300w全封闭微型转子压缩机设计【含CAD图纸+文档】
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本科毕业设计（论文） 题 目 300w全封闭微型转子压缩机设计 学生姓名 专业班级 学 号 院 （系）指导教师(职称)完成时间 摘要本文主要介绍了一种全封闭式微型转子压缩机的设计过程，这个过程包括指导老师一直以来的监督和引导，还有同组成员间的学习和探讨。所做的工作包括前期的资料收集，相关的热力计算，和简单的动力学分析，以及电机的选型，最后是利用计算机软件绘制各个零件图和最后的装配工程图。这些是现有的知识所能理解并做到的，该设计过程主要是参考现有的研究成果模仿来的。忽略了微型气缸内气体流动状态的变化，关于容积效率的计算忽略了不同条件下的误差。通过这次工作，大致了解了设计产品的一般思路，还有很多没有考虑到问题，需要跟多的学习和准备。关键词：微型转子式压缩机；设计ABSTRATThe article tells the designing process of a closed cycle miniature rotary compressor. It thanks to the guide of the teacher and the share between the members. The work includes the collection of the data， the thermodynamic calculation , the simple dynamic analysis and motor selection and the detail drawing and the engineer drawings. This is what I can think about and reach. The designing process is mainly based on the models. It ignores the change of gas flowing state in the cylinder and errors under different conditions on volumetric efficiency calculation. It teaches how to design the production and there are still many problems for the further study.Keywords：Miniature rotary compressor；designII目录摘要IABSTRATII0引言11. 绪论11.1蒸气压缩制冷系统的研究概况11.2微型压缩机的研究现状21.3滚动转子式压缩机的发展史21.4本次设计所做的主要工作42微型滚动转子式压缩机设计52.1滚动转子式压缩机的基本原理52.1.1滚动转子式压缩机原理分析52.1.2滚动转子式压缩机工作过程分析62.2微型滚动转子式压缩机的设计依据72.2.1运动规律分析及孔口位置确定72.2.2工作容积内压力变化分析112.2.3热力计算132.2.4动力计算152.3微型滚动转子式压缩机的一般设计182.3.1单级蒸气压缩制冷循环182.3.2制冷剂及润滑油的选择202.4主要结构参数的确定213.滚动转子式压缩机结构设计233.1滚动转子式压缩机的装配图233.2曲轴的设计243.3汽缸的设计263.4主轴承的设计293.5阀片材料选取303.6.电机的选取323.6.1电机的基本知识323.6.2电机的选择333.7各个部件的装配问题343.7.1汽缸的装配343.7.2其他部件的装配问题。354.零部件的校核问题385.结论410引言科技的发展，特别是计算机和控制技术的发展，使得具备更加复杂的设备得以生产，人们努力发掘制冷的应用范围，制冷行业已经涉及到生产和生活的各个方面。人们在能源与动力，医疗与卫生，军事，航空航天等领域提出了更高的要求。同时也对制冷装置小型化，轻量化提出了要求。微型制冷系统特别是用于特殊环境下的个人冷却和小空间冷却有着广阔的开发前景。作为制冷系统的核心部件制冷压缩机的小型化设计和生产也越来越受到人们的重视。这次的课题是为一家企业生产微型制冷压缩机，用于夏日排挡啤酒箱的冷却。要求的制冷量是300w，按照微型压缩机的概念，直径56mm 3 ，这次设计的压缩机尺寸是60mm*100mm.在结构上基本符合微型转子式压缩机的标准。1. 绪论1.1蒸气压缩制冷系统的研究概况当前个人冷却系统中，众多研究机构都更偏向于微型蒸汽压缩式制冷系统的研究，这是因为它具有很多的优点，如制冷剂质量流量小、冷凝的温度低及制冷性能系数高等。Aspen公司曾为美国军队研制了一种微型蒸汽式压缩机制冷的个人冷却系统，该系统的长宽高=240mm178mm94mm，重量约2.7kg，可在48的环境温度下产生300W的制冷量。北京工业大学环境与能源工程学院传热强化与过程节能教育部重点实验室已经开始了这一方面的研究工作,并研制出了微型制冷系统的样机,该系统在38的环境温度下最大可以产生约400W的制冷量, 给出了该系统制冷量随时间的变化。制冷装置尺寸为265 mm250 mm120 mm,质量约为4 kg。因尚处于前期开发阶段,该系统运行还不够稳定,与国外系统相比,还有一定的差距1。微型制冷系统即使对国外也是一个崭新的课题，世界上目前只有美国纳提克单兵中心和Apsen公司从事单兵空调系统的研发。美国Apsen公司生产微型制冷系统，但他们制冷系统并不完善。北京工业大学已经对微型蒸气压缩制冷系统进行了系统的研究，并已经成功研制了制冷量300w的微型蒸气压缩制冷系统，目前处于进一步优化阶段。2 1.2微型压缩机的研究现状微型制冷系统对它各部件的微型、轻量化要求都很高，因此微型压缩机的选型必须符合高效节能、结构紧凑、尺寸小、重量轻及工作噪音小等特点，才能适用于微型制冷系统。通常将容积流量小于1m/min的压缩机定义为微型压缩机3。往复活塞式压缩机是当今压缩机最理想的机型之一，它是由曲轴和连杆组成曲柄连杆机构，带动气缸内活塞做往复直线运动，从而对气缸内气体进行压缩和排放循环。它具有较好的可靠性和气密性，加工成本低且热效率高，加之其设计与制造技术成熟，至今仍广泛应用于工业和商业制冷上。但往复活塞式压缩机局限于结构复杂、零部件多、低转速、噪音大和输气不连续等问题上，并不适合开发微型压缩机组来适应微型制冷系统。回转式压缩机无往复运动机构，通常不设吸气阀，具有结构简单、体积小、重量轻、零部件（特别是易损件）少、振动小、运行平稳可靠、操作简便、易于实现自动化等优点，是研制微型压缩机首选结构类型。在国外，由Aspen公司生产的世界最小最轻的双螺杆式压缩机 ，专为尖端制冷系统量身定做。它含有一个大功率压缩机和直流无刷电机，通过控制直流电流大小可以调节电机转速，从而使压缩机在范围内满足不同负荷的要求4 。该微型旋转压缩机可在-3060的环境温度中运行，最大制冷量可达500W；压缩机尺寸为?56mm78mm，重580g，制冷剂为R134a，电压在2028V之间，蒸发温度范围为-1824，冷凝温度范围为2772。在国内，北京工业大学利用微细电火花加工技术制造出微型三角转子式压缩机，图8为该压缩机的外形示意图。该压缩机采用铸铁和铝合金制造，重量约为0.4kg，制冷剂：R22，电压：12/24V，可在40的环境温度下产生300W的制冷量【1】 。1.3滚动转子式压缩机的发展史滚动转子式压缩机发展至今已有70余年的历史，但长期以来使用不普遍，因而它的结构形式及品种都比较少，其生产类型主要有两种：一种是大型开启式，另一种是小型全封闭式。20世纪80年代末，我国则刚刚才引进国外技术，并逐渐发展滚动转子式压缩机技术，早期的滚动转子式压缩机生产厂家有上海冰箱压缩机厂、西安庆安公司、南京金陵机械厂和珠海压缩机厂等等。滚动转子压缩机的研究现状经过几十年的发展，世界各国对滚动转子式压缩机的研究已经相当深入了，主要体现在以下几个方面：计算机数学模型近几年，由于受生产的限制，滚动转子式压缩机的研究与发展基本上集中在性能模拟及改进上。通过不断的建立与完善其数学模型，用计算机技术对模型进行模拟，找出一系列可以改善性能的措施。性能的改进滚动转子式压缩机的动力分析是个很复杂的过程，我们必须从结构上弄清其内部各个部分的受力情况及余隙容积的大小，这对我们合理设计和使用压缩机、降低成本及噪声、提高能效比具有很重要的意义。为了提高滚动转子式压缩机的性能，必须着重于压缩机动力的分析和结构的优化摩擦、磨损的研究滚动转子式压缩机工作时，气缸内滑片依靠弹簧力和滚筒紧贴着将气缸分为两个工作腔（吸气腔和压缩腔），通过研究滑片和滚筒及转子的受力、运动、动力学特性及摩擦损失等方面的问题，可以解决滑片易受损而影响到压缩机的正常工作等问题；此外，轴承的研究也在研究摩擦损失范围内，有些文章将偏心轴承模拟为准静态轴承或有限长动载轴承，从而根据摩擦理论来分析轴承运动状态和摩擦损失。振动及噪声的改善由于设备的长期运行，滚动转子式压缩机因轴承回转质量不平衡和电磁不平衡而产生的电磁力及气体力对轴产生激励力，加上转子的高诉运动而造成局部磨损，从而引发压缩机振动和噪声。目前各国对滚动转子式压缩机减振降噪技术方面上仍在不断的探索中，仅有美国、日本、韩国及欧洲一些国家对其的研究走在前列。尽管世界各国对滚动转子式压缩机的振动及噪声进行了很多研究，虽取得了一定的效果，但实际效果并不是特别的明显，所以对滚动转子式压缩机减振降噪的研究还需继续深入.几年过来，学者们对于滚动转子式压缩机的研究几乎都集中在前两方面，但经过多年努力和试验，滚动转子式压缩机的热物理过程日趋完善，目前对其的研究重点逐步偏转向后两方面，以提高压缩机可靠性及环境保护方面的竞争能力【5】1.4本次设计所做的主要工作这次毕业设计持续了大概四个月的时间。记得老师刚开始对我们说的一句话，你们要向对待真正的产品时所应有的态度来做这次毕业设计。大概到了五月份，毕业设计时间进行到四分之三的时候，老师有撂下一句话，现在别管那么多了，只要你们设计出的东西理论上能够说的通就行。我承认，花在毕业设计上的时间总共不到一个月，自己做的工作少的可怜。所以面对这将近三万字的说明书，真的不知道该怎样写。我承认上面的两段大部分是抄袭的别人的。就像文章中作者所说，研究这方面的公司和机构很少，相关的学术性的稳重也很少。而且我发现在仅有的几篇文章中，所写的内容重复的比较多。接下来的内容不免又要摘抄他人的作品。我知道本该花费时间好好学学什么是汽缸的工作容积，装配时公差与配合时怎样的等等。不过只能就我所知道所能找到的写了。我所做的最省事的工作是压缩机热力计算，因为课本上有现成的计算模型，最后利用软件进行了校核。结果较为理想。这个过程很简单，不需要自己学习新东西，不需要自己的创新性的东西。当然这也是最懒的工作。接下来是要对各个部件进行动力计算，这部分应该也能算，要用到理论力学工程力学上的知识，要重新学习，这个过程可能要发一些时间和精力。但是我选择更简便的方式，直接参考了现成的。就如在电机转子上添加平衡块的问题，我也是随便设计一个形状和样式，并没有经过计算和分析。我完全体贴自己的意思，不肯花时间和精力去学习和创新，也失去了那在学习上经历和造就自己的机会。这次课程设计不是根据进程一步一步的向前走的，而是被时间推着走的。时间马上进入五月中旬，毕业设计截止日期临近。不管前面做的怎样，开始画图了。Cad是大一学的早忘光了，proe和slide works是大三学的，但也是所剩不多了。于是边看视频教程边画图。压缩机汽缸的尺寸是根据其他文献设计的，电机的选择是计算出电机功率后在网上选的型号，其他零部件的设计是参考一些文献专利仿照而来的。有一些并不适用于微型压缩机，后来进行了修改。至于尺寸完全是在满足性能的条件下尽量缩小其体积。这次设计说明书放在距离毕业答辩的最后几天。时间紧张，在满足格式和字数要求的前提下，尽可能写自己做过的东西，自己所能理解的东西。 2微型滚动转子式压缩机设计作为蒸汽式微型制冷系统的核心部件，压缩机的优化设计有着重要的意义，其既要符合体积小、质量轻的条件又要满足高性能的要求。滚动转子式压缩机是回转式压缩机的其中一种，它既保留了往复式压缩机良好的经济性，又摆脱了往复活塞运动，利于实现高速化，从而使之具有体积小、重量轻、结构简单、零部件少、运行稳定、噪音低、转速高和效率高等优点。与传统往复活塞式压缩机相比其体积减小4050%，重量减轻4050%，能耗减少1020%，效率提高3040%，通过现代微电机技术可使其结构更加微型化，较适合应用于微型制冷系统。2.1滚动转子式压缩机的基本原理2.1.1滚动转子式压缩机原理分析滚动转子式压缩机主要是由气缸、套筒、滑片、弹簧、偏心轴、排气阀及气缸两端盖等部件组成。如图所示，气缸体成圆筒形，在其上设有吸气孔和排气孔，它与往复活塞式压缩机最大的区别是无吸气阀。气缸内装入一个具有偏心装置的偏心轴，在其上套一个套筒（即滚动转子），偏心轮轴绕轴心转动的同时，套筒在气缸内壁上滚动，两者之间有一条接触直线并形成一个新月形空腔，将气缸两端用端盖封闭后，便形成了压缩机的工作腔。在汽缸上的吸气孔和排气孔之中开一道径向的槽，槽中装有滑片，滑片靠背部弹簧的作用使其端部紧贴在套筒的表面，这样一来，滑片就将新月形工作腔分成了两部分：靠近吸气孔一侧的称为吸气腔；而另一侧称为压缩腔。当偏心轴通过电驱动绕轴心连续旋转时，吸气腔与排气腔的容积不断随周期性变化，从而实现了吸气、压缩、排气的循环工作过程。当偏心转子转到最高点时，吸气腔达到最大值，压缩腔则缩小为零。滚动转子式压缩机工作原理如图2-1：图2-1滚动转子式压缩机结构示意图（左）工作原理图（右）2.1.2滚动转子式压缩机工作过程分析如图所示，用气缸中心O1和气缸与转子的切点T的连线OT来表示转子转动过程中的位置，用来表示所转动的角度，以OT与滑片中心线重合时的位置开始，此时偏心轴转角=0。当转子转动了=时，吸气孔与吸气腔相通，吸气过程开始。当吸气过程持续到转子第二次达到OT与滑片中心线重合的位置时，既=2，此时工作腔中充满了气体，其压力与吸气腔中的压力相同，等于从吸气孔吸入的气体压力，这部分气体是通过转子的第二次转动被压缩的，且当切点T正好到吸气孔的前缘，即=2+时开始压缩。当转角达到某一位置（=2+）时，压缩腔内气体压力稍高于排气管中的压力并能克服排气阀的阻力，此时排气阀自动打开，压缩过程结束，排气过程开始。当切点T过了排气孔的前缘（=4-）后，排气腔与吸气腔相通，排气过程结束，此时排气腔中还存在一个小容积，被称为滚动转子式压缩机的余隙容积。当转子继续转动切点T到达排气孔后缘（=4）时残留气体将再度被压缩，这样就不断的循环就是滚动转子式压缩机的工作过程。根据上述分析，可将滚动转子式压缩机的工作过程归纳为以下两点：1）一定量气体的吸入、压缩和排出过程是在转子的两转运动中完成的，由于滑片的作用，吸气腔和压缩腔内的工作过程是同时进行的，所以可以将其理解为每一转即完成一个工作循环。2）从图2-2上可看出，滚动转子式压缩机的几个特征角对工作过程有一定的影响：吸气孔口后缘角可构成吸气封闭容积，=时开始，的大小影响吸气开始前吸气腔中的气体膨胀，造成过度低压或真空；吸气孔口前缘角的存在会造成在压缩过程开始前吸入的气体向吸气口回流，导致输气量下降；会影响余隙容积的大小，在排气结束时期中残存的高压气体将膨胀后进入吸气腔，因而也减少实际输气量；造成压缩机再度压缩，其压力可增大到惊人的程度，不仅功耗增大，甚至造成机械的破损。从影响效果来看，各个空挡角应该越小越好。图2-2滚动转子式压缩机的工作过程示意图2.2微型滚动转子式压缩机的设计依据2.2.1运动规律分析及孔口位置确定滚动转子式压缩机的分析中少不了对其主要结构参数的分析，主要包括气缸直径D=2R，气缸高度H，相对气缸高度=H/D及相对偏心距。相对偏心距是偏心距e与气缸半径R之比，即=e/R，它对整个结构中气缸利用率及结构尺寸的影响极为重要。只要确定以上这几个参数后，转子压缩机的其他参数都能被一一确定下来。下面将对其进行结构的系统分析：1）滑片的运动规律如图11所示，滑片将压缩机工作腔分隔为吸气腔和压缩腔两个部分，滑片通过弹簧的作用紧贴于套筒壁上，随滚子的滚动而作往复运动。现令接触点A距最高点B之间的距离为x，矢量为接触点A到气缸中心O的距离，则x=R-。从图中不难看出，滑片运动规律与活塞的运动规律完全相同，由此可以得出矢量的运动长度随转动角度的变化式为：(2-1)滑片伸入气缸内x的长度随转动角度的变化式为：(2-2)2-3滚动转子式压缩机运动示意图2）气缸容积的变化规律若不计滑片厚度及吸、排气孔下的容积，则气缸的工作容积为：(2-3)其中Vx、Vy分别为气缸的吸气容积和气缸的压缩容积。根据图11所示，Vx可表示为： （2-4）其中Ax为曲线三角形ABT的面积： Ax=1/2R2(2-)-R2(1-)sin+1/4sin2(2-5)结合以上几个公式，可得任意转角时刻的吸气腔容积Vx和压缩腔容积Vy，别用以下两式来表示为：Vx=AxH=1/2HR2 (2-)-R2(1-)sin+1/4sin2 (2-6)Vy=Vg Vx (2-7) 通过对式（6）、式（7）进行变形后可得两个无量纲Vx/RH和Vy/RH。图2-4示出了在不同数值的相对偏心距下，无量纲量Vx/R2H及Vy/R2H随偏心轴转角的变化曲线。从图中可看出：的数值越大，无量纲量Vx/R2H及Vy/R2H也越大，说明气缸容积利用率也越高；当偏转一个很小的角度（相对于从气缸最顶端开始），Vx和Vy还不到Vg的0.5%，所以滚动转子式压缩机的余隙容积可以做得很小。通常，空挡角及控制在3035之内比较合理。图2-4吸气腔与压缩腔容积变化为方便说明，引入一个气缸容积利用系数K，气缸容积利用系数=气缸工作容积/气缸容积，即：所以（3）式又可以写作： (2-8) (2-9)(9)图2-5示出了K-之间的关系，从图中可看出，K值在01（也只可取01）范围内，K的大小随相对偏心距增大而增大，也就是说，在外形尺寸等同（工作腔容积一定）的情况下，越大则气缸容积利用率越高；相反越小，气缸容积利用率越小，气缸工作容积也相应地减少。2-5汽缸容积变化系数随相对偏心距的变化曲线。图2-6给出的是在某工作容积及气缸轴向高度不变的情况下，气缸半径和偏心距与相对偏心距间的关系图。从图中发现，的取值也不易过大，过大将造成结构不能加工或者应力过大，通常的取值范围为0.080.2。图2-6汽缸半径和偏心距随相对偏心距的变化曲线若考虑滑片厚度，且厚度用Bn来表示，则压缩机实际吸气容积和实际压缩容积为 (2-10)(2-11)2.2.2工作容积内压力变化分析上一部分已对气缸工作容积的变化规律进行了分析，以下部分将要对几个特征角度时工作腔及压缩腔容积的变化对应压力的变化情况进行分析，参考图10，以转子处于最上端位置是令=0，将压缩机内压力变化分为以下几个阶段：1）0这个空挡角主要是造成吸气腔内压力形成低压或部分真空，这就意味着有损失，为避免这个现象的发生，可将此角度范围的气缸壁削去一些（0.51.0mm）从而减少这一损失。2）2这个阶段被称为吸气阶段，当=2时，吸气腔为整个工作过程的最大值，由于无吸气阀的作用，压力降很小，此时腔内的压力p1可认为与吸气管内压力p0相等，即p1=p0。3）22+这个空挡角将造成吸气孔处部分回流，但是压缩腔还是和吸气管相通，所以制冷剂蒸气压力未变。4）2+2+当=2+时，压缩腔与吸气孔断开形成封闭的月牙腔，蒸气压缩开始，随着转子的转动，压缩腔容积不断减小，蒸气压力不断增大。当到达=2+时，压缩腔内的压力p达到足以克服排气阀压力pk，继而有了下个阶段的排气过程。此范围内的压缩过程是一个多变过程，即：(2-12)通过上式可求出在某转角时刻压缩腔内的压力 (2-13)上式除了可计算压缩过程中任意转角时压缩腔内的压力，也可用来确定排气过程开始时的排气角。5）2+4-此阶段为排气过程，压缩腔内压力按排气压力p2=pk排出压缩腔，当=4-排气过程结束，排气阀自动关闭。6）4-4此时压缩腔与吸气腔相通，压缩腔内残余的高压蒸汽将膨胀入吸气腔，造成压缩机实际吸气量降低。此角度范围内还有一个特征角，当4-4时，封闭压缩腔压力能能大到惊人，不仅要多消耗工况，还会使摩擦增大，设置损坏继续，所以亦将此范围内的气缸壁削去一部分，使之始终保持与排气孔相通。图2-7滚动转子式压缩机p-v图通过以上对工作腔内蒸气压力的分析，结合滚动转子式压缩机的运动特征，在偏心轴转动一周时，可用图2-7来诠释整个工作过程容积的变化（包括吸气腔容积Vx、压缩腔容积Vy）和压力的变化。以上计算过程是参照【5】2.2.3热力计算1）输气量的计算滚动转子式压缩机的输气量 qv,r的计算如下：q v,r=qv,t （2-14）式中：压缩机的输气系数；qv,t压缩机理论量，其可通过压缩机工作容积确定(2-15)其中n为压缩机转速，rpm。从式（14）可以看出，当给定实际输气量qv，r和压缩机的容积效率时，可以在确定其中几个主要结构参数的关系后，得到气缸半径R的大小；若确定压缩机几个主要结构参数大小和容积效率后，可得出输气量的大小。无论是输气量的计算还是气缸尺寸的计算，都和容积效率的有着很大的关系，所以压缩机设计和性能分析最主要的还是容积系数的选取.2）容积效率的确定容积效率表征的是气缸工作容积的利用程度，它反映的是压缩机由余隙容积,吸气压力、吸气温度和泄漏造成的各种损失情况，可用下式来表示： (2-16)式中，v、p、t、l分别为容积损失系数、压力损失系数、温度损失系数和泄漏损失系数，下面将分别对各个系数进行讨论：（1）容积损失系数容积损失系数包括余隙容积损失和结构容积损失两部分，其中结构损失是由吸气孔后缘角造成的，事实证明，随着角的增大，结构损失亦增大，当角控制在35以内时，结构容积损失所占比重很小，可以不计，所以压缩机的容积损失可用余隙容积损失来代替：(2-17)式中：c压缩机的相对余隙容积，由于滚动转子式压缩机的相对余隙容积可以做的很小一般小于1.5%，可以认为c0.015；分别表示冷凝压力和蒸发压力，Pa；k工质的绝热指数。（2）压力损失系数滚动转子式压缩机的压力损失系数可用下式来表示：(2-18)压力损失主要取决于压力相对损失p0/p0，但由于滚动转子式压缩机无吸气阀，相对压损仅为0.005左右，因此可认为p=1。（3）温度损失系数由于全封闭滚动转子式压缩机是吸气管直接与气缸相连，而二者又全部浸在壳体内的高温高压气体中，因而可对吸入气缸中较低温度的气体进行加热，所以加热系数比较小，一般可用由实验方法得出的经验公式来计算：（2-19）式中：冷凝温度，K；吸气温度，K；蒸发温度，K；A、B经验值。通常当压缩比为28时，t取0.820.95，压缩比大时取小值。（4）泄漏系数泄漏系数在滚动转子式压缩机中具有重要的影响。若考虑较小间隙时，l值可在0.920.98之间；若按标准工况设计时可近似地取l=v；若按转速来确定时，当n3000rpm，l0.820.92，当n1500rpm时，l0.750.88。2.2.4动力计算动力计算的目的主要是观察滚动转子式压缩机各部件上的作用力，以及其随滚子转动角变化时的规律，其次是确定缩小的飞轮惯性矩。其主要受力情况如下：1）气体力作用于气缸及端盖的内表面、转子的外表面和滑片的两侧及下部端面上的气体力，是由工质压力在气缸内产生的。由于转动压缩，引起压缩腔内气体压力增大，在转子上产生一个通过几何中心O1指向吸气腔上的力，从而产生一个压缩机的最主要的一个反力矩，其作用是产生轴负荷并使转子弯曲；在滑片侧面上产生的指向侧面的力主要造成滑片的变形和弯曲；根据滑片下部端面的形状不同，作用力指向端面的法线向上，作用是使滑片具有与转子表面脱离的趋势。2-8气体力计算图如图2-8所示，由于结构特点，作用在转子上的部分力可以相互抵消，滚动转子式压缩机的气体力可用下式表示：(2-20)式中：L是滑片与转子接触点A和转子与气缸接触点间的连线长度，其大小可用式（21）来确定，(2-21)l反力矩壁，是点O到AT法线上的距离，其大小可用式（22）表示(2-22)，p为转子转过角度时，压缩腔内气体压力，Pa；压缩机吸气压力，Pa。通过式（20），可找出FR的最大值，其一般出现在排气过程开始时，即=时，FR=Max。图2-9为气体力随偏心轴转角（FR-）关系图。另外，侧面气体力方向始终指向吸气侧，其值可用下式来计算： Fp =Lx( - p1) (2-23)其中x为滑片伸出汽缸的长度图2-9气体力与转角的关系2）滑片弹簧力弹簧力是由作用在滑片上的弹簧产生的，方向沿滑片径向方向，使滑片与转子表面互相紧贴。弹簧力也可使转子弯曲和产生轴承负荷作用，与气体力相比甚小。其大小如下式： FT=+(2e-x) (2-24) 式中：弹簧在装配位置（=180）时的力，N；弹簧压缩1mm所增加的力，N/mm。3）旋转惯性力旋转惯性力是有偏心装置产生的，亦称离心力。它的大小不断随方向变化但总是指向轴心，它也会产生轴承负荷作用，可在偏心轴另一侧加平衡重使之保持平衡。4）摩擦力滚动转子式压缩机内相对运动的接触面之间存在着大小相等方向相反，分别作用在两个接触面上的摩擦力。对转子而言，摩擦力发生在与气缸壁接触点T处，滑片底部端面A处，两端盖之间，作用都是增大压缩机的反力矩；对滑片而言，与转子接触点A处，气缸槽道间，两端盖间，作用加剧滑片的弯曲。对于它们本身的重力，其值较小可以忽略不计。2.3微型滚动转子式压缩机的一般设计压缩机的设计主要先确定其制冷循环，根据设计工况选取合适的制冷剂，在对其进行热力计算后将压缩机的尺寸确定下来6。2.3.1单级蒸气压缩制冷循环由于研制压缩机尺寸的微小化，选取微型制冷循环需根据实际出发，结合市场实际情况，而采用较为简单的单级蒸气压缩式制冷循环，图2-10为单级蒸气压缩式制冷循环系统图及与其相对应的压焓图（p-h 图）。图2-10单级蒸气压缩制冷循环图（左）和压焓图（右）单级蒸气压缩制冷循环包括蒸发器，压缩机，冷凝器,膨胀阀（节流阀）四个基本部件。他们之间通过管道依次连接而形成一个封闭系统：从蒸发器中产生的低温低压制冷剂蒸气通过压缩机的压缩后，形成高温高压蒸气，而后经过冷凝器冷凝作用后，在压力不变的情况下凝结成液体，高压液态制冷剂通过膨胀阀时，因受阻而使压力降低形成低温低压湿蒸气，再回到蒸发器中保持压力不变的情况下，吸收被冷却介质的热量而气化，然后又被压缩机吸走而形成一个封闭的制冷循环。通过已定蒸发温度、冷凝温度及过冷过热度来计算出制冷循环性能的各个指标，其计算过程如下：单位质量制冷量，kJ/kg， qo=ho-h6= ho-h5 (2-25)单位容积制冷量KJ/m(2-26)(2-27)单位功KJ/kgwo =h2-h1制冷系数(2-28)若系统制冷量Q0 为已知量，制冷剂循环量 KJ/sj(2-29)qm=Qo/qn压缩机的实际输气量m/s(2-30)确定主要参数后，可以通过式（9）和式（15）来确定汽缸半径。2.3.2制冷剂及润滑油的选择制冷剂的选取对于压缩机结构性能来说是一个比较复杂问题，需要考虑的因素很多，我们对其进行选择时需根据具体情况来确定，选取原则主要包括以下几个部分。71）符合环保的要求。必须选用符合国家环保法规的制冷剂。2）考虑制冷温度的要求。根据制冷剂温度和冷却条件的不同，选用高温（低压）、中温（中压）、低温（高压）制冷剂。通常选择的制冷剂的标准蒸发温度要低于制冷温度 10。选择制冷剂还应考虑制冷装置的冷却条件、使用环境等。运行中的冷凝压力不应超过压缩机安全使用条件的规定值。3）考虑制冷剂的性质。根据制冷剂的热力性质、物理性质和化学性质，选用那些无毒、不爆炸、不燃烧的制冷剂；选用制冷剂应传热好、阻力小、与制冷系统用材料相容性好。4）考虑压缩机的类型。不同的制冷压缩机的工作原理不同。容积式压缩机通过缩小制冷剂蒸气的体积而提高压力的，一般会选用单位体积制冷量较大的制冷剂。结合设计要求和选取原则，本课题选用的是 R134a 制冷剂作为循环系统的工质。氟里昂134a 是一种新型制冷剂，属于氢氟烃类，其沸点为-26.5，破臭氧层潜能值 ODP 为 0，但温室效应潜能值 WGP 为 1300。一般与 RL 68H 润滑油配合作为压缩机的制冷剂和润滑冷却液来使用。2.4主要结构参数的确定按照上面的设计过程，本次课题参数蒸发温度7.2；吸气温度18.3；冷凝温度54.4；制冷剂液体温度46.1，等熵功率80%，额定转速2880rpm。计算结果如表2-1，表2-2，表2-3所示 表2-1滚动转子式压缩机主要结构参数关系名称符号尺寸计算关系汽缸半径汽缸直径滚动转子半径偏心距相对偏心距滑块厚度滑块长度汽缸高度相对汽缸高度汽缸容积利用系数RDreBLHKRD=2Rr = R-ee=R=e/RB=1.5eL=4eH=D=H/DK=(2-) 表2-2微型滚动转子式压缩机热力计算结果名称符号单位计算结果 单位制冷量单位理论功质量输气量容积效率理论输气量等熵功率指示效率指示效率机械效率轴功率电动机效率电效率电功率q 0w 0q mvq v tP t siPimNemoelPelKJ/kgKJ/kgKJ/s-m/sKW-KW-KW-KW147.19300.0020.800.0001460.06110.800.07630.950.08030780.5930.103表2-3微型压缩机的设计机结构参数(mm)名称符号计算结果汽缸半径偏心距滚动转子半径滑片厚度汽缸高度滑片径向高度RerBHL15.02.412.64.0159.6 3.滚动转子式压缩机结构设计3.1滚动转子式压缩机的装配图图3-1微型转子式压缩机的结构图如图3-1是微型滚动转子压缩机的一般结构图。从上图可以看出，滚动转子式压缩机的零部件较少，结构比较简单。主要有连接活塞和电动机转子的曲轴，活塞，汽缸，排气阀片，升程限制器，上下轴承，上下壳体，气液分离器，电动机组件，还有接线部分等。83.2曲轴的设计图3-2曲轴主视图3-3曲轴断面图3-4曲柄的断面图如图所示图3-2，图3-3，图3-4滚动转子式压缩机的曲轴结构一般在中心处设置有一同轴的阶梯油孔，为保证压缩机构的供油量充分，位于曲轴中心的油孔末端通常设置有上油叶片，甚至还设置有油泵壳体，通过设置上油叶片一方面可以增强曲轴中心的油孔的泵油动力，另一方面是在曲轴的油孔的截面方向上形成局部高压区，使更多的油通过曲轴上的侧向油孔流入压缩泵体内，保证压缩机构的润滑和密封。另外，由于压缩机构需要一个具有偏心轴结构的曲轴来驱动，这样就导致了压缩机构的不平衡重，为平衡压缩机构的不平衡重，一般是在滚动转子式压缩机的电机转子上设置两个平衡块。本实用新型采用上述的技术方案9 ，将曲轴的油孔分为两段，且该两段油孔不同轴设置，其中，副轴油孔的轴线与曲轴的轴线同轴设置，主轴油孔的轴线与偏心轴油孔的轴线同轴设置且偏向偏心轴的轴线，其目的在于放大由副轴油孔通过离心泵油的从压缩机的壳体底部泵上来的油的离心力，在偏心轴油孔的横截面上形成局部高压，使其更顺畅的通过曲轴上设置的侧向油孔:偏心轴侧向油孔和主轴侧向油孔，输送到压缩机构，从而保证曲轴的充分泵油量。这样可以节省曲轴上通常设置的上油叶片零件，降低压缩机的制作成本。该曲轴所设置的输油孔，通过轴向输油孔进入曲轴，通过径向输油孔运送到所需要的部位。有用于密封上下轴承和汽缸的间隙，还有些起到润滑作用。最后通过主轴承端的径向输油孔，在重力的作用下，回到下部的储油池中。3.3汽缸的设计如图3-5，图3-6所示，介绍了一种新型的汽缸结构10 这种结构将排气阀置于汽缸的内部，而且利用所设置的腔体起到消除噪声的作用。使得结构更加紧凑。图3-5汽缸排气结构图图3-6汽缸排气结构剖视图制冷空调的广泛使用使其成为能源消耗的主要设备之一，高效率、低噪声是制冷压缩机技术发展的主要目标。已有的研究结果表明泵体排气装置对压缩机的效率和噪声有直接的影响。滚动转子式压缩机的泵体由气缸、曲轴、滚套、气缸上端盖、气缸下端盖、滑片及滑片弹簧组成。为使被压缩气体排出泵腔，一般由泵体上的排气孔、阀片和升程限制器组装成排气装置，当泵腔内的气体压力高于腔外压力时，阀片打开以排出气体;反之，阀片关闭以防止泵腔外的高压气体反流入泵腔。排气孔空间是泵体余隙容积的主要组成部分，存在余隙再膨胀损失和排气流动损失，而排气孔的位置也会影响压缩腔内气体的湍流压缩流动和泵腔余隙容积内气体的过压缩;同时排气阀片具有一定的刚度，延迟打开和关闭时存在过压缩损失和泄漏损失，且气体流经阀片时的湍流流动、阀片的振动、阀片对阀座和限制器的拍击等是主要的排气噪声源，另外还要考虑排气装置加工及装配的难易程度。 现有的泵体排气装置一般采用在气缸端盖上设置簧片阀的形式，如图1所示，该装置包括气缸1、气缸端盖2、阀片3、升程限制器4和铆钉6。排气孔5包括气缸上的切口5a和气缸端盖上的排气孔5b，阀片采用舌形簧片阀。存在的问题主要有:余隙容积大、排气流动通道长，泵体排气损失大;阀片暴露在泵体外，排气噪声大，一般需设置消音盖来消减噪声;气缸端盖上阀片安装凹槽的加工难度大。 该专利介绍了一种滚动转子式压缩机泵体排气装置，主要包括设有圆形孔道的气缸、带折弯的阀片、带台阶的升程限制器、带有阶梯型排气孔的气缸端盖、垫片。阀片、垫片、升程限制器安装在气缸的孔道内;压缩机装配完成后，气缸上端盖、下端盖及压缩机外壳封闭了气缸上的孔道，形成以阀片开启时为入口，气缸端盖上的阶梯排气孔为出口的排气空间。该排气装置具有排气损失小，排气噪声低，且易于加工装配的优点。图3-7簧片阀的排气结构示意图上面所选择的排气模型具有一个缺点，就是所要求的尺寸较大，不适合于微型转子式压缩机。在老师的指导下，我就又改成了一般的排气结构设计成如图3-7的模型。这种结构需要把排气结构放在主轴承上，会在下面介绍。3.4主轴承的设计 在气缸上下各设有主、副轴承 ，它们是用来支撑偏心曲轴的旋转运动，同时还装有排气阀组件。对于滚动转子式压缩机，偏心曲轴一转内轴承载荷变化较大，因此其偏心率也变化很大，在某些转角，其油膜厚度很小，轴承润滑状态除流体动压润滑外，还会出现混合润滑和边界润滑。这就要求轴承不但要有足够的强度和刚度，而且还要有较高的尺寸精度和形位公差，以及低的表面粗糙度。考虑到润滑，上、下轴承的内表面有螺旋油槽，油槽避开负荷区，这样有利于润滑。如图3-8，一般的主轴承图，在轴承的端面上，设有排气槽，用来放置排气阀片。图3-8主轴承结构图 3.5阀片材料选取目前，活塞式制冷压缩机的吸、排气阀片，空调用转子式压缩机排气阀片，以及125mm缸径以下的微型空气压缩机用的舌簧状阀片、条型阀片、环状阀片，大都使用瑞典SANDVIK公司冷轧淬火阀片钢带这种阀片钢带有两种规格，一种为20C，习惯上称为碳钢阀片钢，另一7C27Mo2习惯上称为不锈钢阀片钢。这里选用了其中一种。参照表3-1所示，选择排气阀片的厚度为0.150mm。12排气阀片的结构形状是模仿现有的产品，置于能不能正常工作，缺乏理论的计算。阀片的形状。参照专利11如图3-9所示。介绍了一种滚动转子式压缩机的滑片装置，包括设置在气缸内的活塞、安装在气缸内的滑片槽及滑片，滑片槽后部设置有退刀孔，退刀孔内壁与滑片端部接触处的形状相同或相似，其相互接触或碰触时，实现面接触。退刀孔为第一退刀孔，该第一退刀孔为圆孔，其内壁为圆柱面，滑片端部截面为内凹或外凸的左、右两段小圆弧加中间过渡段，两段小圆弧的圆弧形状与第一退刀孔的圆相同。本发明中的滑片在离活塞较远的那一侧，采用和退刀孔内壁相似或相同的形状设计，在滑片与退刀孔内壁接触碰撞时，起到增大接触面积、减小碰撞磨损、增加可靠性的作用。其具有结构简单合理、使用寿命长、可有效改善滑片和退刀孔壁接触状况、降低其磨损程度的特点。图3-9滚动转子式压缩机滑片装置表3-1机械性能3.6.电机的选取3.6.1电机的基本知识无刷直流微型电机在微型减速电机中应用比较多，起到相当重要的作用，下面针对无刷直流微型电机作简单介绍：无刷直流电动机是采用半导体开关器件来完成电子换向的，即用电子开关器件替代传统的接触式换向器和电刷。它具有牢靠性高、无换向火花、机械噪声高等优点，普遍使用于高档录音座、录像机、电子仪器及自动化办公设备中。无刷直流电动机由永磁体转子、多极绕组定子、地位传感器等组成。地位传感按转子地位的变化，沿着一定次第对定子绕组的电流停止换流（即检测转子磁极绝对定子绕组的地位，并在确定的地位处发生地位传感信号，经信号转换电路处置后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系停止绕组电流切换）。定子绕组的任务电压由地位传感器输入控制的电子开关电路提供。 地位传感器有磁敏式、光电式和电磁式三品种型。采用磁敏式地位传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件（例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或公用集成电路等）装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时发生的磁场变化。采用光电式地位传感器的无刷直流电动机，在定子组件上按一定地位配置了光电传感器件，转子上装有遮光板，光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。 采用电磁式地位传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上装置有电磁传感器部件（例如耦合变压器、接近开关）。永磁无刷直流电机产业是从微电机发展而来。永磁无刷直流电机凭其优异的工作性能，在汽车、家用电器、航空航天、自动化等行业得到了很广泛的应用。随着永磁材料、电子技术、自动控制技术以及电力电子技术，特别是高频、大功率开关器件的发展，永磁无刷直流电机及其控制技术也得到了长足的进步和发展。目前，对于线性系统的分析与设计已形成了一套完整的理论体系，这些理论和方法在永磁无刷直流电机上得到广泛的应用，并获得了巨大的成就。近年来，永磁无刷直流电机非线性控制理论的研究受到了控制理论界空前的关注。13 3.6.2电机的选择电机这部分的知识不是这次设计的重点，但却是整个微型压缩机设计的关键。因为如何以更小的尺寸获得更大的功率，即在保证好制冷量需求的前提下，尽可能的缩小压缩机的尺寸。 滚动转子压缩机由于具有体积小，结构简单，质量轻，振动和噪声小等优点而在空调系统中得到日益广泛的应用。由于永磁同步电机具有转矩大，体积小，效率和功率因数高的特点在滚动转子压缩机领域逐渐占据较大的比重。由于滚动转子压缩机内部空间小，工作时内部充满高温高压的制冷剂不适合安装位置传感器，所以目前滚动转子压缩机普遍采用无位置传感器的驱动方式。目前采用永磁同步电机的滚动转子压缩机主要采用无刷直流电动机即方波控制方式驱动电机，永磁电机方波驱动方式的转矩脉动较大，这是造成压缩机振动和噪声的原因之一。如果采用正弦波驱动方式，使永磁同步电机的转子估算精度得以提高，就可以有效减少永磁同步电机的转矩脉动，对提高压缩机的驱动性能具有较大的意义。14本课题电机的选择主要是依据轴功率，根据轴功率，取了10%的值，计算出所需要的电机的功率。然后，结合电机的转速，在网上选择合适的电机，结果发现微型电机的尺寸选择并不是很全面，尤其是满足所需参数值的电机。结果是从仅有的较为符合标准的电机选出尺寸为56mm*65mm的电机。这样确定了电机的直径，根据电机的直径确定壳体的外径。电机这部分的设计，因为所知道的资料较少，不清楚所选电机的长度65mm代表什么。但清楚的一点是装在压缩机里面的部分只包括电机的定子和转子部分，只是电机的一部分，所以把电机的尺寸设置为56mm*35mm。这一点并没有什么科学的依据，这样设计出来的压缩机只是样式上的压缩机，至于能不能生产出来，不得而知。3.7各个部件的装配问题3.7.1汽缸的装配 现在压缩机泵体与壳体的焊接多采用汽缸焊接与上缸盖焊接的方式。气缸焊接方式方式，由于装配过程中的影响，使曲轴的中心与壳体中心不能保持一致，导致电机定转子气隙不均匀，使产品制造质量产生波动。同时由于焊接热量影响，使气缸产生变形，影响压缩机性能。上缸盖焊接方式，虽然解决了上述问题，但由于上缸盖较大，使电机位置上移，易产生电磁音等问题，同时不利于压缩机的小型化发展。15 与现有技术相比，本发明采用了一种法兰盘的结构，在压缩机装配过程中可以调整法兰与泵体的配合，使曲轴中心与壳体中心重合。同时减少焊接对泵体精度的影响，提高压缩机的效率。采用法兰结构后，在压缩机装配过程中可以调整泵体与法兰的相对位置，使曲轴中心与壳体中心保持一致，提高压缩机定转子气隙的均匀度，提高压缩机装配质量。并且，由于采用了法兰结构，并且泵体与壳体的焊接在法兰上，所以减少了焊接变形对于泵体的影响，提高了压缩机的性能。同时由于没有较高的上缸盖，可以有效降低压缩机的高度，使压缩机小型化。 如图3-10，图3-11，图3-12，图3-13所示，一种滚动转子式压缩机的法兰盘组件连接结构，法兰1通过螺栓2与汽缸3进行固定，在压缩机装配过程中可以调整法兰1与泵体的相对位置，保证曲轴6中心与壳体7中心保持一致。 装配时，先按普通装配方式组装泵体(汽缸3、上下缸盖4, 5、曲轴6,活塞、叶片)，然后安装法兰1，保证法兰1与曲轴6同心，再进行转子热套。在压缩机总装时，将法兰1焊接在壳体7上，进行气隙检查。如果气隙不良，可以简单的拆卸固定螺栓2，重新进行泵体安装，以保证曲轴6中心与壳体7中心的位置，保证定转子气隙的均匀性。这种装配方法是后来发现的，感觉不错，但因时间的原因，对先前的装配方法没有进行修改，这里只是想提一下这种设计，作为参考。实际设计时所选择的设计方案是上下轴承直接与汽缸配合的。该设计并没有考虑到装配时的形变问题，以及配合时的摩擦与磨损问题。实际配合时是通过汽缸和壳体的过盈配合实现汽缸的固定。具体实施过程不太清楚。参见有些厂家的微型压缩机有的汽缸固定式通过在汽缸上开设孔，在壳体上冲压形成的，但只是见到有这样的产品，却没有相关的文献，或是没有找到。所以没有采取冲压的方法。3.7.2其他部件的装配问题。曲轴的装配。曲轴的主轴是与电机定子连接，两者间通过过盈配合进行固定。电机定子和壳体之间也是通过过盈配合连接的，两者固定在一起。而汽缸上下壳体是通过焊接连在一起。这样滚动转子式压缩机的主要部件就连接在一块了。该设计忽略了具体的装配时的误差，是在理想的条件下进行设计的。至于气液分离器部分的设计，仅是仿照已有的产品进行外观的设计，具体参数是没有设计依据的。而气液分离器的原理也是不清楚的。最后是接线的部分，这部分是通过焊接配合一起的。但具体的连线没有在三维图中表现出来。 图3-10滚动转子式压缩机结构图图3-11汽缸零件图图3-12断面图图3-13断面图4.零部件的校核问题对于压缩机的设计最重要的有两点:第一功能的实现，第二产品的安全性。安全性主要包括电气安全性和机械安全性，在这里主要考虑泵体机械安全性。由于排气量的增加意味着负荷的大幅度增加，所以必须考虑零部件的寿命，对泵体中的关键部件曲轴、轴承、滑片、弹簧进行校核。4.1曲轴的校核 曲轴在压缩机运转时，受到交变的弯矩和扭矩，因此在校核时主要对疲劳强度和静强度进行校核。静强度的计算目的是求出在静载荷曲轴在危险部位最大工作应力;疲劳强度计算的目的是求出曲轴在反复承受交变工作应力下的最小强度储备，通常以安全系数的形式表示。16 由Matlab软
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