電動壓縮機的匹配設計

張強生　安振華

摘要：文章介紹了壓縮機的發展趨勢，描述了壓縮機工作原理，并以某側電動壓縮機為例，從熱力學計算，直流電機選擇、試驗驗證等方面，詳細闡明了電動壓縮機壓縮機部分與直流電機匹配的研究應用過程，結果表明壓縮機部分的設計與電機匹配的可行性。

關鍵詞：直流電機；電動壓縮機

隨著全球能源的日益緊張和大氣污染壓力，汽車行業未來的發展趨勢是純電動汽車，純電動汽車與傳統汽車一樣也需要取暖、制冷、通風功能，兩者空調的工作原理基本相同，由于不同的結構和驅動方式，對空調系統匹配壓縮機產生巨大影響。

1渦旋式壓縮機

往復式壓縮機迄今為止還是最為廣泛的一種機型，但市場已經被可靠性、容積效率、穩定性更好的壓縮機占去一部分，以后的市場還會被吞噬。旋轉式壓縮機正是以較小振動和噪音、容積效率高、轉速范圍寬廣高為主要特點的一類壓縮機，但數控加工工藝要求高，零件精度要求高，加工困難。渦旋壓縮機由于結構上符合了汽車廠追求高轉速、不同工況下高效率工作的要求，隨著數控加工工藝的進步、結構型式的改進，其渦旋盤加工加工效率的提高等工藝問題已基本得到解決，其成為空調和熱泵應用場合選擇主力機型之一的發展趨勢。

1.1壓縮機工作原理

渦旋壓縮機作為一種新型的容積式壓縮機，它是靠靜渦旋盤與動渦旋盤的相對嚙合回轉運動，使密閉空間中的容積壓縮發生變化，從而排出高溫高壓氣體。渦旋壓縮機主要由動、靜渦旋盤、回轉機構、防自轉機構、上、下殼體和離合器部件等構成。渦旋壓縮機采用柔性補償的平衡機構，消除高速運轉時帶來的振動和噪音問題，同時采用鋼球和保持圈連接結構式的防自轉機構。渦旋壓縮機的工作原理為：一對型線參數相同的渦旋盤旋線端面與渦旋線底面彼此相互接觸，它們偏心相對錯開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）。當曲軸旋轉時帶動動渦旋以一定的回轉半徑旋轉運動時，一系列的月牙容積不斷被壓縮，內腔的氣體壓力不斷地升高。當吸氣結束時，渦旋最外圈兩對月牙形容積充滿氣體（陰影部分）。動渦旋盤做回轉平動，外圈兩個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。當兩個月牙空間形成一個中心腔室與排氣孔相連時，壓縮過程結束（如圖1b所示）并進入排氣過程，直到中心腔室空間消失時，結束排氣過程。這是渦旋外部又形成一對吸氣容積的月牙空間如此周而復始地完成吸氣、壓縮、排氣工作過程（如圖1c所示）。所以渦旋式制冷壓縮機基本上是連續的吸氣和排氣，整個過程通過多次平動才能完成。故其轉矩較平衡、氣流脈動較小、振動小、噪音低。

1.2電動壓縮機與傳統壓縮機的區別

傳統汽車與純電動汽車的本質區別在于驅動方式的不同，對其匹配的空調壓縮機來講有兩方面的影響：①空調壓縮機的驅動方式改變；②選擇更高效率，更節能的壓縮機。在空調壓縮機匹配選擇時，必須考慮以上兩方面的影響，選擇合適的驅動方式的壓縮機。傳統汽車壓縮機的驅動方式是由發動機通過皮帶帶動壓縮機的離合器部件轉動，從而驅動壓縮機運轉產生制冷效果。壓縮機的轉速與發動機轉速有一定的傳動比，因此制冷量難控制。若使用變排量壓縮機，結構復雜，調節效率低，可靠性也受到影響。純電動汽車的電動壓縮機驅動方式是由蓄電池直接驅動電機，通過電動壓縮機的控制器調節脈寬來調整壓縮機的轉速，實現制冷量的調節。除此之外，電動壓縮機還有諸多優點：電機內置在壓縮機內部，減少制冷劑泄漏，同時制冷劑也能帶走電機產生的熱量，電機的壽命、可靠性更高；采用無刷直流電機，使得速度調節更準確，運動更平穩，噪音更低；整機體積小、重量輕、安裝更方便等，這使得電動壓縮機更具競爭實力。相信隨著純電動汽車的推廣，電動壓縮機將成為壓縮機的發展的新趨勢。

2壓縮機理論計算與電機選擇

壓縮機的結構形式選定后，接著按照客戶的需求，選擇壓縮機的參數，確定壓縮機所需要的電機的工作電壓、額定功率及額定轉速與壓縮機匹配。以某電動壓縮機為例，在壓縮機排量選定的情況下，確定與其匹配的電機的轉速和功率，其選擇匹配電機的過程如下：

2.1熱力學計算

根據客戶提出需要制冷量1.3Kw，工作電壓為60V的電動壓縮所機。壓縮機的設計參數為：蒸發溫度0.67℃，吸氣溫度10.67℃，冷凝溫度55.25℃，過冷溫度50.25℃，工質R134a，壓縮機的排量為18cm。

2.1.1質量循環中各計算點的狀態參數

根據蒸汽壓縮式制冷循環理論壓-焓（1gp-h）圖（如圖2所示），圖中循環中1-2為吸氣過熱過程，2-3為壓縮過程。通過查R134a熱物理性質圖表可以得到循環中各計算點狀態參數見下表（如表1）

2.1.2確定壓縮機轉速

（1）制冷量

Q₀=qmaq₀/3600=1.3KW（1）

（2）實際質量輸氣量

查表1中各點的狀態參數可以得出壓縮機單位質量制冷量

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）中計算出實際質量輸氣量

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

（3）實際容積輸氣量

將2點的比體積帶入公式（3）可得壓縮機實際實際容積輸氣量

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，根據經驗值此處取0.88。

（4）理論容積輸氣量

根據壓縮機設定的吸氣容積V_s=1.8×10^-5m³/h代入公式（5）可得出壓縮機轉速

q_vt=60nVs=2.789m³/h（5）

計算出n=2582.5r/min。

2.1.3電機額定功率的選擇

（1）等熵功率

將公式（5）中計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直流電機參數的匹配

在電動壓縮機設計中，壓縮機與直流無刷電機的匹配尤為重要。若直流電機的功率、扭矩選擇較小無法帶動壓縮機正常工作，屬于小馬拉大車。若直流電機的功率、扭矩選擇較大，直流電機無法達到最佳工作效率，直流電機消耗功率大，而純電動汽車電池一直是制約其發展的瓶頸，這種大馬拉小車的方式不可取。

2.2.1直流電機轉速確定

根據前面壓縮機的理論計算，壓縮機轉速為2582.5r/min，在能滿足客戶制冷量的情況下，選擇直流電機額定轉速為2600 r/min。將轉速帶入上述公式計算校核得處制冷量約為1.308KW，滿足要求。

2.2.2直流電機功率確定

由理論計算得出壓縮機軸功率為566W，在滿足壓縮機的需求，將直流電機處于最高效率工作的狀態，直流電機額定功率選擇為570W。將直流電機功率帶入上述公式校核，得到轉速約為2604 r/min，制冷量為1.312KW。直流電機在額定轉速時，直流電機額定功率約為569W。經校核直流電機的額定功率與額定轉速滿足壓縮機的需求。

2.2.3直流電機扭矩的校核

直流電機輸出功率與電機工作轉速及輸出扭矩滿足下面公式：

P=TN/9.55（11）

將上述選擇的電機的額定功率與額定轉速代入公式（11），可得直流電機的輸出扭矩為2.09N·m，壓縮機由于內部旋盤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算所得扭矩為1.96 N·m，由于扭矩的校驗計算與傳統壓縮機計算原理相同，這里就不再復述了。經校驗電機的扭矩滿足壓縮機所需的扭矩。

2.3試驗結果分析驗證

根據60V電動壓縮機按國標工況下，測試結果如表2所示，壓縮機的制冷量沒有達到理論計算值與動靜盤的位置關系及嚙合程度有關系，與電機無關。測試過程中制冷效果良好，表明直流電機與壓縮機部分匹配合理。

3結論

（1）電動壓縮機的高效、體積小、輕量化及制冷量可調等諸多優點，決定其是未來壓縮機發展的趨勢。

（2）電動壓縮機在理論計算時壓縮機部分與傳統壓縮機相同，不同之處是選擇計算直流電機參數時應滿足壓縮機的需求。在壓縮機與直流電機合理匹配時應給予重視。