郑立宇1, 2张奎1徐飞1戴际强1
1.广东美芝制冷设备有限公司广东佛山 528333；
2.广东省高能效压缩机技术研发企业重点实验室广东佛山 528333 摘要：2020年国家新一级能效标准全面升级，对于压缩机高性能、低噪音等方面提出新的要求。从容积效率提升、机械效率提升及电机效率提升等方面介绍压缩机高效化创新设计技术；并通过优化消音器、储液器支架结构等技术显著地改善压缩机噪音振动；此外，提出了油槽优化技术，进一步改善保障了压缩机的可靠性。通过采用上述创新设计技术，全新一代高效变频压缩机整体竞争力大幅提升，同时满足国家 新一级能效标准。
关键词：压缩机；能效；噪音；可靠性
Innovative design of a new high efficiency inverter compressor
ZHENG Liyu1,2 ZHANG Kui1 XU Fei1 DAI Jiqiang1
1.Guangdong Meizhi Compressor Co., Ltd. Foshan 528333;
2. Guangdong High Energy Efficiency Compressor Technology Laboratory Foshan 528333
Abstract: With the upgrading of the new national energy efficiency standard in 2020, thus new demands have been placed on compressor for high performance and low noise. By introduce the high efficiency innovative design technology of compressors in terms of the improvement of volume efficiency, mechanical efficiency and motor efficiency. And by optimized the structure of muffler internal and reservoir bracket, the compressor’s noise and vibration have been greatly improved. Moreover, with the oil tank optimization scheme were proposed，the reliability of the compressor is further improved and guaranteed. By adopting these innovative technologies, the quality and competition of new generation inverter compressor has been greatly improved, which can meet the new national energy efficiency standard.
Keywords: Compressor; Efficiency; Noise; Reliability
中图分类号：TB652
DOI:10.19784/jki.issn1672-0172.2020.99.020
1 引言
自去年12月31日起，国家标准信息网公布《房间空气调节器能效限定值及能效等级》（标准编号为GB 21455-2019）新能效标准，并于2020年7月1日起强制实施。根据新发布的标准，空调整机能效要求从老一级的APF 4.5提高至新一级的APF 5.0，能效提升了11%，提升幅度大。因此，作为家用空调核心部件的压缩机产品也要进行相匹配的高能效产品开发，进行全面的技术升级和产品迭代，达到满足客户新一级要求[1]。
具体来说，符合新一级能效标准的压缩机产品，需要较老能效产品性能上有大幅提升，同时保障压缩机品质。本文介绍的新一级高效变频压缩机采用了各项关键创新技术，全面了提升压缩机性能、噪音、可靠性。从高效泵体和高效电机技术极致优化，极大地提升了压缩机能效，满足新一级能效标准。同时采用全新高性能气流消音器设计、全新6倍频递减等降噪减振技术，实现了低噪静音化。此外，采用了轴承油槽优化可靠性提升技术，极大地改善了压缩机润滑状态，保障了产品的可靠性。
2 高效化泵体设计技术
泵体作为压缩机的核心组件，其运转过程中的损耗最终影响压缩机最终效率。通过对压缩组件关键尺寸进行细致化研究和优化，能够减少压缩机泄露、提升容积效率、改善机械效率[2,3]。2.1 高径比优化设计
压缩机高径比λ对压缩机泄露、摩擦损耗以及容积效率均有影响，合理的λ对泵体效率非常重要。目前我司1.5 HP变频下两个主
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力平台的高径比λ为0.434和0.536。在高效化泵体设计过程中，研究发现针对该1.5HP 能力段下9.8cc 排量下的机型，高径比λ≈0.465附近性能最佳，泵体相对扁平化设计，整体机械效率提升，同时扁平化设计也有利于减小气体泄露，具体泵体效率对比如图1
。
图1 不同高径比时泵体效率
教养的芬芳2.2 细径化技术
通常，旋转式压缩机的曲轴轴径越小，有利于减小机械摩擦损
耗，提升性能。但是在电机组件尺寸和主壳体尺寸限定的情况下，曲轴细径化受到一定程度的限制，同时过小的轴径设计可能导致可靠性风险加大。新一级变频压缩机在高效化设计过程中，对电机组件和压缩组件在运转过程中受力情况进行分析研究，采用轴承油槽优化轴系润滑保证技术，创新性地在101电机外径上采用了细径化设计，提升了压缩机能效。
通过采用细径化设计技术，压缩机机械效率较现有基准式样提升了0.32%，压缩机COP 提升了2.1 pts ，具体见表1对比。
铬酸盐钝化
表1 细径化设计性能对比
轴径冷量/W 入力/W
COP/%机械效率/%
细径化设计3319811.9408.892.57现有设计3317815.5406.792.25差异2↑ 3.6↓
2.1↑0.32↑
3 电机部高效化创新设计
电机作为压缩机的驱动部件，其效率对压缩机整机性能影响占比最大。通过对电机进行创新性优化设计是大幅提升性能、实现高效化的重要途径。3.1 全新电机固定工艺技术
一般情况下，定子和壳体是以热缩收方式进行固定，为了保证
定子保持力，过盈量一般均较大。过盈量越大壳体的热缩收产生压缩应力越大，定子硅钢材料磁性能会劣化，电机铁损会增大，电机效率下降[4]。
通过搭载不同过盈量下的电机壳体件进行电机单体效率评价。如图2所示，
定子热套后电机效率随着过盈量增大呈现下降趋势。
图2 过盈量大小和电机效率关系
新一级压缩机采用全新电机固定工艺技术，即小过盈加定子激光焊技术。图3为新的电机固定工艺对比量产热套工艺的电机效
率图。可以看出，电机效率在30/60 rps 下提升0.43%/0.22%，从电机
装配工艺创新上实现了电机的高效化。
图3 不同固定方式下30/60 rps 电机效率
3.2 全新电机高效化设计
通过分析某空调客户新一级系统APF 能效占比，发现在能力保
持不变时，压缩机运转在60 rps 及以下的权重合计占比约为75%左右。依此分析，压缩机和电控整体在60 rps 以下功率要更低才更有利
于系统APF 的发挥。体现到电机设计上需求中低转数下的电机效率要高。
通过精准匹配1.5 HP 变频压缩机单缸负载，研究内销各大空调客户新一级系统在60 rps 下的母线电压和各大厂家的电控特点，发现母线电压基本都在250 V 以上，利用高电控母线电压的现状，就是要如何极致优化提高电机的反电动势，提升电机中低转速下效率。
研究发现在电机外径Φ101下，到了一个与反电势系数的最优精准量化匹配关系，实现了达到更高反电势与电驱控制器直流母线电压之间的最优匹配关系。从电机本体侧设计上显著降低了压机运行时的电机驱动控制器的元件损耗和发热，获得了压缩机的低频能效提升效果。依照此设计思路开发出新一级高效电机对比上一代高
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效电机的电机效率在30/60 rps 下提升0.50%/0.43%，实现了电机设计的高效化，具体如图4
所示。
北京空调器厂
图4 电机效率对比4 降噪减振创新设计
压缩机作为空调器的核心部件，其噪音水平是评价整机产品优劣的因子之一。新一级高效变频压缩机在开发过程中，也针对降噪减振进行了专项创新性研究设计。4.1 高性能气流消音器设计
通常情况下，压缩机内部采用的排气消音器属于扩张式抗性消
音器，其主要是依据管道中声波在截面突变（扩大或缩小）处发生反射而衰减噪声的原理设计的，其原理模型的传递损失函数为：
（1）
其中：为扩张比，为波数，l 为扩张腔
的长度。
当
时，即：
（2）
TL 达到最大值，此时：
（3）
当扩张比m 越大，传递损失越大。但当kl=n π时，即：
（4）
此时，TL=0，即声波无衰减的通过。不管扩张比多大，传递损失总是降低为零。
基于以上的原理分析，新一级高效变频压缩机在产品开发中，以考虑消音器最佳传递损失为出发点，并结合腔体声模态和流体动
力学角度考虑，创新性设计了既能大幅降低关键频段噪声幅值，又
能低减排气阻力保证高能效的高性能消音器。
六盘水马拉松
图5 高性能气流消音器结构
图5为新一级高效压缩机的高性能气流消音器结构示意图。同
一小时的故事
时通过对该新型消音器压缩机单体实际噪音评价对比，新型消音器在多个频段较基准式样均有明显改善，具体如图6
。
图6 高性能气流消音器噪音改善效果
4.2 6倍频噪音递减设计
根据前期研究成果，空调系统6倍频噪音源头主要是本体电机
部[5]。
新一级高效电机6倍频噪音递减从电机激励源上提出了一种谐波电磁力注入主动降噪技术，递减电机6倍频电磁激振力幅值，实现振动噪音抑制。具体的创新结构设计是针对转子外圆进行削弧并优化磁极狭缝整体结构，调整气隙磁场波形，使气隙磁场中实现
注入新的反相位谐波电磁力。
如图7所以，采用谐波电磁力注入主动降噪技术径向力对比：6
阶机械6f 力密度较上一代产品降低7.3%，3阶机械6f 力降低32%，可以有效降低电机6倍频电磁激振力幅值，递减电机6f 噪音，实现压缩机6倍频噪音振动的抑制。
另外从6倍频的传递路径上进一步优化，设计了一款阶梯状储液器支架，使得储液器与主壳体接触部位远离电机部，从传递路径上改善6倍频振动和噪声。阶梯型支架示意图如图8所示。
搭载某客户新一级系统，阶梯状支架与常规支架的6倍频
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（500 Hz 频段）噪音对比如表2所示，可以看出外机系统四面八方6倍频（500 Hz ）噪音均值和最大值改善为2.4 dB 和3.4 dB ，改善效果明显。
图8 阶梯型储液器支架结构示意图
表2 某客户新一级系统6倍频（500 Hz）噪音对比
500 Hz 频段噪音对比（外机系统）外机四面八方
常规支架（dB ）阶梯型支架（dB ）
改善值（dB ）
平均值avg 44.942.5 2.4最大值max
46.443.0
3.4
5 可靠性保障创新技术
新一级压缩机创新性的使用油槽优化技术，改善了曲轴与主轴承之间油膜厚度和油膜压力分布，实现了轴系间充分润滑，保障了细径化设计的轴系可靠性。
曲轴在运转过程中受磁拉力和气体力的综合作用，最终变形情况受二者综合影响。由于不同位置区域受力不同，曲轴与主轴间的摩擦力大小也不同，会发生不同程度的变形[6,7]。新一级压缩机针对性的改善不同位置区域的润滑状态，设计了一种全新的大角度长螺旋状油槽结构（如图9），通过仿真优化设计和实验验证，提出了一组螺旋油槽结构的最优设计，该油槽结构可改善压缩机曲轴运转过程中不同位置供油情况，保证了可靠性。
如图10所示，对新油槽结构进行润滑仿真计算，可以确认新油槽结构相对传统设计轴系的最小油膜厚度提升131%，油膜厚度改善明显，润滑更加充分，保证了新一级压缩机轴系润滑的可靠性。
6 总结
面对2020年空调新一级能效全面升级和全新的高能效标准，我司在行业内率先推出满足新一级能效的高效变频压缩机。该产品对机械部组件、电机组件进行了全面创新性设计研究，压缩机能效大幅提升，满足系统新一级高效化需求。同时在噪音、可靠性方面
也进行了创新优化设计，噪音振动满足客户新一级系统要求，同时可靠性得到保障。新一级变频高效产品极大提升了1.5 HP 变频产品的竞争力，扩大了产品在新一级变频市场的占比。
造船工艺参考文献[1] 石里明（编译）. 2019年全球压缩机市场概况[J]. 家电科技, 2020 (03): 6-8.[2] 马国远. 旋转压缩机[M]. 北京: 机械工业出版社, 2003.
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[4] 李亚江, 李嘉宁. 激光焊接/切割/熔覆技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2015.
[5] 周小东, 沈慧, 田丽娟. 基于压缩机低频噪音的仿真优化设计[J]. 家电科技, 2018(S1): 222-225..[6] 熊则男，乔宗亮. 压缩机设计中的力学分析[M]. 北京: 机械工业出版社, 1997.
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图7
转子主动注入谐波径向力波对比
图9
上轴承油槽供油优化设计
图10 最小油膜厚度对比
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