CN110352325A - 飞轮辅助旋转式压缩机 - Google Patents

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Abstract

本文中所描述的各方面总体上涉及一种旋转式压缩机，该旋转式压缩机的内部结合有飞轮以显著减小压缩机振动和驱动扭矩波动，以及实现更高的整体机电效率并且尽可能降低BLDC旋转式压缩机及其驱动电子设备的组合成本。

Description

飞轮辅助旋转式压缩机
相关申请
本申请基于35 U.S.C.§119(e)要求于2016年12月30日提交的题为“FlywheelAssisted Rotary Compressors(飞轮辅助旋转式压缩机)”的美国临时申请序列No.62/440,468的权益，其全部内容通过参引并入本文以用于全部用途。
技术领域
本文中所描述的各方面总体上涉及包括飞轮的旋转式压缩机。
背景技术
旋转式压缩机可以被用于许多应用。例如，旋转式压缩机可以用作气体压缩机，或者被结合在冷却***中，冷却***诸如为冰箱、台面式饮料分配器、冷冻机、冷却器以及用于汽车、公共汽车、卡车和轮船的空调。旋转式压缩机有多种构型，例如滚动活塞式压缩机、旋转叶片式压缩机、涡旋式压缩机、螺杆式压缩机、三角转子式压缩机(Wankelcompressors)、离心式压缩机和摆动式压缩机。
旋转式叶片压缩机通常包括滚子，该滚子具有与滚子的径向槽相关联的多个轮叶。滚子被安装成能够相对于整个壳体偏移，使得当转子转动时，叶片产生一系列连续变化的容积。滚动活塞式压缩机具有一个叶片，该叶片在滚子绕气缸的内表面滚动时在设置于气缸中的叶片槽中来回往复运动同时保持与滚子的接触。旋转涡旋式压缩机包括交错的涡旋件，其中，涡旋件中的一个涡旋件在不旋转的情况下绕另一个涡旋件偏心地绕轨道运行，使得流体在涡旋件之间被捕获并压缩。旋转螺杆式压缩机采用啮合在一起的螺旋螺杆转子以迫使流体通过压缩机。离心式压缩机通过使用转子或叶轮将动能添加至连续流动的流体中来产生压差。通过减慢通过扩散器的流动而将该动能转换成势能。摆动式压缩机是具有集成的叶片-滚子组件的滚动活塞式压缩机的变型，代替使叶片在抵靠滚动滚子活塞的叶片槽中往复运动，叶片-滚子组件在压缩机循环期间摆动。
发明内容
在一种实施方式中，旋转式压缩机包括具有电磁耦接至彼此的转子和定子的马达，其中，转子能够相对于定子旋转。压缩机还包括压缩机气缸、轴和飞轮，该轴以可旋转的方式联接至转子且延伸穿过压缩机气缸，该飞轮联接至转子。转子的旋转驱动轴在压缩机气缸内的旋转。
在另一实施方式中，旋转式压缩机包括具有电磁耦接至彼此的转子和定子的马达。转子至少部分地包围定子并且能够相对于定子旋转。压缩机还包括压缩机气缸和轴，该轴以可旋转的方式联接至转子且延伸穿过压缩机气缸。转子的旋转驱动轴在压缩机气缸内的旋转。
应当理解的是，上述概念和以面讨论的附加概念可以以任何合适的组合布置，因为本公开不限于此方面。此外，当结合附图考虑时，本公开的其他优点和新颖特征将从各种非限制性实施方式的以下详细描述而变得明显。
附图说明
附图不旨在按比例绘制。在附图中，在各个图中所示出的每个相同或几乎相同的部件可以由类似附图标记表示。为了清楚的目的，并非每个部件都可以在每幅图中被标记。在附图中：
图1是单缸旋转式压缩机的操作以及相关的扭矩变化的示意图；
图2图示了单缸旋转式压缩机和双缸旋转式压缩机的扭矩波动和旋转振动的幅度和频率；
图3是单缸旋转式压缩机和双缸旋转式压缩机的振幅对比的曲线图；
图4是根据一些实施方式的旋转式压缩机的示意图；
图5是根据一些实施方式的旋转式压缩机的示意图；
图6是根据一些实施方式的旋转式压缩机的示意图；
图7是根据一些实施方式的旋转式压缩机的示意图；
图8是存储在根据一个示例的飞轮中的动能的曲线图；
图9是根据一个示例的单缸旋转式压缩机的速度波动的幅度的曲线图；以及
图10是根据一个示例的单缸旋转式压缩机和双缸压缩机的峰-峰扭矩波动幅度的曲线图。
具体实施方式
发明人已经意识到传统的旋转式压缩机在操作期间可能遭受过度的振动和/或噪声。另外，减少或减轻振动及噪声的努力通常涉及复杂的压缩机设计、诸如双缸旋转式压缩机或者必须使用昂贵且复杂的BLDC马达控制电子设备。鉴于上述情况，发明人已经认识到与旋转式压缩机相关的下述许多优点：可以减少不期望的噪声及振动同时不会增加压缩机的制造成本。根据本公开的一些方面，旋转式压缩机包括位于压缩机内的飞轮，飞轮可以显著地减少压缩机振动和驱动扭矩波动幅度以及实现更高的整体机电效率且潜在地降低无刷直流电(BLDC)旋转式压缩机及其驱动电子设备的组合成本。
在传统的旋转式压缩机中，内部部件被包在紧凑的壳体中。单缸旋转式压缩机的相对高的噪声和振动水平传统上已经是对于这些高度紧凑、可靠和高效率的压缩机的更广泛用途而言的主要障碍。例如，将非常有利的是在家用冰箱中使用紧凑且高效的旋转式压缩机而不是庞大的且效率极低的往复式压缩机。此外，活塞式压缩机——该活塞式压缩机具有在滚子与气缸的内径之间形成的压缩空间的构型——比往复式或直线式压缩机具有固有的更高的热效率。这主要是因为下述事实：旋转压缩室定形状成使得在每个循环中气体与室壁之间产生更少的循环热传递，这种热传递根据热力学第二定律产生熵，从而导致使压缩机热力学效率降低的不可避免的且不可逆转的能量损失。因此，旋转式压缩机比往复式或直线式压缩机具有更紧凑、可靠且高效的固有的优势。
然而，传统的旋转式压缩机与往复式压缩机相比也存在缺点。例如，旋转式压缩机通常具有更高的成本，并且特别是在单缸旋转式压缩机的情况下具有相对高的振动和高噪声。后两个缺点可以通过使用双缸构造被减轻，然而，使用双缸压缩机增加了更高的成本问题。这些缺点传统上已经限制了旋转式压缩机在家庭应用(例如，冰箱)和其他大规模应用中的更广泛地使用。除了降低高成本之外，旋转式压缩机自其引进以来在很宽的操作范围内的振动和相关的噪声的有效降低几十年来一直是世界的旋转式压缩机行业非常期望但尚未实现且被忽视的目标。
旋转式压缩机如本文所描述的可以包括下述压缩机：该压缩机构造成通过由转子驱动泵的旋转运动对流体(如气体、水蒸气)进行压缩。在包括下述各项的一些实施方式中，旋转运动可以与滚子和气缸内部的叶片协作实现：例如滚动活塞式压缩机、旋转叶片式压缩机、涡旋式压缩机、旋转螺杆式压缩机，摆动活塞式压缩机等中的一者，包括单缸和双缸(例如，具有中板，该中板将在单个轴上运行的两个气缸分开，两个气缸具有彼此180度异相的两个偏心部件)，如本领域技术人员已知的。旋转式压缩机的各种不同的实施方式可以包括合适的马达和泵。马达可以包括彼此耦接(如电磁地)的转子和定子。如下面进一步讨论的，泵可以包括顶部凸缘、底部凸缘、气缸、叶片、滚子、轴、马达转子等。
图1中描述了在不具有高频波动情况下，单缸旋转式压缩机在抽吸、压缩、排放和再膨胀期间的总体扭矩要求。在抽吸期间，需要低水平的马达扭矩来克服轴承中的摩擦及抽吸压降。在压缩期间，扭矩稳定地增大成高于排放压力的峰值以打开排放阀。在排放期间，扭矩随着压缩气体在排放压力下进入壳体而迅速地降低至低水平。在排放过程之后的短的再膨胀过程中，被捕获在间隙容积中的高压气体迅速膨胀进入由滚子的转动形成的抽吸室中且扭矩保持是低的。如图1所示，在每个循环期间的这种理想化的扭矩变化要求提供给马达的电流的对应的快速变化以匹配瞬时所需的扭矩。
上述单缸旋转式压缩机的高幅度扭矩变化主要是由每个循环期间的气体压力变化引起的。这些扭矩变化引起马达内的速度变化以及压缩机旋转部件和轴承内的动态不平衡，这可能产生不期望的以机械的方式诱发的噪声及振动水平。即使当使用精密且昂贵的现代BLDC驱动器来控制马达，扭矩变化也会导致马达的电效率降低。此外，泵组件中的压力变化所诱发的振动通过压缩机结构被传递到压缩机的壳体，并且还通过气体介质传递至压缩机壳体并且然后传递至周围环境。
除了上述的压力和扭矩波动之外，如果旋转式压缩机的叶片是震颤的并且因此并不总是与滚子接触——这在速度过高，压力差太大的情况下发生——或者如果叶片弹性和质量未被正确地设计成覆盖操作条件的范围，则在旋转式压缩机的高压侧与低压侧之间可能存在间歇的横流。这可能导致压缩机中压力的高频波动以及压缩机所需的扭矩在循环过程中叠加到图1所示的扭矩曲线上。类似地，如果阀在打开和关闭期间由于任何原因而快速震颤，这也可能导致压缩机内部压力的高频波动并且影响压缩机所需的瞬时扭矩被叠加到图1所示的扭矩曲线。
此外，上述现象可能会随着单缸BLDC旋转式压缩机的速度增加、例如从60Hz增加到100Hz而变得更加恶化。无论其起因或原因如何，所有这些扭矩波动都会导致噪声和振动的增加以及BLDC旋转式压缩机的电和机械效率的降低。
在各种旋转式压缩机构型中，由于压缩机的流体抽吸、压缩、排放和再膨胀过程，单缸型滚动活塞式压缩机和摆动式压缩机通常在每个循环期间经受高振幅马达扭矩峰值(参见图1)。在更高和更尖锐的峰值的情况下，提供必要的马达扭矩以瞬时匹配压缩机中的压力负载峰值变得更加困难。尽管在现代BLDC驱动电子设备中使用最佳扭矩跟随算法来在每个压缩机循环期间为马达提供瞬时变化的电流以处理快速变化的扭矩要求，但仍存在在压缩机的瞬时扭矩要求之间且可以由BLDC马达通过BLDC驱动电子设备瞬间提供的不可避免的扭矩不匹配(导致不希望的净扭矩波动)。即使在假设的情况下可以完美地实现扭矩匹配，但是由于对整个压缩机质量具有相等且相反的反作用力的压力负载的快速变化，单缸旋转式压缩机仍留下了压缩机本身的相对高幅度的旋转振动。如下面更详细讨论的，根据本公开的一些方面，单缸压缩机或双缸压缩机可以包括飞轮(或包括用作飞轮的一个或更多个部件)以减轻这些效应中的一些效应或全部效应。
在单缸BLDC旋转式压缩机中，BLDC驱动电子设备被用于通过给马达提供合适的电流来在每个循环过程中匹配压缩机的快速变化的负载。如果压缩机的速度慢得足以使BLDC驱动电子设备和马达进行响应，则旋转式压缩机的BLDC马达的负载跟随特性可以相当地精确并且BLDC驱动马达效率可以被保持得相对高。然而，如果压缩机的速度太慢而使无传感器驱动电子***无法检测到反电动势，则无传感器BLDC驱动器不能正常工作。如果速度太快，导致BLDC驱动器/马达***的扭矩变化太大而无法完全跟随(例如，由于电气和机械部件的不可避免的延迟)，则往往会出现BLDC马达的电流的瞬时供应不足或过度供给，导致压缩机的噪声和振动更高以及电气-机械功率转换系数更低。
BLDC驱动电子设备感测马达的速度变化且进行计算，并且尝试尽可能准确地向马达提供所需电流以保持旋转速度。如果由于上述原因而存在叠加的较高频率扭矩波动，则向马达绕组提供精确电流水平以匹配压缩机所需的瞬时扭矩的任务会变得更加困难。
另外，发明人已经意识到，由于计算中和电路中的不可避免的延迟，压缩机执行压缩机循环所需的扭矩与在每个时刻由马达提供的扭矩之间的扭矩匹配并不完美。这在较高速度下变得越来越明显，从而导致更高的电噪声以及声学噪声和振动。此外，即使在每个压缩机循环内完美地执行了扭矩匹配，仍将存在与压缩机的旋转速度相关的低频振动，因此，由于在压缩机内部的用以执行四次压缩机循环的以固有的方式不均匀地施加的扭矩，将会仍导致来自压缩机和包含压缩机的***的噪声。简而言之，即使使用精密的BLDC驱动电子设备，单缸旋转式压缩机本身仍具有较高的振动和噪声水平。
由于需要在四次压缩机循环中的每次压缩机循环期间精确匹配振幅突然改变的扭矩，用于传统BLDC旋转式压缩机的BLDC驱动电子设备需要复杂的固件和/或硬件，这可能使BLDC马达更加昂贵。例如，驱动电子设备可能需要昂贵的部件，诸如电容器、FET、微处理器等，这些部件对于高速感测转子的速度和位置、频率转换以及计算并提供快速变化的电流以匹配压缩机扭矩需求而言是必须的。因此，BLDC驱动电子设备成为旋转式压缩机成本中的很大一部分。
因此，传统的BLDC旋转式压缩机的BLDC驱动电子设备的相对高的噪声和振动水平以及相当对高的成本是BLDC旋转式压缩机不被广泛使用的主要原因，尽管BLDC压缩机具有许多优点、诸如较高效率和紧凑性，但是如普遍存在的，低成本和低效率的AC驱动固定速度往复式压缩机在家用制冷器中被使用。
鉴于上述情况，发明人已经认识到与旋转式压缩机相关的许多益处，旋转式压缩机可以在保持低成本的同时实现更低的振动和更低的噪声，并且在一些情况下避免了对复杂(且昂贵的)BLDC驱动电子设备的需求。根据本公开的一些方面，发明人以及认识并且意识到通过使压缩机包括飞轮(如，安装在马达轴或转子上)，压缩机内的扭转和速度变化可以是平稳的。例如，飞轮可以具有存储在其转动运转中的足以使其在压缩机部件的旋转运动中的平稳的动能。此外，由于飞轮能够在每个循环中存储大量的输入能量，所以尽管压缩机从马达接收到不均匀的负载，这仍可以允许压缩机以几乎恒定的速度运行。另外，发明人已经意识到，由于旋转式压缩机可以以非常高的速度运行，所以即使可以配装在紧凑的旋转式压缩机内的相对小的飞轮也可以增加足够的惯性力矩和/或动能以提供上述益处。
根据一些实施方式，使压缩机包括飞轮可以有助于解决旋转式压缩机内的主要振动原因，比如泵组件中的振动和马达的振动。例如，具有适当的尺寸和形状的飞轮可以给压缩机的旋转部件增加足够的惯性力矩并且可以存储足够的动能以在马达与压缩机之间用作减震器。这可以有助于减少正常压缩机循环期间由负载扭矩变化所引起的振动、马达齿槽效应、以及气泵组件所需的负载扭矩同与由BLDC驱动电子设备所提供的且被传递至气泵组件或其他振动源的电流相关的驱动扭矩之间的瞬时失配。
图4描绘了旋转式压缩机400的一种实施方式。压缩机包括马达402，马达402包括定子404和电磁耦接至定子的转子406。转子联接有轴408，使得转子的旋转驱动轴的旋转。例如，轴和转子可以直接联接至彼此(例如，经由一个或更多个紧固件、粘合剂、焊接接头等)或者轴和转子可以形成为直接地联接轴或转子的整体部件。在另一实施方式中，轴和转子可以间接地联接至彼此(如，经由合适的联动装置)。轴408延伸穿过压缩机气缸410以及穿过分别附接至气缸410的顶部和底部的上部凸缘412和下部凸缘414。轴408联接有飞轮416，使得轴的旋转驱动飞轮的旋转。在这种实施方式中，飞轮416位于下部凸缘的下方，并且因此，轴408延伸成低于下部凸缘以附接至飞轮的轮毂。在一些实施方式中，这种构型可能导致飞***露于压缩机的油槽(未示出)。在这样的实施方式中，飞轮可以被覆盖以避免粘性损失或起泡。
图5描绘了旋转式压缩机500的另一实施方式。与以上关于图4所描述的实施方式相似，压缩机包括马达502，马达502包括定子504和电磁耦接至定子的转子506。转子506联接有轴508，并且轴508延伸穿过压缩机气缸510以及穿过附接至气缸510的上部凸缘512和下部凸缘514。在该实施方式中，转子508联接有飞轮516，并且飞轮516定位马达的在马达502上方的顶部上。
图6描绘了旋转式压缩机600的又一实施方式。与以上关于图4至图5所描述的的实施方式相似，压缩机包括马达602，马达602包括定子604和电磁耦接至定子的转子606。转子606联接有轴608，并且轴608延伸穿过压缩机气缸610以及穿过附接至气缸510的上部凸缘612和下部凸缘614。然而，在该实施方式中，转子608联接有飞轮616并且飞轮616位于上部凸缘612与马达602之间。
在图4至图6所描绘的实施方式中，马达402、502和602是内部转子类型的马达(其中，定子包围转子)，如已经在旋转式压缩机中使用的典型的BLDC马达。然而，其他构型也可以是合适的。例如，图7描绘了根据一种实施方式的旋转式压缩机700的一部分，该旋转式压缩机包括外部转子类型的马达702，其中，转子706绕定子704定位。例如，转子可以定形状成杯状以便于附接至轴708以及将磁体707安装于转子的内部，磁体将转子电磁耦接至定子704。转子706的外部位置有效地增加了转子的惯性力矩，并且因此转子可以用作飞轮。在一些实施方式中，附加质量块可以添加至转子和/或单独的飞轮可以联接至转子以进一步增加所需的惯性力矩。与上述实施方式相似，转子706联接至轴708，使得转子的旋转驱动轴的旋转。轴延伸穿过附接至压缩机气缸(未示出)的上部凸缘712。
虽然上面已经结合了图4至图7旋转式压缩机和马达的某些布置进行了描述，但是应当理解的是，其他布置可以是合适的。例如，图4至图6中所描绘的飞轮构型可以与如图7中所示的外部转子类型的马达结合。在一些实施方式中，飞轮辅助式旋转式压缩机的其他变型可以在压缩机和/或所安装的飞轮和/或所使用的马达构型的类型(如，内部转子类型的马达或外部转子类型的马达)方面变化。根据特定实施方式，与使用昂贵的BLDC驱动电子设备相比，飞轮可以定形状和定尺寸成以相对低的成本结合在旋转式压缩机内部，特别是因为飞轮的添加可以显著降低BLDC驱动器的成本或完全消除BLDC驱动，以及/或者允许单缸压缩机的表现和执行如双缸压缩机一样但具有较低的制造成本。
根据特定实施方式，飞轮的尺寸、形状和/或重量可以被选择成给旋转式压缩机提供一个或更多个所需的性能参数。例如，在一些实施方式中，飞轮可以定尺寸和定形状成相对于不包括飞轮的压缩机而言提供驱动扭矩波动的幅度的所需的减小。在一些实例中，该减小可以是至少50％、至少60％、至少70％、小于80％、小于70％和/或小于60％。在一种实施方式中，驱动扭矩波动的幅度的减小可以是大约70％。
在一些实施方式中，飞轮的增加的惯性力矩相对于不包括飞轮的压缩机而言可以减小的旋转振动的幅度。例如，旋转振动幅度的减小可以是至少80％、至少90％或者更多(例如，大约92％)。在一些实例中，由于飞轮而引起的旋转振动的幅度的减小可以使单缸旋转式压缩机表现出与双缸旋转式压缩机的旋转振动幅度类似的旋转振动幅度，该双缸旋转式压缩机固有地具有如上所讨论的较低幅度的旋转振动。
示例
下面将对飞轮的作用的附加的细节进行更详细地描述。在以下示例中，存储在具有半径为R1、带有半径为R2的中心孔、厚度为H且以F Hz频率运行的平盘飞轮的动能(KE)为：KE＝1/2Iω2，其中：If＝飞轮的惯性力矩＝平盘的1/2M(R1 2+R2 2)；Mf＝飞轮的质量＝ρπ(R1 2-R2 2)H；ρf＝飞轮材料的密度(如，铁的密度为0.28 1b/in3或黄铜的密度为0.311b/in3)；ω＝2πF；以及F＝转/秒。
对于具有4英寸的直径、9英寸的高度和19 1bs的重量的市售的单缸旋转式压缩机——例如，该压缩机被用在产生12,000Btu/小时(3,516W)冷却的廉价窗式空调中——而言，输入至压缩机的电功率为～760W，即760焦耳/秒。由于这种压缩机被用在廉价的空调中，所以压缩机的成本/价格必须相对较低，并且因此使用下述单缸旋转式压缩机：其具有固有的高振动幅度和高噪声水平、特别是在每个循环期间与压力负载变化相关的低频范围内具有固有的高振动幅度和高噪声水平。这种压缩机通常包括相对昂贵且复杂的逆变器驱动器以调节速度，从而跟随冷却负载以实现高效率。然而，发明人已经意识到，将期望的是将单缸压缩机的设计修改成具有与更昂贵的双缸旋转式压缩机相等或更好的低振动幅度和噪声级，但是不增加单缸压缩机/驱动器的组合成本/价格。
假设马达电效率为85％，则在以100Hz运行的每个压缩机循环期间从马达传递至泵组件的机械能为6.46(＝760×0.85/100)焦耳。
在上述1HP传统滚动活塞BLDC压缩机的壳体中，有足够的空间来安装可以令人满意地完成工作的飞轮、特别是安装在上部凸缘与马达之间。
下面对根据图5的构型的飞轮的简化实施方式进行描述。飞轮包括薄盘和薄的筒形环，薄盘的尺寸为：R1＝1.875in、R2＝0.25in、H＝0.025in、黄铜的ρ＝0.31 1b/in3，薄的筒形环的尺寸为：R1＝1.875in、R2＝1.625in、H＝1.528in。薄盘代表中心点的轮毂。为了使2.75lbs的固定的总飞轮质量块的惯性力矩最大，质量块的大部分(例如2.67lbs)以筒状环的形式被安置在外周边。筒状环表示图5中所示的单件式飞轮的外周薄的筒状质量块，其中，假设中间的薄的轮具有中心毂和辐条的质量和惯性力矩。图8示出了该飞轮的总存储能量与在每个循环中以各种旋转速度传递的动能的倍数的曲线图。在33.33Hz(2000RPM)的旋转速度下，存储在铁盘中的动能是KE＝38.4 1b-ft(52焦耳)。由于存储在飞轮中的相对高的动能与每个循环输入压缩机的平均能量(大约52/6.46＝8.1倍)相比，所以压缩机的转速将在+/-0.1％内非常均匀并且在整个循环中是稳定的。驱动扭矩也在+/-0.1％内非常均匀且几乎不变，尽管如图1所示负载扭矩从在压缩循环的开始的几乎为零波动至压缩循环的结束的峰值。在大于2000RPM的较高速度下，存储在飞轮中的每循环的动能的倍数以指数的方式增加，在6000转/分时达到接近73。通过将飞轮安装在旋转式压缩机中，可以假设电动马达在每个压缩机循环期间以大致恒定的速率向飞轮提供6.46焦耳的动能(即，所提供的电流在整个循环中大致恒定并且驱动扭矩也大致恒定)。飞轮又根据需要从大的总存储动能中分配压缩机所需的能量，瞬间响应以精确地匹配压缩机在每个循环的过程中所需的负载扭矩。
接着，对以因在每个压缩机循环中从飞轮到压缩机泵组件的循环能量传递而导致的飞轮的速度变化进行更详细地分析。首先，速波动的系数(Cf)被定义为：
Cf＝(ωmax-ωmin)/ωavg＝2(ωmax-ωmin)/(ωmax+ωmin)。
每个压缩机循环从飞轮传递至压缩机的动能(Ke)被定义为：
Ke＝Imωavg 2Cf，其中，包括飞轮的压缩机旋转部件的惯性力矩(Im)是：Im＝Ke/(Cfωavg 2)。
在循环期间的扭矩(T)是：
T＝Imω，
其中，角速度(ω)是:
ω＝ωavg(1+/-Cf sinθ/2)，其中，θ～ωavgt。
在循环中的速度振动的幅度是ωavg Cf/2。
通过马达传递至压缩机旋转部件的驱动扭矩(Td)是：
Td＝Imωavg(1+/-Cf/2，以及
存储在飞轮和压缩机的其他旋转部件中的平均总动能(KE)是：
KE＝Imωavg 2。
上述各组等式描述了惯性力矩(MOI)对飞轮和压缩机的其他旋转部件的影响如下。在每个压缩循环期间，飞轮和压缩机将以ωavg的平均速度旋转。当动能Ke完全施加至压缩机以执行压缩机循环时，飞轮速度减慢到最小速度ωmin。当马达给飞轮补充能量时，飞轮速度增加至最大速度ωmax。对于直接驱动电力机械，推荐的Cf值是0.002。换句话说，只要飞轮的MOI大到足以将旋转机械的速度变化幅度限制在平均转速的+/-0.1％之内，即Cf值小于0.002，由比如同步马达之类的马达直接驱动的比如制冷压缩机之类的电子机械就能运行平稳而不会失去同步性，同时保持峰值效率。从上面的驱动扭矩的表达式来看，这也意味着扭矩变化也在平均扭矩的0.1％内，这又意味着马达的电流要求在平均电流的0.1％以内，这通常在典型电源的分辨率内。鉴于上述情况，通过在压缩机内使用适当尺寸的飞轮，BLDC驱动器将仅需要提供几乎恒定的电流而不需要动态调节提供给马达的电流。
图9是示出了根据一个示例的用于具有定尺寸成用于直接马达驱动的飞轮的10cc位移旋转式压缩机的预期速度变化的图表。该示例满足用于以2000RPM开始Cf的上述标准，其中，RPM幅度变化为1.93，意味着Cf为0.00193(即，Cf小于0.002)。随着速度增加，速度变化的幅度变得更低，达到0.43RPM，这意味着Cf在9000RPM下仅为0.00005。这些低水平的速度变化再次导致在每次旋转期间对BLDC马达的几乎恒定的电流输入要求，因此不需要持续监测马达的速度以确定转子的位置，以及不需要调节至BLDC马达的供给电流来匹配电流需求的快速变化以满足马达所需的扭矩。图10示出了具有和不具有飞轮的单缸旋转式压缩机和双缸旋转式压缩机的扭矩波动的峰-峰幅度随RPM的变化的曲线图。
鉴于上述情况，通过引入合适尺寸的飞轮，(在这个示例中，重大约19 1bs的压缩机内部的飞轮重2.75 1bs)，BLDC驱动电子设备的扭矩匹配的艰巨任务现在可以通过飞轮的大量存储动能瞬间、毫不费力地且机械地执行。特别是，由于动能相对于每次旋转所需的能量输入较大(由于飞轮的惯性力矩相对较大)，BLDC驱动电子设备(如果需要有一个)需要仅提供马达几乎恒定的电流，以供应和补充飞轮在每个循环中赋予压缩机泵组件的相对较小的能量。这种几乎均匀的电流供应要求极大地简化了BLDC驱动电子设备及其固件，并显著降低了其复杂性和成本。
此外，如果飞轮足够大，可能不需要无传感器矢量正弦BLDC驱动器的复杂算法。相反，当压缩机分别被用于空调或冰箱时，BLDC驱动器只需提供所需的电流以在室内温度缓慢改变或者当冰箱达到其稳态目标温度时与随着时间变化的冷却负载相匹配。因此，在每个循环期间将不需要BLDC驱动电子设备来对扭矩进行瞬时匹配。因此，可能不需要高成本FET、高性能芯片、微处理器来计算每个循环内的快速变化的速度变化、扭矩等。实际上，在一些实施方式中，可能需要的是可变频率DC到DC转换器，其可以改变频率但是没有BLDC驱动器——诸如具有扭矩补偿的无传感器、矢量驱动器——的复杂和高速计算算法。
在一些实施方式中，唯一的要求可以是来自环境用以调节或打开压缩机(例如，通过启动电容器)的反馈。可选地或另外地，如果至压缩机的电力来自AC电源，则可以使用本领域技术人员已知的线性启动同步马达。这种同步马达可以设计成靠三相、多相或甚至单相交流电源来运行。这些方法可以显著降低BLDC旋转式压缩机***的成本，特别是在不需要改变马达速度的情况下，这在许多情况下会发生。如果需要改变速度，则可以使用逆变器来改变输入到马达的AC电源的频率，但是没有昂贵且复杂的马达速度和位置感测BLDC驱动电子设备。
因廉价的中等尺寸的飞轮的引入而导致的与BLDC驱动电子设备的简化或用于固定速度应用的潜在消除有关的上述结论仅仅是具有飞轮辅助的旋转式压缩机的益处之一。如下所述，发明人已经意识到飞轮在被引入到双缸旋转式压缩机中时也可以是有益的。
如上所述，尽管现代BLDC驱动压缩机中的许多改进具有对于单缸旋转式压缩机而言的接近完美的扭矩匹配，但是单缸旋转式压缩机中固有的噪声和振动仍可能导致不可接受水平的旋转振动和/或噪声。由于扭矩振动与操作速度密切相关，所以作为制冷***的实际应用的制冷器或空调***中的振动频率相对较低并且难以控制。为了减少这些振动和噪声问题，旋转式压缩机行业已经引入了更加复杂且昂贵的双缸旋转式压缩机，双缸旋转式压缩机如上所述在单个轴上具有相位相差180度的两个压缩室，从而大大抵消了一次谐波扭矩峰值，使得与单缸旋转式压缩机相比产生了更小的振动(例如，通过～13的系数)以及更低的噪音。然而，转至双缸压缩机，由于BLDC电子设备昂贵(不需要AC驱动往复式压缩机)，所以旋转式压缩机的价格与廉价的AC驱动往复式压缩机相比甚至更高，并且双缸部件比单缸压缩机部件贵得多，单缸压缩机的部件本身就已经比往复式压缩机的部件昂贵得多。
对于单缸旋转式压缩机和双缸旋转式压缩机而言，BLDC驱动电子设备通常占总材料成本的多达25％至35％。由于BLDC驱动器的成本是总材料成本的主要部分，所以特别期望的是显著降低BLDC电子设备的成本以降低旋转式压缩机的成本。因此，对于大多数应用而言，BLDC驱动电子设备的成本的主要降低(或者尤其是BLDC驱动器的消除)对于如上所述的单缸旋转式压缩机和双缸旋转式压缩机而言是非常经济且在商业上有吸引力的概念。
关于双缸压缩机，由于双异相双缸的平衡效果(图2)，双缸压缩机的扭矩波动幅度仅为单缸压缩机的扭矩波动幅度的约30％，并且扭矩波动的频率是操作频率的两倍。因此，为了通过使双缸旋转式压缩机包括飞轮而使扭矩波动和速度波动在一个循环内以最低运行速度在平均速度的0.1％内进一步趋于平稳，与单缸旋转式压缩机的总惯性力矩相比，这将需要旋转式压缩机内的总惯性力矩的小于30％的惯性力矩。因此，在具有10cc排量和191bs重量的双缸压缩机中，重量小于1 1bs的飞轮将是合适的。即使在双缸旋转式压缩机中使用这种尺寸适中的飞轮，双缸旋转式压缩机的BLDC驱动器也将在压缩机循环中提供仅随负载或设定点的变化而缓慢变化的相当均匀的电流。因此，就像单缸旋转式压缩机——但是具有更小且尺寸更适中的飞轮——一样，双缸旋转式压缩机的BLDC驱动器的复杂性和成本可以显著降低，使得这种压缩机在更多应用中更具成本竞争力。此外，如果感兴趣的应用不需要改变速度压缩机速度，则具有适当尺寸的飞轮的双缸旋转式压缩机可以配备有不具有BLDC驱动器的线性启动同步马达，从而显著降低25％至35％的成本(即BLDC驱动器的相对成本)。
鉴于上述情况，将飞轮结合在单缸旋转式压缩机或双缸旋转式压缩机中可以使压缩机的旋转运动平稳或稳定，从而允许压缩机在整个运行期间以几乎均匀的扭矩和电流操作。这样的布置可以具有很多益处。例如，BLDC驱动器可以被显著简化、降低尺寸、和/或消除，从而允许来自AC电源的固定速度操作。此外，可以实现单缸旋转式压缩机的以电的方式和机械的方式诱发的噪音和振动的显著降低，例如，降低成低至或低于现有技术的双缸旋转式压缩机所达到的水平。在一些实例中，飞轮的并入可以允许飞轮的与最先进的BLDC驱动器/旋转式压缩机组合相比的更好的瞬时负载跟随能力以匹配压缩机的负载、作为对由于较高的惯性力矩而导致的每个压缩机的装载和卸载循环的反应的更低振幅的旋转振动、以及/或者由于飞轮与压缩机泵组件之间的近乎完美的瞬时的扭矩传递而导致的极低的机械能损失。另外，由于准稳态电流在与环境/负载温度变化相关的较长时间跨度(例如，分钟和秒)内而不是在用以瞬时匹配负载扭矩的每个循环内(例如，毫秒)缓慢变化，所以可以实现马达的更高电效率。
另外，在一些实施方式中，飞轮辅助旋转式压缩机由于压缩机的较低旋转振动而使得能量损失显著降低。特别地，振动能量可以被捕获并被存储在飞轮中以被建设性地用于将能量供应到压缩机中。如上所述，在一些实例中，这种压缩机相较于传统的旋转式压缩机可以实现更高的整体的电和机械效率，并且具有更低成本的BLDC驱动器部件(并且如先前描述，如果由飞轮增加的惯性力矩足够大，则在马达可以启动并被引导成同步地的情况下可以完全消除BLDC驱动器)。此外，在一些实施方式中，如本文中所描述的飞轮辅助单缸旋转式压缩机的性能特征(如，振动和噪声水平、马达齿槽效应、电效率、成本等)可以匹配或超越传统的双缸压缩机的性能特征。
通过具有极低噪音和振动、紧凑、高效率、高冷却功率密度的预期的较低成本和大量优点，具有如本文所述的适当尺寸的飞轮的飞轮辅助旋转式压缩机(例如，单缸和/或双缸构型)对于而言制冷***可以是极其有用的，在这些制冷***中，调节机构和终端用户对更低的成本、更高的效率、低的声学特征以及更低振动的***的需求日益增加。示例应用包括家用器具，诸如冰箱、台面水冷却器和制冰机、紧凑型室内除湿器、个人空调、智能家居中的智能分配加热和冷却***、以及其他的激光冷却***。还有益的是将类似的飞轮在壳体内结合到各种空气压缩机和发动机中。例如，对于涉及非常高压缩比的压缩机应用(例如需要将10psi压缩成1000psi的天然气压缩机)——其中扭矩波动变得非常高并且噪声和振动可能非常难以控制——而言，飞轮辅助旋转式压缩机可能是特别有益的。此外，在批量生产中，这些极其有益的飞轮辅助旋转式压缩机由于其紧凑的尺寸、低的材料成本以及简单和廉价的制造方法而可能是便宜的。这可以允许将这些飞轮辅助旋转式压缩机用于许多应用中，诸如空气压缩机、用于天然气、氮气、氦气、氩气等的气体压缩机、以及用于家用冰箱、台面器具的制冷压缩机、以及诸如要求极低的噪音和振动同时具有非常高的整体能效的分布式超高效紧凑型的许多其他的冷却***。
虽然本文已经结合滚动活塞式压缩机对某些实施方式进行了描述，但是应当理解的是，类似的飞轮布置在其他旋转式压缩机中也可以是有效的，诸如旋转叶片式压缩机、涡旋式压缩机、螺杆式压缩机、摆动式压缩机等。
应当理解的是，前面的描述仅仅是为了说明本发明，并且其他实施方式、改型和等同物均在本文中所附的权利要求中所述的本发明的范围内。此外，尽管上述每个实施方式包括某些特征，本公开不限于此方面。因此，上述或其他特征或使用方法中的一者或更多者可以单独使用或以任何合适的组合使用，因为本公开和权利要求不限于特定实施方式。

Claims (25)

1.一种旋转式压缩机，所述旋转式压缩机包括：
马达，所述马达具有电磁耦接至彼此的转子和定子，其中，所述转子能够相对于所述定子旋转；
压缩机气缸；
轴，所述轴以可旋转的方式联接至所述转子且延伸穿过所述压缩机气缸，其中，所述转子的旋转驱动所述轴在所述压缩机气缸内的旋转；以及
飞轮，所述飞轮联接至所述转子。
2.根据权利要求1所述的旋转式压缩机，其中，所述旋转式压缩机设置为单缸压缩机和双缸压缩机中的一者。
3.根据权利要求1至2中的任一项所述的旋转式压缩机，其中，所述飞轮直接地或间接地联接至所述转子。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的旋转式压缩机，其中，所述马达是内转子马达和外转子马达中的一者，在所述内转子马达中，所述定子至少部分地包围所述转子，在所述外转子马达中，所述转子至少部分地包围所述定子。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的旋转式压缩机，其中，所述飞轮定尺寸和定形状成向所述压缩机提供所需的转动惯性力矩。
6.根据权利要求5所述的旋转式压缩机，其中，所述惯性力矩被选定成使得相对于不包括所述飞轮的压缩机而言将驱动扭矩波动的幅度减小了约70％。
7.根据权利要求5所述的旋转式压缩机，其中，所述惯性力矩被选定成使得相对于不包括所述飞轮的压缩机而言将旋转振动的幅度减小了约92％。
8.根据权利要求1至4中的任一项所述的旋转式压缩机，其中，所述飞轮定尺寸和定形状成在压缩机循环中为所述压缩机的旋转部件提供了分别在平均旋转速度和扭矩的0.1％内的速度变化幅度和扭矩变化。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的旋转式压缩机，其中，所述飞轮和所述气缸定位在所述马达的相反侧。
10.根据权利要求1至8中的任一项所述的旋转式压缩机，其中，所述飞轮定位在所述马达和所述压缩机气缸的下方。
11.根据权利要求1至8中的任一项所述的旋转式压缩机，其中，所述压缩机气缸定位在所述马达与所述飞轮之间。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的旋转式压缩机，其中，压缩机是滚动活塞式压缩机、旋转叶片式压缩机、摆动式压缩机和涡旋式压缩中的至少一者。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的旋转式压缩机，还包括壳体，其中，所述马达、所述压缩机气缸和所述飞轮位于所述壳体内。
14.一种旋转式压缩机，所述旋转式压缩机包括：
马达，所述马达具有电磁耦接至彼此的转子和定子，其中，所述转子至少部分地包围所述定子且能够相对于所述定子旋转；
压缩机气缸；以及
轴，所述轴以可旋转的方式连接至所述转子且延伸穿过所述压缩机气缸，其中，所述转子的旋转驱动所述轴在所述压缩机气缸内的旋转。
15.根据权利要求14所述的旋转式压缩机，其中，所述旋转式压缩机设置为单缸压缩机和双缸压缩机中的一者。
16.根据权利要求14至15中的任一项所述的旋转式压缩机，其中，所述转子被定形状成围绕所述定子的杯状件。
17.根据权利要求14至15中的任一项所述的旋转式压缩机，其中，所述转子定尺寸和定形状成向所述压缩机提供所需的转动惯性力矩。
18.根据权利要求17所述的旋转式压缩机，其中，所述惯性力矩被选定成使得减小了每个压缩机循环中的速度变化的幅度和驱动扭矩波动的幅度，以及减小了所述压缩机的旋转振动的幅度。
19.根据权利要求17所述的旋转式压缩机，其中，所述惯性力矩被选定成使得在压缩机循环中为所述压缩机的旋转部件提供了分别在平均旋转速度和扭矩的0.1％内的速度变化幅度和扭矩变化。
20.根据权利要求14至19中的任一项所述的旋转式压缩机，其中，压缩机是滚动活塞式压缩机、旋转叶片式压缩机、摆动式压缩机和涡旋式压缩中的至少一者。
21.根据权利要求14至20中的任一项所述的旋转式压缩机，还包括壳体，其中，所述马达和所述压缩机气缸位于所述壳体内。
22.根据权利要求1至21中的任一项所述的旋转式压缩机，其中，所述马达是由BLDC驱动器控制的BLDC马达，所述BLDC驱动器配置成在压缩机循环期间为所述马达提供近似恒定的电流。
23.根据权利要求22所述的旋转式压缩机，其中，所述近似恒定的电流包括压缩机循环期间的一个或更多个小的电流波动。
24.根据权利要求1至21中的任一项所述的旋转式压缩机，其中，所述马达由AC电源驱动。
25.根据权利要求24所述的旋转式压缩机，其中，所述马达在没有BLDC驱动器的情况下被驱动。
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