涡旋压缩机电机转子动平衡设计与数值仿真

苏亚锋，张秀华,2，冯治国，吴 臻，吴艳英，路文开

(1.贵州大学 机械工程学院，贵阳 550025；2.贵州民族大学 机械工程学院，贵阳 550025；3.贵州理工学院 机械工程学院，贵阳 550025)

0 引 言

涡旋压缩机作为第三代新型压缩机，以其结构紧凑、高效节能、微振低噪、可靠性高、长寿命等特点，在小型制冷以及空调领域得到越来越广泛应用，已成为压缩机技术发展的主要方向[1-2]。但由于转子结构设计、材质不均匀、制造安装误差等因素，导致电机转子系统的中心惯性轴线偏离其旋转轴线，旋转时产生的离心惯性力所组成的力系不是一个平衡力系，造成转子不平衡或失稳。不平衡会引起转子的挠曲，进而对支撑处的轴承产生动压力，使电机产生振动和噪声，加速轴承、轴封等零件的磨损，导致轴承失效甚至造成严重的事故[3-5]。而电动涡旋压缩机电机的额定运行速度高达12 000 r/min，电机的振动给涡旋压缩机的正常运行带来了极大地安全隐患，因此为使电机在高速下平稳运行，对涡旋压缩机电机转子系统进行动平衡设计与转子临界转速计算尤为重要[6-7]。

本文以正在研发的4.5kW、12 000 r/min高速涡旋压缩机电机转子系统为研究对象，采用双面平衡法对该转子进行动平衡设计，然后利用有限元法数值模拟该转子系统，分析了平衡后转子的各阶临界转速，同时对电机转子的平衡性能进行分析，最后进行了样机制作，并成功配套某高速涡旋压缩机。

1 涡旋压缩机电机转子动平衡设计

涡旋压缩机的压缩机构与电机共用一根轴，电机主轴是传递动力的关键零件，主轴受力状况直接影响到涡旋压缩机的工作性能[1]。由于主轴为偏心机构，旋转时引起主轴运动不平衡，由电机转子平衡理论知，该转子轴向尺寸较大，属于动平衡问题，需采用双面平衡法对其进行动平衡设计[8]。

如图1所示涡旋压缩机电机转子系统主要存在偏心轴段的偏心质量m1和电机转子的偏心质量m2，各偏心质量位于回转平面1和平面2内，转子以角速度ω旋转时它们产生惯性F1、F2将形成一空间力系，故转子动平衡条件是:各偏心质量产生的惯性力的矢量和为0，以及惯性力矩矢量和也为0。

图1 电机转子系统动平衡计算模型

即：

∑F=0,∑M=0

(1)

如图1(b)所示，根据力的分解原理，可将力F分解成FA、FB两个分力，方向与F一致，其大小分别为

FA=FL1/L，FB=F(L-L1)/L

(2)

为使转子达到动平衡，按照图1(b)可将F1、F2向A、B两个平衡基面分解，这样就将空间力系的动平衡问题转化为平面力系的静平衡问题，只要在基准平面A和B上加相应的平衡质量，按照静平衡方法计算即可。由于平衡基面B平衡量的确定与平衡基面A类似，以平衡基面A为例进行静平衡计算:在该基面上加一平衡质量mbA，使得下式成立：

F1A+F2A+FbA=0

(3)

即:

mbA=F1A+F2A/rbA

(4)

根据转子的结构选定rbA，即可确定转子的平衡质量mbA，方向与F1A、F2A合力的方向相反。

按照上述分析代入相关数据，即可求出两平衡基面所加平衡块的质量，平衡块设计成扇形的形状，然后用铆钉固定在电机转子的两端面上。动平衡后的转子模型如图2所示。

图2 电机转子系统动平衡后的模型

2 电机转子系统临界转速计算

临界转速计算是旋转机械设计中重要的内容，准确的计算转子系统的临界转速，对转子系统的动平衡设计尤为重要[9]。临界转速的计算主要目的在于确定转子系统的临界转速，并按照经验或相关的技术规定，将这些临界转速调整，使其适当的远离机械的工作转速，以得到可靠的设计。本次模型计算进行以下设置：

(1)忽略倒角、沟槽等对分析结果影响小的部分，电机转子简化为等效质量的轮盘。

(2)轴承元件采用Bearing约束来模拟。

(3)设置旋转速度0～12 000 r/min，并考虑陀螺效应[10]的影响。

(4)采用远端位移约束来限制转子系统的轴向位移。

设置后的有限元模型如图3所示：

图3 转子系统边界条件设置

图4为涡旋压缩机电机转子系统的坎贝尔图，由于考虑了陀螺效应，旋转结构的特征频率与其旋转速度相关。计算不同旋转速度时的频率，可以得到各个模态频率随转动速度的变化曲线，从图中看出整个转速范围内(0～12 000 r/min),未出现临界转速点，电机转子在高达12 000 r/min转速下平稳运行。

图4 涡旋压缩机电机转子系统坎贝尔图

表1列出了前6阶不同转速下的涡动频率，可以看出不同转速下涡动频率之间表现出了相似性，值得注意的是前5阶涡动方向出现了前后交替现象，对于高速电机转子只考虑正向涡动，正向涡动增加了转子系统的刚性，更易激起振动，反向涡动没有实际意义[11]。图5为该电机转子系统前6阶模态特性。

表1 电机转子系统的临界转速及其不同转速下的涡动特性

图5 电机转子系统前6阶模态特性

3 样机制作

在上述理论分析的基础上，根据相关设计参数加工出高速电机转子物理样机如图6所示。

图6 电机转子实物图

该电机转子已成功配套在某高速涡旋压缩机上，并在实际高速运转过程中涡旋压缩机制冷效果较好，整机噪声低，振感不明显，说明该转子动平衡设计合理，同时也间接的表明该方法可行性，为同类型电机转子的设计和优化提供借鉴。

4 结 语

根据涡旋压缩机电机转子系统结构特点，采用双面平衡法对高达12 000 r/min电机转子系统进行动平衡设计，基于有限元法对该转子进行模态分析和临界转速计算，由坎贝尔图和模态振型可知该转子在整个转速范围内未出现临界转速点，解决了高速涡旋压缩机的大宽径比电机转子在工作转速内易出现临界转速点而导致共振的问用题；最后根据相关设计参数制作出该转子样机，并成功配套某高速涡旋压缩机，整机运作时微振低噪，运转平稳，表明该电机转子动平衡设计合理，采双面平衡法对此类电机转子平衡切实可行。相关研究工作为涡旋压缩机电机转子设计提供一定的参考价值。