CN102237746B - 旋转式压缩机的平衡结构以及包括该结构的旋转式压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种旋转式压缩机的平衡结构和包括该平衡结构的旋转式压缩机。本旋转式压缩机的平衡结构包括：偏心电机转子，安装在压缩机转子部件的曲轴的一端上；曲轴偏心部，设置在曲轴的另一端附近；第一平衡块和第二平衡块，分别设置在偏心电机转子的两端。根据本发明的旋转式压缩机的平衡结构，其中采用了偏心的电机转子，并根据所用的偏心电机转子和曲轴偏心部，在偏心电机转子的两端设置相应的平衡块，由此能在变频压缩机中实现理想的动平衡效果，减少压缩机的振动和噪声。

Description

旋转式压缩机的平衡结构以及包括该结构的旋转式压缩机

技术领域

本发明涉及压缩机领域，具体涉及旋转式压缩机的平衡结构以及旋转式压缩机。 

背景技术

一般地，旋转式压缩机(例如，直流变频旋转式制冷压缩机)中包含由曲轴、滚子和电机转子构成的转子系统，转子系统在工作状态下存在不平衡响应，因此需要对转子系统进行动平衡设计。动平衡设计中通常采用的方式是在电机转子上安装平衡块，由此构成压缩机转子系统的平衡结构。现有的压缩机动平衡理论是将曲轴看成刚性的，并设计相应的平衡块，以减小由曲轴偏心部旋转惯性力引起的不平衡响应。然而，这种动平衡设计的方式在变频压缩机中难以实现理想的动平衡效果，压缩机的振动和噪声较大。 

发明内容

本发明的目的是提供一种旋转式压缩机的平衡结构，其可以应用于变频压缩机，并实现理想的动平衡效果。 

针对上述目的，根据本发明的一个方面提供了一种旋转式压缩机的平衡结构，包括：偏心电机转子，安装在压缩机转子部件的曲轴的一端上；曲轴偏心部，设置在曲轴的另一端附近；第一平衡块和第二平衡块，分别设置在偏心电机转子的两端。 

进一步地，根据本发明的旋转式压缩机的平衡结构，其中，第一平衡块和第二平衡块的质心均位于曲轴的纵向中心面的同一侧，而电机转子的质心位于曲轴的纵向中心面的另一侧。 

进一步地，根据本发明的旋转式压缩机的平衡结构，其中，第一平衡块或第二平衡块的质心与电机转子的质心分别位于曲轴的纵向中心面的两侧。 

进一步地，根据本发明的旋转式压缩机的平衡结构，其中，电机转子的质心与曲轴偏心部的质心位于曲轴纵向中心面的同一侧。 

进一步地，根据本发明的旋转式压缩机的平衡结构，其中，电机转子的质心与曲轴偏心部的质心分别位于曲轴纵向中心面的两侧。 

进一步地，根据本发明的旋转式压缩机的平衡结构，其中，平衡结构的布置采用如下方式设计： 

a)建立平衡结构的振型模型； 

b)对平衡结构的振型模型进行模态分析，确定出电机转子质心对应的曲轴第一阶弯曲振型参数 

第一平衡块质心对应的曲轴第一阶弯曲振型参数 

和第二平衡块质心对应的曲轴第一阶弯曲振型参数 

与曲轴偏心部质心对应的曲轴第一阶弯曲振型参数 

c)定义电机转子的偏心量m_me_m、第一平衡块的偏心量m_pe_p、第二平衡块的偏心量m_ae_a的与曲轴偏心部的偏心量m_ee_e，并设定这些偏心量的初始值； 

d)利用上述确定出的参数，基于优化算法确定出电机转子的偏心量m_me_m、第一平衡块的偏心量m_pe_p、第二平衡块的偏心量m_ae_a与曲轴偏心部的偏心量m_ee_e之间的关系； 

其中，m_p为第一平衡块的质量，m_a为第二副平衡块的质量，m_m为电机转子的质量，m_e为曲轴偏心部的质量，e_p为第一平衡块的偏心距、e_a为第二平衡块的偏心距、e_m为电机转子的偏心距，e_e为曲轴偏心部的偏心距。 

进一步地，根据本发明的旋转式压缩机的平衡结构，其中，在步骤c)中，以如下方式设定偏心量的初始值：第一平衡块的偏心量的初始值设置为m_pe_p＝m_ee_e，第二平衡块的偏心量的初始值设置为m_ae_a＝m_ee_e，电机转子的偏心量的初始值设置为m_me_m＝m_ee_e。 

进一步地，根据本发明的旋转式压缩机的平衡结构，其中，步骤d)中，电机转子的偏心量m_me_m、第一平衡块的偏心量m_pe_p、第二平衡块的偏心量m_ae_a与曲轴偏心部的偏心量m_ee_e之间的关系通过如下关系式限定： 

质量约束：Min(m_p+m_a) 

约束方程组： 

边界约束： 

其中，L_p为第一平衡块的质心到曲轴偏心部的质心的距离，L_a为第二平衡块的质心到曲轴偏心部的质心的距离，L_m为偏心电机转子的质心到曲轴偏心部的质心的距离，L_p、L_a、L_m的值根据所述第一平衡块和所述第二平衡块的安装位置确定。 

进一步地，根据本发明的旋转式压缩机的平衡结构，其中，平衡结构的各个部件的偏心距根据相应部件处于纵向中心面的不同侧而取正值或负值。 

根据本发明的另一方面提供了一种旋转式压缩机，其具有根据本发明第一方面的平衡结构。 

本发明具有以下技术效果： 

根据本发明的旋转式压缩机的平衡结构，其中采用了偏心的电机转子，并根据所用的偏心电机转子和曲轴偏心部，在偏心电机转子的两端设置相应的平衡块，由此能在变频压缩机中实现理想的动平衡效果，减少压缩机的振动和噪声。 

应该理解，以上的一般性描述和以下的详细描述都是列举和说明性质的，目的是为了对要求保护的本发明提供进一步的说明。 

附图说明

附图构成本说明书的一部分，用于帮助进一步理解本发明。这些附图图解了本发明的一些实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。在附图中相同的部件用相同的标号表示。附图中： 

图1A至图1C分别示出了根据本发明的旋转式压缩机的平衡结构的三种实施方式的示意图； 

图2示出了根据本发明一个实施例的平衡结构的平衡振型原理图； 

图3示出了根据本发明的平衡结构的设计流程图。 

具体实施方式

下面将结合具体实例同时参照附图对本发明的平衡结构的实施方式进行说明。 

现有技术中的旋转式压缩机平衡结构的动平衡设计主要针对定频压缩机，在定频压缩机的情况下，可以把曲轴看作刚体，即认为曲轴不变形，在此基础上进行动平衡设计。这种平衡结构一般采用两个约束方程，且方程中只包含关于电机转子、曲轴偏心部和其中一个平衡块的参数，而对于变频压缩机，这种设计方式就不能适用了，利用这种方式对变频压缩机进行动平衡设计无法获得理想的平衡效果，震动和噪声都较大。 

为了解决上述问题，本发明对现有的平衡结构进行了改造，改变电机转子的结构，将原先的非偏心结构的电机转子设计成偏心结构，将偏心转子和曲轴偏心部分别安装在曲轴的相对端，同时在偏心电机转子的两端布置主、副平衡块。实际应用的结果表明，通过上述这种平衡振型结构能够实现理想的曲轴偏心部的动平衡效果。 

根据本发明的上述基本原理，提供了一种旋转式压缩机的平衡结构，其包括：偏心电机转子10，其安装在压缩机转子部件的曲轴20的一端上；曲轴偏心部30，设置在曲轴10的另一端附近；以及第一平衡块40和第二平衡块50，其分别设置在偏心电机转子10的两个端面上。 

具体地，偏心电机转子可以有多种构造方式，例如，在电机转子(一般为旋转体)内部偏离中心的位置处挖孔、或者直接去除一部分转子本体的材料，下面将详细描述的三个实施例中，都采用从转子内部挖孔的方式。同时，对于第一平衡块和第二平衡块相对于偏心电机转子的布置方式，针对不同的压缩机型号，可以有多种选择，具体的布置方式同样会在下面的三个示例性的实施例中描述。 

图1A至1C中示出了根据本发明的旋转式压缩机的平衡结构的三个实例。在图1A所示的平衡结构中，第一平衡块40和第二平衡块50的质心均位于曲轴20的纵向中心面A的同一侧，而偏心电机转子10的质心位于纵向中心面A的相对侧，同时曲轴偏心部30的质心也位于纵向中心面A的该相对侧。 

图1B和图1C所示的实施例中，第一平衡块40或第二平衡块50的质心与偏心电机转子10的质心分别位于曲轴30的纵向中心面A的两侧。在图1B中，第一平衡块40的质心位于纵向中心面A的一侧，而第二平衡块50的质心和偏心电机转子10的质心以及曲轴偏心部20的质心均位于曲轴30的纵向中心面A的相对侧。在图1C中，第一平衡块40的质心和偏心电机转子10的质心位于纵向中心面A的同一侧，而第二平衡块50的质心和曲轴偏心部30的质心位于曲轴30的纵向中心面A的相对侧。 

由上面的描述可知，偏心电机转子10的质心与曲轴偏心部30的质心可以都位于曲轴10的纵向中心面A的同一侧，也可以分别位于曲轴纵向中心面A的两侧。 

根据本发明的原理，第一平衡块40、第二平衡块50、偏心电机转子10的偏心部分、曲轴偏心部30的设置方式可以根据压缩机的具体型号来确定。针对不同型号的压缩机，第一平衡块40、第二平衡块50的尺寸(对应质量)、布置位置，以及偏心电机转子10 的偏心位置的确定都相应变化，具体的布置方式可以通过如下描述的方法来确定。 

在根据本发明的上述平衡结构中，不再将曲轴偏心部30看作刚性体，而是考虑曲轴偏心部30的变形，采用将与变形相关的参量引入约束方程中，同时将第一平衡块40、第二平衡块50、偏心电机转子10的偏心部分、曲轴偏心部30的偏心量全部引入约束方程，利用相应的优化算法来确定出电机转子10偏心量、第一、第二平衡块40、50的偏心量与曲轴偏心部30偏心量的关系，由此确定出平衡结构的具体布置，即偏心电机转子10的以及第一、第二平衡块40、50的质量和设置方式。 

下面，参照图3对本发明的平衡结构的设计流程进行说明。平衡结构的设计方式如下： 

a)建立平衡结构的振型模型(振型模型如图2所示)； 

b)对平衡结构的振型模型进行模态分析，确定出偏心电机转子10的第一阶弯曲振型参数 

第一平衡块40的第一阶弯曲振型参数 

和第二平衡块50的第一阶弯曲振型参数 

与曲轴偏心部30的第一阶弯曲振型参数 

c)定义偏心电机转子10的偏心量m_me_m、第一平衡块40的偏心量m_pe_p、第二平衡块50的偏心量m_ae_a的与曲轴偏心部30的偏心量m_ee_e，并设定上述这些偏心量的初始值； 

d)进行振型平衡校核，具体地是利用上述确定出的参数(包括第一弯曲振型参数和偏心量)优化出偏心电机转子10的偏心量m_me_m、第一平衡块40的偏心量m_pe_p、第二平衡块50的偏心量m_ae_a与曲轴偏心部30的偏心量m_ee_e之间的关系，也就是优化出满足平 衡约束条件的偏心电机转子10、第一平衡块40、第二平衡块50的偏心量。 

如果校核结果满足预设的约束方程和条件，则输出相应的优化结果；否则返回步骤c)中进行再次校核。 

上述参数中，m表示平衡结构各个组成部分的质量，其中，m_p为第一平衡块的质量，m_a为第二副平衡块的质量，m_m为电机转子的质量，m_e为曲轴偏心部的质量；e表示平衡结构各个组成部分的偏心距(即质心到曲轴10的纵向中心面A的距离)，e_p为第一平衡块的偏心距、e_a为第二平衡块的偏心距、e_m为电机转子的偏心距，e_e为曲轴偏心部的偏心距。m和e二者的乘积即定义为相应部件的偏心量me。 

优选地，在步骤c)中，以如下方式设定平衡结构各个组成部分的偏心量的初始值：将第一平衡块40的偏心量的初始值、第二平衡块50的偏心量的初始值、电机转子10的偏心量的初始值均设置为与曲轴偏心部30的偏心量相同，即，m_pe_p＝m_ee_e，m_ae_a＝m_ee_e，m_me_m＝m_ee_e。根据目前通用的手段，曲轴偏心部30的偏心量m_ee_e可以根据压缩机的型号和性能来确定。 

优选地，根据本发明的设计思想，上述步骤d)中，偏心电机转子10的偏心量m_me_m、第一平衡块40的偏心量m_pe_p、第二平衡块50的偏心量m_ae_a与曲轴偏心部30的偏心量m_ee_e之间的关系通过如下关系式限定： 

质量约束：Min(m_p+m_a) 

约束方程： 

边界约束： 

其中，m_p为第一平衡块40的质量，m_a为第二平衡块50的质量，m_m为电机转子10的质量，m_e为曲轴偏心部30的质量，L_p为第一平衡块40的质心到曲轴偏心部30的质心的距离，L_a为第二平衡块50的质心到曲轴偏心部30的质心的距离，L_m为偏心电机转子10的质心到曲轴偏心部30的质心的距离，符号 

表示向量。具体地，平衡结构的各个部件的偏心距根据相应部件处于纵向中心面的不同侧而取正值或负值。例如，在图2所示实施例的振型模型中，将图中显示的纵向中心面A右侧的偏心距定义为正值，而左侧的定义为负值，则此时的约束方程就可以写成： 

上述经验公式是专门针对变频压缩机设定的，其中采用的质量约束条件Min m_p+m_a是振型法动平衡设计的基本目的，即使用最小质量的平衡块来满足转子部件的动平衡要求。同时，所用的边界约束 

是一个经验性的约束式，其目的在于保证能够选取合适的平衡块、适当地设置电机转子的偏心位置，同时使得这些部件的尺寸不会太大。 

下面，采用一个具体实例来对上述步骤d)中优化方法进行说明。以图2中所示实施例进行说明，因此采用上述变形后的约束方程(2)。 

根据压缩机的型号及内部的具体构件，进行模态分析，确定出各个部件的第一阶段弯曲振型参数，如某具体压缩机的第一阶段弯曲振型参数如下： 

同时确定出曲轴偏心部30的偏心量m_ee_e＝639.8g*mm(这些数值根据压缩机的实际构件测量、计算得出)。将上述参数值代入上面的约束方程组，结果如下： 

质量约束：Min m_p+m_a

约束方程组： $\left\{\begin{array}{c}639.8+m_m{e}_m-m_p{e}_p-m_p{e}_a=0\\ m_m{e}_m{L}_m-m_p{e}_p{L}_p-m_a{e}_a{L}_a=0\\ -93.4108+22.92m_m{e}_m-8.71m_p{e}_p-39.37m_a{e}_a=0\end{array}\right.$

边界约束： 

对上述方程求解，确定出电机转子偏心量m_me_m，第一平衡块偏心量m_pe_p，第二平衡块的偏心量m_ae_a和曲轴偏心量m_ee_e有如下关系： 

m_me_m＝1.5～3m_ee_e； 

m_pe_p＝1.5～3m_ee_e； 

m_ae_a＝0.6～1.2m_ee_e

由此就可以根据实际需要，来选取质量、位置关系相匹配的平衡块和电机转子，只要它们的偏心量满足上述关系式，则就可以获得较理想的动平衡效果。 

此外，根据本发明的原理，还提供了一种旋转式压缩机，其包括前述的本发明的平衡结构。 

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (9)

1.旋转式压缩机的平衡结构，其特征在于，包括：

偏心电机转子(10)，安装在压缩机转子部件的曲轴(20)的一端上；

曲轴偏心部(30)，设置在所述曲轴的另一端附近；

第一平衡块(40)和第二平衡块(50)，分别设置在所述偏心电机转子的两端；

所述平衡结构的布置采用如下步骤设计：

a)建立所述平衡结构的模态振型模型；

b)对所述平衡结构的振型模型进行模态分析，确定出所述电机转子质心对应的曲轴第一阶弯曲振型参数

所述第一平衡块质心对应的曲轴第一阶弯曲振型参数

和所述第二平衡块质心对应的曲轴第一阶弯曲振型参数

与所述曲轴偏心部质心对应的曲轴第一阶弯曲振型参数

c)定义所述电机转子的偏心量m_me_m、所述第一平衡块的偏心量m_pe_p、第二平衡块的偏心量m_ae_a与所述曲轴偏心部的偏心量m_ee_e，并设定这些偏心量的初始值；

d)利用上述确定出的参数，基于优化算法确定出所述电机转子的偏心量m_me_m、所述第一平衡块的偏心量m_pe_p、第二平衡块的偏心量m_ae_a与所述曲轴偏心部的偏心量m_ee_e之间的关系；

其中，m_p为第一平衡块的质量，m_a为第二平衡块的质量，m_m为电机转子的质量，m_e为曲轴偏心部的质量，e_p为所述第一平衡块的偏心距、e_a为所述第二平衡块的偏心距、e_m为所述电机转子的偏心距，e_e为所述曲轴偏心部的偏心距。

2.根据权利要求1所述的旋转式压缩机的平衡结构，其特征在于，所述第一平衡块和第二平衡块的质心均位于所述曲轴的纵向中心面(A)的同一侧，而所述电机转子的质心位于所述曲轴的纵向中心面的另一侧。

3.根据权利要求1所述的旋转式压缩机的平衡结构，其特征在于，所述第一平衡块或第二平衡块的质心与所述电机转子的质心分别位于所述曲轴的纵向中心面的两侧。

4.根据权利要求1所述的旋转式压缩机的平衡结构，其特征在于，所述电机转子的质心与所述曲轴偏心部的质心位于所述曲轴纵向中心面的同一侧。

5.根据权利要求1所述的旋转式压缩机的平衡结构，其特征在于，所述电机转子的质心与所述曲轴偏心部的质心分别位于所述曲轴纵向中心面的两侧。

6.根据权利要求1所述的旋转式压缩机的平衡结构，其特征在于，在所述步骤c)中，以如下方式设定偏心量的初始值：

所述第一平衡块的偏心量的初始值设置为m_pe_p＝m_ee_e，所述第二平衡块的偏心量的初始值设置为m_ae_a＝m_ee_e，所述电机转子的偏心量的初始值设置为m_me_m＝m_ee_e。

7.根据权利要求1所述的旋转式压缩机的平衡结构，其特征在于，所述步骤d)中，所述电机转子的偏心量m_me_m、所述第一平衡块的偏心量m_pe_p、所述第二平衡块的偏心量m_ae_a与所述曲轴偏心部的偏心量m_ee_e之间的关系通过如下关系式限定：

质量约束：Min(m_p+m_a)

约束方程组：

边界约束：

其中，L_p为所述第一平衡块的质心到所述曲轴偏心部的质心的距离，L_a为第二平衡块的质心到所述曲轴偏心部的质心的距离，L_m为所述偏心电机转子的质心到所述曲轴偏心部的质心的距离，L_p、L_a、L_m的值根据第一平衡块和第二平衡块的安装位置确定。

8.根据权利要求7所述的旋转式压缩机的平衡结构，其特征在于，所述平衡结构的各个部件的偏心距根据相应部件处于所述曲轴纵向中心面的不同侧而取正值或负值。

9.一种旋转式压缩机，其特征在于，包括根据前述权利要求1-8中任一项所述的平衡结构。

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