第1章 绪论
　　制冷压缩机是蒸汽压缩式（即机械压缩式）制冷系统中*基本和*重要的组成部分，是驱动制冷系统中制冷剂循环流动的动力源。
　　滚动转子式制冷压缩机也称为滚动活塞式制冷压缩机，可应用于房间空气调节器、多联式空调系统、风管机、单元机、电冰箱、除湿机、小型水冷机组、小型热泵机组、热泵热水器、热泵干衣机以及其他小型商用制冷设备等系统中。
　　滚动转子式制冷压缩机由于具有结构简单、性能优良、成本低廉等多种优势，在小型制冷和热泵系统中得到了广泛的使用。特别是在房间空气调节器中，自20世纪70～80 年代房间空气调节器用压缩机“旋转化”（即以滚动转子式制冷压缩机为代表的旋转压缩机全面替代往复式压缩机）变革以来，全封闭滚动转子式制冷压缩机一直稳稳地占据着这一领域的统治地位，现在全球年生产量超过一亿台。目前，全封闭滚动转子式制冷压缩机正朝着大容量、高效率、低噪声、双缸、变容、双级压缩、补气增焓和变频等多个方向发展，其应用的领域和使用的范围将进一步扩大。
　　由于在大多数情况下，小型制冷和热泵系统的使用场所处于人类的生活环境中，其噪声和振动对环境已经产生了严重的影响，对噪声和振动的研究与控制已成为系统设计工程师的重要工作之一。而制冷压缩机是制冷和热泵系统中*大的振动源和噪声源，其噪声和振动的大小在很大程度上决定了制冷和热泵系统噪声和振动的大小。此外，制冷压缩机除了自身辐射噪声之外，其振动还会引起配管和系统结构等其他零部件的振动而产生二次噪声。因此，制冷压缩机噪声和振动的研究是制冷和热泵系统中噪声和振动研究的重要课题。特别是随着变频控制技术的发展及其在制冷和热泵系统中的广泛应用，滚动转子式制冷压缩机的运转频率范围已经大幅度扩大，从而带来了更加严重的噪声和振动问题。例如，变频控制时逆变器电流谐波对制冷压缩机噪声和振动产生的影响、低频运转时整机振动增大的问题、高频运转时噪声增高的问题等，这些都是需要在制冷压缩机的设计、制造、变频控制策略、配管以及减振降噪等多个方面进行研究和解决的。
　　虽然由于用途、工况条件和制冷剂等不同，滚动转子式制冷压缩机在结构设计上会有一定的针对性，但从总体上来说，压缩机噪声和振动的产生机理以及控制方法基本上是相同的。方便起见，在本书中，如果无特别说明，将以房间空气调节器用立式滚动转子式制冷压缩机为例进行分析。
　　本书主要讨论滚动转子式制冷压缩机本身的噪声和振动问题，不会过多地涉及关于配管、变频控制策略、其他零部件二次噪声等方面的噪声和振动以及控制方法。
　　1.1 压缩机工作原理及特点
　　1.1.1 工作原理
　　滚动转子式制冷压缩机为容积式制冷压缩机，类属于旋转式。它利用一个偏心圆筒形转子（称为滚动转子或滚动活塞）在圆柱形气缸体内的转动引起工作容积的变化，以实现对制冷剂气体的压缩。
　　全封闭滚动转子式制冷压缩机主要由气体压缩机构（即气缸，也称为泵体）、驱动电机和封闭壳体等零部件组成。其中，气缸主要由气缸体、滚动转子、偏心轮轴、滑片、弹簧、排气阀以及两个端盖（含主、副轴承和止推轴承）等组成，基本构成如图1.1所示。
　　图1.1 气缸的截面示意图
　　从图1.1中可以看出，气缸的组成是：在圆柱形的气缸体内偏心配置一个圆筒形的滚动转子，滚动转子安装在偏心轮上，滚动转子与偏心轮同心，而偏心轮轴的旋转中心与气缸的中心重合。滚动转子的外圆壁面与气缸体圆柱形的内壁相切（实际上存在间隙，两者并未接触，依靠润滑油膜形成密封）形成月牙形空间，它的两端被气缸的两个端盖封闭，形成压缩机的工作腔，在两个端盖上设置滑动轴承，支承偏心轮轴。安装在气缸体滑片槽中的滑片，在滑片背部弹簧力和制冷剂气体力合力的作用下，其一端始终保持与滚动转子外圆壁面相接触，将月牙形的空间分隔成两个互不相通的部分，在气缸体滑片槽的两侧分别开设有吸气孔口和排气孔口，并在排气孔口的出口位置装有舌簧片式排气阀。
　　在气缸内，与吸气孔口相通的部分称为吸气腔，也称为后腔；与排气孔口相通的部分称为压缩腔，也称为前腔。两个端盖、气缸体内壁面、滚动转子外圆壁面、切点、滑片构成封闭的气缸容积，这一气缸容积称为基元容积。
　　压缩机工作时，在驱动电机的带动下偏心轮轴绕气缸中心旋转，随着偏心轮轴绕气缸中心在气缸中连续转动，吸气腔、压缩腔的容积不断周期性变化，容积内的制冷剂气体压力则随基元容积的大小而改变，从而完成压缩机的吸气、压缩、排气及余隙膨胀四个工作过程。
　　1.1.2 工作过程
　　滚动转子式制冷压缩机的工作过程如图1.2所示。在图1.2（a）中，偏心轮轴的转角为0°，此时滚动转子中心和气缸中心的连线与滑片的中线处于同一直线上，气缸的基元容积中充满由吸气孔口吸入的低压制冷剂气体；在图 1.2（b）中，气缸的基元容积被滑片分隔成两个部分，滑片的一侧处于吸气过程，另一侧处于压缩过程；在图 1.2（c）中，气缸的一个基元容积继续吸气，另一个基元容积内的制冷剂气体压力达到气缸外的制冷剂气体压力，开始进入排气过程；在图 1.2（d）中，气缸的一个基元容积仍然继续吸气，另一个基元容积处于排气过程，并随着滚动转子的转动逐渐接近排气结束进入余隙膨胀过程。
　　图1.2 滚动转子式制冷压缩机的工作过程
　　下面用如图1.3所示的气缸特征角来说明滚动转子式制冷压缩机的工作过程。在图1.3中，O 点为偏心轮轴的转动中心（即气缸中心），O1点为滚动转子的旋转中心，OO1的连线表示滚动转子转角θ的位置。当滚动转子处于*上端位置，即θ= 0°时，滚动转子与气缸体的切点B位于气缸体内壁的顶点。α为吸气孔口后边缘角，β为吸气孔口前边缘角，γ为排气孔口后边缘角，δ为排气孔口前边缘角，ψ为排气开始角。
　　（1）滚动转子从θ= 0°开始顺时针旋转，转角θ转至吸气孔口后边缘角α之前，基元容积由0开始不断扩大而不与任何孔口相通，它构成吸气封闭容积。封闭容积内的制冷剂气体主要来源于泄漏，随着封闭容积内的气体膨胀，其压力低于吸气压力ps。α的大小影响吸气开始前吸气腔中的气体膨胀，α越大，封闭容积内的气体压力越低。
　　（2）当转角θ等于吸气孔口后边缘角α时，基元容积与吸气孔口相连通，容积内的制冷剂气体压力恢复为压缩机的吸气压力ps 。
　　（3）转角θ从吸气孔口后边缘角α到2π为吸气过程，从θ=α时开始吸气，到θ= 2π时结束吸气过程。当转角θ等于2π时，基元容积*大。
　　（4）当滚动转子开始第二圈运转，转角在2π<θ<2π+β范围时，原来充满低压制冷剂气体的吸气腔变为压缩腔，但在吸气孔口前边缘角β内，压缩腔与吸气孔口相连通，基元容积内的制冷剂气体产生回流。制冷剂气体倒流回到吸气孔口，造成容积损失。
　　（5）转角θ由2π+β转至2π+ψ时为压缩过程，此时基元容积逐渐减小，基元容积内的制冷剂气体压力随之逐渐上升，直至达到排气压力pd 。
　　（6）转角θ由2π+ψ转至4π-γ时，排气阀打开，此过程为排气过程，基元容积内的制冷剂气体压力为压缩机排气压力pd 。排气结束时气缸内还残留有高温高压的制冷剂气体，此容积称为余隙容积。
　　图1.3 滚动转子式制冷压缩机气缸的特征角
　　（7）转角θ由4π-γ转至4π-δ时，为基元容积（余隙容积）中的气体膨胀过程。余隙容积与其后的低压基元容积（吸气行程）经排气孔口接通，余隙容积中高压制冷剂气体膨胀至吸气压力ps，使低压基元容积吸入的制冷剂气体量减少。
　　（8）转角θ由4π-δ转至4π时是排气封闭容积的再压缩过程，工作腔内的制冷剂气体压力急剧上升且超过排气压力pd。
　　基元容积与制冷剂气体压力随转角θ变化的情况如图1.4所示。
　　图1.4 基元容积与制冷剂气体压力随转角θ的变化
　　（虚线为基元容积曲线，实线为气体压力曲线）
　　1.1.3 特点
　　从上述结构原理和工作过程的分析中可以看出，滚动转子式制冷压缩机具有以下特点：
　　（1）对一个工作腔来说，压缩机的吸气、压缩、排气以及余隙膨胀过程是滚动转子绕气缸中心旋转720°来完成的，但由于滑片两侧的工作腔同时进行着吸气、压缩、排气及余隙膨胀过程，所以可以认为压缩机每旋转360°完成一个工作循环，不仅吸气、排气过程平稳，而且在吸气孔口和排气孔口中的气体流速也比较低。
　　（2）吸气孔口和排气孔口分布在滑片的两侧，在滑片与排气孔口、滑片与吸气孔口之间都留有空档角，空档角的大小与吸气孔口和排气孔口的位置有关。由于存在空档角，会带来以下影响。
　　排气侧空档角的存在使气缸产生余隙容积，当排气结束时，余隙容积中残余有高压制冷剂气体。随着偏心轮轴的转动，余隙容积中高压制冷剂气体将膨胀进入吸气腔，从而减少实际吸气量。
　　吸气侧空档角的存在会带来两方面影响：一是在开始压缩前将已经吸入吸气腔的制冷剂气体又从吸气孔口推出去一部分，因而使得压缩机的实际输气量减小；二是在下一个吸气过程之前，使得吸气腔中造成过度低压，增大了压缩机的功耗，引起效率降低。
　　因此，从提高压缩机的性能上来说，空档角越小越好。
　　（3）由于没有吸气阀，吸气过程的开始点与偏心轮轴的旋转角有严格的对应关系。
　　（4）由于设置了排气阀，排气开始角随压缩机排气管中制冷剂气体压力的变化而变动，排气压力不取决于排气孔口位置，与偏心轮轴的旋转角度也没有严格的对应关系。因此，滚动转子式制冷压缩机为压力比可变的压缩机。
　　（5）滚动转子式制冷压缩机直接由电机驱动进行旋转运动完成吸气、压缩、排气及余隙膨胀过程，因而具有零部件少、结构简单、体积小、重量轻、成本低等优点。
　　（6）滚动转子式制冷压缩机只有滑片做往复运动，其往复惯性力小，而旋转惯性力可以通过动平衡来平衡，因此压缩机相对来说运转平稳，振动较小，噪声低。
　　（7）由于运动部件的间隙依靠润滑油密封，需要从排气中分离出润滑油，压缩机壳体内为高温高压的制冷剂气体，压缩机的电机在高温环境中工作，绕组容易过热，需要有控制过热和保护的措施。
　　（8）需要很高的加工精度和装配精度才能保证压缩机的性能和可靠性。
　　1.2 压缩机的种类
　　为了满足各种使用的需要，全封闭滚动转子式制冷压缩机的种类繁多。归纳起来，大致有以下几种分类方式：
　　（1）按安装方式分，有立式和卧式两种类型。立式是指偏心轮轴的轴心线垂直于安装面；卧式是指偏心轮轴的轴心线平行于安装面。
　　（2）按气缸结构分，根据气缸数可分为单缸、双缸和三缸三种结构；根据气缸容积可变性可分为定容式和变容式两种类型；根据压缩级数可分为单级压缩和双级压缩两种类型。此外，还有中间补气增焓结构、喷射冷却结构、单双级压缩切换结构等多种类型。
　　（3）按驱动电机类型分，目前主要使用以下四种类型的电机：单相异步电机、三相异步电机、内置式永磁同步电机、永磁辅助同步磁阻电机。因此，按照使用电机的类型，滚动转子式制冷压缩机可分为单相电机压缩机、三相电机压缩机、永磁同步电机压缩机和永磁辅助同步磁阻电机压缩机。
　　其中，采用单相异步电机和三相异步电机驱动的压缩机转速固定，通常称为定频率压缩机或定转速压缩机。采用内置式永磁同步电机和永磁辅助同步磁阻电

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 压缩机工作原理及特点 2
1.1.1 工作原理 2
1.1.2 工作过程 3
1.1.3 特点 5
1.2 压缩机的种类 6
1.2.1 单缸压缩机 7
1.2.2 双缸压缩机 12
1.2.3 三缸双级压缩机 18
1.3 噪声和振动类型及降低方法 21
1.3.1 噪声和振动的类型 21
1.3.2 降低噪声和振动的基本方法 23
第2章 噪声控制的基础知识 26
2.1 声波、声源和声压 26
2.1.1 声波 26
2.1.2 声源 28
2.1.3 声压 28
2.1.4 声波传播的类型 29
2.2 波动方程 30
2.2.1 运动方程 30
2.2.2 连续性方程 31
2.2.3 状态方程 32
2.2.4 声波的波动方程 33
2.3 声波的基本性质 33
2.3.1 波动方程的解 33
2.3.2 声波传播速度、波长和周期 34
2.3.3 声阻抗率和介质的特性阻抗 37
2.4 声波的能量、声强和声功率 38
2.4.1 声能量和声能量密度 38
2.4.2 声强和声功率 39
2.5 声波传播的基本现象 41
2.5.1 声波的反射与折射 41
2.5.2 声波的绕射 43
2.5.3 声波的叠加与干涉 44
2.6 噪声的物理量度 45
2.6.1 声级的定义 45
2.6.2 声级的计算 48
2.6.3 噪声的频谱分析 50
2.7 噪声的评价 52
2.7.1 响度级和等响曲线 52
2.7.2 计权声级 54
2.7.3 等效(连续)A声级 57
2.7.4 烦恼度 58
第3章 机械振动的基础知识 60
3.1 简谐振动 60
3.2 自由振动 62
3.2.1 单自由度系统的自由振动 62
3.2.2 多自由度系统的自由振动 66
3.3 强迫振动 69
3.3.1 单自由度系统的强迫振动 69
3.3.2 多自由度系统的强迫振动 74
第4章 电磁噪声和振动及控制方法 77
4.1 电磁噪声和振动的激励源 77
4.2 三相异步电机的电磁噪声和振动 80
4.2.1 正弦波供电时的径向力波 80
4.2.2 气隙偏心时的径向力波 87
4.2.3 电流谐波导致的径向力波 92
4.2.4 拍频振动和噪声 97
4.3 单相异步电机的电磁噪声和振动 99
4.3.1 径向力产生的电磁噪声和振动 99
4.3.2 切向力产生的电磁噪声和振动 101
4.4 同步电机的电磁噪声和振动 103
4.4.1 基本结构 103
4.4.2 电磁噪声和振动的产生机理及特征 105
4.4.3 正弦波供电时的径向力波 106
4.4.4 气隙偏心时的径向力波 112
4.4.5 逆变器供电时的径向力波 117
4.4.6 齿槽转矩 124
4.4.7 永磁转矩和磁阻转矩脉动 127
4.5 电磁噪声和振动的其他激励源 130
4.5.1 电压不平衡时的电磁噪声和振动 130
4.5.2 磁致伸缩的噪声和振动 130
4.6 定子系统振动分析 132
4.6.1 径向力波引起的定子振动 132
4.6.2 受迫振动 135
4.6.3 定子系统固有频率的解析计算法 136
4.6.4 定子系统固有频率的有限元计算法 138
4.6.5 定子系统固有频率的实验测试法 139
4.7 降低异步电机电磁噪声和振动的方法 140
4.7.1 选择合适的定、转子槽配合 140
4.7.2 采用斜槽 142
4.7.3 减小力波 142
4.7.4 保证磁场的对称性 143
4.7.5 降低定子表面的动态振动 145
4.7.6 降低脉动噪声 147
4.7.7 提高加工质量和装配质量 147
4.8 降低永磁同步电机电磁噪声和振动的方法 148
4.8.1 减小齿槽转矩的方法 148
4.8.2 减小纹波转矩的方法 154
4.8.3 降低径向力波的方法 155
4.9 降低永磁辅助同步磁阻电机噪声和振动的方法 156
4.9. 极弧角度优化 157
4.9. 不同磁障跨角组合优化 157
4.9. 转子永磁体槽端部切角处理 159
4.9. 磁障不对称设计 159
4.9. 定子齿靴切边设计 163
4.9.6 实例分析 164
4.10 降低逆变器驱动噪声和振动的方法 168
4.10.1 输出波形正弦化 168
4.10.2 死区时间补偿 168
4.10.3 随机PWM法 169
4.10.4 电流滞环控制 172
4.10.5 在线参数辨识法 172
第5章 气体动力性噪声及控制方法 177
5.1 消声器 178
5.1.1 消声器评价指标 179
5.1.2 扩张室式消声器 181
5.1.3 亥姆霍兹共振消声器 187
5.2 排气噪声及控制方法 192
5.2.1 排气噪声产生的机理 192
5.2.2 影响排气噪声的主要因素 198
5.2.3 排气噪声的控制方法 203
5.3 压缩噪声及控制方法 219
5.3.1 压缩噪声与气缸内压力的关系 219
5.3.2 压缩腔内气体压力的变化 220
5.3.3 气缸内气体压力脉动及频谱 222
5.3.4 压缩噪声与运转频率及转角的关系 225
5.3.5 压缩噪声的传递路径 226
5.3.6 压缩噪声的控制方法 227
5.4 吸气噪声及控制方法 231
5.4.1 吸气压力脉动噪声 231
5.4.2 气柱共振噪声 234
5.4.3 吸气压力脉动对吸气管的激振噪声 235
5.4.4 吸气通道中的涡流噪声 236
5.4.5 吸气噪声的控制方法 237
5.5 气体共鸣噪声及控制方法 240
5.5.1 系统气体共鸣噪声 241
5.5.2 单腔气体共鸣噪声 247
5.5.3 壳体内气体共鸣噪声的控制方法 253
5.6 双级压缩中间腔的气体动力性噪声及控制方法 255
5.6.1 中间腔气体压力脉动产生的机理 256
5.6.2 控制方法 256
5.7 气液分离器的噪声及控制方法 259
5.7.1 气液分离器噪声产生的原因 259
5.7.2 控制气液分离器气体动力性噪声的方法 263
5.8 旋转体的气体动力性噪声 265
5.8.1 涡流噪声 266
5.8.2 笛鸣噪声 266
第6章 机械噪声及控制方法 267
6.1 机械噪声形成的机理 267
6.1.1 撞击噪声的形成机理 267
6.1.2 摩擦噪声的形成机理 268
6.1.3 结构振动噪声的形成机理 269
6.1.4 滚动转子式制冷压缩机的机械噪声 270
6.2 排气机械噪声及控制方法 270
6.2.1 排气阀片的撞击噪声 271
6.2.2 排气阀片的颤振噪声 276
6.2.3 降低排气阀撞击和颤振噪声的方法 277
6.2.4 排气阀片固有频率的测量方法 280
6.3 转子系的弯曲噪声与振动控制方法 282
6.3.1 旋转不平衡惯性力产生的噪声及控制方法 282
6.3.2 气体激励力产生的噪声及控制方法 289
6.3.3 不平衡电磁激振力引起的噪声及控制方法 292
6.3.4 三种不平衡力的综合影响 297
6.4 转子系轴向窜动与噪声控制方法 298
6.4.1 轴向窜动产生噪声的原因 298
6.4.2 转子系受力分析 299
6.4.3 气体压力脉动分析 302
6.4.4 降低转子系轴向窜动的方法 305
6.5 轴承噪声及控制方法 307
6.5.1 滑动轴承噪声及控制方法 307
6.5.2 止推轴承噪声及控制方法 314
6.6 滑片与滚动转子的撞击噪声及控制方法 315
6.6.1 跟随性不良导致的撞击噪声及控制方法 316
6.6.2 液压缩脱离导致的撞击噪声及控制方法 321
6.7 滑片与滑片槽的撞击噪声及控制方法 322
6.7.1 滑片与滑片槽撞击噪声产生的原因 322
6.7.2 控制方法 324
6.8 滚动转子与气缸壁的摩擦和撞击噪声及控制方法 326
6.9 滚动转子与上下端盖之间的摩擦噪声及控制方法 328
6.9.1 产生的原因 328
6.9.2 影响因素 329
6.9.3 控制方法 330
6.10 降低机械噪声的其他方法 330
6.10.1 提高气缸的刚度 330
6.10.2 选择合适的焊接方法 330
6.10.3 合理避开主要激振频率 332
6.10.4 提高制造装配精度 332
6.10.5 采用强力供油系统 332
第7章 噪声的传递与辐射 334
7.1 压缩机噪声的传递路径 334
7.2 激励源特性 336
7.3 传递路径特性 338
7.3.1 气体传递路径特性 338
7.3.2 固体传递路径特性 341
7.4 压缩机壳体及附件表面的噪声辐射 349
7.4.1 压缩机壳体表面的噪声辐射 349
7.4.2 压缩机附件表面的噪声辐射 352
7.5 辐射噪声的控制方法 352
7.5.1 降低激励力 352
7.5.2 优化传递路径 352
7.5.3 降低结构辐射效率 355
7.5.4 阻尼、吸声与隔声 355
第8章 压缩机的振动与控制 357
8.1 压缩机振动的原因及类型 357
8.1.1 引起压缩机振动的原因 357
8.1.2 压缩机振动的类型 358
8.1.3 控制压缩机振动的主要方法 359
8.1.4 振动参量及振动烈度 360
8.2 压缩机的振动分析 362
8.2.1 坐标及变量 362
8.2.2 滑片的运动方程 363
8.2.3 滚动转子运动方程 367
8.2.4 偏心轮轴运动方程 369
8.2.5 不平衡力和振动方程 372
8.3 转子系旋转速度波动及控制方法 375
8.3.1 作用在转子系上的阻力矩 375
8.3.2 转子系旋转速度波动 380
8.3.3 减小转子系旋转速度波动的方法 385
8.4 采用转矩控制降低压缩机的振动 386
8.4.1 转矩控制法的基本原理 387
8.4.2 PI控制系统 389