電動(dòng)壓縮機(jī)的匹配設(shè)計(jì)

張強(qiáng)生　安振華

摘要：文章介紹了壓縮機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，描述了壓縮機(jī)工作原理，并以某側(cè)電動(dòng)壓縮機(jī)為例，從熱力學(xué)計(jì)算，直流電機(jī)選擇、試驗(yàn)驗(yàn)證等方面，詳細(xì)闡明了電動(dòng)壓縮機(jī)壓縮機(jī)部分與直流電機(jī)匹配的研究應(yīng)用過(guò)程，結(jié)果表明壓縮機(jī)部分的設(shè)計(jì)與電機(jī)匹配的可行性。

關(guān)鍵詞：直流電機(jī)；電動(dòng)壓縮機(jī)

隨著全球能源的日益緊張和大氣污染壓力，汽車(chē)行業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是純電動(dòng)汽車(chē)，純電動(dòng)汽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)一樣也需要取暖、制冷、通風(fēng)功能，兩者空調(diào)的工作原理基本相同，由于不同的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)匹配壓縮機(jī)產(chǎn)生巨大影響。

1渦旋式壓縮機(jī)

往復(fù)式壓縮機(jī)迄今為止還是最為廣泛的一種機(jī)型，但市場(chǎng)已經(jīng)被可靠性、容積效率、穩(wěn)定性更好的壓縮機(jī)占去一部分，以后的市場(chǎng)還會(huì)被吞噬。旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)正是以較小振動(dòng)和噪音、容積效率高、轉(zhuǎn)速范圍寬廣高為主要特點(diǎn)的一類(lèi)壓縮機(jī)，但數(shù)控加工工藝要求高，零件精度要求高，加工困難。渦旋壓縮機(jī)由于結(jié)構(gòu)上符合了汽車(chē)廠(chǎng)追求高轉(zhuǎn)速、不同工況下高效率工作的要求，隨著數(shù)控加工工藝的進(jìn)步、結(jié)構(gòu)型式的改進(jìn)，其渦旋盤(pán)加工加工效率的提高等工藝問(wèn)題已基本得到解決，其成為空調(diào)和熱泵應(yīng)用場(chǎng)合選擇主力機(jī)型之一的發(fā)展趨勢(shì)。

1.1壓縮機(jī)工作原理

渦旋壓縮機(jī)作為一種新型的容積式壓縮機(jī)，它是靠靜渦旋盤(pán)與動(dòng)渦旋盤(pán)的相對(duì)嚙合回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使密閉空間中的容積壓縮發(fā)生變化，從而排出高溫高壓氣體。渦旋壓縮機(jī)主要由動(dòng)、靜渦旋盤(pán)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、上、下殼體和離合器部件等構(gòu)成。渦旋壓縮機(jī)采用柔性補(bǔ)償?shù)钠胶鈾C(jī)構(gòu)，消除高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)帶來(lái)的振動(dòng)和噪音問(wèn)題，同時(shí)采用鋼球和保持圈連接結(jié)構(gòu)式的防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。渦旋壓縮機(jī)的工作原理為：一對(duì)型線(xiàn)參數(shù)相同的渦旋盤(pán)旋線(xiàn)端面與渦旋線(xiàn)底面彼此相互接觸，它們偏心相對(duì)錯(cuò)開(kāi)180°，于是旋體間相互嚙合形成相互的一系列月牙空間（如圖1a所示）。當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)動(dòng)渦旋以一定的回轉(zhuǎn)半徑旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，一系列的月牙容積不斷被壓縮，內(nèi)腔的氣體壓力不斷地升高。當(dāng)吸氣結(jié)束時(shí)，渦旋最外圈兩對(duì)月牙形容積充滿(mǎn)氣體（陰影部分）。動(dòng)渦旋盤(pán)做回轉(zhuǎn)平動(dòng)，外圈兩個(gè)月牙容積中的氣體不斷向中心壓縮，容積不斷縮小，氣體壓力不斷升高。當(dāng)兩個(gè)月牙空間形成一個(gè)中心腔室與排氣孔相連時(shí)，壓縮過(guò)程結(jié)束（如圖1b所示）并進(jìn)入排氣過(guò)程，直到中心腔室空間消失時(shí)，結(jié)束排氣過(guò)程。這是渦旋外部又形成一對(duì)吸氣容積的月牙空間如此周而復(fù)始地完成吸氣、壓縮、排氣工作過(guò)程（如圖1c所示）。所以渦旋式制冷壓縮機(jī)基本上是連續(xù)的吸氣和排氣，整個(gè)過(guò)程通過(guò)多次平動(dòng)才能完成。故其轉(zhuǎn)矩較平衡、氣流脈動(dòng)較小、振動(dòng)小、噪音低。

1.2電動(dòng)壓縮機(jī)與傳統(tǒng)壓縮機(jī)的區(qū)別

傳統(tǒng)汽車(chē)與純電動(dòng)汽車(chē)的本質(zhì)區(qū)別在于驅(qū)動(dòng)方式的不同，對(duì)其匹配的空調(diào)壓縮機(jī)來(lái)講有兩方面的影響：①空調(diào)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式改變；②選擇更高效率，更節(jié)能的壓縮機(jī)。在空調(diào)壓縮機(jī)匹配選擇時(shí)，必須考慮以上兩方面的影響，選擇合適的驅(qū)動(dòng)方式的壓縮機(jī)。傳統(tǒng)汽車(chē)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式是由發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶帶動(dòng)壓縮機(jī)的離合器部件轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生制冷效果。壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有一定的傳動(dòng)比，因此制冷量難控制。若使用變排量壓縮機(jī)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)節(jié)效率低，可靠性也受到影響。純電動(dòng)汽車(chē)的電動(dòng)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方式是由蓄電池直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)電動(dòng)壓縮機(jī)的控制器調(diào)節(jié)脈寬來(lái)調(diào)整壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)制冷量的調(diào)節(jié)。除此之外，電動(dòng)壓縮機(jī)還有諸多優(yōu)點(diǎn)：電機(jī)內(nèi)置在壓縮機(jī)內(nèi)部，減少制冷劑泄漏，同時(shí)制冷劑也能帶走電機(jī)產(chǎn)生的熱量，電機(jī)的壽命、可靠性更高；采用無(wú)刷直流電機(jī)，使得速度調(diào)節(jié)更準(zhǔn)確，運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)，噪音更低；整機(jī)體積小、重量輕、安裝更方便等，這使得電動(dòng)壓縮機(jī)更具競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。相信隨著純電動(dòng)汽車(chē)的推廣，電動(dòng)壓縮機(jī)將成為壓縮機(jī)的發(fā)展的新趨勢(shì)。

2壓縮機(jī)理論計(jì)算與電機(jī)選擇

壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)形式選定后，接著按照客戶(hù)的需求，選擇壓縮機(jī)的參數(shù)，確定壓縮機(jī)所需要的電機(jī)的工作電壓、額定功率及額定轉(zhuǎn)速與壓縮機(jī)匹配。以某電動(dòng)壓縮機(jī)為例，在壓縮機(jī)排量選定的情況下，確定與其匹配的電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率，其選擇匹配電機(jī)的過(guò)程如下：

2.1熱力學(xué)計(jì)算

根據(jù)客戶(hù)提出需要制冷量1.3Kw，工作電壓為60V的電動(dòng)壓縮所機(jī)。壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)為：蒸發(fā)溫度0.67℃，吸氣溫度10.67℃，冷凝溫度55.25℃，過(guò)冷溫度50.25℃，工質(zhì)R134a，壓縮機(jī)的排量為18cm。

2.1.1質(zhì)量循環(huán)中各計(jì)算點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)

根據(jù)蒸汽壓縮式制冷循環(huán)理論壓-焓（1gp-h）圖（如圖2所示），圖中循環(huán)中1-2為吸氣過(guò)熱過(guò)程，2-3為壓縮過(guò)程。通過(guò)查R134a熱物理性質(zhì)圖表可以得到循環(huán)中各計(jì)算點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)見(jiàn)下表（如表1）

2.1.2確定壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速

（1）制冷量

Q₀=qmaq₀/3600=1.3KW（1）

（2）實(shí)際質(zhì)量輸氣量

查表1中各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)可以得出壓縮機(jī)單位質(zhì)量制冷量

q₀=h₂-h₄=（406.8-271.8）kJ/kg=135 kJ/kg（2）將單位制冷量帶入制冷量的公式（1）中計(jì)算出實(shí)際質(zhì)量輸氣量

q_ma=q_va/v₂=q_va/0.0708kg/h=34.67kg/h（3）

（3）實(shí)際容積輸氣量

將2點(diǎn)的比體積帶入公式（3）可得壓縮機(jī)實(shí)際實(shí)際容積輸氣量

q_va=η_vq_vt=0.88×q_vtm³/h=2.454m³/h（4）

其中η_v是容積效率，其影響因素主要是泄漏系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值此處取0.88。

（4）理論容積輸氣量

根據(jù)壓縮機(jī)設(shè)定的吸氣容積V_s=1.8×10^-5m³/h代入公式（5）可得出壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速

q_vt=60nVs=2.789m³/h（5）

計(jì)算出n=2582.5r/min。

2.1.3電機(jī)額定功率的選擇

（1）等熵功率

將公式（5）中計(jì)算出的理論輸氣量帶入下面公式中，其中tots為等熵理論功查表可得ωts=35.15，由此計(jì)算出等熵功率

P_ts=q_vtω_ts/（3600v2）=0.385KW （6）

（2）指示功率

2.2直流電機(jī)參數(shù)的匹配

在電動(dòng)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中，壓縮機(jī)與直流無(wú)刷電機(jī)的匹配尤為重要。若直流電機(jī)的功率、扭矩選擇較小無(wú)法帶動(dòng)壓縮機(jī)正常工作，屬于小馬拉大車(chē)。若直流電機(jī)的功率、扭矩選擇較大，直流電機(jī)無(wú)法達(dá)到最佳工作效率，直流電機(jī)消耗功率大，而純電動(dòng)汽車(chē)電池一直是制約其發(fā)展的瓶頸，這種大馬拉小車(chē)的方式不可取。

2.2.1直流電機(jī)轉(zhuǎn)速確定

根據(jù)前面壓縮機(jī)的理論計(jì)算，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為2582.5r/min，在能滿(mǎn)足客戶(hù)制冷量的情況下，選擇直流電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2600 r/min。將轉(zhuǎn)速帶入上述公式計(jì)算校核得處制冷量約為1.308KW，滿(mǎn)足要求。

2.2.2直流電機(jī)功率確定

由理論計(jì)算得出壓縮機(jī)軸功率為566W，在滿(mǎn)足壓縮機(jī)的需求，將直流電機(jī)處于最高效率工作的狀態(tài)，直流電機(jī)額定功率選擇為570W。將直流電機(jī)功率帶入上述公式校核，得到轉(zhuǎn)速約為2604 r/min，制冷量為1.312KW。直流電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，直流電機(jī)額定功率約為569W。經(jīng)校核直流電機(jī)的額定功率與額定轉(zhuǎn)速滿(mǎn)足壓縮機(jī)的需求。

2.2.3直流電機(jī)扭矩的校核

直流電機(jī)輸出功率與電機(jī)工作轉(zhuǎn)速及輸出扭矩滿(mǎn)足下面公式：

P=TN/9.55（11）

將上述選擇的電機(jī)的額定功率與額定轉(zhuǎn)速代入公式（11），可得直流電機(jī)的輸出扭矩為2.09N·m，壓縮機(jī)由于內(nèi)部旋盤(pán)所受的切向氣體壓力、徑向氣體壓力、軸向氣體壓力及傾覆力等計(jì)算所得扭矩為1.96 N·m，由于扭矩的校驗(yàn)計(jì)算與傳統(tǒng)壓縮機(jī)計(jì)算原理相同，這里就不再?gòu)?fù)述了。經(jīng)校驗(yàn)電機(jī)的扭矩滿(mǎn)足壓縮機(jī)所需的扭矩。

2.3試驗(yàn)結(jié)果分析驗(yàn)證

根據(jù)60V電動(dòng)壓縮機(jī)按國(guó)標(biāo)工況下，測(cè)試結(jié)果如表2所示，壓縮機(jī)的制冷量沒(méi)有達(dá)到理論計(jì)算值與動(dòng)靜盤(pán)的位置關(guān)系及嚙合程度有關(guān)系，與電機(jī)無(wú)關(guān)。測(cè)試過(guò)程中制冷效果良好，表明直流電機(jī)與壓縮機(jī)部分匹配合理。

3結(jié)論

（1）電動(dòng)壓縮機(jī)的高效、體積小、輕量化及制冷量可調(diào)等諸多優(yōu)點(diǎn)，決定其是未來(lái)壓縮機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)。

（2）電動(dòng)壓縮機(jī)在理論計(jì)算時(shí)壓縮機(jī)部分與傳統(tǒng)壓縮機(jī)相同，不同之處是選擇計(jì)算直流電機(jī)參數(shù)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足壓縮機(jī)的需求。在壓縮機(jī)與直流電機(jī)合理匹配時(shí)應(yīng)給予重視。