專利名稱：多級離心壓縮機的制作方法
技術領域：
歷來，排出壓力低于150磅/平方英寸的低流量的壓縮機(低于800吸入立方英尺/分(200馬力))都是螺旋式或往復式壓縮機。這些螺旋式和往復式壓縮機是由小型低速(1800至3600轉/分)感應型電動機來驅動的。離心壓縮機需要高轉速，這就決定了需要用齒輪來把驅動速度增高至更高的轉子轉速(約為驅動轉速的5至20倍)。起先，小型離心壓縮機在低流量時效率極低，機械損耗較高，并且由于需要增速齒輪和附加的軸承而不經濟。由于這些問題，離心壓縮機對于低流量市場曾是不可行的。
背景技術：
盡管離心壓縮機技術對于低流量范圍已變得較為有效，但由于增速齒輪和附加的軸承，它們仍是成本較高和機械損耗較大。這就激發人們去研制一種直接驅動的高速電動機/壓縮機。
但是很長時間以來，這些轉速和功率等級是不可行的。功率電子元件方面的技術狀態的進步使得在所要求的功率等級下進行所要求的高頻度切換成為可能。但還是存在其它的問題，諸如要能將高密度的磁體固定在以極高轉速轉動的軸上。而如今，比金屬軸套強度更高的合成纖維可以解決這個問題。
本發明的目的是提供一種改進的與壓縮機的各級設計成為一個整體的結構緊湊的小型高速電動機，以直接將壓縮機驅動至所要求的高轉速，而無需增速齒輪及其需要的附加的軸承。
發明內容
本發明針對一種由一高速電動機軸直接驅動的例如兩級的多級離心壓縮機，而電動機軸是包括兩個直接安裝在電動機軸兩端上的壓氣葉輪的轉子的整體構成部分。電動機軸支承在用油潤滑的流體動力軸承上，并由一個由高頻逆變器供電的定子推動旋轉，逆變器一個電子控制系統控制，電子控制系統與功率轉換系統和霍爾傳感器相互協調工作。
在本發明的一個實施例中，一種帶有與之構成一體的高速電動機的用來壓縮空氣的多級離心壓縮機包括1)一個可變速的永磁電動機，它具有圍繞一裝有多個永久磁體的轉子的多個電子整流定子線圈，其中，在各線圈與轉子之間存在一氣隙，所述轉子具有一導磁鋼的轉子軸，所述軸的每一端由加壓油潤滑的流體動力軸承可轉動地支承，以及其中，各定子線圈包括許多沿定子縱向延伸并連續地圍繞定子的端部而形成多個端部線匝的定子金屬導線；2)多個安裝成與轉子軸一起轉動的壓縮機葉輪；3)一個用來將冷卻的油引入到軸承中用以潤滑軸承及并冷卻軸承、轉子和定子線圈的泵，所述軸承構造成可使從軸承出來的油飛濺到軸的受支承的端部上以及飛濺到定子線圈的端部線匝上，以及4)穿過定子的一通路，其用于在啟動過程中引入加壓的空氣，以使氣隙內的正壓，借以將油從氣隙內排出。
本發明針對一種帶有與之構成一體的高速電動機的多級離心壓縮機的啟動方法，其中，電動機具有一定子和一可轉動地支承于其中并在兩者間形成一氣隙的轉子，并且其中，轉子每一端由油潤滑的流體動力軸承支承，其中，所述方法包括以下步驟1)當轉子開始轉動時，在轉子的兩端部之間的一位置將加壓的空氣供入所述氣隙內，以使從軸承進入氣隙的油為最少，以及2)當轉子的轉速達到足以從使油轉子的端部離心地向外排出并從氣隙排空時，停止空氣的供入。
本發明的另一個方面針對一種帶有與之構成一體的高速電動機的多級離心壓縮機，它包括1)一個可變速的永磁電動機，它具有圍繞一裝有多個永久磁體的一轉子的多個電子整流定子線圈，所述轉子有一由軸承可轉動地支承的一導磁鋼的軸；2)多個安裝成與轉子軸一起轉動的壓縮機葉輪；3)所述轉子包括
(1)由平行于軸的轉動軸線的四個平面限定的方形橫截面的鋼軸，(2)多個由一圓柱形表面和一平的表面所限定并有一弓形橫截面的永久磁體，所述各磁體分別固定在方形鋼軸的四個平面之一上，并布置成極性交替，以及(3)預應力的碳石墨纖維增強的塑性捆扎裝置，用來將各永久磁體保持在軸上。
定子和逆變器是采用翅片式熱交換器進行水冷的。通過將冷空氣引入氣隙50來控制轉子和定子之間的氣隙，這些空氣可吹除氣隙內的油之類的異物。通過將鄰近磁體的軸端部浸在冷油中來冷卻轉子軸。軸冷卻的一種可替代方式或加強方式是利用從第二級葉輪貫穿轉子到第一級葉輪的一軸向孔。這樣，來自第二級進口的被冷卻了的空氣可從軸內流過而帶走熱量。空氣流的推動力是從第二級進口至第一級進口的壓力差。
轉子是由安裝在一方形橫截面的鋼軸上并借助于一預應力合成碳石墨纖維繞線層來保持在位的四個半月形釤鈷磁體構成的。
附圖簡述
圖1是用于在啟動和運行模式中向電動機提供電力的電氣系統的示意圖；圖2是帶有兩個壓氣級、空氣通路和中間冷卻器的轉子的剖視圖；圖3是拼合式定子的構造圖；圖4是示出圖3之細節的一組件的橫剖面圖；圖5是一轉子的構造圖；圖5A是沿著圖5中線5A-5A截取的一剖面圖；圖6示意地示出了用來將交流輸入轉換成直流電壓的一整流電路；圖7示意地示出了由六個IGBT開關組成的逆變電路，用來在啟動和運行模式中將電流接連到電動機；以及圖8示出了由兩個IGBT開關組成的一升壓斬器波電路，用來在直流母線上升高電壓。
具體實施例方式
圖1示出了包括一系統控制器1和一壓縮機控制器2的一電氣控制系統包括一整流器4、一升壓器5、一逆變器6以及一電動機7的一功率轉換系統之間的關系。電氣控制系統與功率轉換系統及霍爾傳感器3相互配合，以使電動機啟動以及使電動機達到全速狀態而承擔壓縮機的載荷。
圖2、3和4示出了轉子壓縮機結構帶有級間空氣冷卻的空氣流通路徑。大氣空氣通過第一級進口21進入一離心壓縮機的第一級27，該第一級壓縮空氣并使其變熱。為了增加壓縮過程的效率，在空氣通過第二級進口24進入第二級26之前使其在熱交換器31中進行冷卻。熱交換器利用在29處流入并從30處流出的冷水來進行從空氣到水的熱交換。第二級26將空氣25進一步壓縮至所需要的壓力等級。
在轉子28在啟動時開始轉動時，通過管路23將來自從一外部空氣源的壓縮空氣引入到轉子28和定子52之間的氣隙50中，以防止油從支承轉子28的軸承53、54進入氣隙50。為了這里所討論的內容，將描述與軸承53相關的結構布置，應該理解，與軸承54相關的結構布置是相似的。
被迫進入氣隙50的空氣可用于控制轉子28和定子52之間的氣氛，以防止油進入到氣隙50內，或將可能已經在氣隙50內的油吹除出去。在啟動之后，當轉子28達到以足以使任何與轉子28接觸的油都將被離心力從轉子28上甩掉并離開氣隙50的速度轉動時，應停止通過管路23引入壓縮空氣。如果在高轉速下向氣隙50供入壓縮空氣，那么轉子28和定子52會發生不希望有的摩擦和生熱。
轉子28在加載狀態下的高速轉動會使轉子中由于通風損耗、鐵損或銅損以及諧波而產生熱量。通過將轉子軸55的端部56浸在冷油中可冷卻該軸55。用泵59通過油道57來泵送油，在油道57中，油在壓力下被引入軸承53以進行潤滑，同時也從軸承53帶走熱量，且當油從軸承53飛濺到空腔58內的定子52的端部線匝上時，油也從定子52的端部線匝9帶走熱量。應予理解，泵59是示意地示出的，它可向組件中的所有轉子軸承供油。
一種可替代的軸冷卻結構(未示出)是穿過轉子28的軸內的一個孔從第二級進口24向第一級進口21供應被冷卻了的空氣。空氣的推動力是比第一級進口21處的壓力高的第二級進口24處的壓力與第一級進口21處的壓力之間的壓力差。這樣的結構也可以與油冷卻一起使用。
現在請注意圖3和4，用一同步永磁電動機7來驅動壓縮機的兩級26和27。電動機7包括定子52和轉子28。定子52用疊裝在一起的電工鋼層疊盤片60制成，如圖3所示。用于盤片60的層疊材料(圖中示出了兩片)是高質量的，所以產生的損耗很小。定子52的疊片在其24個定子凹槽中容納多個Y形連接的三相分布繞組。定子52在是由兩段拼合起來的，其中間容納一個占有一個或多個盤片60的位置的耐高溫塑性間隔件8，它具有若干徑向延伸的輻向通道64，用以將來自管路23的壓縮空氣從定子52的外徑處供應到定子52的內徑與轉子28的外徑之間的氣隙50。這些空氣用來吹除氣隙50內的任何油，或者防止油進入氣隙50內。空氣是通過管路23供應到一通道66中，該通道66穿過圍繞諸盤片60的一水冷套10延伸到繞定子52的外側延伸的一環狀空間70。從那里，空氣就通過輻向通道64分布到氣隙50內。
鄰近氣隙50的各端部線匝9的金屬導線之間的開口用于排油。定子52的外周裝有水冷套10，它對定子52中由銅損和鐵損產生的熱量進行冷卻。因此，流過軸承54的油流和流過套10的水流都起冷卻作用。
如圖5和5A所示，轉子具有用稀土釤鈷制成的永久磁體12。每一轉子有四個極。磁體的幾何形狀是半月形的，以使磁體的端部損耗為最小，并使應力為最小。各半月形的磁體72a-72d安裝在一方形橫截面的鋼軸75上，某75用來構成完整的導磁場。用不導磁的鈦制成的端蓋13蓋住各磁體。鈦允許不必將磁體短路就可用霍爾傳感器來感測轉子磁體的雜散磁場。用預應力的合成材料繞線層14將轉子磁體軸徑向地固定在軸上。該繞線層14是高強度、低導電率且高阻抗的碳石墨纖維合成物。合成纖維繞線層的預應力狀態可防止磁體從軸上松動，而一旦在工作過程中磁體松動就會損壞磁體。
對功率級的輸入電壓可以從是380伏到575伏，50或60赫茲。交流輸入電壓由半控制的整流電路轉換成直流電壓，直流電壓的電平可以由升壓相位來改變。用逆變器級將直流電壓轉變成具有所需幅值和頻率的交流電壓。定子繞組是連接于逆變器的輸出。
圖6所示的三相半控制的半導體閘流管用來將交流輸入電壓轉換成直流電壓。直流電壓電平取決于輸入電壓，并且是輸入電壓的均方根值的1.45倍。半控制的半導體閘流管由三個閘流管15和三個二極管16組成。各由串聯的RC電路構成的三個緩沖電路17分別連接于三個閘流管15的正極和負極。與全控制的形式相比，由于半控制的整流器所施加的電壓下降瞬間增加值較小，RC元件可具有較小的額定功率。用一種軟啟動來初始地對連接于半控制的閘流管的輸出的直流電容器組進行充電。在第一級啟動的整個過程中，直流電容器的穩定電壓保持不變。
電動機的啟動分兩級進行。兩級都采用傳統的六步反饋傳感器解碼。在這六個步驟中的每一步中，六個IGBT(絕緣柵雙極晶體管)開關18中的兩個是常通的，如圖7所示。為了限制電動機加速過程中的電流，以18千赫對各開關中的一個進行PWM(脈沖寬度調制)。每當整流狀態變化時，被調制的開關就也被改化，從而在六個IGBT中達到均勻的開關損耗分布。當電動機達到其標稱轉速的約80％時，有載因數為100％。此時，控制轉為第二模式。
第二模式要求對如圖8所示的遞升(升壓)電路加以控制。在第一啟動模式結束時，直流母線就已經被充電至一取決于交流輸入的均方根電壓值的電壓，且電動機處于所要求轉速的80％。為了進一步增加電動機的轉速，需要升高直流母線的電壓電平。可通過改變開關的有載比來改變電壓電平，該有載比就定義為開關的導通持續時間對切換時間周期的之比。在PWM切換模式中，是通過將一信號電平控制電壓與一重復波形比較來產生控制開關狀態(導通或斷開)的開關控制信號。帶有一恒定的波峰的鋸齒形的重復波形的頻率可建立切換頻率。
在升壓模式過程中，圖7所示的受電壓控制的IGBT電路是處于六步控制模式中，該模式使電動機的速度增加到一所要求的標稱值。在任何時刻流過電動機兩個相繞組20的電流取決于IGBT開關的通/斷設置。六個IGBT開關中的每一個導通120°，隨后斷開60°，并被根據一查找表格進行調整。在120°的導通時間內，施加一正電壓。在60°的斷開時間內中，停止通電。然后以相同的方式在另兩相中進行通電。在三相中分別實行可變的通電定時，以在各相之間形成一120°的相位差。當形成了旋轉磁場時，就可以驅動電動機了。
一位置探測電路，即圖1所示的霍爾傳感器5，是基于霍爾效應的特性。三個霍爾傳感器是間隔60°安裝的，并且它們設計成用來感測從電動機轉子的磁極發出的雜散磁場。當轉子磁體的S極掠過傳感器時，傳感器就輸出一正的信號電壓；否則信號就為零。霍爾效應的拾取使逆變器和電動機定子繞組得以形成一閉環整流回路。
在電動機處于標稱轉速時，通過相對于相關的定子繞組中的感生反電動勢控制成電流相位超前量可優化電動機電流。反電動勢的零交叉點用作電流繞組注入的參照點。霍爾傳感器可感測反電動勢的零交叉點。
系統控制器執行所有的控制功能，包括電動機啟動、PWM控制、升壓控制、六步驟控制、電動機位置探測、電流優化以及轉速控制。壓縮機控制器控制啟動和停止功能。在壓縮機控制器和電動機控制器之間建立了起串行鏈接通訊。若干電動機控制給定值從壓縮機控制器傳輸到電動機控制器，它們是所要轉速的給定值、低速報警和跳閘給定值、高速報警和跳閘給定值、最大電流強度和跳閘給定值、超前角和直流母線低壓報警給定點。當一個監測到的參數達到不可接受但還沒到工作的臨界值時，執行一報警動作。當一個監測到的參數達到工作的臨界且不安全的數值時，激發出一跳閘動作。系統控制器執行所有的跳閘動作。電動機/控制器模擬輸入讀數被傳到輸壓縮機控制器用于顯示，這些讀數是轉速、電流強度、直流母線電壓以及電動機功率。
盡管已詳細地描述了本發明的特定實施例，但熟悉本技術領域的人能理解，根據本說明書所揭示的所有內容，可以對那些詳細結構研制出各種修改變型和替代方式。這里所述的目前為較佳的實施例僅用來進行說明，并不構成對本發明的保護范圍的限制，本發明的保護范圍應由所附權利要求書及其所有等效字句的全部范圍來限定。
權利要求
1.一種帶有與之構成一體的高速電動機的用來壓縮空氣的多級離心壓縮機，它包括1)一個可變速的永磁電動機，它具有圍繞一裝有多個永久磁體的轉子的多個電子整流定子線圈，其中，在各線圈與轉子之間存在一氣隙，所述轉子有一導磁鋼的轉子軸，所述軸的每一端由加壓油潤滑的流體動力軸承可轉動地支承，以及其中，各定子線圈包括許多沿定子縱向延伸并連續地圍繞定子的端部而形成多個端部線匝的定子金屬導線；2)多個安裝成與轉子軸一起轉動的壓縮機葉輪；3)一個用來將冷卻的油引入到軸承中用以潤滑軸承并冷卻軸承、轉子和定子線圈的泵，所述軸承構造成可使從軸承出來的油飛濺到軸的受支承的端部上以及飛濺到定子線圈的端部線匝上，以及4)穿過定子的通路，其用于在啟動過程中引入加壓的空氣，以使氣隙內保持為正壓，借以將油從氣隙內排出。
2.如權利要求1所述的壓縮機，其特征在于，它還包括用于在電動機達到一預定轉速時停止向氣隙引入加壓空氣的裝置。
3.如權利要求1所述的壓縮機，其特征在于，在啟動過程中是將來自外部空氣源的加壓空氣引入氣隙。
4.如權利要求1所述的壓縮機，其特征在于，定子線圈是由疊片結構來支承的，而且其特征還在于，所述通路延伸穿過轉子軸的兩軸端之間的定子線圈的疊片結構的中間處。
5.如權利要求1所述的壓縮機，其特征在于，轉子軸有一延伸穿過其中以接受冷卻油的軸向孔。
6.一種帶有與之構成一體的高速電動機的多級離心壓縮機，它包括1)一個可變速的永磁電動機，它具有圍繞一裝有多個永久磁體的轉子的多個電子整流定子線圈，所述轉子有一由軸承可轉動地支承的一導磁鋼的軸；2)多個安裝成與轉子軸一起轉動的壓縮機葉輪；3)所述轉子包括(1)由平行于軸的轉動軸線的四個平面限定的方形橫截面的鋼軸，(2)多個由一圓柱形表面和一平的表面限定的并有一弓形橫截面的永久磁體，所述各磁體分別固定在方形鋼軸的四個平面之一上，并布置成極性交替，以及(3)預應力的碳石墨纖維增強的塑性捆扎裝置，用來將各永久磁體保持在所述軸上。
7.如權利要求6所述的壓縮機，其特征在于，它還包括靠近轉子的一霍爾效應磁性傳感器，用來在方形橫截面的軸的一個角部轉動通過傳感器時感測轉子磁場的極性變化。
8.如權利要求6所述的壓縮機，其特征在于，各磁體定位在軸上而形成一連續的圓柱形表面。
9.如權利要求8所述的壓縮機，其特征在于，每一磁體的邊緣定位成與具有相反極性的兩磁體的邊緣鄰接。
10.如權利要求8所述的壓縮機，其特征在于，由磁體的圓柱形表面和平直表面所形成的磁體的邊緣與具有相反極性的磁體的邊緣對接。
11.一種啟動帶有與之構成一體的高速電動機的多級離心壓縮機的方法，其中，電動機具有一定子和一可轉動地支承于其中并在兩者間形成一氣隙的轉子，并且其中，轉子的每一端由油潤滑的流體動力軸承支承，其中，所述方法包括以下步驟1)當轉子開始轉動時，在轉子的兩端之間的一位置將加壓的空氣供入所述氣隙內，以使從軸承進入氣隙的油為最少，以及2)當轉子的轉速達到足以使油從轉子的端部離心地向外排出并從氣隙排空時，停止空氣的供入。
全文摘要
一種帶有與之構成一體的高速電動機的多級離心壓縮機，它包括一定子(52)、一裝有多個永久磁體(72a－72d)的轉子(28)，其中，在定子(52)與轉子(28)之間有一氣隙(50)。轉子(28)有一導磁鋼的軸(75)，該軸(75)在每一端部處由加壓油潤滑的流體動力軸承(53，54)可轉動地支承。壓縮機還包括多個安裝成與轉子軸(75)一起轉動的壓縮機葉輪(26，27)和向軸承(53，54)輸送冷卻油的泵(29)。還設有一條穿過定子(52)的通路(66)，用來在啟動過程中將加壓空氣引入所示氣隙(50)內，以保持氣隙內為正壓，并借以將油從氣隙(50)排出。
文檔編號H02K29/08GK1633561SQ02808652
公開日2005年6月29日 申請日期2002年4月23日 優先權日2001年4月23日
發明者M·R·希爾, M·R·格彼克 申請人:艾略特渦輪機械公司