CN103758766A

CN103758766A - 紧凑型电动离心压缩机

Info

Publication number: CN103758766A
Application number: CN201310251461.1A
Authority: CN
Inventors: R.莱特布; U.施罗德; J.达希尔瓦; E.海琳; F.庞森
Original assignee: SKF Magnetic Mechatronics SAS
Current assignee: SKF Magnetic Mechatronics SAS
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2014-04-30
Also published as: JP6194194B2; JP2014007951A; CA2820446C; CA2820446A1; EP2677176A1; EP2677176B1

Abstract

一种紧凑型电动离心压缩机，特别适用于交通工具的暖通空调***，包括马达部分（20）和由马达部分（20）通过轴（15）驱动的离心压缩机部分（10）。马达部分包括第一和第二径向无轴承马达（140、150）。有源轴向磁轴承或轴向无轴承马达（130）位于第一和第二径向无轴承马达（140、150）之间。马达部分进一步配备有辅助着陆轴承（8）。

Description

紧凑型电动离心压缩机

技术领域

本发明涉及一种紧凑型电动离心压缩机，其更特别地，但是不排他地，其适于使用在用于交通工具的暖通空调（HVAC）装置中。

交通工具可特别地包括例如混合动力电动车辆（HEV）或电动车辆（EV）的地面车辆，以及飞机或其他交通工具。

背景技术

传统的电动压缩机，例如用于交通工具的HVAC压缩机，通常与电马达相关联。

这样的电马达驱动的压缩机的示例在专利文件US6183215B1中给出。

该类型的电马达驱动的压缩机具有很多与润滑、制冷剂、低操作速度、摩擦损失和紧凑性丧失相关联的缺点。

两种主要种类的HVAC电动压缩机被用于HEV/EV车辆中：旋转叶片式压缩机和振荡涡旋式压缩机（oscillating like scroll type compressor）。

与电马达相关联的两种类型的电动压缩机都具有以下缺点：

需要润滑剂用于不同机械部件，

需要查看润滑油与制冷剂（例如卤代烷制冷剂R134a或更近期使用的氢氟烯烃（hydrofluoroolefin）制冷剂HFO-1234yf）的相容性。

润滑剂应谨慎选择，以防护电马达绕组免于绝缘失效的风险，

要求油分离器和泄漏检测装置来避免EV/HEV车辆中的电***的污染，

传统的电动压缩机的速度有限，并且不能超过10,000rpm，

摩擦损失不利于电动压缩机的操作。

发明内容

因此，期望提供一种电动压缩机，其可解决大部分这些问题。

本发明旨在，更特别地，但是不排他地，用于汽车空调应用，并且因此进一步目的在于提供一种考虑了交通工具中产生的高水平振动的电动压缩机。

根据本发明的实施例，提供了一种紧凑型电动压缩机，包括马达部分和由所述马达部分通过轴驱动的离心压缩机部分，其中所述马达部分包括第一和第二径向无轴承马达和轴向电磁装置，所述第一和第二径向无轴承马达沿所述轴间隔开，且配置用于旋转所述轴并在所述电动压缩机的功能操作期间将所述轴以无接触方式保持在限定的径向位置中，所述轴向电磁装置位于所述第一和第二径向无轴承马达之间，并且配置用于在所述电动压缩机的功能操作期间将所述轴保持在限定的轴向位置中，并且其中，辅助着陆轴承位于所述轴的每一端部处，在所述第一和第二径向无轴承马达中的每一个附近。

根据第一实施例，轴向电磁装置包括轴向无轴承马达。

根据第二实施例，轴向电磁装置包括有源轴向磁轴承。

分隔件可设置在径向无轴承马达和轴向电磁装置之间。

更具体地，径向无轴承马达每一个包括转子部分和定子部分，转子部分具有多个极对电枢，定子部分包括具有槽的芯部，所述槽用于接收绕组，所述绕组配置为影响马达扭矩和径向轴承力。

分立的绕组可被设置在定子部分的槽中，用于影响马达扭矩和轴向轴承力。

替代地，共用的绕组可被设置在定子部分的槽中，用于影响马达扭矩和轴向轴承力。

径向无轴承马达包括转子部分，转子部分在感应转子、永磁体转子、磁滞转子和磁阻转子中选择。

根据特定实施例，离心压缩机部分包括在所述轴的第一端部处的叶轮，以及与径向无轴承马达和所述轴向电磁装置相关联的控制电路位于所述轴的第二端部处，并且通过馈通件连接到所述径向无轴承马达和所述轴向电磁装置。

离心压缩机部分可包括多种配置，并且特别地可包括单叶轮、双叶轮、串式叶轮或双串式叶轮。

轴向无轴承马达可包括转子部分以及第一和第二定子部分，转子部分具有多个极对电枢，第一和第二定子部分每一个包括具有槽的芯部，槽分别用于接收绕组，绕组配置为影响马达扭矩和轴向轴承力，第一和第二定子部分位于转子部分的两侧。

当轴向电磁装置由有源轴向磁轴承或推力轴承构成时，所述有源轴向磁轴承可包括与所述轴一体的盘形电枢以及第一和第二定子电磁体，第一和第二定子电磁体在所述盘形电枢两侧上以无接触方式面对所述盘形电枢。

附图说明

图1是电动压缩机的示意性纵向剖视图，电动压缩机包括压缩机部分和马达部分，马达部分包括电马达、两个径向磁轴承和磁推力轴承，并且进一步示意性显示了控制装置；

图2是电动压缩机的另一示意性纵向剖视图，电动压缩机包括压缩机部分和马达部分，马达部分包括电马达、两个径向磁轴承和磁推力轴承；

图3是电动压缩机的又一示意性纵向剖视图，电动压缩机包括压缩机部分和马达部分，马达部分包括电马达、两个径向磁轴承和磁推力轴承，该磁推离轴承被分为两个部分；

图4是电动压缩机的示意性纵向剖视图，电动压缩机包括压缩机部分（未示出）和马达部分，马达部分包括两个径向无轴承马达和有源轴向磁轴承或轴向无轴承马达；

图5是轴向无轴承马达的立体视图（绕组未示出）；

图6是径向无轴承马达的立体视图（绕组未示出）；

图7是包括双叶轮的压缩机部分的示例的示意图；

图8是包括串式叶轮的压缩机部分的示例的示意图；和

图9是包括双串式叶轮的压缩机部分的示例的示意图。

具体实施方式

将关于通过示例方式给出的优选实施例描述本发明。

图2显示了用于暖通空调（HVAC）的离心电动压缩机的示例，其可用于混合动力电动车辆（HEV）或电动车辆（IV）或用于飞机或其他类型的交通工具。这样的离心电动压缩机还可被应用于将涡轮增压器增压。

马达部分20的转子轴15联接到压缩机部分10的离心压缩机叶轮11，以驱动离心压缩机叶轮11。

电马达30包括转子31，转子31可以是从感应转子、永磁体转子、磁滞转子和磁阻转子中选择的任何类型。电马达30进一步包括定子32，定子32具有绕组32a。

第一和第二有源（active）径向磁轴承40、50位于电马达30的两侧，以在电动压缩机功能操作过程中以悬浮方式支撑轴15。每一个有源径向磁轴承40、50包括随轴15快速操作的转子41、51，和具有绕组42a、52a的定子42、52。

有源轴向磁轴承60（推力轴承）在一方面包括盘61，盘61垂直于轴15的轴线安装，并且构成转子电枢，有源轴向磁轴承60在另一方面包括第一和第二定子62、63，每一个具有至少一个位于定子62、63中的环形线圈或绕组62a、63a，定子62、63可具有C形芯部，如图2中所示。替代地，每一个定子62、63可具有带两个线圈的E形芯部。

径向轴承转子41、51配备有铁磁性叠片，铁磁性叠片通过由定子42、52的电磁铁产生的磁场保持在位。

轴15由于径向磁轴承而以无接触方式悬浮。轴的位置由传感器（未示出）监控，例如可变电感式的传感器，所述传感器检测从正常位置的任何偏移并且发出信号，所述信号被用于控制***（图2中未示出）中，以命令径向轴承的绕组42a、52a中的电流，以便使轴15返回到其正常位置。轴向轴承60基于相同的原理，并且传感器（未示出）发送信号到控制器，以调节轴向轴承60的线圈62a、63a中的命令电流，从而调节轴15的轴向位置。

辅助着陆轴承（landing bearing）8被用于基本上在马达部分20的启动或停止操作期间，而且还在由于车辆中存在的通常高水平的振动产生的冲击载荷的情况下的短间歇期间支撑轴。

一般来说，在旋转轴通过基于用于检测旋转轴位置的传感器而被伺服控制的有源磁悬浮而悬浮的情况下，提供辅助轴承，也称为紧急轴承，以在机器被停止，或在磁悬浮的全部或部分失效的事件中支撑轴，由此防止当没有正确地为定子电磁铁的绕组供电时无轴承马达或磁轴承的转子和定子的磁路之间的直接接触，因而避免损坏其叠片。在正常操作中，辅助轴承在旋转轴周围留有间隙，并且自身不旋转。提供用于辅助轴承的间隙通常为约磁轴承或无轴承马达的气隙宽度的一半。

辅助着陆/触地（touchdown）轴承8可具有多种设计，并且可例如为滚动轴承、滚针轴承、滑动轴承、衬套等。

分隔件9可位于电马达30和磁轴承40、50、60的定子绕组之间。

壳体或凸缘和具有制冷剂的冷却***是传统型的，并且没有在图中示出。

图2中，轴向轴承60包括位于轴15一端处的盘式电枢61和两个定子62、63，而压缩机叶轮位于轴的另一端处。但是，如图1中所示，轴向轴承60也可位于与压缩机叶轮11的相同侧。

如图1中所示，控制电路70集成在凸缘中，并且位于铁轴15的第二端处，控制电路70包括与电马达30以及径向电磁轴承40、50、60相关联的可变频率驱动器71和放大器72。控制电路70通过馈通件74连接到电马达30，并且连接到径向和轴向电磁轴承。连接件73用于将控制电路70连接到另一个控制器，所示另一个控制器位于距离电动压缩机远距离处。

图3显示了类似于图2的实施例的实施例，但是轴向磁轴承被分为两个部分60A，60B，这两个部分60A，60B位于轴15的两端处。与轴15一体的盘式电枢61A位于轴15的靠近压缩机叶轮11的第一端部处，并且与具有第一线圈62a的第一定子62配合，第一定子62可类似于图1的定子62。与轴15一体的盘式电枢61B位于轴15的第二端部处，并且与具有第二线圈第二线圈63a的第二定子63配合，第二定子63可类似于图2的定子63。

图1到3显示了具有单个叶轮的压缩机部分10。但是压缩机部分10的其他设计可与本文公开的不同实施例结合使用。

因而如图7中所示，压缩机部分10可包括双叶轮11、13。如图8中所示，压缩机部分10A，10B可包括串式叶轮11、12。如图9中所示，压缩机部分10A，10B可包括双串式叶轮11、13、12、14。根据图7到9的压缩机叶轮的配置旨在用于提高压力比或提高流量。

将结合图4到6描述本发明的优选实施例。

图4显示了具有铁轴15和马达部分20的实施例，由于电马达30和径向磁轴承40、50由第一和第二径向无轴承马达140、150代替，因此该实施例比图1到3的实施例更紧凑。图4中，压缩机部分10已经被省略，但是可如之前参照图1到3和7到9所述的实现。

图4的实施例允许减少轴长度，并且因此改善整体布局。

径向无轴承马达140、150每一个包括与轴15一体的盘形中心电枢141、151和具有绕组142a、152a的定子142和152。

径向无轴承马达180的示例图示在图6中。该径向无轴承马达180包括与轴15一体的转子181，和带有用于接收线圈185的槽184的定子182。转子181根据所选原理（永磁铁、感应、开关磁阻、磁滞）承载不同的结构元件183。

基本上，定子绕组185实现扭转绕组和悬浮力绕组两个功能。作为示例，如果可由极对数差为一的两个绕组组产生的两个磁场叠加，则产生扭矩和径向力。因而可以例如组合磁阻马达的4极马达绕组和2极轴承绕组，但是很多其他实施例也是可行的。

专利文件US6727618B1公开了无轴承开关磁阻马达的示例。

在径向无轴承马达140、150、180的定子部分142、152、182中，分开的线圈可用于影响轴承力和马达转矩。

替代地，所需的轴承力和马达转矩可在每一个线圈中通过组合绕组产生。在该情况下，单个线圈将一起承担所需的马达和轴承安匝数。

图4中，附图标记130可表示轴向无轴承马达以及轴向有源磁轴承。在表示轴向有源磁轴承的情况下，盘形电枢131和具有绕组132a和133a的定子部分132、133分别可类似于图2中所示的推力轴承60而构成，即，绕组132a、133a将由中心在轴15的轴线上的环形线圈构成。轴向磁轴承130可还包括具有如图4中所示的带单个环形线圈132a、133a的C形形状的定子部分132、133，或具有带两个同心环形线圈的E形形状的定子部分132、133。

如早先所提到的，该附图标记还可表示轴向无轴承马达。在该情况下，图4的实施例包括第一和第二径向无轴承马达140、150，以及位于第一和第二径向无轴承马达140、150之间的中央轴向无轴承马达。轴向无轴承马达130还包括与轴15一体的盘形电枢131以及位于盘形电枢131的两侧的第一和第二定子部分132,133，但是绕组132a和133a以不同方式布置。

图5以立体视图显示了轴向无轴承马达130的可行配置的示例。图5的轴向无轴承马达130包括转子部分131以及第一和第二定子部分132、133，转子部分131具有多个极对电枢138，第一和第二定子部分132、133每一个包括具有槽134、135的芯部，槽134、135分别用于接收绕组（图5中未示出），所述绕组配置为影响马达扭矩和轴向轴承力，第一和第二定子部分132、133位于转子部分131的两侧。

在轴向无轴承马达的定子部分132、133中，分开的线圈可被用于影响轴承力和马达转矩。

多个极对电枢138通过示例显示在图5中。但是，转子131可根据所选原理（永磁铁、感应、开关磁阻、磁滞）承载不同的结构元件。

作为非限制性示例，具有永磁铁138的定子132和转子131可构成永磁体马达，其中转子表面上的永磁铁138产生沿第一方向（图5的配置中的向上方向）的轴向力，而定子133和转子131可构成同步磁阻马达，其中同步磁阻马达的绕组电流产生沿关于第一方向的相反方向（图5的配置中的向下方向）的可调节轴向力。转子的轴向位置可因而通过同步马达的电流来控制。但是如上面提到的，马达类型的其他组合可被选择，只要轴向无轴承马达130实现影响马达扭矩和轴向轴承力的两个功能。

类似于之前描述的有源径向磁轴承40和50且包括转子电枢141、151和具有绕组142a，152a的定子142、152的有源径向磁轴承140和150可位于轴向无轴承马达130的两侧。

但是如上面提到的，第一和第二径向无轴承马达140、150优选与轴向无轴承马达130或推力磁轴承组合使用。

虽然已经显示并且描述了优选实施例，但是应理解，可在其中做出任何改变和修改而不偏离如所附权利要求中限定的本发明的范围。

Claims

1.一种紧凑型电动压缩机，包括马达部分（20）和由所述马达部分（20）通过轴（15）驱动的离心压缩机部分（10），其中所述马达部分（20）包括第一和第二径向无轴承马达（140、150）和轴向电磁装置（130），所述第一和第二径向无轴承马达（140、150）沿所述轴（15）间隔开，配置用于旋转所述轴（15）和将所述轴（15）在所述电动压缩机的功能操作期间以无接触方式保持在限定的径向位置中，轴向电磁装置（130）位于所述第一和第二径向无轴承马达（140、150）之间，并且配置用于在所述电动压缩机的功能操作期间将所述轴（15）保持在限定轴向位置中，并且其中，辅助着陆轴承（8）位于所述轴（15）的每一端处，在所述第一和第二径向无轴承马达（140、150）中的每一个附近。

2.根据权利要求1所述的电动压缩机，其中，所述轴向电磁装置（130）包括轴向无轴承马达。

3.根据权利要求1所述的电动压缩机，其中，所述轴向电磁装置（130）包括有源轴向磁轴承。

4.根据权利要求1所述的电动压缩机，其中，分隔件（9）设置在径向无轴承马达（140，150）和所述轴向电磁装置（130）之间。

5.根据权利要求1所述的电动压缩机，其中，径向无轴承马达（140、150）每一个包括转子部分（181）和定子部分（182），转子部分（181）具有多个极对电枢（183），定子部分（182）包括具有槽（184）的芯部，所述槽用于接收绕组，所述绕组配置为影响马达扭矩和径向轴承力。

6.根据权利要求5所述的电动压缩机，其中，分立的绕组设置在定子部分（182）的槽（184）中，用于影响马达扭矩和轴向轴承力。

7.根据权利要求5所述的电动压缩机，其中，共用的绕组设置在定子部分（182）的槽（184）中，用于影响马达扭矩和轴向轴承力。

8.根据权利要求1所述的电动压缩机，其中径向无轴承马达（140、150）包括转子部分（181），转子部分（181）在感应转子、永磁体转子、磁滞转子和磁阻转子中选择。

9.根据权利要求1所述的电动压缩机，其中离心压缩机部分（10）包括在所述轴（15）的第一端部处的叶轮（11），并且其中与径向无轴承马达（140、150）和所述轴向电磁装置（130）相关联的控制电路（70）位于所述轴（15）的第二端部处，并且通过馈通件（74）连接到所述径向无轴承马达（140、150）和所述轴向电磁装置（130）。

10.根据权利要求1到8中任一项所述的电动压缩机，其中，离心压缩机部分（10A，10B）包括串式叶轮（11、12）。

11.根据权利要求1到8中任一项所述的电动压缩机，其中，离心压缩机部分（10A，10B）包括双串式叶轮（11、13、12、14）。

12.根据权利要求1到9中任一项所述的电动压缩机，其中，离心压缩机部分（10）包括双叶轮（11、13）。

13.根据权利要求2所述的电动压缩机，其中轴向无轴承马达（130）包括转子部分（131）以及第一和第二定子部分（132、133），转子部分（131）具有多个极对电枢（138），第一和第二定子部分（132、133）每一个包括具有槽（134、135）的芯部，槽（134、135）分别用于接收绕组，所述绕组配置为影响马达扭矩和轴向轴承力，第一和第二定子部分（132、133）位于转子部分（131）的两侧。

14.根据权利要求3所述的电动压缩机，其中，所述有源轴向磁轴承（130）包括与轴（15）一体的盘形电枢（131）以及第一和第二定子电磁体（132、132a；133、133a），所述第一和第二定子电磁体在所述盘形电枢两侧上以无接触方式面对所述盘形电枢。

15.根据权利要求1到14中任一项所述的电动压缩机，其中，所述电动压缩机被应用于交通工具的暖通空调***。