铝漆包线在电机中的应用研究

张兴志，顾添其，张秉芬

(1.上海交通大学，上海200240;2.上海日立电器有限公司，上海201206)

0 引 言

近年来铜价一直呈上涨趋势，从2003年每吨不到20 000元，到2011年每吨超过72 000元。特别是在2006年上半年，铜价上涨了近一倍。之后的几年铜价均维持在每吨50 000～60 000元的水平，仅在2008年底的国际金融危机过程中出现过大幅下跌，但随着经济的复苏，铜价很快回到高位水平。

铜漆包线的成本在电机的材料成本中占有约50%比例，如何应对铜价的上涨成为一个严峻的课题。铝漆包线作为铜线的替代品可以显著地降低电机成本，但铝漆包线会使电机效率显著下降，且铝线机械性能差、熔点低，没有在空调压缩机中大规模使用的经验，其可靠性及相关制造工艺都是值得我们研究的问题。

近期铜价的波动情况如图1所示。

图1 2010年1月～2011年4月上海期货铜价

1 铜、铝漆包线特性分析

1.1 铜、铝物理特性的差异

铜和铝都具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性，因此常被用于制作各种电线、电缆和载流零件等。但两者在物理性能上有很大的差异，如表1所示，这些物理性能的差异对铝漆包线的应用产生了很大的影响［1］。

表1 铜和铝特性比较

从表1中可以看出，铝的电阻率为铜的1.6倍，电机的铜损和电机电阻成正比，如果直接用相同线径的铝线替代铜线，将造成电机损耗增大、效率下降。铝的抗拉强度较低，会给定子绕线工艺带来困难。铝的熔点远低于铜，较易氧化，铜铝的焊接问题一直是铝线应用中的一大障碍。铝的密度仅为铜的约1/3左右，相同体积铝线的重量是铜线的1/3左右，因此使用铝线材料成本可以明显降低。但由于漆包线的加工费用与漆包线长度有关，同重量的铝线加工费要高于铜线。

1.2 铜、铝漆包线主要性能比较

表2对铜漆包线和铝漆包线的特性进行了实测比较:

表2 铜和铝漆包线特性比较

从表2可以看出，由于材料本身的性质，铝线在电阻率及延伸率方面都比铜线要差。

尽管铝线的很多性能比铜线差，但是在铜价高涨的情况下，采用铝线代替铜线也是降低电机成本的有效手段之一。下面将分析铝线电机的设计和加工工艺。

2 铝漆包线电机设计方法

2.1 铝漆包线对电机性能的影响

由于铝线的电阻率比铜高1.6倍，直接用相同线径的铝线替换铜线将导致电机绕组的电阻增大。电机的铜损WCu=I2R，在Pout相同的情况下，电流I变化不大，电阻R增加将会使铜损接近正比例增大［2］。

电阻增加还会使电机的最大力矩Tmax降低，造成电机停转，详细如下［3－4］:

式中:R1为定子电阻。

槽满率较低的电机可以用导线截面积1.6倍的铝漆包线直接替代铜线。但一般电机槽满率都已接近极限，不能使用该方法。为保持电机效率及满足相关标准，需要重新进行设计。通常方法是增加铁心外径或叠高，并适当增加定子槽面积［5］。考虑到设备的通用性，下面介绍在冲片不变情况下的铝线电机的设计方法。

表3 被测电机主要参数

2.2 全铝漆包线电机

在电机槽形、铁心长度不变的情况下，直接把铜线换成相同线径的铝线，从图2可以看出，使用铝漆包线后，电机效率下降明显，因此在对电机性能要求较高的情况下，必须通过相关设计变更来弥补电机效率下降的比例。

图2 全铝线电机效率曲线

2.3 铝漆包线电机优化

从上述内容可知，在直接更换铝线的情况下，电机效率下降明显，为了提高电机的效率必须对电机进行优化设计。可以增加电机铁心的长度，主线圈仍采用铜线，副线圈采用铝线，同时优化匝数和线径，以提高电机性能。详细计算参数如表4所示。

表4 铝线电机参数表

电机效率曲线比较如图3所示，可以看出，经过优化设计后，副线圈采用铝线的电机的效率基本达到了铜线电机的水平。

图3 副线圈铝线电机效率曲线

2.4 电机成本比较

副线圈采用铝线的电机在优化中增加了铁心的长度，电工钢的用量有所增加，但是采用铝线后，漆包线的成本大幅度降低，电机成本显著下降。按照目前的铜价，直接材料成本可降低29元，全铝线电机成本可降低103元，但是效率下降太多，在效率要求高的场合不能使用。详细成本分析如图4所示。

图4中铜漆包线价格为77元/kg，铝漆包线价格为46元/kg，钢板价格为9元/kg。

图4 电机成本比较

3 铝漆包线电机加工工艺

3.1 铝线电机在加工中的难点

由于铝线具有机械性差、熔点低、易氧化等缺点，在电机的加工过程中存在以下难点［6］:

(1)铝线机械性能差，在绕线、嵌线、整形过程容易产生断线、漆膜脱落、漆膜伤、电阻变化等问题。

(2)铝的熔点低，易氧化，电机的电源线联接困难，普通火焰焊接等方式会造成铝线氧化，无法保障可靠的联接。

为了保证铝线电机的质量，需要在绕线工艺、电源线接线工艺等方面进行改善，下面分别介绍。

3.2 铝线电机的绕线工艺的改善

铝线的机械性能决定了在铝线的生产过程中要在以下方面进行改善:

(1)绕线速度

由于铝线相对铜线来说要柔软，因此同等工艺条件下，理论上铝线的延伸率要比铜线大，需要降低绕线速度，以便延伸率控制在适当的范围内。

(2)整形压力

在电机线圈端部整形的工艺环节，需要减小整形量和整形速度，减少线圈压痕的产生。

3.3 铝线电机电源线联接方式

电源线一般采用铜线，常规的火焰焊接方式(如氧－乙炔火焰焊接)对于铝铜焊接来说，铝与铜熔合后，将生成铝与铜的合金，其中一类金属化合物，硬而脆，导电性能差，而且由于铝和铜的熔点不一致，所以焊接温度不能高于铝铜共晶温度(548℃)，火焰温度很难控制，焊接质量很难保证，因此，采用熔焊法来焊接铝铜电源线是不合理的，需要探讨其它的方式。

铝铜连接的常用方法有以下几个:

(1)冷压焊

不加热，不用焊料，可以对接或搭接，接头强度不低于基本金属，工艺设备简单。对接Φ0.8 mm以上圆线及扁线，可做预制接头，也可搭焊电机、变压器引出线，适用于扁铝－铜线的焊接。

(2)摩擦焊

利用两个工件相对旋转运动，产生摩擦热。铝－铜采用低温摩擦，转速低，设备简单;铝－铜接头在共晶温度下焊成，无中间合金，不需其他填充金属。适用于铝－铜过渡接头的生产，适于中等截面积铝－铜焊接;预制过渡接头，大量用于中型以上电机、变压器及其他配电部门。

(3)闪光焊

焊接时熔接金属喷射，能对焊各种断面铝－铜接头，接头内中间合金厚度控制在0.01～0.02 mm以下，可以保证电气和力学性能。同样适用中等截面以上的铝－铜焊接。

(4)电容储能焊

可以减小设备容量，焊接速度块，接头质量好，可以对接铝－铜，对接时，低压储能操作较平稳，没有爆声。适用于Φ4 mm以下铝－铝、铝－铜导线焊接，预制小线径的铝－铜过渡接头或直接在绕组上焊接铜引出线。

根据电机电源线的特点，“冷压焊”是比较合适的铝铜联接方式，Tyco公司专门生产了可刺破漆包线皮膜的适用于铝线联接的端子。如图5所示。

图5 Tyco特殊端子

4 结 语

通过本文的设计分析可以看出，压缩机电机中采用铝线替代铜线在技术上是可行的，特别是副线圈采用铝线，通过增加电机铁心长度等手段对电机进行优化设计，可以在保持效率的情况下大幅降低成本。通过对电机的加工工艺进行针对性的完善，可以保证产品的质量。

［1］ 忻雪青，李伟冬.铝线在集中式绕线电机中应用的可行性探讨［J］.上海电气技术，2010，3(1):44 －48.

［2］ 陈秋明.用铝线代替铜线设计小功率异步电动机［J］.微特电机，2008(9):16－17.

［3］ 周鹗，徐德凎，濮开贵.电机学［M］.北京:水力电力出版社，1988:152－206.

［4］ 陈世坤.电机设计［M］.北京:机械工业出版社，1990:76－96.

［5］ 黄哲理，赵志刚.单相电机铁心系列优化设计方法［J］.中国电机工程学报，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.