CN101761465B - 具有双外置支撑轴承的压缩机 - Google Patents

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Abstract

一种压缩机，包括：电机，该电机具有安装到曲柄轴的自由端的转子和在电机外壳中的定子；以及在与电机外壳邻接的曲柄轴外壳上支撑曲柄轴的轴承组件。所述轴承组件包括：轴承外壳，安装到曲柄轴外壳上且包括孔；以及一对间隔开的轴承，安装在所述轴承外壳的孔中，并容纳所述曲柄轴。轴承之间的间隔被选择成使得曲柄轴的自由端与定子的运动同步地变形，并且在电机的工作范围上保持转子和定子之间的间隙。

Description

具有双外置支撑轴承的压缩机
技术领域
本发明一般而言涉及压缩机，更具体地，涉及在曲柄轴的端部支撑电机的转子使得电机没有自己的轴承的压缩机。 
背景技术
在货运列车中，尤其是在往往采用美国铁道协会(AAR)规定的美国和其它国家的货运列车中，直接驱动的空气压缩机(指电机的转子被直接压在空气压缩机的曲柄轴上)是非常普遍的。该结构将转子的质量集中在曲柄轴的自由端。这导致相对低的本征频率，并且与曲柄轴的弹性形变一起导致陀螺效应，进而导致本征频率进一步降低。热效应使该问题更严重。 
内燃机车中的空气压缩机在较宽的转速范围(400至1200rpm)内驱动。不同的速度通过变极电机来实现。具有这些无轴承的转子的所有已知设计具有在定子上摩擦的转子的问题，尤其是在高环境温度下摩擦。由于该摩擦的原因，出现转子额外发热。 
已提出各种策略来避免电机摩擦。例如参见US 6,659,739 B2、US 6,447,267B1、US 6,376,950 B1’、US 6,364,635 B1、US 6,609,899 B1和US 6,599,103 B2。所有这些方法都将电机摩擦问题单独与电机关联。曲柄轴自由端处或者转子内的附加轴承将曲柄轴的形变减到最小。所有这些方法都要求对电机进行修改。由于有大量的电机在使用，鉴于这些解决方案要求对电机进行重大修改，所以所有这些解决方案中便没有一个是成功的。 
发明内容
本发明的目的在于一种尤其针对铁路应用的无油活塞压缩机，其中，使得由于压缩机的工作过程而产生的曲柄轴的形变最小化，并且，其中调整曲柄轴 和外壳，使得转子和定子之间的气隙保持恒定。这样可以避免电机摩擦、转子和定子之间的接触。此外，直接驱动的空气压缩机的结构不需要对电单元进行任何修改。 
该压缩机具有：与曲柄轴外壳中的曲柄轴连接的活塞；电机，该电机具有安装到曲柄轴的自由端的转子和在电机外壳中的定子；以及在与电机外壳邻接的曲柄轴外壳上支撑所述曲柄轴的轴承组件。所述轴承组件包括：轴承外壳，安装到曲柄轴外壳上且包括孔；以及一对间隔开的轴承，安装在所述轴承外壳的孔中，并容纳所述曲柄轴。轴承之间的间隔被选择成使得所述曲柄轴的自由端与定子的运动同步地变形，并且在电机的工作范围上保持转子和定子之间的间隙。 
所述轴承组件沿着所述曲柄轴与转子间隔开。所述轴承中的一个轴承可以在曲柄轴外壳中，而所述轴承中的另一个轴承在电机外壳中。所述轴承中的至少一个轴承在电机外壳中。所述轴承之间的间隔不大于大约70毫米。 
电机外壳可以被直接安装到所述轴承组件或所述曲柄轴外壳上。所述轴承外壳可以具有径向凸缘，所述径向凸缘具有孔隙，紧固件通过所述孔隙将轴承外壳安装到曲柄轴外壳上。所述轴承外壳可以具有在所述孔中并以所述凸缘的第一面形成的肩部和从所述凸缘的第二面延伸的肋材。 
所述轴承中最接近活塞的一个轴承是定位轴承，而所述轴承中最接近电机的另一个轴承是非定位轴承。所述轴承中最接近电机的一个轴承在轴向上是非定位轴承。 
该轴承组件用于在压缩机的、与电机外壳邻接的曲柄轴外壳上支撑曲柄轴。所述轴承组件包括：轴承外壳，安装到曲柄轴外壳上且包括孔；以及一对间隔开的轴承，安装在所述轴承外壳的孔中，并用于容纳所述曲柄轴。轴承之间的间隔被选择成使得所述曲柄轴的自由端与电机的定子的运动同步地变形，并且在电机的工作范围上保持转子和定子之间的间隙，其中，电机的转子安装在曲柄轴的自由端上。 
当结合附图考虑时，根据以下对本发明的详细描述，容易理解本发明的这 些和其它方面。 
附图说明
图1是根据本发明的集成有双轴承的压缩机的截面图； 
图2是图1的双外置轴承的放大截面图； 
图3是现有技术的单轴承的放大截面图； 
图4是对于具有单轴承和双轴承的压缩机上的六极电机而言，与曲柄轴顶端的转速有关的径向位移的曲线图，例如为针对2轴承和3轴承、6极、400-1200rpm的径向顶端位移； 
图5是对于具有单轴承和双轴承的压缩机上的十二极电机而言，与曲柄轴顶端的转速有关的径向位移的曲线图，例如为针对2轴承和3轴承，12极、400-1200rpm的径向顶端位移。 
具体实施方式
本轴承组件和压缩机是基于对曲柄轴的形变和压缩机外壳的形变以及由电机的电特性引起的在曲柄轴转动一周期间的速度变化的理论研究。本发明不像在上述专利中那样，主要通过减小曲柄轴的形变来解决电机摩擦的问题。在这里，曲柄轴、转子和定子的形变是同步的，使得转子和定子之间的气隙保持恒定。这是通过使用以下一者或多者来实现的：配对轴承、更硬的端罩或轴承外壳以及定子直接固定在端罩上。两个轴承之间的距离较小的配对轴承足以使曲柄轴的自由端的运动同步，进而使定子和转子的运动同步。 
图1示出了根据本发明的压缩机10。压缩机10包括曲柄轴外壳12，通过曲柄轴外壳12的两个相对端处的轴承组件16和18，曲柄轴14被支撑在曲柄轴外壳12上。三个活塞20、22和23由曲柄轴14连接并驱动。虽然示出了三个活塞，但是还可以使用两个活塞的压缩机。活塞的数量仅仅是用于说明的目的。 
电机30包括通过紧固件34连接到曲柄轴外壳12的电机外壳32。定子36直接安装到电机外壳32上。转子38安装在曲柄轴14的自由端40上，并通过螺帽42保持在曲柄轴14的自由端40上。如先前所讨论的那样，压缩机的轴承组件18还形成电机的轴承组件，该电机不具有其自身的、用于转子38相对于定子36转动的独立轴承。
图2示出了轴承组件18的双外置支撑轴承的细节。图3示出了现有技术的单支撑轴承18。具有相同功能和用途的那些部分或者部件包括相同的标号。还应当指出，电机30是标准电机，且未对其进行修改以集成双轴承18。因此，不对电机的更多细节予以描述。图2所示的双外置支撑轴承18包括具有凸缘52的外壳50。在凸缘52中设有孔隙54，并且孔隙54容纳将轴承组件18安装到曲柄轴外壳12上的紧固件56。肩部58以凸缘52的第一面形成，并被容纳在曲柄轴外壳12的孔60中。凸缘52的另一面包括有助于使外壳结构50变硬的多个肋材62。 
电机外壳32可被直接安装到轴承组件外壳50上，或者可被直接安装到曲柄轴外壳12上。 
外壳50中的孔64包括容纳轴承70和74的一对凹部66和68。轴承70由卡环72保持在凹部66中。轴承74宽松地装配在凹部68中。具有轴衬76的轴承74的内环被压配在曲柄轴14上。轴承70与曲柄轴部分14A接合，并被视为定位轴承。这与为非定位轴承的轴承74不同。非定位轴承74通过锥形衬垫78而朝电机外壳32倾斜，且使得曲柄轴部分14B相对于电机外壳32轴向移位。这样受限的运动使得其上具有转子38的曲柄轴14的端部40的运动相对于电机外壳32和电机外壳32上的定子36同步。 
轴承70和轴承74之间的间隔被选择成使得定子和转子的运动同步，并且在电机的工作范围上保持转子和定子之间的间隙。对于所研究的特定电机，轴承之间的间隔不大于约70毫米。并且，所述轴承之间间隔的预定距离使得所述曲柄轴的自由端与定子的运动同步地变形。 
在所示出的实施例中，所述轴承之一、即轴承70，在曲柄轴外壳12内，而另一轴承74在电机外壳32内。所述轴承的位置相对于凸缘52在一定程度上是对称的。可替选地，如果空间允许，轴承70和74两者都可以在电机外壳32中， 或者轴承70和74两者都可以在曲柄轴外壳12中。这取决于具有区域14A和14B的曲柄轴14以及电机30的外壳空间的详细情况。 
还应当指出，轴承外壳50和轴承74不侵占转子38。它们沿着曲柄轴14间隔开。这允许使用标准电机而不需要任何特殊改装。 
使用多体仿真工具SIMPACK可进行数值仿真。将曲柄轴14以及曲柄轴外壳12建模为弹性体。使用P、Q模型对包括电机的各种模式下的驱动转矩在内的动态行为进行仿真。对六极结构和十二极结构进行了研究。图4示出了对于六极模型的结果，图5示出了对于十二极模型的结果。两种轴承结构是图3所示现有技术的标准双轴承结构和图2中的三轴承结构，这包括第一轴承16在内。 
观察以毫米为单位的顶端位移与以每分钟转数为单位的曲柄轴的转速相比较的两个曲线图，表明在标度的大部分上现有技术的双轴承结构工作于0.2毫米以上，甚至在某些点处超过了0.3毫米。应当指出，对于所研究的结构，0.3毫米是定子和转子之间的通常间隔。白色或者灰色的部分是属于三轴承结构的间隔，表明非常小，如果有峰值的话为0.1毫米以上。因此，定子和转子之间的间隙得以保持以在400-1200转每分钟的电机预期工作范围上防止摩擦。还应当指出，在-40摄氏度到70摄氏度范围内的压缩机预期温度工作范围内会产生相同或者类似的结果。如所预期的，区域14B中对曲柄轴的限制将作用在轴承上的负载的应力从23Kn增大到30Kn。 
虽然对本发明进行了详细说明和描述，但是应当清楚地理解，这仅仅是说明和示例，而不应当作为限制。本发明的范围仅由所附的各项权利要求来限定。 

Claims (18)

1.一种压缩机，具有：连接到曲柄轴外壳中的曲柄轴的活塞；电机，该电机具有安装到该曲柄轴的自由端的转子和在电机外壳中的定子；以及在与电机外壳邻接的曲柄轴外壳上支撑所述曲柄轴的轴承组件，其中，所述轴承组件包括：
轴承外壳，安装到曲柄轴外壳上且包括孔；
一对轴承，安装在所述轴承外壳的孔中，并容纳所述曲柄轴；
其中，所述轴承沿着所述曲柄轴与转子间隔开，所述轴承之间间隔的预定距离使得所述曲柄轴的自由端与定子的运动同步地变形，并且在电机的工作范围上保持转子和定子之间的间隙。
2.根据权利要求1所述的压缩机，其中，所述轴承中的一个轴承在曲柄轴外壳中，而所述轴承中的另一个轴承在电机外壳中。
3.根据权利要求1所述的压缩机，其中，所述轴承中的至少一个轴承在电机外壳中。
4.根据权利要求1所述的压缩机，其中，所述轴承之间的所述预定距离不大于70毫米。
5.根据权利要求1所述的压缩机，其中，定子被直接安装到电机外壳上，并且电机外壳被直接安装到所述轴承组件上。
6.根据权利要求1所述的压缩机，其中，定子被直接安装到电机外壳上，并且电机外壳被直接安装到曲柄轴外壳上。
7.根据权利要求1所述的压缩机，其中，轴承外壳具有径向凸缘，所述径向凸缘具有孔隙，紧固件通过所述孔隙将轴承外壳安装到曲柄轴外壳上。
8.根据权利要求7所述的压缩机，其中，轴承外壳包括：以所述凸缘的第一面形成的肩部和从所述凸缘的第二面延伸的肋材，所述肩部容纳在所述曲柄轴外壳的孔中。
9.根据权利要求1所述的压缩机，其中，所述轴承中最接近活塞的一个轴承是定位轴承，而所述轴承中最接近电机的另一个轴承是非定位轴承。
10.根据权利要求1所述的压缩机，其中，所述轴承中最接近电机的一个轴承在轴向上是非定位轴承。
11.根据权利要求1所述的压缩机，其中，所述工作范围包括400至1200转每分钟的速度。
12.根据权利要求1所述的压缩机，其中，温度工作范围包括-40至70摄氏度。
13.一种轴承组件，用于在压缩机的、与电机外壳邻接的曲柄轴外壳上支撑曲柄轴，其中，所述轴承组件包括：
轴承外壳，安装到曲柄轴外壳上且包括孔；
一对轴承，安装在所述轴承外壳的孔中，并容纳所述曲柄轴；
其中，所述轴承沿着所述曲柄轴与转子间隔开，所述轴承之间的间隔的预定距离使得所述曲柄轴的自由端与电机的定子的运动同步地变形，并且在电机的工作范围上保持转子和定子之间的间隙，其中，电机的转子安装在曲柄轴的自由端上。
14.根据权利要求13所述的轴承组件，其中，所述轴承之间的所述预定距离不大于70毫米。
15.根据权利要求13所述的轴承组件，其中，轴承外壳具有径向凸缘，所述径向凸缘具有孔隙，紧固件通过所述孔隙将轴承外壳安装到曲柄轴外壳上。
16.根据权利要求15所述的轴承组件，其中，轴承外壳包括：以所述凸缘的第一面形成的肩部和从所述凸缘的第二面延伸的肋材，所述肩部容纳在所述曲柄轴外壳的孔中。
17.根据权利要求13所述的轴承组件，其中，所述轴承中的一个轴承是定位轴承，而所述轴承中的另一个轴承是非定位轴承。
18.根据权利要求13所述的轴承组件，其中，所述轴承中位置最接近电机的一个轴承在轴向上是非定位轴承。
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