变频压缩机电机-泵体力矩实测与仿真对比分析

邓 敏,孙志敬

(1.珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司，广东珠海 519070;2.珠海格力电器股份有限公司,广东珠海 519070)

变频压缩机电机-泵体力矩实测与仿真对比分析

邓 敏1,孙志敬2

(1.珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司，广东珠海 519070;2.珠海格力电器股份有限公司,广东珠海 519070)

随着制冷行业的发展，人们对变频滚子式压缩机的性能和可靠性提出了更高的要求。由于工况恶劣和技术瓶颈所限，目前压缩机电机-泵体间曲轴的力矩检测非常困难，因此很难获得真实的电机效率、机械效率和摩擦损耗等重要参数。本文提出一种使用应变片测试压缩机曲轴力矩的方法，并对实测力矩的规律进行了分析总结，最后与仿真模拟曲线进行了比较。

变频压缩机;曲轴;力矩;测试;仿真

1 前言

随着变频滚子式压缩机及其家用和商用空调系统在国内外市场上的需求量与日俱增，和当下大力倡导节能环保理念，制冷行业对压缩机和空调系统的可靠性提出越来越高的要求，而其中最重要的是降低产品能耗。压缩机是空调系统的心脏，能耗在空调系统部件中占比最高，其性能优劣直接影响整机的表现。气体力试验研究间接表明，某型号压缩机有效功占能耗总量78%时，电机损失和机械损失之和占比为10%～20%，即压缩机总效率仍有改善的空间。如果能直接测量压缩机曲轴一个周期内的力矩，就能更清晰了解压缩机的损耗，效率的提升量将非常大，而且十分精确，同样也可以直接获得实际轴功率。为此，本文在介绍一种滚子式压缩机电机泵体力矩测试方法的基础上，通过对实测数据进行处理，并与仿真曲线进行比较，找出力矩变化规律，为产品结构设计提供借鉴。

2 检测方法和原理

变频压缩机内部充满冷媒和冷冻油的腐蚀性混合物，国标工况下高压3 MPa左右，同时温度达80～100 ℃，而且压缩机目前已做到小型化，内部空间狭小。在上述恶劣的环境下布置传感器非常困难。1986年，K Sakitani等在封闭压缩机内利用电子扭矩计DTM-408成功测得曲轴力矩[1]。2000年，M Matsushima等利用应变片和滑动环测得曲轴力矩。由于电阻应变片制作的传感器体积小、结构简单、能在复杂环境下测量，且适宜于动、静态测量，在各工程领域得到广泛应用，也是用于测量扭矩的一种理想传感器[2]。

本文介绍的方法是在曲轴位于电机和泵体之间粘贴应变片组成桥路，原理如图1所示。曲轴上的应变桥把电压信号传递给一起旋转的导电滑环，导电滑环再把信号传递给和其接触的固定在外壳的导电刷臂，从而完成信号由旋转到静止的可靠传递[3～5]。图2为本次试验测试所用压缩机截面图。导电滑环固定于电机上方，信号线从曲轴中心孔引至下方。采用环氧基树脂将抗磁应变片粘贴于上法兰上方。曲轴在应变片附近钻有小孔便于出线。为了避免强电磁干扰，信号线必须做好严格的屏蔽措施。采用国产导电滑环，最高转速达10000 r/min，最高耐温达90 ℃，可满足压缩机的恶劣工况要求。信号采集采用美国国家仪器4通道24bit半桥/全桥模拟输入模块9237。压力传感器采用PCB石英压力传感器M111A系列，由于该压力传感器对线路阻抗要求极高，必须对传感器及其信号线缆做有效的防油保护。

图1 测试原理

图2 测试压缩方案

3 数据处理和分析

试验用变频滚子式压缩机额定转速3600 r/min，额定输出功率830 W。在国标工况下吸气温度Ts为35 ℃，吸气压力Ps为1.0 MPa，排气压力Pd为3.36 MPa。冷媒介质为R410A。

测试的电机泵体力矩T主要由气体阻力矩Tg和摩擦阻力矩Tf组成。如图3，气体阻力矩是因滚子受到了吸气腔和排气腔的压差而形成，与压缩机工况参数和容积效率ηv等因素有关。摩擦阻力矩包括曲轴与轴承、曲轴与滚子、滚子与气缸、滚子与滑片等构成的摩擦阻力矩，与各自相对运动速度、零部件摩擦系数及润滑油的厚度、粘性、温度等因素有关。

T=ηvTg+Tf

(1)

图3 滚子受力示意

泵体的滚子受压缩腔压力Pd和吸气腔压力Ps的合力Fg作用，方向垂直于滚子与气缸和滑片接触点连成的直线。根据力与压降关系得到：

(2)

式中Fg——气体合力，其方向穿过滚子中心O1L——滚子与滑片和气缸接触点之间的距离

h——滚子高度

L是角度θ的函数，根据几何关系可简单计算得到。气体力矩Tg计算式：

(3)

式中l——气缸与滚子圆心在Fg方向上的距离τ——偏径比(偏心距与气缸半径之比)

根据式(1)～(3)可计算得到摩擦力矩Tf随转角θ变化曲线。

3.1 负载相同转速不同时力矩分析

力矩、功率和转速之间的关系式：

(4)

式中P——功率n——转速

电机功率不变时，力矩与转速成反比；当负载不变即力矩不变时，电机功率与转速成正比。理论上压缩机工况负载相同，无论从均值或瞬时值来看，不同转速下的电机的力矩曲线也基本相同。在压缩机测试台上设定国标工况，测得3600 r/min和5400 r/min转速下的力矩曲线如图4所示，曲线基本互相贴合。从图可见转速较高时曲轴力矩波动平稳，而低频时存在较明显的谐振。

图4 不同转速下的电机泵体力矩曲线

3.2 不同负载下电机泵体力矩分析

给压缩机测试台设定区别明显的轻工况、中工况和重工况，工况参数如表1所示。实测电机泵体力矩曲线如图5所示，可看出力矩的均值和幅值随着工况的加重而增大，说明力矩与工况参数的设定有着密切的正相关关系。

表1 压缩机轻、中和重工况参数

图5 轻、中和重工况时电机泵体力矩曲线

力矩曲线最高点代表泵体阀片开启，气缸开始排气。随着工况的逐渐加重，力矩曲线最高值所对应的角度逐渐后移，即阀片开启开始排气的角度越延后。当工况越严重时，泵体滚子转过滑片位置中间零度，而此时阀片仍处于未关闭状态的概率是非常高的，这将导致高背压的高压气体灌入吸气腔，造成再膨胀和重复压缩，造成制冷量下降和功率上升。因此，工况越严重，压缩机的性能越受考验。

3.3 摩擦力矩的求解

根据压缩机测试台测得冷媒流量，可获得压缩机容积效率；通过气缸压力传感器测得吸气腔和排气腔压力曲线，根据式(3)可进一步计算出有效气体力矩；再根据式(1)和实测电机泵体力矩曲线，可获得摩擦力矩曲线，如图6。在该工况下的摩擦力矩不超过2 N·m，且力矩达到最大值时摩擦力矩处于最低区间。

图6 摩擦力矩曲线的求解

4 实测与仿真计算的比较

在Nastran有限元分析软件上对曲轴进行网格划分和气体力整体等效应力求解分析，如图7，显示曲轴偏心部受力发生弯曲，其上下根部应力最大。综合考虑工况参数、电机和泵体结构参数、冷冻油物性参数、电机效率，可获得电机泵体力矩仿真曲线。

图7 曲轴网格及应力分布

如图8，仿真曲线与实测力矩曲线趋势较贴合，仿真均值2.107 N·m，实测均值2.209 N·m，均值误差4.8%，证明该测试方法具有一定的准确性。

图8 电机泵体力矩实测与仿真对比

5 结论

(1)相同负载下，任意转速的力矩曲线基本一致，低频时力矩存在谐振和波动；

(2)工况越重，力矩的绝对值越大，开始排气的时间也越延后；

(3) 结合气体力计算可得变频压缩机的摩擦力矩曲线，曲轴力矩最高时摩擦力矩最小；

(4)与仿真模拟曲线的比较，相对误差4.8%，证明该测试数据和分析方法对压缩机产品结构设计具有一定的参考和指导意义。

[1] Sakitani K,Koiwa J,Maekawa T.Performance Evaluation of Hermetic Refrigeration Compressor Using Torque Measurement Method[C].1986 International Compressor Engineering Conference at Purdue University v.1,1986:228-241.

[2] Matsushima M,Nomura T,Nishimura N,et al.Direct Torque Measurement of Hermetic Rotary Compressors Using Strain Gauge[C].International Compressor Engineering Conference at Purdue University,2000:49-506.

[3] 林静，倪昔东，戚培芸,等.应变式扭矩传感器中应变片的粘贴技术[J].船舶工程，2012,34(1)：52:53

[4] 邹先平，汤雁翔，黄德香.板翅式换热器正交接管封头极限载荷试验研究[J].压力容器，2015,32(10):43-47.

[5] 柴继新，王恩峰，范小燕,等.几种常见的电阻应变片式旋转扭矩传感器[J].计量、测试与校准，2010，30(2)：34-36.

Torque Measurement between Motor and Pump Body in Inverter Compressor and its Comparison Analysis with Simulation

DENG Min1，SUN Zhi-jing2

(1.Green Refrigeration Equipment Engineering Research Center of Zhuhai Gree Co.,Ltd.,Zhuhai 519070,China; 2.Gree Electric Appliances Inc.of Zhuhai,Zhuhai 519070,China)

The refrigeration industry have put forward a request for greater performance and reliability of the inverter rotary piston compressor.With tremendous difficulties to measure the shaft torque between motor and pump body in the compressor,so far,due to the serious condition and technical restriction,it’s hard to precisely acquire the important data as the motor efficiency,mechanism efficiency,and friction loss.This article raises a shaft torque measurement method related to compressor using strain gauge,analyzing and summarizing the principle of the measured torque,with comparison with the simulation curve in the end.

inverter compressor;shaft;torque;measurement;simulation

1005-0329(2017)02-0081-04

2016-06-30

2016-12-15

TH45

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.02.018

邓敏(1987-)，男，从事制冷空调和压缩机技术的研究工作，通讯地址：519070 广东珠海市节能环保制冷技术研究中心有限公司，E-mail:minnedeng@163.com。