单转子压缩机在2P柜机空调上的研究

殷辉 荣晓明 王宏超 朱标 张永良

海信（山东）空调有限公司 山东青岛 266000

1 引言

近年来，空调行业不断地向着小型化发展，尤其是空调柜机。压缩机作为空调器的核心部件，其小型化应用越来越迫切。由于单转子特有的转动惯量，在大冷量系统中，对管路冲击大，运行和停止时，管路应变大，存在断裂风险[1]，其弊端被限制广泛应用；同时，柜机室外机四通阀管路多为12.0 mm管径，成本偏高。因此，设计一种振动抑制控制方式和四通阀管路组合的方案，尝试解决以上问题。控制方式方面：多种多样[2-5]。现提出一种计算扭矩补偿曲线方式，其主要特点是曲线随着工况进行变化，从而可以实现更精确的控制，取得更好的补偿效果。四通阀管路方面：2 P柜机空调多使用外径为12.0 mm四通阀管路及2 P四通阀体，成本较高；设计更具成本竞争力的外径为9.53 mm四通阀管路及1.5 P四通阀体进行管路应力实验。为验证上述组合方案下，单转子压机在2 P柜机空调上应用可行性，以压缩机吸气管口和排气管口处应力值作为衡量指标，从如下方面进行研究：在不同环境工况下（常规制冷工况、常规制热工况、大负载制冷工况、大负载制热工况），对室外机运行过程中吸气管口和排气管口进行应力测试；在不同环境工况下（常规制冷工况、常规制热工况），设定不同频率下关机，对关机过程中吸气管口和排气管口进行应力测试。所有应力值为实验测试最大值，并与极限值进行比较分析，结果表明应用可行，为单转子压机在柜机空调上应用提供一种参考方法。

2 控制方式简述

学者纪历[6]、王宗良[7]对电机控制进行了相关研究，在控制原理基础上，本文提出一种力矩曲线计算控制方式，根据转子压缩机的力矩模型以及压缩机电磁转矩模型，计算扭矩补偿电流，前馈到q轴Iref进行实时控制[8]。控制方式如图1所示。前期已经对该控制方案相关内容进行研究，本阶段主要通过该控制方案和相关管路组合设计，以管路应力特性为指标，研究单转子压缩机在2 P柜机空调应用可行性。

图1 自适应振动抑制控制方式图

3 四通阀管路设计

四通阀管路对单转子压机能否应用于2 P机上起到关键作用，借助仿真软件选定四通阀管路方案。设计了2种四通阀管路方案（吸气管管径、冷凝管管径、蒸发管管径全部为9.53 mm，四通阀体为1.5 P小四通阀体），两者区别在于吸气管形状不同。为快速确定较优方案，通过三维建模软件建模，然后进行管路模拟，根据模拟结果，最终选择较优的四通阀管路方案，与控制方式一起作为组合方案，进行实验。四通阀管路方案1和方案2如图2所示。

图2 四通阀管路方案

通过ANSYS Workbench软件对以上两种方案模拟分析，模拟管路受压机激励时的应力问题，固定约束吸排气口等，如图3所示，在回气排气管位置各加载1 N的力模拟压机对管路的激励，结果如图4。

图3 吸排气管模拟受力示意图

由图4模拟结果可以看出，方案2排气弯在65 Hz附近应力值很大，方案1整体表现优于方案2，因此，选取管路方案1进行实物实验测试。同时，还可以看出，50～70 Hz区间，应力值普遍偏高，说明此方案管路固有频率大多集中在此频率段，需要重点关注此频率段应力测试情况。

图4 两种管路方案受力模拟对比

4 实验研究

4.1 实验步骤

4.1.1 运行测试

（1）制冷工况下，研究不同频率下（16～84 Hz，每隔2 Hz）吸气管口和排气管口应力变化情况；

（2）制热工况下，研究不同频率下（20～102 Hz，每隔2 Hz）吸气管口和排气管口应力变化情况；

（3）制冷大负载工况，研究压机自由运行过程中吸气管口和排气管口应力变化情况；

（4）制热大负载工况，研究压机自由运行过程中吸气管口和排气管口应力变化情况。

4.1.2 停止测试

（1）制冷工况下，设定不同频率（20～70 Hz，每隔10 Hz），关机，研究不同频率关机下吸气管口和排气管口应力变化情况；

（2）制热工况下，设定不同频率（20～100 Hz，每隔10 Hz），关机，研究不同频率关机下吸气管口和排气管口应力变化情况。

注：制冷工况（室内27℃/室外35℃）、制热工况（室内20℃/室外2℃）、制冷大负载工况（室内34℃/室外45℃）、制热大负载工况（室内27℃/室外24℃）。

4.2 实验样机及应力测点描述

吸气焊点、吸气弯、排气焊点、排气弯四处应力测点示意图和应力测点实物图见图5，实验用单转子压缩机结构简图见图6。

图5 应力测点示意图及实物图

图6 压缩机结构简图

4.3 应力极限值简述

（1）运行：空调室外机管路应用可行性，主要取决于压缩机吸气口和排气口处管路应力值表现，在压缩机长时间的抖动下，此处管路最易发生应力疲劳损伤，本次实验应力极限值取13 MPa。

（2）停止：极限值选取50 MPa。

4.4 实验结果及分析

从图7可以看出，所有应力测点值均低于极限值，50～70 Hz频率区间，应力值普遍偏高；从图8可以看出，制热工况，整体表现的趋势与制冷工况相对一致。表明低频40 Hz下，振动得到很好的抑制，50～70 Hz频率区间，应力值偏高，与模拟结果吻合，说明此现象与管路模态强相关，后续可以根据模拟仿真，继续优化管路设计，或者在上述管路上增加配重，解决该频率段应力值偏高问题。

图7 制冷工况不同频率下排气和吸气测点实测应力

图8 制热工况不同频率下排气和吸气测点实测应力

从图9可以看出，制冷工况下不同频率点停机后，各个测点表现的应力也不相同，排气焊点和吸气弯分别在60 Hz及70 Hz表现最差，但测试值与极限值相比，余量空间较大。从图10看出，制热工况下，各个测点测试应力值远低于极限值，其中，50 Hz应力值表现最差；以上同样表明，低频40 Hz下，振动效果很好，应力值表现较差的频率，与管路模态强相关，优化方法可同上。

图9 制冷工况不同频率下压机停机排气和吸气测点实测应力

图10 制热工况不同频率下压机停机排气和吸气测点实测应力