毕业设计10LD--5801冰箱用连杆活塞式压缩机电容起动与运行电机设

LD-5801 冰箱用连杆活塞式压缩 机电容起动与运行电机 设计 - 1 - 第 1章 绪 论 随着社会的发展，伴随着中国加入 WTO，我国国民经济和人民生活水平的不断提高，电冰箱这一曾经相对昂贵的家用电器越来越受到人们的青睐。作为一种大件、耐用消费品，价格高、使用周期长的昂贵家电，除了具有节能、低噪音、制冷强劲外，还需要满足寿命期内低故障率与高可靠性的特征。面对众多的电冰箱产品，毫无疑问，质量始终是人们购买某一商品所关注的焦点。 为了更快地发展家用电器，必须更快地增加单相电机的产量并进一步提高质量。在单相电机的技术性能指标已经达到国家标准的基础上，还要进一步减少电机的噪声、提高电机的 效率、节约能源、尽可能节约原材料、降低产品价格。作为电冰箱 “心脏 ”的制冷压缩机，其驱动装置单相异步电动机也获得了突飞猛进的发展，如何进一步改进电动机的设计，以提高制冷压缩机的性能和电冰箱整体质量水平，使电冰箱获得更加满意的性能指标，引起了各界的重视。本课题 LD5801 冰箱用连杆活塞式压缩机电容起动与运行电机设计所研究的单相电容起动与运行异步电机的起动性能与运行性能都很好，是目前单相电机中最理想的电机，前景非常乐观。 根据单相电容起动与运转电冰箱制冷压缩机电机的用户要求和实际使用工况，和电冰箱制冷压缩机电 机特点，用最经济的方法设计电机，是电机设计的出发点。本次设计是在这样基础上并根据电冰箱制冷压缩机电机的性能、特点、工作环境和用户要求等进行的，为了进一步改善低压启动、提高效率、降低噪音、保证运行可靠性而进行的设计。 （ 1）低压启动问题 由于我国的电力国情，要求压缩机在电源电压 165v 或更低电压下启动运行，因此我们在设计上要充分考虑压缩机低电压启动问题。当气隙磁密 B 设计得越大，压缩机的启动问题也越容易解决。但气隙磁密的大小还影响其它性能指标，不能片面提高。较大的转子电阻和定、转子漏抗，也会造成启动不良。 （ 2）效率问题 针对制冷技术的发展趋势，冰箱节能已成为当今一大主流，主要要求与之匹配的压缩机 电动机具有高效率。因此在电动机设计中合理设计绕组，采用高磁感、低磁耗的硅钢片，改进工艺控制损耗，控制转子电阻，就可以有效的提高电机效率 5%-8%。 （ 3）噪音 问题 减小噪音污染，改善生活环境，要求我们不断技术改进， 在压缩机电机中主要是降低电磁噪音和机械噪音 ， 在机械噪音方面，保证转子平衡， 改进铸铝风叶， 减小转子轴LD-5801 冰箱用连杆活塞式压缩 机电容起动与运行电机设计 - 2 - 向窜动，增强 转子 刚度等几方面着手工作。 改善零部件之间的配合 ： 选择合适的定转子铁心尺寸、轴承与轴承的配合等，削 弱因配合不当引起震动产生的机械噪音 。 在 降低磁密 电磁噪音 方面我们可以进行如下几项工作 根据电机学原理可知，电机定、转子空气隙中的交变电磁力会使定转子产生振动和噪音，而且电机定子所受到的径向力与气隙磁密的平方成正比。显然电机气隙磁密的大小对惦记的振动与噪音的大小有重大影响，因此选择较低的气隙磁密的减少电机噪音的方法之一，但气隙磁密选择太底，在电机转速与输出功率不变的情况下电机体积会相对地增加，因此气隙磁密也不能选择太低。 其次 抑制气隙磁场中的高次谐波有利于减低电磁噪音作用于电机定转子空气隙中的气隙磁密除基波磁场外， 还有一系列高次谐波磁场，高次谐波磁场的存在也是引起电磁噪音的原因之一。在单相电机设计中，一般可以采用转子斜一个定子齿距，定子绕组采用正玄绕组，定、转子之间保证 0.04mm 的同轴度，定、转子铁心保持有 0.03kg/ mm2 左右的片间压力，这样就可大大削弱高次谐波磁场，以至于单相电机电磁方案设计中高次谐波磁场可以被忽略，只对基波磁场进行磁路计算和电机性能分析。 另外 限制电机气隙基波磁场的椭圆率 。 在对基波磁场进行磁路计算的过程中，由于受所选导线规格、电容规格和定子线圈匝数 为整数及其他因数的影响，电机在设计中的额定运行点其基波磁场也不可能是一个圆形旋转磁场，而是一个椭圆形旋转磁场。经过分析，气隙基波椭圆率控制在 51.0 、F 时，电机的噪音值明显偏低，其它电气性能均较好，质量稳定。 通过这些措施的综合应用，电动机器噪音可普遍改善 2-4dB （ 4）可靠性问题 为保证压缩机 电动机能长期稳定、可靠的运行，我们在制作时除考虑电动机的电气安全和材料的稳定性之外，还严格控制电动机整机水分含量和残余杂质含量，避免出现制冷系统毛细管杂质堵塞和冰堵现象。 我们 在设计实践中，根据制冷压缩机 电动机本身的特点，采用比较成熟的设计程序，选择合理的设计参数，以及对电动机设计的不断创新，使其能与压缩机达到最佳配合，从而最终提高压缩机的整体性能，增强市场竞争力，创造更大的经济效益。 LD-5801 冰箱用连杆活塞式压缩 机电容起动与运行电机设计 - 3 - 第 2章 电冰箱的种类、技术性能 2.1 电冰箱的种类 电冰箱是小型箱体制冷装置的总称，种类繁多，名称也各异，常按其使用功能、制冷原理、冷却方式、箱门数量等进行分类。 2.1.1 按使用功能分类 （ 1）冷藏箱 此类电冰箱没有冷冻功能，主要用来食品和药品的冷藏保鲜，也可用来短期贮存少量的冷冻 食品。 （ 2）冷冻箱 冷冻箱指温度只设在 -18 以下的冷冻室，用于食品的冷冻和贮藏。 （ 3）冷藏冷冻箱 此类电冰箱兼有冷藏保鲜和冷冻功能，一般设有两个或两个以上不同温度的贮藏室，分别用于冷藏与冷冻物品，且两室之间彼此隔热，各自配备可开启的室门。 2.1.2 按制冷原理分类 （ 1）蒸气压缩式电冰箱 蒸气压缩式电冰箱是采用蒸气压缩式制冷方式，利用制冷剂的气化吸热原理进行制冷。它又分为电机压缩式和电磁振荡式两种：前者在理论和制造工艺上都比较成熟，制冷效果较佳，使用寿命可达 10-15 年，是目前世界上产量最大、普及范 围最广的电冰箱；后者是采用电磁振荡式制冷压缩机压缩制冷，结构简单，成本较低，但功率较小，只适用于 30-100L 的小冰箱。 （ 2）吸收式电冰箱 吸收式电冰箱是以热能（如天然气、热水、煤油、太阳能等）为动力，采用吸收 扩散式制冷方式，利用制冷剂蒸发吸热制冷。其中，以氨 -水吸收式和溴化锂吸收式最为常见。次类电冰箱无运动部件，、因此噪声低、振动小、使用寿命长，但其降温速度慢，不能用来速冻食品，多属于小型冷藏箱，特别适用于无电源地区及宾馆的客房。 （ 3）半导体式冰箱 半导体式冰箱利用半导体材料的温差电效应来实现制冷 。它具有体积小、重量轻、寿命长、无噪声、无污染等优点，但制冷效率低。需要直流电源，价格较高，适用于汽车、实验室等小型冰箱和微型制冷器。 2.1.3 按冷却方式分类 （ 1）直冷式电冰箱 直冷式电冰箱又称有霜电冰箱，是用蒸发器直接吸收食品热量LD-5801 冰箱用连杆活塞式压缩 机电容起动与运行电机设计 - 4 - 进行冷却降温而得名，其箱内空气循环是依靠冷热空气的密度不同，使空气在箱内形成自然对流冷却降温。此类冰箱结构简单、冻结速度快、耗电少，但冷藏室降温慢，箱内温度不均匀，冷冻室蒸发器易结霜，化霜麻烦。 （ 2）风冷式电冰箱 风冷式电冰箱又称无霜电冰箱。它是依靠箱内风扇强制空气进行对流 循环，使其与蒸发器进行热交换，从而实现对贮藏食品的间接冷却。此类电冰箱的蒸发器可装在冷冻室与冷藏室隔层中，也可装在冷冻室后壁隔层中，前者称为横卧式，后者称为竖立式。风冷式电冰箱内水分被空气带到隔层中的蒸发器表面凝聚而结霜，箱内冷冻室和冷藏室内表面上都不结霜，故称无霜冰箱。 它的优点是冷藏室降温速度快，箱内温度均匀，食品冷藏质量好。缺点 冻结速度比直冷式冰箱慢，结构复杂，耗电量大。 （ 3）直冷、风冷兼用式电冰箱 直冷、风冷兼用式电冰箱是一种装有风冷式主蒸发器和直冷式速冻蒸发器的电冰箱，因此它兼有两者的优点，其性能 良好，采用电子温控装置，但价格昂贵，适用于大容积多门豪华型电冰箱。 2.1.4 按箱门数量分类 （ 1）单门电冰箱 单门电冰箱只设一扇箱门，其箱内上部有一由蒸发器围成的冷冻室，可贮藏冷冻食品。冷冻室下面为冷藏室，由接水盘与蒸发器隔开。单门电冰箱属于直冷式电冰箱。 （ 2）双门电冰箱 双门电冰箱有两个分别开启的箱门，多为立柜上下开启式。它有两个大小不等的隔间，小隔间为冷冻室，大隔间为冷藏室。 （ 3）三门电冰箱 三门电冰箱有 3 个分别开启的箱门或 3 只抽屉，对应的有三个不同的温区，适合贮藏不同温度要求的各种食品，做到各 间室的功能分开，食品生熟分开，保证了冷冻冷藏质量。这是近年来流行的产品。 （ 4）四门及多门电冰箱 此类冰箱容积都在 250L 以上，制冷方式为风冷式，多为抽屉式结构，可设置不同的温区，便于贮存温度要求不同的各种食品。存取食品时拉动抽屉非常方便，并减少了取放食品时的冷量损失，不同食品间也不串味，是高档电冰箱 。 2.2 电冰箱的技术性能 电冰箱的技术性能反映了该电冰箱质量的好坏。各个生产厂家都有自己的标准。在我国，家用压缩是电冰箱的质量检验执行 GB8059-87 标准。根据该标准，一台完好的压缩式电冰箱，其主要技术性 能和指标包括了以下几个方面的内容： 2.2.1 电气性能 电冰箱电气性能主要是指它的绝缘阻值及耗电量。 LD-5801 冰箱用连杆活塞式压缩 机电容起动与运行电机设计 - 5 - （ 1）电冰箱通电工作时，它的箱体部分不应带电，即人体接触到的金属部分不能有麻电的感觉。用试电笔检查，试电笔不应发亮。断电后用摇笔（即兆欧笔）或万用表R10k挡检测，电冰箱的绝缘电阻不应小于 2M （ 2）用容量不小于 0.5k 高压试验台，在电源线与地线之间施加 50正弦交流电压，电压由 750 逐渐升到 1500 后，保持 1min， 不应有击穿和闪络现象。 （ 3）电冰箱的耗电量不应超过其产品说明书中表明的 24h 耗电量的 15。测定电冰箱 24 小时耗电量的方法是：将电冰箱接入装有电度表的电源上，通电运行支稳定状态（即冷藏室温度每小时下降小于 1 ）后开始计时和读数，并按下式计算 24h 的耗电量 P： P=24(P2-P1)/(T2-T1) (2.1) 式中： T1冰箱运行至稳定状态的计时； P1 T1 时刻电度表的读数； T2从 T1 开始再运行 2-4h（时间越长，误差越小）在某一开停周期停车时记下的实验结束时间； P2T2 时刻电度表的读数 2.2.2 制冷性能 电冰箱制冷性能主要含有 4 个方面的内容。 表 2.1 电冰箱制冷性能 （ 1）箱内温度 电冰箱箱内温度有冷冻室温度和冷藏室温度之分，冷冻室温度应达到该冰箱星级标记的要求，而冷藏室温度应符合下面的规定： （ 2）冷却温度 在环境温度为 32 时，冰箱内不放置物品，并把风门温控器调至最大为止，让压缩机连续运转。当冷藏室温度 5 时，且冷冻室温度达到星级要求（如三星级冰箱的冷冻室温度 -18 ）时，压缩机运转时间不超过 3h。 （ 3）负载温度回升速度 在环境温度为 32 时，冷冻室内放置 4.5kg 的负载，切断电源，室内温度从最低回升到其一半值时的时间不超过 300min。 （ 4）制冷能力 在环境温度为 32 时，将温控器置于最低点，电冰箱运行达到稳定环境温度 （ ） 控制器设定位置 冷藏室温度 （ ） 15 弱 0 32 最冷位置 5 43 最冷位置 10 LD-5801 冰箱用连杆活塞式压缩 机电容起动与运行电机设计 - 6 - 状态时，将温度为 20 、容积为电冰箱有效容积 0.5%的水盛入制冷盒，放到冷冻室内，电冰箱运行的时间不超过 2h，冰盒中的水应冻成实冰。 2.2.3 启动性能 电源电压保持在 180-240V 范围内，当环境温度在 30 左右时，人为的开、停车 3次，每次开车 3min、停车 3min，每次启动应正常。启动时，压缩机的启动电流为额定电流的 6-10 倍，启动时间为 1-3s，启动后电冰箱的运行电流不应大于其额定电流。这里，特别要提醒的是：当电冰箱由寒冷的室外搬进室温下检测时，必须放置 4h 以上，待电冰箱各部件温度升至 20 左右时，方可检测启动性能。 2.2.4 化霜性能 电冰箱德化霜性能随其品牌和档次高低而不同，可按下叙要求检查。 （ 1）具有半自动化霜装置的电冰箱，当运行到冷冻室表面结霜后达 3-6mm 时，按下化霜按钮，压缩机应停止运转，开始化霜 .化霜结束后，压缩机应能自动启 动，恢复制冷。 （ 2）采用强制风冷的风冷式无霜电冰箱应能自动完成除霜。化霜结束，冷冻室内的文生不应高于 5 。 （ 3）化霜结束后，在蒸发器表面和排水管路中不应残留影响电冰箱正常工作的冰霜。 2.2.5 防振与防噪性能 （ 1）振动 将电冰箱安放平稳后，通电使压缩机运转，不应有明显的振动感，其振动速度的有效值不大于 0.71mm/s。 （ 2）噪声 在消声室内，在距离电冰箱正面 1m，与地面垂直距离 1m 处，用声级计测量电冰箱运行时的噪声，应不高于 42dB（ A） 。 2.3 电冰箱的发展趋势 二十多年以来，科学家们研究发现 ，许多制冷压缩机所使用的氟利昂类制冷剂都会破坏大气的臭氧层，引起地球的 “ 温室效应 ” ，从而对人类的生态环境构成严重的威胁。为了保护人类赖以生存的生态环境，近来，市场上绿色冰箱越来越多。绿色冰箱所采用的制冷系统也可按普通冰箱的分类方法，分为直冷式、风冷式、风直冷混合式和单门、双门、三门、多门等。 LD-5801 冰箱用连杆活塞式压缩 机电容起动与运行电机设计 - 7 - 第 3章 电冰箱用压缩机的分类及其结构 3.1 压缩机的分类 压缩机是电冰箱的重要部件。如果把制冷剂比作人身上的血液，那么压缩机就是人的心脏，它是制冷剂在制冷系统循环的动力。 压缩机的分类方法较多。按压缩气体的方式分， 有容积式和速度式；按压缩机活塞在汽缸内作用情况来分，有单作用式、双作用式和级差式；按压缩机与电动机的连接形式分，又开启式、半封闭式和全封闭式；按压缩机背压（背压是指压缩机的吸气压力，也就是蒸发器的出口压力，它与蒸发温度有关）高低分，有低背压、中背压、高背压式。电冰箱为了减少噪音和防止制冷机泄漏，多采用容积型全封闭低背压式压缩机，它是将压缩机与电机连成一体，有电机直接带动压缩机运转，利用压缩机的活塞在气缸中的运动，靠改变气缸容积的大小来压缩制冷机气体。使其体积减少，密度增加，提高了气体的压力，从而将气体从低压 端输送到高压端。 容积型全封闭压缩机根据活塞运动的方式，分为往复活赛式和旋转活塞式两种。 3.2 往复活塞式压缩机 3.2.1 往复活赛式压缩机的工作原理 往复活塞式压缩机是目前大多数电冰箱所采用的压缩机，通过曲柄连杆或曲柄滑管，将电动机的旋转运动转变为活塞的往复直线运动。 （ 1）压缩过程 压缩机吸入来自蒸发器低压制冷剂的饱和蒸气，充满气缸。活塞从下止点开始向上移动，气缸内的蒸气被压缩，体积减少，密度增大，蒸气的压力与温度随着上升。吸气阀片受到较高的压力而关闭，排气阀片则因为此时蒸气的压力未超过排气腔的压力 也不能打开，压缩过程持续到排气腔压力加上排气阀上的弹簧压力等于蒸气压力为止。 （ 2）排气过程 由于电机的带动，活塞继续向上移动，气缸内蒸气的体积进一步减小，密度变得更大，压力和温度继续上升，当蒸气的压力大于排气腔的压力和弹簧的压力之和时，排气阀片被冲开，高温高压的过热蒸气进入排气腔。这时吸气阀片仍然关闭。 （ 3）膨胀过程 在电机的带动下，气缸中的活塞从上止点开始向下移动，这时吸、排气阀全部关闭。在余隙容积内残留的蒸气体积增大、密度减小，压力和温度也随之降LD-5801 冰箱用连杆活塞式压缩 机电容起动与运行电机设计 - 8 - 低。当蒸气的压力与吸气腔和吸气阀片上的弹簧弹力平衡时， 即完成了膨胀过程。 （ 4）吸气过程 压缩机电机继续旋转，气缸中的活塞继续向下移动，气缸内蒸气的体积进一步增大，密度更小，压力和温度继续降低。当气缸内蒸气的压力小于吸气腔内蒸气的压力与吸气阀片上弹簧的弹力之差时，吸气腔内的饱和蒸气顶开吸气阀片，蒸气被吸入气缸内，即完成了吸气过程。 综上所叙，当压缩机电机旋转一周时，活塞即做一次往复运动，共经过 4 个工作过程，完成一次吸排气循环。随着电机的不断旋转，活塞不停地在气缸中做往复运动，压缩制冷剂气体。 另外，需要提醒注意的是，当活塞达到上止点的位置时，活塞与气缸之间是有 一定间隙的，这个间隙所包含的空间叫做余隙容积，它有两个很重要的作用：一是为金属部件提供一个热胀冷缩的伸缩空间；二是防止出现击碎阀片和顶缸的事故。余隙容积的大小视不同的机型而定，一般为 2%-4%。如果过大，会使压缩机的吸气量减小。以 93W 压缩机为例，若余隙容积从 2%扩大至 6%，制冷量就要下降一半，因此在修理、装配压缩机时，要注意阀板与气缸顶面之间密封垫片的厚度和气缸的尺寸。 余隙容积的检查可用压软铝保险丝的方法进行，具体来说，就是在活塞顶部的前、后、左、右 4 个点上放软铝保险丝团，被活塞顶压后取出，用千分尺测量 其厚度，然后取其平均值，即为余隙的大小。 3.2.2 往复活赛式压缩机的结构 往复活赛式压缩机根据其曲柄与活塞的连接形式，分为滑管式、连杆式两种。 （ 1）滑管式压缩机的结构 滑管式压缩机诞生于 20 世纪 60 年代初，引起结构简单，制造和装配比较容易，所以得到了迅速的发展。目前仍是国产和日本日立、三洋、东芝等电冰箱上采用的主要压缩机型。 滑管式压缩机的结构主要由曲轴、滑管滑块机构、气缸、活塞、机座等组成，其特点是：电动机安装在机座下部，电机轴线呈垂直状态；压缩机安装在机座商埠，气缸为卧式排列。三根支撑弹簧将压缩机 和电机悬挂在机壳内，使压缩机减振效果好。只有一个轴承支撑，属于单支点式轴承。轴承受理不良，活塞承受侧压力不均匀，容易单边磨损，所以一般不适 动质量惯性力等多种交变负荷，它的曲颈和曲柄部分的轴承配合面还承受着高速摩擦，所以曲轴应有足够的强度、较高的耐磨性，并应具有较好的平衡性能，其选用的材料多为球墨铸铁和 45 号钢。 曲轴的另一个重要作用是对压缩机的运动部件进行润滑，而润滑质量的好坏会对压缩机的寿命和可靠性有很大的影响。在滑管式压缩机中，气缸与活塞，机座孔与主轴颈、滑块与曲柄销、滑管与滑块等由于高速运动，必须在各 接触部位保持一定的油膜。才能LD-5801 冰箱用连杆活塞式压缩 机电容起动与运行电机设计 - 9 - 减少摩擦阻力损失，延长使用寿命，并能带走摩擦热。这些功能是靠曲柄下部的吸油嘴和螺旋槽来实现的。当曲柄高速旋转时，由于离心力的作用，冷冻油通过吸油嘴进入斜油孔到螺旋油槽，再被甩出，飞溅到其他部件的表面上，起到润滑上油的作用。 活塞和滑块：活塞在气缸中起着压缩气体的作用。它由活塞和滑管组成，两者焊接成相互垂直的丁字形，可把它们看成是一个整体。活塞用铸铁铸造而成，也可用优质碳素钢分别加工后烧结而成。滑块是一个在滑管内滑行的圆柱体。它的腰部中心开有一个圆孔，使滑块能空套在曲柄销上。当电机 通电时，电机转子带动曲柄的主轴颈旋转，由于曲柄销与主轴颈有一偏心量 R，因此曲柄销绕主轴颈的轴心作圆周运动，带动滑块在滑管内左右滑动和活塞在气缸内上下移动。 汽缸：汽缸是供活塞压缩气体的腔体，并对活塞起导向作用，因此承受着多种力的作用，对腔体有较高的强度要求，对气缸筒有很高的精度要求。气缸的材料一般为灰铸铁 HT20-40，具有良好的耐磨性。 曲柄滑管式压缩机的气缸外形像个元宝。中间为气缸筒，活塞在其中作往复运动；两侧为吸气腔和排气腔，两腔用隔板分隔成若干小空腔，使气流连续流过小截面通道、大截面通道，起到消声作 用。其缸下平面与机座用螺栓联接，两者间有密封垫片。气缸上平面与阀板联接，气阀即安装在阀板上。吸气腔有 2 个吸气口，而排气腔只有一个排气口，排气管并不是直接而是通过高压排气缓冲管与排气口相连的，这样可使得排出的高压蒸气压力均匀，并兼有消音的作用。 气阀：电冰箱压缩机的气阀都是采用簧片式结构。吸气阀片是舌形的，以便靠销钉定位而紧夹在阀板和缸壁之间，；另一边是自由端，他的舌尖部分插在气缸一面的相应凹槽中，凹槽的高度限制了簧舌的升程，是为吸气阀的升程限制器。排气阀片成弓形，安装在阀板上面，阀片两端用柳钉固定在阀板上， 其上安装有一个弹簧片和一升程限制器。阀板与气缸盖、气缸面之间，必须用耐用橡胶石棉垫密封。 气阀质量的好坏直接影响着压缩机的排量、功率消耗和运转可靠性，气阀故障也是压缩机最常见的故障之一。 机座：机座用来连接气缸和安装电机并作为支撑主轴颈的轴承用。压缩机在工作中，基座要承受气体的压力、各运动部件不平衡惯性力和多种力矩。所以机座应具有足够的强度和刚度，一般用灰铸铁 HT20-40 铸造。 （ 2）连杆式压缩机的结构 20 世纪 50 年代以前的电冰箱压缩机几乎都是连杆式的，它具有运转平稳、噪声低、磨损小、工作可靠、综合性能 优良等优点，但因其零部件形状复杂，加工精度高，工艺难度大，致使其发展受到一定的限制。近年来，随着精密机械工业的迅速发展，连杆式压缩机又成为电冰箱压缩机的主导产品，占总产量的 70%以LD-5801 冰箱用连杆活塞式压缩 机电容起动与运行电机设计 - 10 - 上。 曲轴：曲轴的主轴颈由机座上的主轴承支承，副轴颈由机座上的副轴承支承，因此受力较均匀。它的曲柄销上套着连杆大头，二者之间为间隙配合。 合于功率大于 250W以上的压缩机。 曲轴：曲轴是压缩机中重要的运动部件，由曲柄销、平衡块、主轴颈等部分组成。曲轴销插入滑块孔中，两者采用间隙配合，主轴颈由机座主轴承支撑，电机的转子直接套装在曲轴的 下部，因此曲轴能将电动机的输出功率传送给活塞，使后者做往复运动。由于曲轴在压缩机运转过程中承受周期性的气体压力、往复运动的质量惯性力、旋转运 图 3.1 连杆式压缩机的曲轴 1.主轴颈 2.曲柄销 3.副轴颈 连杆：连杆是活塞与曲轴的中间连接杆，它将曲轴的旋转运动转化为活塞的往复运动，并把动力传给活塞，使之对蒸气作功。连杆由连杆小头、连杆大头、连杆体、连接螺钉、轴瓦等部件组成。 本课题所研究的 LD-5801 冰箱用连杆活塞式压缩机电容起动与运行电 动 机属于往复连杆活塞式压缩机的一种。 3.3 旋转活塞式压缩机 旋转活塞式压缩机简称旋转式压缩机，顾名思义，其活塞不是在作直线运动，而是在作旋转运动来完成对制冷蒸气的压缩。这种型式的压缩机机构紧凑，体积比往复压缩式小，发展前景比较看好，目前在日本已有逐渐取代往复式压缩机的趋势，在我国因加工工艺和装配工艺的限制，应用尚不普及，只有上菱牌 BCD-165W、 BCD-180W 和华凌-阿里斯顿牌 BCD-220W 等电冰箱才采用这种型式的压缩机。 旋转式压缩机的结构主要有气缸、曲轴、转子式活塞、分隔叶片、排气阀、弹簧和外壳等组成。气缸浸在冷冻油中，气缸内有一曲轴，曲轴上套装有一个可 以转动的转子式活塞，活塞在气缸内做偏心运动。在气缸体横向槽内装有分隔叶片，叶片的宽度与活塞的厚度相等，在弹簧力的作用下使叶片端头始终紧贴在活塞表面。在叶片两边的气缸LD-5801 冰箱用连杆活塞式压缩 机电容起动与运行电机设计 - 11 - 体上开有吸气口（无吸气阀）和排气口（有排气阀），在气缸和外壳之间的上部空间充满了被压缩后的高压蒸气。活塞与气缸之间形成月牙工作腔，叶片将其分隔成吸气腔和排气腔两部分，这两个腔体的容积大小随着曲轴的旋转而改变。 旋转式压缩机的工作分为吸气、压缩、作功和排气 4 个过程。 （ 1）吸气过程 转子式活塞与气缸底部接触。进气口与蒸气器相通，低压蒸气进入气缸内。 （ 2）压缩过程 活塞在电机的带动下，沿着逆时针的方向转动，由于弹簧弹力的作用，分隔叶片，顶住偏心的转动活塞，把气缸分为两部分 A 腔与 B 腔，彼此隔绝而且密闭。随着转子的滚动； A 腔吸入的蒸气被压缩，压力不断增大，同时 B 腔不断的进气。 （ 3）作功过程 当蒸气压缩到其压力能顶开排气阀时，排气阀打开，使 A 腔中的高温高压的过热蒸气排出压缩机， B 腔则继续进气。 （ 4）排气过程 当作快结束时，活塞就转至排气的位置，下一步活塞就会再转至吸气过程的位置，重复上述的工作过程，使压缩机能够连续吸入低温、低压的制冷剂蒸气，间歇性地排 除高温、高压的过热蒸气，如此循环往复。 LD-5801 冰箱用连杆活塞式压缩 机电容起动与运行电机设计 - 12 - 第 4章 压缩机电机 单相异步电动机 4.1 概 述 电机是压缩机的动力源，它将电能转换成机械能，带动压缩机活塞工作，对制冷剂蒸气作压缩功，因此作用十分重要。单相异步电动机常用于功率不大的家用电器、电动工具和 医疗器械 中，例如电风扇、洗衣机、电冰箱和手电钻等。电冰箱压缩机电动机之一 连杆活塞式压缩机电容起动与运行电机属于单相异步电机的一种。 单相异步电动机的定子绕组由单相电源供电，定子上有一个或两个绕组，而转子多半为鼠笼式。 所谓异步电动机，是指其 转子的转速略低于定子旋转磁场转速的交流电动机。由于存在转速差，故而称之为异步电动机。这种电动机的转子电流是由定子磁场感应产生的，故而又称感应电动机。 这种电动机的转子是由若干铜棒组成的，这些铜棒由转子两端的端环短接在一起，且围绕转子轴心均布排列，这种结构很象一只鼠笼，故又称笼式电动机。 根据两个定子绕组的分布及供电情况的不同，可以产生不同的起动和运行性能。与同容量的三相异步电动机比较而言，单相异步电动机的体积大、运行性能较差，所以单相电机只做成小容量的。 4.2 单相异步电动机的工作原理 4.2.1 单相异 步电动机的旋转磁场 单相异步电动机的单相定子绕组，当通入正弦交流电时，会产生一个交变的脉动磁场，如下图所示： 图 4.1 单相异步电动机的脉动磁场 LD-5801 冰箱用连杆活塞式压缩 机电容起动与运行电机设计 - 13 - 这个磁场也是按正弦规律变化的，磁感应强度的幅值 Bm 为 i=Im 时 (t2 瞬间 )定子绕组轴线上的磁感应强度，磁场的轴线即为定子绕组的轴线，在空间保持固定位置。 单相异步电动机中的磁场与三相异步电动机中的旋转磁场不同。 振幅为 Bm 的一个单相交变脉动磁场，可以分解成幅值恒定（等于 Bm/2）、转速为同步转运（ n0=60f1/p 转 /分）、但转向相反的两个旋转磁场。因此由单相 异步电动机的定子绕组产生的单相脉动磁场分解为幅值相等（都等于脉动磁场振幅的一半）、转速相同（都为同步速）、但转向相反的两个波幅恒定的旋转磁场 Bm1 和 Bm2，即： Bm1=Bm2=Bm/2。 图中作出了在不同瞬时两个转向相反的旋转磁场的磁感应强度幅值在空间的不同位置，以及由它们合成的脉动磁场 B 随时间而交变的情况。 在 t=0 时，两个旋转磁场的磁感应强度矢量 Bm1 和 Bm2 相反 , 故其合成磁感应强度B=0。 到 t =t1 时， Bm1 和 Bm2 按相反方向各自在空间转过 t1 角度，故其合成磁感应强度： B=Bm1sint1 Bm2sint1=2Bmsint1/2=Bmsint (4.1) 由此可见，在任何瞬时 t，合成磁感应强度应为 ： B=Bmsint。 如果电动机的转子是静止的，则分解而成的两个转向相反的旋转磁场分别在转子中感应出大小相等、方向相反的电动势和电流，因此产生的转矩也是大小相等，方向相反，从而互相抵消。也就是说 , 起动转矩为零。这是单相异步电动机的特点，也是其缺点之一。 但是，如果将电动机的转子推动一下，那么电动机就会继续转动下去。因为与电动机转向相同的正向 旋转磁场对转子的作用和三相异步电动机一样，它对转子的转差率 s1和转子频率 f21 分别为 s1=(n0-n)/n0 和 f21=s1f1 (4.2) 而反向旋转磁场与转子间的相对转速很大，转差率 s1 为： s1=(n0+n)/no (4.3) =(n0+n)/n0 =n0+(1-s1)n0/n0 =2 s1 因此反向旋转磁场在转子中产生的感应电动势很大，电流的频率 f21 f21=s2f1=（ 2 s1） f12f1 (4.4) 也很大，差不多是电源频率 f1 的两倍。在此频率下，转子的感抗也很大，而决定转矩大小的 I2cos2 则很小。 LD-5801 冰箱用连杆活塞式压缩 机电容起动与运行电机设计 - 14 - 单相异步电动机的两个转向相反的旋转磁场（对应于磁感应强度 Bm1 和 Bm2），分别同转子作用产生的电磁转矩为 T和 T，它 们大小不等（ T0，在该合成转矩的作用下 ,电动机转子得以继续转动。同理，在 00 区域有正向转矩，在 nF-,对应的 T+=f(s)和 T-=f(s)不再对称，合成转矩 T=f(s)不通过原点。 图 4.4 椭圆磁势单相电动机机械特性 在 n=0 时， T0,电动机具有正向起动转矩，起动后， n0,T0，电动机可以继续运行。 如果 m 相绕组和 a 相绕组空间错开 90 电角度，通入的两相电流相位差为 90 度且幅LD-5801 冰箱用连杆活塞式压缩 机电容起动与运行电机设计 - 16 - 值相等，则产生圆形旋转磁势，此时 F=F+,F-=0;T=T+,T-=0,机械特性与三相异步电动机的情况相同，起动转矩也较大。 结论： 起动的必要条件 (1)定子具有空间不同位置的两套绕组； (2)两相绕组通入不同相位的交流电流。 单相异步电动机的优点是使用单相电源，但其起动的必要条件是两相绕组通入不同相位的电流。 必须采取措施将 m 相和 a 相电流的相位分开，即 “ 分相 ” ，不同的分相方法对应于不同的单相异步电动机。 4.3 单相异步电动机的分类 单相异步电动机类型： (1)单相电阻分相起动异步电动机； (2)单相电容分相起动异步电动机； (3)单相电容运转异步电动机； (4)单相电容起动与运转异步电动机； (5)单相罩极式异步电动机。 4.3.1 单 相电阻起动异步电动机 将 m 绕组和 a 绕组设计成不一样。 m 相匝数多、导线粗； a 相匝数少而导线细。 m 相电抗大而电阻小； a 相电抗小而电阻大。 图 4.5 电阻分相起动电动机接线图 起动时 S 合上， m 和 a 通入被 “ 分相 ” 的电流，电动机起动，当转速达到 75-80%同步转速时， S 自动断开。电动机在 m 绕组单独驱动下运行。 图 4.6 电阻分相起动电流关系极其机械特性 曲线 1 为两绕组都通电的机械特性，曲线 2 为只有 m 绕组工作时的机械特性。 LD-5801 冰箱用连杆活塞式压缩 机电容起动与运行电机设计 - 17 - 这种单相异步电动机两相电流相位相差不大，起动转矩较小 Tst=(1.1-1.8)TN。 改变转向的方法：单独改变 m 或者 a 绕组的通电极性。 4.3.2 单相电容分相起动异步电动机 给 a 绕组中串接一个起动电容 C，使得 2 绕组的阻抗不同，达到分相的目的。 图 4.7 电容分相起动异步电动机接线图 优点： (1)配备合适的电容器可以使得 m 相和 a 相绕组的电流相位差接近 90 度。 (2)这种电机的 a 绕组匝数不受限制，可以做成与 m 绕组一样，从而在起动时得到较为接近圆形的旋转磁势，提高起动转矩。 (3)合成电流较小，即起动电流较小，而起动转矩较大，适合于对起动转矩要求较高的负载。 图 4.8 电容分 相起动电流关系及其机械特性 4.3.3 单相电容运转异步电动机 没有开关， a 绕组不仅参与起动，而且参与运行。 图 4.9 电容运转单相异步电动机接线图 实际上是两相运行电机。运行时气隙磁势接近圆形。电机的运行性能较好，功率因数、效率、过载能力都比电阻分相或者电容分相起动的单相电动机好。 副绕组要按照长期运行的设计标准设计。另外，由于阻抗随着转速变化，圆形起动和LD-5801 冰箱用连杆活塞式压缩 机电容起动与运行电机设计 - 18 - 圆形运行难以兼顾，所以该类电动机起动性能不如电容分相起动单相异步电动机。 4.3.4 单相 电容起动与运转异步电动机 为了克服电容运转电动机不能兼顾圆形起动和圆形运转的缺憾，在 a 绕组中采用两个并联的电容器。 C 为长期运行电容器 ， Cs 为起动电容器。 图 4.10 电容起动与运转单相电动机接线 起动时，串联在 a 绕组的总电容为 C+Cs，较大，可以产生较圆形的旋转磁势；转速达到一定值后， Cs 被开关甩开，运行时的磁势也接近圆形。 该类单相电动机中最理想的一类。起动转矩、最大转矩、功率因数、效率都提高了；电机噪声较小。 4.4 单相异步电动机的起动方法 由以上分析可知，单相异步电动机没有起动转矩。要想让 它转动 ,就必须给它增加一套产生起动转矩的起动装置。因此 , 单相异步电动机的结构主要由定子、转子和起动装置三部分组成。定子和转子的组成与三相鼠笼式异步电动机类似，只是其绕组都是单相的；而起动装置是其特有的，起动装置有多种多样 ,形成多种不同起动形式的单相异步电动机。 4.4.1 电容分相式起动 电容分相式起动的原理如下图所示。 LD-5801 冰箱用连杆活塞式压缩 机电容起动与运行电机设计 - 19 - 图 4.11 电容分相启动的原理 在单相异步电动机的定子内，除原来绕组 (称为工作绕组 绕组并联接于交流电源上。选择适当的电容量，可使两绕组电流的相位差为 900。这样，在相位上相差 900 的电流通入在空间也相差 900 的两个绕组后，产生的磁场也是旋转的 (分析方法与三相异步电动机的旋转磁场的分析方法相同 )。于是，电动机便转动起来。电动机转动起来之后，起动绕组可以留在电路中，也可以利用离心式开关或电压、电流型继电器把启动绕组从电路中切断。按前者设计制造的叫做电容运转电动机，按后者设计制造的叫做电容起动电 动机。 除用电容来分相外，也可用电感和电阻来分相。改变电容器 C 的串联位置，可使单相异步电动机反转。 电容分相式单相异步电动机的特征： (1)效率：电容分相式单相异步电动机的效率因设计的不同而不同，并且还因电动机容量的大小和转速的快慢而不同，一般约为 50%至 60%。与同样容量的三相电动机比较，其效率略低一些。 (2)起动转矩：分相式电动机的起动转矩比罩极式电动机大。约为额定转矩的 1.2 2倍。 (3)转速：分相式电动机的转速很稳定，负载变化时转速变化不大。 (4)起动电流：分相式电动机的起动电流很大，约为额定 电流的 6 7 倍，比其它类型的单相异步电动机要大，这是它的一个缺点。 (5)功率因数：分相式电动机的功率因数也因为电动机的设计、容量和磁极数不同而不同，其大小和罩极式电动机差不多，一般为 0.45 0.75。 LD-5801 冰箱用连杆活塞式压缩 机电容起动与运行电机设计 - 20 - (6)过载能力：分相式电动机的停转转矩与设计有关，一般过载能力为 2 至 2.5，过载时温升较高。因此，过载 25 %的时间，不要超过 5 分钟，否则将引起电动机的过热甚至烧毁。 (7)噪音：单相异步电动机在运行中，由于脉振磁场的存在，都会有一定程度的振动和噪声。而且电动机极数愈少、转速愈高 , 振动与噪声也愈大。分相 式电动机当然也不例外，而且由于继电器的频繁动作，起动电流又大，与其他类型的相单相异步电动机比较噪声是较大的。 或主绕组 )外，再加一个起动绕组 (副绕组 ) ,两者在空间相差 900。接线时，起动绕组串联一个电容器，然后与工作 LD-5801 冰箱用连杆活塞式压缩 机电容起动与运行电机设计 - 21 - 第 5章 电容起动与运行式单相异步电动机设计 5.1 概 述 单相异步电动机设计中应注意的有关问题： （ 1） 主、副绕组用铜比例关系 在多数场合，电动机输入功率的大部分分配在主相绕组中，此时如把过半数的槽分配给主绕组，往往可获得较好的运转性能。一般随着电动机额定功率的下降，副绕组用铜量比 例上升。在小容量电动机中，有时甚至需要让副绕组用铜量超过主绕组 对电容起动与运行式单相异步电动机而言，副绕组用铜量比例比电容运转电动机略小一些。 （ 2） 副绕组对主绕组的有效匝比 a 电容运转电动机的有效匝比 a 的去职范围颇大：a=1-2。 a 值的选取原则有时是为了使电动机在正常运行点的气隙磁场接近圆形磁场，有时则是为了使电容器的端电压 Uc 接近电动机的运行电压。有时，调整 a 值的目的纯粹是为了使 Uc 接近于市售的电容器的标准规格所规定的电压。 因过高的 a 值会使起动转矩下降，故电容起动与运行式单相异步电动机的 a 值上限，取 决于启动条件。 （ 3） 电容器端电压 Uc 的计算 设主绕组电压为 U，副绕组的电压为 aU，且两者时间上的相位差为 90则电容器端电压为 Uc= 22 )(aUU =U 21 a （ 5.1） 式中 Uc电容器端电压，单位 V 由于电容器已经标准化生产，设计电动计时， C 的计算值与市售标准值不一定相等。如果所选用的标准电容值小于设计计算值，则实际的 Uc 值会比上式计算值略高。 由 公 式 (1.1)可见， a 的上限值也受 Uc 的 限制 5.2 电容起动与运行式单相异步电动机电磁计算 5.2.1 数据与技术要求 ： (1) 型号： LD-5801 (2) 电压： UN=220V (3) 相数： m=2 LD-5801 冰箱用连杆活塞式压缩 机电容起动与运行电机设计 - 22 - (4) 频率： f=50Hz (5) 极数： p=4 (6) 输出功率： PN=120 (7) 效率： =0.33 (8) 功率因数： cos=0.91 (9) 额定转速： 1305r/min (10) 最小起动转矩： 1.0 倍 (11) 最大转矩： 1.8 (12) 工作方式： 连续 (13) 电机性能满足 JB/T6738-93 标准 5.2.2 重要尺寸 （ 1） 定子外径： D1=9.5cm （ 2） 定子内径： Di1=5.5cm （ 3） 气隙： g=0.04cm （ 4） 转子外径： D2=5.42cm （ 5） 转子内径： Di2=1.0cm （ 6） 迭长： L1/L2=2.8/2.8cm) （ 7） 定转子槽数： S1/S2=24/26 （ 8） 定子、转子槽形尺寸（单位：厘米 ） 表 5.1 定转子槽形尺寸 w10 w11 w13 d10 d11 d14 t1 d1 0.2 0.46 0.678 0.08 0.05 0.87 1.00 1.339 w20 w21 w23 d20 d21 d24 t2 d2 0 0.336 0.226 0.11 0.16 0.47 0.748 0.853 （ 9） 极矩 ： p=Di1/p=5.5/6=4.32 （ 10） 定子齿距 : t1=Di1/S1=5.5/24=0.7196 （ 11） 转子齿距 : t2=D2/S2=5.5/26=0.62546 （ 12） 定子齿宽： t1=t1min+(t1max-t1min)/3=0.2968 ( t1=(Di1+2d10+2d11)/S1-W11 LD-5801 冰箱用连杆活塞式压缩 机电容起动与运行电机设计 - 23 - =(5.5+20.08+20.05)/24-0.46 =0.2936 t1 =(Di1+2d10+2d11+2d14)/S1-W13 =(5.5+20.08+20.05+20.87)/24-0.678 =0.30325 式中 t1和 t1中，大者为 t1max,小者为 t1min) （ 13） 转子齿宽： t2= t2min+ (t2max-t2min) /3=0.2510 (其中 t2 =(D2-2d20-2d21)/S2-W21 =(5.42-20.11-20.16)/26-0.336