载，变化曲线如图4示意。

上述分析可知，电机在实际运行过程中存在两个热过载形式，而这两种热过载都会使电机绕组的绝缘过早老化，减少其使用寿命。那么如何有效的防止绕组绝缘过早老化呢？除了对电机进行合理选用外，还应该考虑电机正常和特殊情况下工作时其绕组温度的情况，尤其是在电机出现堵转情况时，使得绕组长时间的处于发热状态，温度不断升高，老化速度飞快，我们选择合理的热保护器是为了防止电机绕组在出现慢变化热过载和快变化热过载时，能有效的对电机进行过热保护。一般情况下，当电机过载连续运行，绕组温升每增加8K-10K，电机绕组的绝缘有效寿命将降低一半。

快变化热过载和慢变化热过载都可以引起内部绕组温升过高，从而导致绕组绝缘的加速老化。因此，当电机长期处于过载中运行是不可取的。

电机在过热情况下，电机内部零件温度分布各不相同，有的低有的高，因此对热保护器的放置位置很有讲究，其中温度上升最快达到危险值的部件称热临界部件，直接在热临界部件上安装热保护器的方式叫直接热保护，相反，当安装位置不在热临界部件上，但是，与热保护器还有联系的方式叫间接热保护。根据理论分析，电机绕组表面的温度远高于铁芯及槽中部的温度，因此，最好的安装位置就是直接把热保护器安装在绕组表面，能贴紧绕组表面最好。双金属热保护器对小功率电机快变化热过载和慢变化热过载都能有较好的追随性。

4.2 热保护器选型与匹配试验

目前，在小功率电机的热保护器安装方式上，适合选用直接保护的方式，也就是说把热保护器直接安装在电机绕组的表面上。

热保护器无论怎么安装，其加工的材料必须适合于该用途的材料，有足够的耐压、刚度和强度、绝缘和耐热性能，有一定的绝缘阻抗，能经历恶劣的环境实验后其各动作性能不发生改变，如冷热冲击、耐寒实验等等。其次还应该满足寿命实验要求，比如金属触片闭合和开断的次数等。

下面以实际使用中某款小功率电机为例，选择一种与它相匹配的热保护器。我们结合电机的参数，包括额定功率、额定电压、相数、堵转电流、耐热等级、工作环境温度等验证热保护器选择的正确与否和热保护器与电机的匹配利弊。具体热电偶布置效果图如图5。

首先根据电机的本身参数，用电阻法测试内部绕组的温度，即测试空载和堵转时的绕组温度，测试结果如表1。

考虑堵转时的绕组最高温升为91.2K，平均值85.1K。结合电机实际使用环境温度一般在25℃左右，从而估算该热保护器的温度应该选择在100℃左右，然后考虑热保护器的安装位置，该小功率电机的热保护器安装位置是放置在绝缘纸上面，如图6。

该保护器头部裸露带电，安装方式属于间接安装。因为在绕组与热保护器之间隔一层绝缘纸，在传热效果上有点差异。因而在考虑热保护器温度点选择上需要再降低一点温度，本案例中结合使用环境和安装方式，大致选择80℃的热保护器，误差控制在±7℃。在25℃的室温下。电压220V的条件下开始试验，得到如下试验温度曲线，如图7。

实验分析及结论：由温度曲线可以知道，热保护器在整个过程中共动作3次，分别在1400S、3200S、5150S，对应的绕组温度分别为110℃、109.3℃、109.5℃，很好的起到了保护的作用，符合实验预期，因此可以使用保护温度为80℃的热保护器在此小电机上，实验与预估的完全符合。

在堵转试验中，选用热保护器的温度点过高，电机严重过载时仍未保护，可能烧毁电机，选用热保护器温度过低，在额定负载下电压波动大的情况下，热保护器立即保护，使得小功率电机无法在正常状态下工作。本试验验证了小功率电机在额定电压下，慢变化热过载的过程，由于小功率电机一般保护的是电机的绕组，因此，把热保护器安装在接近绕组表面，通过绕组工作发热后，热传导和热辐射，使得热保护器感受温度达到其保护温度点后，自动切断电源输入，使电机得到很好的保护，延长绕组的使用寿命。

表1 小功率电机空载与堵转时的测试数据（室温25℃）

通过上述分析，我们在选择热保护器的时候，一般按照以下方式进行选择和匹配：1)首先根据电机的结构、容量、所保护的对象，确定热保护器的安装位置；2)根据安装位置和电机的加工工艺、确定热保护器的结构和触点形式，是否需要在头部进行环氧树脂密封绝缘等；3)根据电机的安装位置，环境因素影响、电机电流等，决定电机的保护目标，比如绕组等；4)根据电机的绝缘等级、使用环境、额定电压、堵转电流、温升速率、堵转时间，确定电机的热保护器的保护温度点；5)通过最终试验，确定热保护器的动作温度和复位温度是否符合设计要求；6)考虑热保护器的使用寿命和电机的使用寿命匹配和热保护器的功率因素选择。

4.3 热保护器寿命实验

热保护器接入220V±5%，在25℃环境中，循环动作3000个周期后，满足动作温度与初始温度相比变化满足+5K/-10K或者+5K/-10%，且触点在分离状态下能通过375V/min，无闪络且泄漏电流≤10mA，试验后外观无明显变形，触点未互相粘连或未复位，从寿命试验知，同一规格热保护器，如250V/2A ，动作温度80±7℃的热保护器，在250V/2A的电流下工作，其使用寿命为3000次循环，但是当它在＜2A的电流下工作时，其使用寿命可以达5000次甚至10000次以上。

5 结束语

合理选择热保护器与电机相配合，是设计员关心的问题，选用得当，能起到良好的保护作用，如热保护器温度选得过低，会使电机正常使用出现频繁保护，选用过高，会导致电机绕组温度过高运行，超出绕组极限温度后还未保护，减短绕组寿命，从而使电机出现烧毁。正确选择合适的热保护器，通过试验并结合电机实际工作情况和环境，可以正确的选择出热保护器的保护温度，如果热保护器还有其它特殊用途，还可进行诸如：极限短路、冷热冲击、耐腐蚀等试验，从而选择最佳的保护温度点，使电机热保护器工作在最完美状态，发挥出其应有的功能。

[1]魏静微.小功率永磁电机原理、设计与应用.北京：机械工业出版社,2009.3

[2]家用和类似用途电器的安全 第一部分 通用要求.国交标准GB4706.1-2005

[3]旋转电机装入式热保护、旋转电机的保护规则.国家标准 GB/T13002-91

[4]李发海、王岩.电机与拖动基础.北京.清华大学出版社,2005

[5]电动机热保护器特殊要求.国家标准GB 14536.3-2008