电动压缩机的匹配设计

张强生　安振华

摘要：文章介绍了压缩机的发展趋势，描述了压缩机工作原理，并以某侧电动压缩机为例，从热力学计算，直流电机选择、试验验证等方面，详细阐明了电动压缩机压缩机部分与直流电机匹配的研究应用过程，结果表明压缩机部分的设计与电机匹配的可行性。

关键词：直流电机；电动压缩机

随着全球能源的日益紧张和大气污染压力，汽车行业未来的发展趋势是纯电动汽车，纯电动汽车与传统汽车一样也需要取暖、制冷、通风功能，两者空调的工作原理基本相同，由于不同的结构和驱动方式，对空调系统匹配压缩机产生巨大影响。

1涡旋式压缩机

往复式压缩机迄今为止还是最为广泛的一种机型，但市场已经被可靠性、容积效率、稳定性更好的压缩机占去一部分，以后的市场还会被吞噬。旋转式压缩机正是以较小振动和噪音、容积效率高、转速范围宽广高为主要特点的一类压缩机，但数控加工工艺要求高，零件精度要求高，加工困难。涡旋压缩机由于结构上符合了汽车厂追求高转速、不同工况下高效率工作的要求，随着数控加工工艺的进步、结构型式的改进，其涡旋盘加工加工效率的提高等工艺问题已基本得到解决，其成为空调和热泵应用场合选择主力机型之一的发展趋势。

1.1压缩机工作原理

涡旋压缩机作为一种新型的容积式压缩机，它是靠静涡旋盘与动涡旋盘的相对啮合回转运动，使密闭空间中的容积压缩发生变化，从而排出高温高压气体。涡旋压缩机主要由动、静涡旋盘、回转机构、防自转机构、上、下壳体和离合器部件等构成。涡旋压缩机采用柔性补偿的平衡机构，消除高速运转时带来的振动和噪音问题，同时采用钢球和保持圈连接结构式的防自转机构。涡旋压缩机的工作原理为：一对型线参数相同的涡旋盘旋线端面与涡旋线底面彼此相互接触，它们偏心相对错开180°，于是旋体间相互啮合形成相互的一系列月牙空间（如图1a所示）。当曲轴旋转时带动动涡旋以一定的回转半径旋转运动时，一系列的月牙容积不断被压缩，内腔的气体压力不断地升高。当吸气结束时，涡旋最外圈两对月牙形容积充满气体（阴影部分）。动涡旋盘做回转平动，外圈两个月牙容积中的气体不断向中心压缩，容积不断缩小，气体压力不断升高。当两个月牙空间形成一个中心腔室与排气孔相连时，压缩过程结束（如图1b所示）并进入排气过程，直到中心腔室空间消失时，结束排气过程。这是涡旋外部又形成一对吸气容积的月牙空间如此周而复始地完成吸气、压缩、排气工作过程（如图1c所示）。所以涡旋式制冷压缩机基本上是连续的吸气和排气，整个过程通过多次平动才能完成。故其转矩较平衡、气流脉动较小、振动小、噪音低。

1.2电动压缩机与传统压缩机的区别

传统汽车与纯电动汽车的本质区别在于驱动方式的不同，对其匹配的空调压缩机来讲有两方面的影响：①空调压缩机的驱动方式改变；②选择更高效率，更节能的压缩机。在空调压缩机匹配选择时，必须考虑以上两方面的影响，选择合适的驱动方式的压缩机。传统汽车压缩机的驱动方式是由发动机通过皮带带动压缩机的离合器部件转动，从而驱动压缩机运转产生制冷效果。压缩机的转速与发动机转速有一定的传动比，因此制冷量难控制。若使用变排量压缩机，结构复杂，调节效率低，可靠性也受到影响。纯电动汽车的电动压缩机驱动方式是由蓄电池直接驱动电机，通过电动压缩机的控制器调节脉宽来调整压缩机的转速，实现制冷量的调节。除此之外，电动压缩机还有诸多优点：电机内置在压缩机内部，减少制冷剂泄漏，同时制冷剂也能带走电机产生的热量，电机的寿命、可靠性更高；采用无刷直流电机，使得速度调节更准确，运动更平稳，噪音更低；整机体积小、重量轻、安装更方便等，这使得电动压缩机更具竞争实力。相信随着纯电动汽车的推广，电动压缩机将成为压缩机的发展的新趋势。

2压缩机理论计算与电机选择

压缩机的结构形式选定后，接着按照客户的需求，选择压缩机的参数，确定压缩机所需要的电机的工作电压、额定功率及额定转速与压缩机匹配。以某电动压缩机为例，在压缩机排量选定的情况下，确定与其匹配的电机的转速和功率，其选择匹配电机的过程如下：

2.1热力学计算

根据客户提出需要制冷量1.3Kw，工作电压为60V的电动压缩所机。压缩机的设计参数为：蒸发温度0.67℃，吸气温度10.67℃，冷凝温度55.25℃，过冷温度50.25℃，工质R134a，压缩机的排量为18cm。

2.1.1质量循环中各计算点的状态参数

根据蒸汽压缩式制冷循环理论压-焓（1gp-h）图（如图2所示），图中循环中1-2为吸气过热过程，2-3为压缩过程。通过查R134a热物理性质图表可以得到循环中各计算点状态参数见下表（如表1）

2.1.2確定压缩机转速

（1）制冷量

Q₀=qmaq₀/3600=1.3KW（1）

（2）实际质量输气量

查表1中各点的状态参数可以得出压缩机单位质量制冷量

q₀=h₂-h₄=（406.8-271.8）kJ/kg=135 kJ/kg（2）将单位制冷量带入制冷量的公式（1）中计算出实际质量输气量

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

（3）实际容积输气量

将2点的比体积带入公式（3）可得压缩机实际实际容积输气量

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

其中η_v是容积效率，其影响因素主要是泄漏系数，根据经验值此处取0.88。

（4）理论容积输气量

根据压缩机设定的吸气容积V_s=1.8×10^-5m³/h代入公式（5）可得出压缩机转速

q_vt=60nVs=2.789m³/h（5）

计算出n=2582.5r/min。

2.1.3电机额定功率的选择

（1）等熵功率

将公式（5）中计算出的理论输气量带入下面公式中，其中tots为等熵理论功查表可得ωts=35.15，由此计算出等熵功率

P_ts=q_vtω_ts/（3600v2）=0.385KW （6）

（2）指示功率

2.2直流电机参数的匹配

在电动压缩机设计中，压缩机与直流无刷电机的匹配尤为重要。若直流电机的功率、扭矩选择较小无法带动压缩机正常工作，属于小马拉大车。若直流电机的功率、扭矩选择较大，直流电机无法达到最佳工作效率，直流电机消耗功率大，而纯电动汽车电池一直是制约其发展的瓶颈，这种大马拉小车的方式不可取。

2.2.1直流电机转速确定

根据前面壓缩机的理论计算，压缩机转速为2582.5r/min，在能满足客户制冷量的情况下，选择直流电机额定转速为2600 r/min。将转速带入上述公式计算校核得处制冷量约为1.308KW，满足要求。

2.2.2直流电机功率确定

由理论计算得出压缩机轴功率为566W，在满足压缩机的需求，将直流电机处于最高效率工作的状态，直流电机额定功率选择为570W。将直流电机功率带入上述公式校核，得到转速约为2604 r/min，制冷量为1.312KW。直流电机在额定转速时，直流电机额定功率约为569W。经校核直流电机的额定功率与额定转速满足压缩机的需求。

2.2.3直流电机扭矩的校核

直流电机输出功率与电机工作转速及输出扭矩满足下面公式：

P=TN/9.55（11）

将上述选择的电机的额定功率与额定转速代入公式（11），可得直流电机的输出扭矩为2.09N·m，压缩机由于内部旋盘所受的切向气体压力、径向气体压力、轴向气体压力及倾覆力等计算所得扭矩为1.96 N·m，由于扭矩的校验计算与传统压缩机计算原理相同，这里就不再复述了。经校验电机的扭矩满足压缩机所需的扭矩。

2.3试验结果分析验证

根据60V电动压缩机按国标工况下，测试结果如表2所示，压缩机的制冷量没有达到理论计算值与动静盘的位置关系及啮合程度有关系，与电机无关。测试过程中制冷效果良好，表明直流电机与压缩机部分匹配合理。

3结论

（1）电动压缩机的高效、体积小、轻量化及制冷量可调等诸多优点，决定其是未来压缩机发展的趋势。

（2）电动压缩机在理论计算时压缩机部分与传统压缩机相同，不同之处是选择计算直流电机参数时应满足压缩机的需求。在压缩机与直流电机合理匹配时应给予重视。