一种涡旋压缩机轴向力电磁动态平衡装置及其控制方法

本发明属于压缩机，涉及新能源汽车空调用涡旋压缩机领域，特别涉及一种涡旋压缩机轴向力电磁动态平衡装置及其控制方法。

背景技术：

1、涡旋压缩机具有体积小、噪音低、效率高、运行平稳等优势，被广泛应用于新能源汽车空调热泵系统中；进一步原理解释性的，在涡旋式压缩机工作过程中，保持动涡旋盘、静涡旋盘间良好的啮合与密封，是保证工作稳定与性能提高的关键；然而，受作用在动涡旋盘上工作腔侧轴向气体力的影响，动涡旋盘、静涡旋盘的涡旋齿与端板之间无法紧密贴合，会形成轴向间隙，使得相邻各工作腔之间，存在着气体质量的交换，即径向泄漏。综上，在涡旋压缩机工作中，若轴向力平衡不足，就会导致动涡旋盘、静涡旋盘分离，轴向间隙增大，制冷剂泄漏量增加；若轴向力平衡过大，则会导致动涡旋盘、静涡旋盘紧贴，摩擦加剧，摩擦损耗增大；因此，需要对动涡旋盘所受轴向气体力进行平衡。

2、目前，应用于平衡涡旋压缩机轴向力的技术方案主要包括：

3、(1)在动涡旋盘背面安装推力轴承平衡轴向力；解释性的，这种方式对于动、静涡旋盘的轴向定位可靠，但无法实现轴向力的自动补偿；

4、(2)在动涡旋盘背部施加弹簧力平衡轴向力；解释性的，这种方式虽可实现轴向力自动补偿，但无法根据轴向力大小进行实时、精确的调节，密封力往往不是最佳且结构较为复杂；

5、(3)在动涡旋盘背部开设引压孔，采用气体背压平衡轴向力；解释性的，这种方式虽可实现轴向力自动补偿，但背压压力会随引出的工作腔压力而变化，无法根据动涡旋盘所受轴向力的大小进行实时、精确的调节，且调节范围有限；另外，背压腔的气体压力作用在背压腔的密封活塞上，其推力面与推力轴承之间会产生摩擦，导致涡旋压缩机的工作效率降低；

6、(4)采用磁力密封的浮动式涡旋装置平衡轴向力，通过在涡旋盘上布置钢环，采用电磁吸力的方式平衡轴向力；解释性的，这种方式可以进行自动补偿，但无法在涡旋压缩机变工况运行时进行轴向力的精确调节，且钢环的布置增大了涡旋盘的转动惯性力，不利于涡旋压缩机转速的提高，同时增大了涡旋盘直径，不利于涡旋压缩机体积的控制。

7、综上所述，现有公开的涡旋压缩机轴向力平衡方案均无法实现轴向力的自动补偿和精确平衡；其中，前述现有方法或不能实现在运行过程中自动补偿，或无法在自动补偿过程中进行精确且迅速的调节，或在平衡过程中会产生额外的摩擦，影响涡旋压缩机的动态特性和性能特性，进而影响轴向力的精确平衡，或极大影响了涡旋盘的动态特性，且无法在涡旋压缩机变工况运行时进行轴向力的精确调节。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种涡旋压缩机轴向力电磁动态平衡装置及其控制方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明公开的技术方案，可在涡旋压缩机稳定或变工况运行时实现动涡旋盘轴向力大小的自动补偿和精确平衡，精准控制动、静涡旋盘轴向间隙，改善动、静涡旋盘间气体泄漏或机械摩擦，保障压缩机始终运行在效率最大的最佳性能下。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明第一方面，提供一种涡旋压缩机轴向力电磁动态平衡装置，包括：永磁体、铁芯、导电绕组、电流控制器、压力传感器和控制单元；

4、所述永磁体用于布置于涡旋压缩机的动涡旋盘端板背面；

5、所述导电绕组缠绕于所述铁芯的外侧，与所述铁芯组成电磁铁；所述电磁铁用于安装于涡旋压缩机的背压腔，所述永磁体与所述电磁铁的磁极相反且位置相对；

6、所述电流控制器与所述导电绕组串联，用于控制通过所述导电绕组的电流大小，以调节控制所述电磁铁的电磁力的大小；

7、所述压力传感器用于获取所述涡旋压缩机的背压腔压力和工作腔压力；

8、所述控制单元基于pid控制器，用于根据工作腔压力、背压腔压力，分别计算得动涡旋盘所受轴向气体力和背压腔提供的背压力，并根据轴向气体力及背压力，计算得到待平衡的过余轴向力；基于所述待平衡的过余轴向力控制所述电流控制器调节通过所述导电绕组的电流，使得所述永磁体与所述电磁铁产生的电磁排斥力之和与所述待平衡的过余轴向力的矢量和小于给定阈值。

9、本发明的进一步改进在于，

10、所述永磁体用于均匀或不均匀布置于涡旋压缩机的动涡旋盘端板背面。

11、本发明的进一步改进在于，

12、所述永磁体为扁圆盘形；

13、其中，扁圆盘形的永磁体的端面半径大于铁芯的直径与动静涡旋盘回转半径之和。

14、本发明第二方面，提供一种上述的涡旋压缩机轴向力电磁动态平衡装置的控制方法，包括以下步骤：

15、在工况变化过程中，采用动态实时调节的方式进行动涡旋盘轴向力的平衡控制；

16、在稳定运行过程中，通过读取动涡旋盘旋转周期内的轴向力参数，调节电磁斥力，进行周期性平衡控制。

17、本发明的进一步改进在于，所述在工况变化过程中，采用动态实时调节的方式进行动涡旋盘轴向力的平衡控制的步骤包括：

18、读取工作腔压力pi，并计算得到作用于动涡旋盘工作腔侧的轴向气体力fa；

19、读取背压腔压力pb，并计算得到作用于动涡旋盘端板侧的背压力fb；

20、调节通过导电绕组的电流ii，改变电磁排斥力fm,i，使电磁排斥力之和fm与动涡旋盘所受背压力fb之和与动涡旋盘所受轴向气体力fa之差满足给定阈值δe，动涡旋盘所受轴向力达到相对平衡。

21、本发明的进一步改进在于，

22、轴向气体力fa的计算表达式为，

23、

24、式中：ps为吸气压力；p为渐开线节距；a1为中心压缩腔轴向气体力作用面积；n为渐开线圈数；θ为主轴转角；ρi为第i个压缩腔体的压缩比。

25、本发明的进一步改进在于，

26、背压力fb的计算表达式为，

27、fb＝pbab；

28、式中：ab为动涡旋盘背压腔侧受力面积。

29、本发明的进一步改进在于，

30、电磁排斥力之和fm的计算表达式为，

31、

32、式中：n为电磁悬浮装置个数；n为线圈匝数；z为悬浮间距大小；μ0为永磁体相对磁导率；a为磁极有效面积。

33、本发明的进一步改进在于，所述在稳定运行过程中，通过读取动涡旋盘旋转周期内的轴向力参数，调节电磁斥力，进行周期性平衡控制的步骤具体包括：

34、在涡旋压缩机稳定运行时，读取并记录一个动涡旋盘回转周期内的工作腔压力和背压腔压力变化曲线，计算得到一个周期内平衡动涡旋盘所需的轴向力；

35、将所述一个周期内平衡动涡旋盘所需的轴向力作为目标函数，调节通过导电线圈的电流大小以改变电磁排斥力，进行轴向力平衡。

36、本发明的进一步改进在于，还包括：

37、通过背压孔引压，以提供气体背压力并平衡部分轴向气体力。

38、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

39、本发明提供的涡旋压缩机轴向力电磁动态平衡装置，是一种基于电磁机构和pid算法的可自动补偿以及精确平衡的轴向力平衡方案，在涡旋压缩机稳定或变工况运行时精准平衡轴向力，调节动、静涡旋盘轴向间隙，减少工质泄漏、平衡摩擦，保障压缩机始终运行在效率最大的最佳性能下。具体解释性的，针对涡旋压缩机无法在稳定或变工况运行时对轴向力进行自动补偿和精确平衡的问题，本发明采用了基于电磁动态平衡的轴向力平衡方案，其中的压力传感器、计算单元可以获取动涡旋盘在运动周期内各主轴转角位置所对应的背压力，电磁力产生、控制装置可以生成随通过导电绕组的电流大小变化而变化的电磁排斥力，通过调节电流的大小对电磁排斥力做出精确调控，使得电磁排斥力之和总是相对满足平衡轴向气体力的需要。

40、本发明提供的控制方法，可实现涡旋压缩机在稳定或变工况运行时对轴向力平衡；具有自动补偿和精确平衡的优势，可对动、静涡旋盘轴向间隙的精确调节，保障压缩机始终运行在效率最大的最佳性能下；另一方面，也使得涡旋压缩机的超高转速运行成为了可能。