转子式压缩机磁中心高度差对噪音的影响

2020-10-15吴丽花艾明发

日用电器 2020年9期

吴丽花艾明发

（奥克斯空调股份有限公司宁波 315100）

引言

近年来，国内对空调的需求量日益增长，空调能效要求日益提高[1]，空调行业竞争也日益激烈，使得企业在产品品质和性能管控方面面临巨大挑战。

空调主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和节流装置等4大基本部件组成[2]，其中常见压缩机按机械结构分涡旋式、往复式和转子式等。涡旋式压缩机力矩变化小、容积效率高，噪声低，但加工难、成本高[3,4]，因此主要应用于商用空调和大匹数热泵等；往复式压缩机热效率高，但结构复杂、易损件多[5,6]，多应用于冰箱和汽车空调等；而转子式压缩机由于结构简单、体积小、重量轻、运行平稳和可靠性高等优点被大多数家用空调广泛使用[7]。但多数家用空调压缩机企业会综合成本控制，导致压缩机性能效率提升难度较大。

压缩机作为空调系统的核心部件[8]，功耗占系统整体功耗的80 %左右，优化压缩机性能对空调能效提升至关重要。转子式压缩机提升能效的方法包括增排量、降功率、降泄漏、优化电机运行模式、缩小气缸轴向间隙等[9]。另提升压缩机内部结构的稳定性可进一步优化性能，设计增加曲轴的通孔长度、控制定转子磁中心高度，可保证压缩机的转子运转更加平稳。但是由于腔体内部空间有限，若设计未充分考虑使用工况，反而会造成压缩机的稳定性变差，甚至产生额外的品质问题，如“窜动噪音”故障[10]。本文针对一款压缩机的定转子磁中心高度差设计不合理导致的“窜动噪音”故障进行分析，给出设计规避意见和整机检测方案。

1 理论分析

1.1 压缩机窜动噪音产生条件

针对该款压缩机进行受力分析，如图1所示。

由图1可知，该款压缩机主要受力包括：①曲轴与转子的重力G（向下）；②电机上下部压力差带来的力F1（向上），且压力差越大，F1越大[11]；③定子中心对转子中心的拉力Fpm（向下，电压波动导致大小不定）；④转子扭斜产生的推力Fpa（向下）。

其中重力G、推力Fpa在压缩机在定转子设计阶段基本固定；Fpm取决于磁中心高度差，一般定转子叠高长度规格基本固定[12]，磁中心高度差由定转子设计的装配位置决定，常规压缩机定转子叠高设计一致，磁中心高度差可直接由定转子高度差换算；F1受空调系统实际运行工况影响，当空调系统处于高负荷工况时容易导致F1值偏大。

若压缩机自身高度差规格设计偏小，定子对转子中心的向下电磁拉力Fpm不足，同时低电压影响压缩机的转速，会进一步降低电机的电磁拉力Fpm。

因此在高负荷低电压工况下F1＞G+Fpm+Fpa，曲轴整体受力向上，推动曲轴向上运动，曲轴上止推面与上缸盖平面发生撞击[13]，由于压缩机是脉动排气[14]，因此曲轴会持续向上窜动撞击，造成压缩机异常音的发生。

1.2 空调窜动噪音的故障表现

压缩机窜动噪音主要表现为间断性的低频异音，音质类似“蛤蟆低鸣”。声音穿透性强、耳感体验差[15]，外部遮挡无法有效隔绝。

2 实验验证

进行测试验证的压缩机定转子叠高规格一致，定转子高度差设计值0.5～1.5 mm，换算磁中心高度差设计值为 0.5～1.5 mm。

图1 某款压缩机转子受力示意图

2.1 单体实验验证

取2台异音故障机（1#、2#）接入单体振动、噪音测试台，在额定电压（230 V）和频率（50 Hz）下运行，在表2的工况下稳定30 min后进行测量振动、噪音值。记录数值后继续调整电压至196 V（85倍）进行测量，后续采取每降低1 V稳定5 min方式进行测量，直到耳听出现明显异音为止。噪音、振动取最大值进行判定，异音判定以耳感为准。

2.1.1 单体振动布点要求

图2 压缩机单体振动布点示意图

在分液器上布置1个三向加速度传感器，传感器布置在分液器中间位置H/2处、且在分液器离压缩机缸体最远的表面上，如图2所示。三向加速度传感器重量应尽量轻（建议≤10 g），加速度数据记录（10～ 2 000） Hz的RMS值。

2.1.2 单体噪音测试取样要求

取样要求：在机体正面30 cm 处设取样点1，取样头与机体、分液器中心点保持一条直线；在机体侧面30 cm处设取样点2，正对机体中心，与机体、分液器中心连线垂直。正、侧面取样点与电机中心高度保持一致，如图3所示。

听音要求：人员耳听感受距离不得小于取样距离。

压缩机规格及测试工况如表1、表2。

2.2 整机复现实验验证

整机只进行异音验证，将单体测试后的两台压缩机装入外机系统，将外机放置在噪音测试台，连接好内机在额定电压（230 V）和频率（50 Hz）进行额定制冷运行，在表3的工况下稳定30 min后进行降电压测试，后续切换最大运行制冷模式进行降电压测试，噪音值正常检测记录，异音判定以耳感为准。

2.2.1 整机噪音测试取样要求

外侧检测时需要进行二个位置点的噪声检测，标准位置(距出风口中心距离1 m，机组出风口中心离地高度1 m)，压缩机侧位置(距前板的压缩机室中间位置距离0.2 m处)，具体如图4所示，人员耳听感受距离不得小于取样距离。

图3 压缩机单体噪音取样示意图

表1 压缩机规格

表2 压缩机单体噪音测试工况

表3 压缩机整机噪音测试工况

图4 外机噪音检查示意图

表4 单体压缩机复现测试结果

3 实验结果分析

3.1 单体振动、异音分析

单体振动、噪音值均未超标，随着电压逐步降低，在低电压时2台故障机均复现异音故障（见表4），音质为间断性低频窜动异音。试验表明产生异音的条件是高负荷和低电压，而噪音、振动值非关联超标。

3.2 整机异音复现分析

在整机额定制冷运行时，测试正常，切换最大运行制冷模式提升负荷后，低电压测试时2台均复现窜动异音故障（见表5），使用多层挡板无法有效阻挡异音传递，声音穿透性强。

3.3 整机异音对比分析

整机对比数据（表6）表明，窜动异音跟磁中心高度差强相关，适当增加高度差改善磁拉力可减轻或规避异音，而磁中心高度差规格由设计阶段决定。

3.4 故障样品分析

对1#、2#故障机进行解剖分析（图5），可确认曲轴上止推面与上轴承平面已发生接触摩擦痕迹（正常压缩机设计曲轴上止推面与上缸盖间有一定空隙）。

3.5 整机对比样机解剖

对3～6#不同高度差规格样机进行解剖分析（表7），不同样机磨损程度不同，6号样机正常无磨损，其余样机气缸法兰均存在不同程度接触磨损，正面验证了整机异音对比结果。

表5 整机复现测试结果

曲轴受力综合向上是产生窜动的前提，止推面与上下轴承表面接触摩擦导致异音产生，制作不同高度差样机进行测试及解剖，高度差（磁中心）1.5 mm样机只有轻微异音和磨损，而1.6 mm样机测试中均未出现窜动噪音，解剖也正常。可以看出该款压缩机高度差初始设计的下限值0.5 mm不合理，向下磁拉力不足，实验验证高度差下限最佳值为1.6 mm。

实验表明磁中心高度差（磁中心位置示意图见图6）规格决定了压缩机在高负荷下的稳定性，设计阶段就需充分考虑高度差设计的合理性。