CN101268282A - 用于电机驱动的压缩机的鼓风机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流体压缩系统，其包括压缩机、包括定子与靠近定子定位的转子的电动机和连接到转子上来支承转子旋转并具有驱动端和非驱动端的轴。多个流动感应元件被集成为轴的一部分并适用于响应轴的转动而将流体流从非驱动端导向驱动端。

Description

用于电机驱动的压缩机的鼓风机

交叉引用的相关申请

[0001]本申请要求按美国专利法119条于2005年9月19日申请的临时专利申请US60/718,388的优先权，以此全文结合作为参考。

背景技术

[0002]本发明涉及一种用于电机的鼓风机。更特别是，本发明涉及一种与驱动压缩机的电机整体成形的鼓风机。

[0003]电机经常被用于驱动压缩机以产生压缩的流体流。当用来驱动离心压缩机时，电机必须以较高的速度(例如，大于30000RPM)旋转以有效地驱动压缩机。此外，希望使用变速电机以用于更精确和有效地控制产生的压缩流体的量。大功率密度的永磁电机很适合驱动离心压缩机的。然而，为了抑制磁心的磁性损失、定子的电绝缘破坏和转子支承系统的故障，需要精确和可靠地控制高速、大功率密度的永久磁铁电机外壳内部的温度。

[0004]现有的气冷式电机经常使用通过电机鼓风的单独的鼓风机。当永磁电机的速度太高以至于使用直接驱动的风扇时，通常需要由独立式电机驱动的单独鼓风机。然而，如果在永磁电机的运行期间电机或鼓风机发生故障，则使用辅助电机来驱动鼓风机可能会有问题。所述故障可能减少或消除冷却空气的流动，这可能引起电机过热。

发明内容

[0005]在一个实施例中，本发明提供了一种流体压缩系统，所述压缩系统包括压缩机、电动机和轴，所述电动机包括定子和靠近定子定位的转子，所述轴联接到转子上以支承用于转动的转子并具有驱动端和非驱动端。多个流动引导元件被集成为轴的一部分并适用于响应轴的转动而引导流体流从非驱动端流向驱动端。

[0006]在另一实施例中，本发明提供了一种包括离心压缩机的流体压缩系统，所述离心压缩机形成了高压侧和低压侧。可以操作所述压缩机来产生在高压侧从压缩机流出的高压流体流。电机包括联接到离心压缩机和非驱动端及驱动端上的轴。驱动端邻近压缩机来定位。外壳包含离心压缩机和电机中一部分。外壳形成了便于一部分高压流体流过的出口。鼓风机联接到轴上，并且可操作地响应从非驱动端流向驱动端的冷却流体的流动，以便冷却流体通过出口排出所述外壳。

[0007]在另一实施例中，本发明提供了一种包括外壳的流体压缩系统，所述外壳至少部分地形成出口孔、密封部分和冷却通道。离心压缩机至少部分地由外壳支承，并且适合于产生高压流体流。一部分高压流体通过所述密封部分并通过出口孔从外壳中排出。电机包括由轴支承的转子。电机联接到离心压缩机上，并可操作来驱动压缩机。鼓风机与所述轴集成为一个部件，并可操作来响应轴的转动以产生在冷却通道内部流动的冷却空气流。冷却空气的流动阻止了高压流体进入电机的通道中。

附图说明

[0008]图1是体现本发明的高速压缩机并包括位于第一位置处的鼓风机的剖面图；

[0009]图2是图1的压缩机的一部分的剖面图；

[0010]图3是包括具有流动引导元件的鼓风机的图1的转子的一部分的侧视图；

[0011]图4是包括位于第二位置处的图3的鼓风机的电机的剖面图；

[0012]图5是包括位于第三位置处的图3的鼓风机的电机的剖面图；

[0013]图6是包括位于两个置处的图3的两个鼓风机的电机的剖面图；

[0014]图7是包括流动路径的图1的压缩机系统的一部分的剖面图；和

[0015]图8是图示流动路径的图1的压缩机的叶轮的剖面图。

具体实施方式

[0016]在详细说明本发明的任何实施例之前，应该清楚本方面并不局限于以下说明或附图所阐明的元件的结构详图和布置的应用。本发明能够是其他实施例，并且能够以不同方式来实践或进行。此外，很清楚此处使用的措辞和术语是为了说明的目的并不认为是限制。此处使用的“包括”、“包含”或“具有”及变化意味着包含此后列出的零件和其同等物以及附加项。除非指定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支承”和“联接”及其变化被广泛使用，并包含直接和间接的安装、连接、支承和联接。此外，“连接”和“联接”不限于物理的或机械的连接或联接。

[0017]图1图示了流体压缩系统10，所述压缩系统包括如联接到压缩机20上的电机15的最初原动力，该压缩机可操作来产生压缩流体。在图示的结构中，电动机15被用作最初的原动力。然而，其他结构可以使用其他的最初原动力，如(但不限于)内燃机、柴油发动机、燃烧轮机等。

[0018]电动机15包括转子25和形成定子内孔35的定子30。转子25被支承在轴40上以用于旋转并且大致被定位在定子内孔35的内部。所图示的转子25包括永久磁铁45，所述永久磁铁与由定子30产生的磁场相互作用以产生转子25和轴40的旋转。可以改变定子30的磁场来改变轴40的旋转速度。当然，如果期望的话，其他结构可以使用其他种类的电动机(例如，同步的、感应的、电刷式直流电动机等)。

[0019]电机15被定位在外壳50的内部，所述外壳设置有用于电机15的两个支持器和保护装置。轴承55定位在外壳50的各端部上并直接或间接地由外壳50支承。轴承55依次支撑轴40用于旋转。在图示的结构中，有源的磁轴承55与其他合适的轴承(例如，滚子轴承、球轴承、顶针轴承等)一起使用。在图1所述的结构中，在磁轴承55中的一个或两个都发生故障的场合中使用第二轴承60来支承所述轴。

[0020]在某些结构中，外罩65围绕一部分外壳50并在它们之间形成冷却路径70。液体(例如，乙二醇、制冷剂等)或气体(例如，空气、二氧化碳等)冷却剂流过冷却路径70以在工作期间冷却电机15。

[0021]电气柜75可以定位在外壳50的一端上以包围如电动机控制器、断路器、开关等不同的器件。电机轴40延伸过外壳50的相对的两端以容许该轴连接到压缩机20上。

[0022]压缩机20包括入口外壳80或入口环、叶轮85、扩散器90和涡旋形小室95。涡旋形小室95包括第一部分100和第二部分105。第一部分100安装在外壳50上以将压缩机20的静止部分联接到电机15的静止部分上。第二部分105安装在第一部分100上以形成进口通道110和收集通道115。第二部分105还形成排放部分120，所述排放部分包括排放通道125，该排放通道位于收集通道115的流体通道中以将压缩流体从压缩机20中排出来。

[0023]在图示的结构中，涡旋形小室的第一部分100包括设置来用于支撑压缩机20和电机15的支腿130。在其他结构中，使用其他元件将压缩机20和电机15支承在水平位置上。仍然在其他结构中，使用一个或多个支腿或其他装置在垂直方向或其他任何要求的方向上支承电机15和压缩机20。

[0024]扩散器90按放射状地定位在收集通道115的内部以便来自叶轮85的流体在进入涡旋形小室95之前必须通过扩散器90。如图2所示，扩散器90包括空气动力面135(例如，翼片、叶片、飞边等)，所述空气动力面是布置来当流体通过该扩散90时降低流速并增大流体压力的。

[0025]叶轮85与转子轴40联接在一起以便该叶轮85围绕电动机转子25旋转。在图示的结构中，杆140通过螺纹与轴40啮合，并且螺母145通过螺纹啮合杆140以牢固地将叶轮85连接到轴40上。叶轮85延伸过支承电机轴40的轴承55，并如此按悬臂方式支承。其他结构可以使用其他连接方案以将叶轮85连接到轴40上并使用其他支承方案来支承叶轮85。因而，本发明不限于图1所示的结构。此外，当图示的结构包括电机15(也就是说直接连接到叶轮85上)时，其他结构可以使用如变速箱的增速器来允许电机在比叶轮85低的速度下运行。

[0026]叶轮85包括布置来形成导流片部分155和出口导流器部分160的多个空气动力面或翼片150。导流片部分155被定位在叶轮85的第一端部上并可操作来在大致轴线方向上将流体吸入叶轮85中。翼片150推进流体并将流体朝向位于叶轮85的相对端部附近的出口导流器部分160引导。流体在围绕叶轮85连续360度的至少部分径向方向上被从出口导流器部分160中排出。

[0027]入口外壳80(有时称为入口环)连接到涡旋形小室95上并包括通向叶轮85的流体通道165。压缩流体被叶轮85吸到流体通道165中并进入叶轮85的导流片部分155中。流体通道165包括叶轮接触面部分170，所述接触面部分被定位在叶轮85的翼片150附近以减少流体在翼片150顶部上的渗漏。因此，叶轮85和入口外壳80协作以形成多个大致关闭的流体通道175。

[0028]在图示的结构中，入口外壳80还包括便于管子或其他流体传导或保持部件连接的凸缘180。例如，过滤装置可以连接到凸缘180上并在压缩流体被导入叶轮85中之前用来过滤所述流体。管子从过滤装置通向凸缘180以在过滤后大致密封系统，并阻止不希望的流体或污染物进入。

[0029]参照图2，更详细地图示了叶轮85。导流片部分155是大致环形的并沿入口路径185将流体吸入到叶轮85中。流体按大致轴线方向进入并通过形成在邻近的翼片150之间的通道175而流入到出口导流器部分160中。该部分地被压缩的流体的一部分可能围绕叶轮85的最外面的直径渗漏到叶轮85的后面，从而形成了漏流194。在叶轮85后面设置一密封件195以减少漏流194的数量。然而，某些漏流194通常流过密封件195。在图示的结构中，采用了形成为叶轮85一部分的迷宫式密封。当然，可以采用不同于图2所示定位的迷宫式密封或包括不同密封结构的其他结构。由于叶轮85的转速，优选无接触密封。

[0030]轴承支座外壳196连接到电机外壳50上并支承压缩机20附近的轴承55、60。轴承支座外壳196定位在叶轮85附近以便轴承支座外壳196和叶轮85协作形成第一空间197、狭窄的流动通道198和第二空间199。在第二空间199和外界环境之间的流体通道或用于排放废液(即，冷却空气、漏流等)的另一位置处设置出口孔200。在第一空间197和第二空间199之间的流体通道处上设置狭窄的流动通道198。

[0031]图3图示了包括鼓风机201的轴40的一部分，所述鼓风机具有连接到轴40上的流动引导元件205。流动引导元件205(例如，螺旋、翼片、风向标等)围绕轴40的一部分的360度来定位并被布置来响应轴40的旋转以在要求的方向上产生冷却空气210(图7和8所示)的流动。如果需要，流动导流片205可以按预定角度放射状地布置或围绕轴40螺旋状或螺旋方向来布置。在优选结构中，流动引导元件205与轴40集成为一个元件。在所述结构中，单个大致相同材料的零件是通过铸造、锻造、刻蚀、机加工或其他方式来形成的以包括作为轴40的一部分的流动引导元件205。在其他结构中，流动引导元件205可以按在旋转期间阻止沿轴40移动的方式被焊接、紧固、铜焊或固定到轴40上。

[0032]图3图示了形成外径211的流动引导元件205，所述外径在直接邻接处小于或等于轴40的外径212。然而，可以使用在直接邻接处的具有大于轴40的外径212的外径211的流动导流片205的其他结构。

[0033]流动引导元件205几乎可以被定位在沿轴40的长度的任何地方。例如，图1图示了包括定位在非驱动端轴承55、60附近的流动引导元件205的轴40。在该位置中，流动引导元件205从定子30的外面吸气并将所述空气推过电机15。

[0034]图4图示了另一种结构，在该结构中，流动引导元件205定位在定子30的内部。在该位置中，流动引导元件205通过定子30的第一部分将空气吸入到定子30中，然后通过定子30的其余部分推进所述空气。

[0035]图5仍然图示了另一种结构，在该结构中，流动引导元件205定位在驱动端轴承55的附近。在该位置中，流动引导元件205通过定子30吸气然后将所述空气从电机15推向压缩机20。

[0036]其他结构可以将流动引导元件205定位在除了此处所图示位置的其他位置处。此外，其他结构可以包括多于一组流动引导元件205。例如，图6图示了包括定位在定子30相对两端上的两组流动引导元件205a、205b。第一组流动引导元件205a如图1所示定位，而第二组流动引导元件205b如图5所示定位。当然，可以按其他方式来布置和定位流动引导元件205a、205b。此外，还可以采用比此处所图示的更长或更短长度的流动引导元件。

[0037]除了流动引导元件205外，某些结构使用定位来在通过流动引导元件205之前或之后的通道中引导冷却空气流动的流动补偿翼片213。例如，图5图示了位于流动引导元件205下游的流动补偿翼片213。换句话说，图6图示了位于流动引导元件205上游的流动补偿翼片。

[0038]在运行中，向电机15供电以产生轴40和压缩机20的旋转。磁轴承系统55支承轴40来用于旋转。如图7所示，轴40和流动引导元件205的旋转产生了冷却空气210的相应流动，也就是说冷却空气被引导到电机15中。冷却空气210通过设置在压缩机20附近的轴承55、60流过转子25和定子30并引入到靠近叶轮85背面的第一腔室197中。如图8所示，然后冷却空气210流过叶轮85和轴承支座外壳196之间的狭窄开口198，并且然后通过出口孔200流出外壳196。

[0039]轴40的旋转还产生了叶轮85的旋转，叶轮的旋转引起了压缩流体的流动。漏流194通过叶轮85的最外面的直径处并通过密封件195。设置密封件195来形成漏流194的压降以便在密封件195的出口处漏流194的压力稍微超过大气压力或出口孔200通向的排污区的压力。定位并布置流动引导元件205以在一压力下产生冷却空气210的流动，在冷却空气通过狭窄的开口198后所述压力稍微大于漏流194的压力。因此，冷却空气210不仅冷却电机15，而且在该狭窄开口198上形成了阻止热漏流194通过的密封。更确切些，冷却空气流210和漏流194两者都通过出口孔200。

[0040]当不需要辅助电机来驱动鼓风机201时，利用将鼓风机201集成为轴40的一部分降低了系统的复杂性。此外，不需要用于所述辅助元件的控制系统。此外，此处所图示的系统产生了直接与轴40的速度有关并从而与电机15的电力消耗有关的空气210流。

[0041]例如，当降低转子转速并从而降低电机15的能量需要和温度时，由流动引导元件205提供的空气的数量和压力也降低了。因此，在低功率运行期间，当电机15在较低温度下自动运行时，由流动引导元件205提供更少的冷却空气210。此外，在高功率运行期间，当电机15在高温下运行时，由流动引导元件205提供更多的冷却空气210。因此，不需要根据电机温度设置单独鼓风速度的专用控制器，因为系统将自动补偿温度和冷却所需要的变化。

[0042]因此，本发明提供了(尤其)一种包括电机15和轴40的压缩机系统10，所述轴具有整体布置以改善电机15性能的鼓风系统。在权利要求中阐明了本发明的不同特征和优点。

Claims (22)

1.一种流体压缩系统，包括：

压缩机；

电动机，其包括定子和靠近所述定子定位的转子；

轴，其连接到所述转子上以支承所述转子用于旋转，并具有驱动端和非驱动端；和

多个流动引导元件，其被集成为所述轴的一部分并适用于响应所述轴的转动而从非驱动端将流体流导向驱动端。

2.如权利要求1所述的流体压缩系统，其中所述流动引导元件按同质的整体元件被机加工到所述轴中。

3.如权利要求1所述的流体压缩系统，其中所述流动引导元件包括被机加工到所述轴中的螺旋状通道。

4.如权利要求1所述的流体压缩系统，其中所述流动引导元件包括围绕所述轴定位的翼片。

5.如权利要求1所述的流体压缩系统，还包括定位在所述流动引导元件上游的流动补偿叶片。

6.如权利要求1所述的流体压缩系统，还包括定位在所述流动引导元件下游的的流动补偿叶片。

7.如权利要求1所述流体压缩系统，其中所述压缩机可操作来产生压缩气体流，压缩气体流的一部分作为漏流渗漏向所述电机，由流动引导元件引导的流体流可操作来阻止所述漏流进入所述电机中。

8.如权利要求1所述的流体压缩系统，其中所述压缩机包括位于压缩气体流和流动引导元件之间的迷宫式密封。

9.一种流体压缩系统，包括：

形成高压侧和低压侧的离心压缩机，所述压缩机可操作来产生从高压侧流出所述压缩机的高压流体；

电机，其包括连接到所述离心压缩机上的轴并包括非驱动端和驱动端，所述驱动端靠近所述压缩机来定位；

外壳，其包含所述离心压缩机和电机的至少一部分，所述外壳形成了便于一部分高压流体流过的出口；和

鼓风机，其联接到所述轴上，并且可操作来引导冷却流体从非驱动端流向驱动端，以便冷却流体通过所述出口排出所述外壳。

10.如权利要求9所述的流体压缩系统，其中所述冷却流体流阻止所述高压流体的一部分流入所述电机中。

11.如权利要求9所述的流体压缩系统，其中所述鼓风机与所述轴集成为一整体零件。

12.如权利要求9所述的流体压缩系统，其中所述鼓风机被机加工成所述轴的一部分。

13.如权利要求9所述的流体压缩系统，其中所述鼓风机包括围绕所述轴定位的多个翼片。

14.如权利要求9所述的流体压缩系统，还包括定位在所述鼓风机上游的流动补偿叶片。

15.如权利要求9所述的流体压缩系统，还包括定位在所述鼓风机下游的的流动补偿叶片。

16.如权利要求9所述的流体压缩系统，其中所述高压流体的一部分作为漏流漏向所述电机，所述冷却流体流可操作来阻止所述漏流进入所述电机中。

17.如权利要求9所述的流体压缩系统，其中所述压缩机包括位于高压流体和流动引导元件之间的迷宫式密封。

18.一种流体压缩系统，包括：

外壳，其至少局部地形成出口孔、密封部分和冷却通道；

离心压缩机，其至少部分由所述外壳支承并且适合于产生高压流体流，所述高压流体流的一部分通过所述密封部分并通过所述出口孔排出所述外壳；

电机，其包括由轴支承的转子，所述电机连接到所述离心压缩机上并可操作来驱动所述压缩机；

鼓风机，其与所述轴集成为一个零件并且可操作来响应所述轴的旋转以在所述冷却通道内部产生冷却空气流，所述冷却空气流阻止所述高压流体进入所述电机中。

19.如权利要求18所述的流体压缩系统，其中所述冷却流体流通过所述出口孔排出所述外壳。

20.如权利要求18所述的流体压缩系统，其中所述轴以大于或等于大约每分钟20000转的速度旋转。

21.如权利要求18所述的流体压缩系统，其中所述轴由有源磁轴承支承。

22.如权利要求18所述的流体压缩系统，其中所述压缩机包括位于高压流体和流动引导元件之间的迷宫式密封。

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