CN101614452A - 主辅双轴承支承式高速感应电动机驱动的空气制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主辅双轴承支承式高速感应电动机驱动的空气制冷机，属制冷空调领域。总成由压气机、涡轮机分置于高速电机两端，三者同轴组成。高速电机采取以滑动轴承为主支承，滚动轴承为辅助支承的双轴承支承式结构，冷却系统采用外循环水式冷却装置对电机进行强制换热，转子铁心绕组采用冷铆方式联接。工作原理是：高速电机旋转时，压气机输出具有一定能量的压缩空气通过中冷器到涡轮机绝热等熵膨胀而获得制冷量，并对外输出机械功，与高速电机共同驱动压气机旋转，周而复始。涡轮机采用三边切线进气，提高了制冷效率。该发明具有体积小、重量轻、性价比高等特点，适用于汽车空调等。

Description

主辅双轴承支承式高速感应电动机驱动的空气制冷机

技术领域

本发明涉及高速感应电动机和高速感应电动机驱动的空气制冷机、空气压缩机等，电机转速以不小于每分钟数万转的高速旋转。工作原理是：高速电机旋转时，压气机输出具有一定能量的压缩空气通过中冷器到涡轮机绝热等熵膨胀而获得制冷量，并对外输出机械功，与高速电机共同驱动压气机旋转，周而复始。

本发明具有性价比高，体0积小、重量轻等特点，适用于采用空气循环制冷的汽车空调等。

背景技术

目前，国内外汽车空调全都采用蒸气压缩制冷技术，这种制冷方式是以完全消耗发动机动力为代价，同时还要满足工质环保性要求。根据《蒙特利尔协议》，2000年已开始禁止使用R12，目前，一致公认R134a是汽车空调R12的首选替代物，我国正在开发这种R134a汽车空调，但本质上还是蒸气压缩式制冷机空调系统。

随着世界能源资源的匮乏和全球性气候变暖，以及我国政府对能源和环保的高度重视，汽车空调未来的发展方向从节能和环境保护考虑，需大力采用新的节能和环保技术以及自动控制技术(诸如模糊控制技术等)等，以减少温室效应，节能减排，保护环境。

因此，开发一种节能、环保，且性价比高、可靠性好的新型汽车空调系统由此提出。

对于这种空气循环制冷的新型汽车空调系统，一是需要有大功率(20kW以上)、高转速(60000r/min以上)的高速电动机；二是需要对发动机的废能驱动系统优化设计，合理利用。

然而，大功率、高转速的高速电动机设计有两大主要技术问题要解决：一是轴承设计；二是电机高速旋转时防止转子产生变形而破坏。目前，对这种大功率的高速电机轴承设计在飞机的环控系统上一般都考虑采用电磁轴承或空气轴承，但对应用于大客车这种工况的交通工具而言几乎是没有意义的。而陶瓷球滚动轴承又无法满足电动机大功率、高转速的运行条件，且抗震性较差、润滑条件苛刻等。本发明的高速电机主辅双轴承支承式结构，采取动静压滑动轴承为主支承，陶瓷球滚动轴承作为接触保护的辅助轴承配之使用，应用效果显著。

对于电机的转子结构，目前，国内外鼠笼式高速感应电动机的转子分别采用铸铝笼型和铜笼型两种。大容量(20kW以上)、高转速(60000r/min以上)的电机转子铁心冲片一般都采用闭口槽。由于大容量、高转速的电机转子采用铸铝笼型在电机的电磁设计上有一定的难度，以及铝笼浇铸的质量控制和材质不易保证等原因，电机的电气性能参数得不到保证和运行可靠性受到影响。

世界著名的瑞士IBAG公司的高速三相异步电动机的转子有分别采用铜笼型和铸铝笼型的，但目前已普遍采用铜笼型转子。据了解，国外的铜笼型转子制造工艺一般采用真空融化焊接铜粉形成铜条，类似于粉末冶金高温烧结工艺，这样可以保证铜条和铁心槽道的贴合度，但工艺复杂、成本太高且技术不太成熟。

另一方面，铜笼型转子的端环和导条之间的联接一般都采用焊接工艺，但由此而导致的是焊接后的端环和导条端部材料变软，无法抵抗材料超高速旋转产生的离心力作用。

本发明的高速感应电动机的转子铁心绕组采用冷铆方式联接，在保证电动机磁学特性的前提下，克服了转子高速旋转时导条对铁心轮缘和端环轮缘的离心力破坏作用，保证了电机可靠运行。

本发明的目的，是提供一种主辅双轴承支承式高速感应电动机驱动的空气制冷机，用于汽车空调等。

发明内容

发明采取的技术方案是主辅双轴承支承式高速感应电动机驱动的空气制冷机。工作原理是：高速电机旋转时，压气机输出具有一定能量的压缩空气通过中冷器到涡轮机绝热等熵膨胀而获得制冷量，并对外输出机械功，与高速电机共同驱动压气机旋转，周而复始。

本发明的有益效果是高速电机的转子圆周线速度可以达到220m/s而稳定、可靠运行。

附图说明

图1是本发明的主辅双轴承支承式高速感应电动机驱动的空气制冷机主视图

图2是图1中的滑动轴承视图

图3是图1中的滑动轴承座冷却水道布置视图

图4是图1中的转子结构主视图

图5是图4中的转子铁心绕组主视图

图6是转子铁心绕组的冷旋压工艺示意图

图7是图1中的三边切线进气涡轮机示意图

具体实施方式

下面结合附图描述本发明的具体实施例。图1中的压气机(1)、涡轮机(13)分置于高速电机(11)两端，三者同轴组成。高速电机(11)采取以滑动轴承(17)为主支承，接触保护滚动轴承(15)为辅助支承的双轴承支承式结构；冷却系统由外循环水式冷却装置对定子(9)和两端轴承进行强制换热，并从涡轮机(13)出口引出一部份冷气通入高速电机(11)内部和两端轴承冷却；高速电机(11)的转子铁心绕组(10)采用冷铆方式联接；涡轮机(13)采用三边切线进气，提高了制冷效率。

图1中高速电机(11)的主轴承采用具有静压旋驱作用的滑动轴承(17)，内径与转子(18)的轴承间隙为0.08-0.14mm，长度为内径的0.8-1.1倍。

图2中滑动轴承(17)的长度方向上开有两排孔，外侧的径向喷孔在圆周上均布4-8个，孔径1-3mm，孔长为孔径的0.3-0.8倍，孔的出口内腔上设置长度4-8mm、宽度8-12mm的小油腔，深度为0.1-0.15mm，两排孔间距a与滑动轴承(17)的长度L之比在1/4-1/2之间，轴向均分；内侧的切向喷孔在轴承内径的圆周切线方向上均布4-8个，距轴承孔中心的距离b为轴承孔半径的0.85-0.9倍，孔径1-3mm；滑动轴承(17)的推力轴承面上还开有三个圆周均布的直径为0.8-1.0mm的小孔，其上还均布六条宽4-8mm、深0.2-0.6mm的沿转子(18)旋转方向收敛的单向斜面排油槽。

当润滑系统工作时，转子(18)被润滑油浮起，在压力油的作用下，通过设置在滑动轴承(17)上的切向喷孔，压力油驱使转子(18)自行旋转，此时，由布置在压气机(1)端的传感器(21)采集信号，判断制冷机是否可以开始工作，同时也减小起动电流。

图1中，止推轴承(16)分置于高速电机(11)两端的滑动轴承(17)外侧，形成“H”型的止推轴承(16)布置方式。两侧的止推轴承(16)旁，安置有作为辅助支承的左、右接触保护滚动轴承(15)。其润滑通过滑动轴承座(5)上的分流针管(4)引入高压滑油喷射到止推轴承(16)的背侧上，依靠高速旋转的止推轴承(16)在滚动轴承座(3)端沿的“半遮式”容腔内将滑油形成雾状进行。

图1中左、右接触保护滚动轴承(15)和碟形弹簧(19)构成对转子(18)的轴向限位和热伸长调节。

图1中，转子(18)两端的螺旋密封套(14，20)和转子铁芯绕组(10)两侧的动平衡-螺旋密封套(23)上设置有矩形螺纹密封槽，与左水套盖(12)、右水套盖(2)和左、右内密封盖(6)分别组成对两端轴承的密封。从涡轮机(13)出口引出的深冷气体通过左右内密封盖(6)和左右水套盖(12、2)的引气道进入主辅轴承两侧的螺旋密封通道，与高速旋转的螺旋密封套形成对轴承和螺旋密封套的冷却和油封。

图1中定子外壳(7)与本体(8)组成定子水套；左、右滚动轴承座(3)分别与左水套盖(12)和右水套盖(2)组成左、右水套；图3中的滑动轴承座(5)上设置有独立的水套。高速电机(11)的冷却由外循环水式冷却装置通过定子水套、左右水套和滑动轴承座(5)水套对定子(9)和两端轴承进行强制换热，并从涡轮机(13)出口引出一部份冷气通入高速电机(11)内部冷却。

图4中高速电机(11)的转子(18)结构包括：转子铁心绕组(10)、双面绝缘金属片(24)、动平衡-螺旋密封套(23)和转轴(22)。转子铁心绕组(10)与两侧的动平衡-螺旋密封套(23)采用热套方式固定于转轴(22)的中部；端环(25)与动平衡-螺旋密封套(23)之间隔有双面绝缘金属片(24)，并在端环(25)的外凸台上喷涂有一层绝缘漆膜(26)；动平衡-螺旋密封套(23)将端环(25)外凸台径向固定。

图5中的端环(25)外凸台上喷涂的一层绝缘漆膜(26)，与双面绝缘金属片(24)共同构成以防止高速电机(11)运转时端环(25)电流通过动平衡-螺旋密封套(23)与转轴(22)短接而引起转轴(22)的附加发热。

图5中转子铁心绕组(10)包括：

采用一定厚度的圆形闭口槽转子铁心冲片(29)，将数块冲片按一定的规格长度叠压成圆筒形，由插入转子铁心槽道中的导条(27)与端环(25)冷铆连接，整体构成转子铁心绕组(10)；

导条(27)最好采用抗拉强度较高的冷变形硬化紫铜条，端环(25)最好采用高强度、高导电性的耐热铬锆铜合金，在保证电动机磁学特性的前提下，防止转子(18)高速旋转时导条(27)对转子铁心轮缘和端环(25)轮缘的离心力破坏作用，保证电机运行可靠；

导条(27)与转子铁心槽壁之间的间隙，采用图6中的冷旋压工艺使之相互贴紧，增加贴合度；

转子铁心绕组(10)的外圆周上相邻两导条之间沿轴向采用激光焊接形成焊带(28)，增强转子(18)的机械强度。

图7中的涡轮机(13)采用三边切线进气蜗壳(30)，沿涡轮(32)的切线方向通过喷嘴(31)直接冲击涡轮(32)高速旋转。右端的压气机(1)上布置有转速传感器(21)，可适时监测高速电机(11)的运行情况。

Claims (10)

1、一种主辅双轴承支承式高速感应电动机驱动的空气制冷机，由压气机(1)、涡轮机(13)分置于高速电机(11)两端，三者同轴组成。高速电机(11)采取以滑动轴承(17)为主支承，接触保护滚动轴承(15)为辅助支承的双轴承支承式结构；冷却系统由外循环水式冷却装置对定子(9)和两端轴承进行强制换热，并从涡轮机(13)出口引出一部份冷气通入高速电机(11)内部和两端轴承冷却；高速电机(11)的转子铁心绕组(10)采用冷铆方式联接；涡轮机(13)采用三边切线进气。

2、根据权利要求1所述的主辅双轴承支承式高速感应电动机驱动的空气制冷机，其特征是高速电机(11)的主轴承采用具有静压旋驱作用的滑动轴承(17)，内径与转子(18)的轴承间隙为0.08-0.14mm，长度为内径的0.8-1.1倍。

滑动轴承(17)的长度方向上开有两排孔，外侧的径向喷孔在圆周上均布4-8个，孔径1-3mm，孔长为孔径的0.3-0.8倍，孔的出口内腔上设置长度4-8mm、宽度8-12mm的小油腔，深度为0.1-0.15mm，两排孔间距a与滑动轴承(17)的长度L之比在1/4-1/2之间，轴向均分；内侧的切向喷孔在轴承内径的圆周切线方向上均布4-8个，距轴承孔中心的距离b为轴承孔半径的0.85-0.9倍，孔径1-3mm；滑动轴承(17)的推力轴承面上还开有三个圆周均布的直径为0.8-1.0mm的小孔，其上还均布六条宽4-8mm、深0.2-0.6mm的沿转子(18)旋转方向收敛的单向斜面排油槽。

3、根据权利要求1所述的主辅双轴承支承式高速感应电动机驱动的空气制冷机，其特征是止推轴承(16)分置于高速电机(11)两端的滑动轴承(17)外侧，形成“H”型的止推轴承(16)布置方式。

4、根据权利要求1所述的主辅双轴承支承式高速感应电动机驱动的空气制冷机，其特征是两侧的止推轴承(16)旁，安置有作为辅助支承的左、右接触保护滚动轴承(15)。其润滑通过滑动轴承座(5)上的分流针管(4)引入高压滑油喷射到止推轴承(16)的背侧上，依靠高速旋转的止推轴承(16)在滚动轴承座(3)端沿的“半遮式”容腔内将滑油形成雾状进行。

5、根据权利要求1所述的主辅双轴承支承式高速感应电动机驱动的空气制冷机，其特征是左、右接触保护滚动轴承(15)和碟形弹簧(19)构成对转子(18)的轴向限位和热伸长调节。

6、根据权利要求1所述的主辅双轴承支承式高速感应电动机驱动的空气制冷机，其特征是转子(18)两端的螺旋密封套(14，20)和转子铁芯绕组(10)两侧的动平衡-螺旋密封套(23)上设置有矩形螺纹密封槽，与左水套盖(12)、右水套盖(2)和左、右内密封盖(6)分别组成对两端轴承的密封。从涡轮机(13)出口引出的深冷气体通过左右内密封盖(6)和左右水套盖(12、2)的引气道进入主辅轴承两侧的螺旋密封通道，与高速旋转的螺旋密封套形成对轴承和螺旋密封套的冷却和油封。

7、根据权利要求1所述的主辅双轴承支承式高速感应电动机驱动的空气制冷机，其特征是定子外壳(7)与本体(8)组成定子水套；左、右滚动轴承座(3)分别与左水套盖(12)和右水套盖(2)组成左、右水套；滑动轴承座(5)上设置有独立的水套。高速电机(11)的冷却由外循环水式冷却装置通过定子水套、左右水套和滑动轴承座(5)水套对定子(9)和两端轴承进行强制换热，并从涡轮机(13)出口引出一部份冷气通入高速电机(11)内部冷却。

8、根据权利要求1所述的主辅双轴承支承式高速感应电动机驱动的空气制冷机，其特征是高速电机(11)的转子(18)结构包括：转子铁心绕组(10)、双面绝缘金属片(24)、动平衡-螺旋密封套(23)和转轴(22)。转子铁心绕组(10)与两侧的动平衡-螺旋密封套(23)采用热套方式固定于转轴(22)的中部；端环(25)与动平衡-螺旋密封套(23)之间隔有双面绝缘金属片(24)，并在端环(25)的外凸台上喷涂有一层绝缘漆膜(26)；动平衡-螺旋密封套(23)将端环(25)外凸台径向固定。

9、根据权利要求8所述的转子铁心绕组(10)，其特征是：

采用一定厚度的圆形闭口槽转子铁心冲片(29)，将数块冲片按一定的规格长度叠压成圆筒形，由插入转子铁心槽道中的导条(27)与端环(25)冷铆连接，整体构成转子铁心绕组(10)；

导条(27)采用紫铜条，端环(25)采用高强度、高导电性的有色金属合金；

导条(27)与转子铁心槽壁之间的间隙，采用冷旋压工艺使之相互贴紧；

转子铁心绕组(10)的外圆周上相邻两导条之间沿轴向采用激光焊接形成焊带(28)。

10、根据权利要求1所述的主辅双轴承支承式高速感应电动机驱动的空气制冷机，其特征是涡轮机(13)采用三边切线进气蜗壳(30)，沿涡轮(32)的切线方向通过喷嘴(31)直接冲击涡轮(32)高速旋转。右端的压气机(1)上布置有转速传感器(21)，可适时监测高速电机(11)的运行情况。

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