CN115875260A - 单双级可调伺服电机直驱对称式涡旋压缩机 - Google Patents

Abstract

一种单双级可调伺服电机直驱对称式涡旋压缩机，包括双侧涡卷齿静涡旋盘机构和其两侧的对称布置的动涡旋盘，动涡旋盘置于双侧涡卷齿静涡旋盘机构与机架中间，动涡旋盘与双侧涡卷齿静涡旋盘机构的两侧涡卷相互啮合形成多个月牙形压缩腔，动涡旋盘的轮毂、机架通过轴承连接在电机主轴近端；机架与电机外壳中间设置的法兰盘内形成空腔，空腔内电机主轴安装有平衡块；电机主轴在电机端盖内设有端部平衡块；电机主轴上连接的电机转子和电机外壳上连接的电机定子构成永磁同步伺服电机；本发明实现压缩机高效率、变频调速、低能耗要求，双侧涡卷齿静涡旋盘机构可选择在并联式大功率一极压缩或串联式高压缩比二级压缩模式下工作，适用更多工作场合。

Description

单双级可调伺服电机直驱对称式涡旋压缩机

技术领域

本发明涉及涡旋压缩机技术领域，具体涉及单双级可调伺服电机直驱对称式涡旋压缩机。

背景技术

涡旋压缩机是新型容积式流体机械，被称为技术先进的第三代压缩机，相比往复式、转子式、螺杆式压缩机，具有体积小、零件少、效率高和噪音小的优点。涡旋压缩机通过电机驱动涡旋盘工作，将电能转换为气体压力能，用于提高气体压力和输送气体，广泛应用于制冷、包装、机械、石化等领域。

涡旋压缩机内部包含两个涡旋盘，动涡旋盘和静涡旋盘。涡旋压缩机工作时，动涡旋盘和静涡旋盘上的螺旋线相互啮合而形成众多的月牙形压缩腔。随着电机带动动涡旋盘的偏心旋转，月牙形压缩腔由外侧不断向内部移动。与此同时，压各缩腔内的气体不断被推向中心。随着压缩腔体积越来越小，腔内气体压力不断升高，直至通向静盘排气口排出，完成压缩过程。

随着涡旋压缩机技术不断发展成熟，为满足更高的市场要求并保证节能环保，大排气量、变频调速、低能耗成为涡旋压缩机的未来发展趋势。目前市场上大排量的涡旋压缩机主要通过增大涡旋盘尺寸、提高转速、多机并联的方法实现，这些方式难以避免地会导致压缩机整机尺寸增大、结构复杂、故障率升高。此外，电动涡旋压缩机通常使用异步电机或直流无刷永磁同步电机驱动，传统异步电机效率低、体积大、能耗高，直流无刷永磁同步电机难以适用大功率场景，而永磁交流伺服电机具有体积小、高性能、调速范围广等优势，在工业领域使用广泛。另外，提高压缩机效率，改善能耗水平，主要通过优化压缩机结构设计，改进变频电机实现。因此，研发体积小、结构简、性能高、能耗低的新型涡旋压缩机有着重要意义。

综上所述，目前市面上的涡旋压缩机存在以下不足：(1)压缩机功率若要增大会出现体积较大、结构复杂、故障率升高的问题；(2)压缩机适应场景比较单一，压缩比固定无法调节；(3)涡旋压缩机传统用异步电机效率低、体积大、能耗高，直流无刷永磁同步电机难以适用大功率场景；(4)涡旋盘转速较高时偏心主轴出现较大偏心力矩，增大磨损，寿命变短。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种单双级可调伺服电机直驱对称式涡旋压缩机，通过运用伺服电直驱与集成一体化的思想，使用两个交流伺服电机直接驱动两个动涡旋盘带动整个压缩机进行工作，伺服电机的使用以及双涡旋装置的设置使压缩机功率调节变得简便且在最大功率倍增的同时实现较高的功率体积比，从而实现压缩机高效率、变频调速、低能耗等要求；此外，特殊设计的双侧涡卷齿静涡旋盘机构可通过内部阀进行进气通道和排气通道的选择，让压缩机选择在并联式大功率一极压缩或串联式高压缩比二级压缩模式下工作，双模式的切换可以适用更多的工作场合。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

单双级可调伺服电机直驱对称式涡旋压缩机，包括双侧涡卷齿静涡旋盘机构13和其两侧的对称布置的动涡旋盘12；双侧涡卷齿静涡旋盘机构13两侧与机架9一端进行密封连接，动涡旋盘12置于双侧涡卷齿静涡旋盘机构13与机架9中间，并通过十字滑环14与机架9连接；动涡旋盘12与双侧涡卷齿静涡旋盘机构13的两侧涡卷相互啮合形成多个月牙形压缩腔，动涡旋盘12的轮毂、机架9分别用滚针轴承11、调心球轴承10连接在电机主轴6近端；机架9另一端与电机外壳3一端中间设置有法兰盘8并在法兰盘8内形成空腔，电机主轴6在空腔内部分安装有平衡块7；电机外壳3另一端和电机端盖1连接，电机端盖1内设有球轴承2用于支撑电机主轴6远端，并在电机端盖1内设有另一个质量更大的端部平衡块17；电机主轴6上连接的电机转子5和电机外壳3上连接的电机定子4构成永磁同步伺服电机。

所述的法兰盘8上开设喷油口，便于润滑和散热。

所述的调心球轴承10同轴线安装在机架9上，并用轴承卡簧15和轴用弹性挡圈16固定。

所述的双侧涡卷齿静涡旋盘机构13与机架9、机架9与法兰盘8、法兰盘8与电机外壳3均用螺栓连接，双侧涡卷齿静涡旋盘机构13、机架9、法兰盘8及电机外壳3上螺栓孔周向对称排布，保证电机中轴线与机架中轴线同轴。

所述的双侧涡卷齿静涡旋盘机构13包括左右两个涡旋盘面以及内部的进气通道和排气通道，即包括右涡旋盘L1和左涡旋盘L6，左涡旋盘L6设有左进气口L9、左出气口L7；右涡旋盘L1包含两个独立的第一进气通道L3和第二进气通道L12，以及第一排气通道L11；左出气口L7和第一进气通道L3之间连接有一个用于调节进出气管道的阀门，阀门底部设有第二排气通道L10；阀门包括阀杆L4及其上连接的上阀塞L5和下阀塞L8；

当阀杆L4向下时下阀塞L8把第二排气通道L10堵上，左动涡旋盘压缩气体从左出气口L7处排出后通过第一进气管道L3进入右涡旋压缩装置中进行二级压缩，压缩后的气体从第一排气管道L11排出，此时压缩机为串联式高压缩比二级压缩模式；当阀杆L4被拉上时，上阀塞L5把第一进气管道L3堵上，此时左侧涡旋压缩装置排出的气体直接从第二排气通道L10排出，打开右涡旋盘进气口盖L13，右涡旋装置从第二进气通道L12进气，压缩后气体从第一排气通道L11排出，从而左右两侧涡旋压缩装置同时进行工作实现大功率的空气压缩，此时压缩机为并联式大功率一级压缩模式。

单双级可调伺服电机直驱对称式涡旋压缩机内部转动件共同构成压缩机的转子***，压缩机主轴为偏心主轴，并与动涡旋盘12、平衡块7、调心球轴承10、滚针轴承11、球轴承2、端部平衡块17共同构成了压缩机单侧的转子***。

动涡旋盘12包括底盘上的第一材料切除部分D1、第二材料切除部分D2和用于卡住十字滑环的两个槽，即第一十字滑环槽D3、第二十字滑环槽D4，切除部分与涡卷齿构成质心平衡设计，使其质心与滚针轴承11位于同一轴线，达到局部的静平衡；平衡块7、端部平衡块17使压缩机内主轴尽可能保证力平衡和力矩平衡，最大程度实现压缩机内转子***的静平衡和动平衡。

动涡旋盘12涡旋齿头部靠近涡旋线基圆H1处使用双圆弧加直线修正，涡卷齿内侧H3设有内侧圆弧修正起始点H2，涡卷齿外侧H4设有外侧圆弧修正起始点H5，内侧圆弧修正起始点H2和外侧圆弧修正起始点H5中间部分为双圆弧加直线修正。

双侧涡卷齿静涡旋盘机构13的静涡旋盘排气孔使用圆弧和直线组合形状的排气口，增大了排气面积，降低气体流速和气体流量脉动。

相对于现有涡旋压缩机，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过调整阀门位置进行进气排气通道的选择，进而实现压缩机工作模式的选择，既能以并联式大功率一级压缩模式工作也能以串联式高压缩比二级压缩模式工作，可以适应更多工作场景。

(2)本发明使用对称布置的两个永磁同步电机作为动力源，具有体积小、能耗低、调速范围广等优势，此外使用电机主轴直接作为压缩机动力轴，减少传动机构使压缩机结构更简单，工作效率更高，工作更稳定。

(3)本发明使用的偏心主轴通过设置平衡块和改善设计动涡旋盘的底部结构最大程度上保证转子***的平衡，减少轴承振动与磨损，提高了压缩机的使用寿命。

(4)本发明对涡旋齿头部靠近基圆处使用双圆弧加直线修正，使涡旋齿加工更容易并提高齿头位置处强度和刚度。对排气孔使用圆弧和直线组合形状修正，增大了排气面积，降低气体流速和气体流量脉动，使压缩机工作状态更稳定。

附图说明

图1是本发明的装配剖视图。

图2是本发明双侧涡卷齿静涡旋盘机构剖视图。

图3是本发明平衡质心设计的动涡旋盘图。

图4是本发明动涡旋盘涡旋线修正示意图。

图5是本发明双侧涡卷齿静涡旋盘机构排气口示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明

参照图1，单双级可调伺服电机直驱对称式涡旋压缩机，包括双侧涡卷齿静涡旋盘机构13和其两侧的对称布置的动涡旋盘12；双侧涡卷齿静涡旋盘机构13两侧与机架9一端进行密封连接，动涡旋盘12置于双侧涡卷齿静涡旋盘机构13与机架9中间，并通过十字滑环14与机架9连接以避免动涡旋盘12的自转；动涡旋盘12与双侧涡卷齿静涡旋盘机构13的两侧涡卷相互啮合形成多个月牙形压缩腔，动涡旋盘12的轮毂、机架9分别用滚针轴承11、调心球轴承10连接在电机主轴6近端；机架9另一端与电机外壳3一端中间设置有法兰盘8并在法兰盘8内形成空腔，电机主轴6在空腔内部分安装有平衡块7，可在法兰盘8上开设喷油口，便于润滑和散热；电机外壳3另一端和电机端盖1连接，电机端盖1内设有球轴承2用于支撑电机主轴6远端，并在电机端盖1内设有另一个质量更大的端部平衡块17；电机主轴6上连接的电机转子5和电机外壳3上连接的电机定子4构成永磁同步伺服电机。

所述的调心球轴承10同轴线安装在机架9上，并用轴承卡簧15和轴用弹性挡圈16固定。

所述的双侧涡卷齿静涡旋盘机构13与机架9、机架9与法兰盘8、法兰盘8与电机外壳3均用螺栓连接，双侧涡卷齿静涡旋盘机构13、机架9、法兰盘8及电机外壳3上螺栓孔周向对称排布，保证电机中轴线与机架中轴线同轴，加工容易，安装简单。

电机转子5、调心球轴承10、平衡块7、滚针轴承11、端部平衡块17以及球轴承2均设置在电机主轴6上。

参照图2，所述的双侧涡卷齿静涡旋盘机构13包括左右两个涡旋盘面以及内部的进气通道和排气通道，即包括右涡旋盘L1和左涡旋盘L6，左涡旋盘L6设有左进气口L9、左出气口L7；右涡旋盘L1包含两个独立的第一进气通道L3和第二进气通道L12，以及第一排气通道L11；左出气口L7和第一进气通道L3之间连接有一个用于调节进出气管道的阀门，阀门底部设有第二排气通道L10；阀门包括阀杆L4及其上连接的上阀塞L5和下阀塞L8；

当阀杆L4向下时下阀塞L8把第二排气通道L10堵上，左动涡旋盘压缩气体从左出气口L7处排出后通过第一进气管道L3进入右涡旋压缩装置中进行二级压缩，压缩后的气体从第一排气管道L11排出，此时压缩机为串联式高压缩比二级压缩模式；当阀杆L4被拉上时，上阀塞L5把第一进气管道L3堵上，此时左侧涡旋压缩装置排出的气体直接从第二排气通道L10排出，打开右涡旋盘进气口盖L13，右涡旋装置从第二进气通道L12进气，压缩后气体从第一排气通道L11排出，从而左右两侧涡旋压缩装置同时进行工作实现大功率的空气压缩，此时压缩机为并联式大功率一级压缩模式。

单双级可调伺服电机直驱对称式涡旋压缩机内部转动件共同构成压缩机的转子***，压缩机主轴为偏心主轴，并与动涡旋盘12、平衡块7、调心球轴承10、滚针轴承11、球轴承2、端部平衡块17共同构成了压缩机单侧的转子***；动涡旋盘12的结构如图3所示，包括底盘上的第一材料切除部分D1、第二材料切除部分D2和和用于卡住十字滑环的两个槽,即第一十字滑环槽D3、第二十字滑环槽D4，切除部分与涡卷齿构成质心平衡设计，使其质心与滚针轴承11位于同一轴线，达到局部的静平衡；此外的平衡块7、端部平衡块17使压缩机内主轴尽可能保证力平衡和力矩平衡，最大程度实现压缩机内转子***的静平衡和动平衡，从而降低轴承磨损提高压缩机使用寿命。

涡旋压缩装置动涡旋盘12如图4所示，涡旋齿头部靠近涡旋线基圆H1处使用双圆弧加直线修正，涡卷齿内侧H3设有内侧圆弧修正起始点H2，涡卷齿外侧H4设有外侧圆弧修正起始点H5，内侧圆弧修正起始点H2和外侧圆弧修正起始点H5中间部分为双圆弧加直线修正，本涡旋线设计便于涡旋齿加工并提高齿头位置处强度和刚度。

现有涡旋盘排气口多为圆形，双侧涡卷齿静涡旋盘机构13的静涡旋盘排气孔使用圆弧和直线组合形状的排气口，如图5所示，左右两端是r＝3的圆弧，上侧为r＝10的圆弧，下侧为直线，此排气孔增大了排气面积，降低气体流速和气体流量脉动。

Claims (9)

1.单双级可调伺服电机直驱对称式涡旋压缩机，其特征在于：包括双侧涡卷齿静涡旋盘机构(13)和其两侧的对称布置的动涡旋盘(12)；双侧涡卷齿静涡旋盘机构(13)两侧与机架(9)一端进行密封连接，动涡旋盘(12)置于双侧涡卷齿静涡旋盘机构(13)与机架(9)中间，并通过十字滑环(14)与机架(9)连接；动涡旋盘(12)与双侧涡卷齿静涡旋盘机构(13)的两侧涡卷相互啮合形成多个月牙形压缩腔，动涡旋盘(12)的轮毂、机架(9)分别用滚针轴承(11)、调心球轴承(10)连接在电机主轴(6)近端；机架(9)另一端与电机外壳(3)一端中间设置有法兰盘(8)并在法兰盘(8)内形成空腔，电机主轴(6)在空腔内部分安装有平衡块(7)；电机外壳(3)另一端和电机端盖(1)连接，电机端盖(1)内设有球轴承(2)用于支撑电机主轴(6)远端，并在电机端盖(1)内设有另一个质量更大的端部平衡块(17)；电机主轴(6)上连接的电机转子(5)和电机外壳(3)上连接的电机定子(4)构成永磁同步伺服电机。

2.根据权利要求1所述的涡旋压缩机，其特征在于：所述的法兰盘(8)上开设喷油口，便于润滑和散热。

3.根据权利要求1所述的涡旋压缩机，其特征在于：所述的调心球轴承(10)同轴线安装在机架(9)上，并用轴承卡簧(15)和轴用弹性挡圈(16)固定。

4.根据权利要求1所述的涡旋压缩机，其特征在于：所述的双侧涡卷齿静涡旋盘机构(13)与机架(9)、机架(9)与法兰盘(8)、法兰盘(8)与电机外壳(3)均用螺栓连接，双侧涡卷齿静涡旋盘机构(13)、机架(9)、法兰盘(8)及电机外壳(3)上螺栓孔周向对称排布，保证电机中轴线与机架中轴线同轴。

5.根据权利要求1所述的涡旋压缩机，其特征在于：所述的双侧涡卷齿静涡旋盘机构(13)包括左右两个涡旋盘面以及内部的进气通道和排气通道，即包括右涡旋盘(L1)和左涡旋盘(L6)，左涡旋盘(L6)设有左进气口(L9)、左出气口(L7)；右涡旋盘(L1)包含两个独立的第一进气通道(L3)和第二进气通道(L12)，以及第一排气通道(L11)；左出气口(L7)和第一进气通道(L3)之间连接有一个用于调节进出气管道的阀门，阀门底部设有第二排气通道(L10)；阀门包括阀杆(L4)及其上连接的上阀塞(L5)和下阀塞(L8)；

当阀杆(L4)向下时下阀塞(L8)把第二排气通道(L10)堵上，左动涡旋盘压缩气体从左出气口(L7)处排出后通过第一进气管道(L3)进入右涡旋压缩装置中进行二级压缩，压缩后的气体从第一排气管道(L11)排出，此时压缩机为串联式高压缩比二级压缩模式；当阀杆(L4)被拉上时，上阀塞(L5)把第一进气管道(L3)堵上，此时左涡旋压缩装置排出的气体直接从第二排气通道(L10)排出，打开右涡旋盘进气口盖(L13)，右涡旋压缩装置从第二进气通道(L12)进气，压缩后气体从第一排气通道(L11)排出，从而左右两涡旋压缩装置同时进行工作实现大功率的空气压缩，此时压缩机为并联式大功率一级压缩模式。

6.根据权利要求1所述的涡旋压缩机，其特征在于：单双级可调伺服电机直驱对称式涡旋压缩机内部转动件共同构成压缩机的转子***，压缩机主轴为偏心主轴，并与动涡旋盘(12)、平衡块(7)、调心球轴承(10)、滚针轴承(11)、球轴承(2)、端部平衡块(17)共同构成了压缩机单侧的转子***。

7.根据权利要求1所述的涡旋压缩机，其特征在于：动涡旋盘(12)包括底盘上的第一材料切除部分(D1)、第二材料切除部分(D2)和用于卡住十字滑环的两个槽,即第一十字滑环槽(D3)、第二十字滑环槽(D4)，切除部分与涡卷齿构成质心平衡设计，使其质心与滚针轴承(11)位于同一轴线，达到局部的静平衡；平衡块(7)、端部平衡块(17)使压缩机内主轴尽可能保证力平衡和力矩平衡，最大程度实现压缩机内转子***的静平衡和动平衡。

8.根据权利要求1所述的涡旋压缩机，其特征在于：动涡旋盘(12)涡旋齿头部靠近涡旋线基圆(H1)处使用双圆弧加直线修正，涡卷齿内侧(H3)设有内侧圆弧修正起始点(H2)，涡卷齿外侧(H4)设有外侧圆弧修正起始点(H5)，内侧圆弧修正起始点(H2)和外侧圆弧修正起始点(H5)中间部分为双圆弧加直线修正。

9.根据权利要求1所述的涡旋压缩机，其特征在于：双侧涡卷齿静涡旋盘机构(13)的排气孔使用圆弧和直线组合形状的排气口，增大了排气面积，降低气体流速和气体流量脉动。

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