CN103208885B - 全工况高效热泵压缩机 - Google Patents

Abstract

全工况高效热泵压缩机，所述热泵压缩机的电机上设置主相绕组、附加绕组及副相绕组，其中，所述主相绕组与副相绕组并联后与公共端连接，所述副相绕组与电容串联；所述附加绕组串联于所述主相绕组上或串联于所述副相绕组上，所述附加绕组的一端引出第一引线；所述主相绕组与附加绕组之间或所述副相绕组与附加绕组之间引出第二引线。本发明通过给压缩机电机增加附加绕组，使电机具有不同的绕组方案，不同的绕组方案主、副相绕组匝比不同，由此具有不同的工作点和对应不同的扭矩，使热泵压缩机在不同工况下可以进行调节切换，从而保持高能效状态。

Description

全工况高效热泵压缩机

技术领域

本发明属于压缩机技术领域，特别涉及一种热泵专用的压缩机，尤其是用于空气能热水器上的热泵压缩机。

背景技术

空气能热水器也称空气能热泵热水器，空气能热水器是通过热泵把空气中的低温热能吸收进来，经过热泵压缩机压缩后转化为高温热能，从而实现将空气中的能量转移至水中，达到加热水的目的。与普通电热水器和燃气热水器相比，空气能热水器具有节能高效的特点，其能耗是同等容量电热水器能耗的1/4，是同等容量燃气热水器能耗的1/3，而且空气能热水器的日常运行成本较低，更绿色环保，也更安全，因此空气能热水器正越来越多地被应用于商业和民用领域。

目前，现有的热泵专用压缩机所使用的电机仅有一套绕组方案，即电机只有一个工作点，其高效率点跨的扭矩区间窄，高能效点不能覆盖全工况，电机的工作能力不能随着工况的改变而改变。因此，当环境温度（或水温）过高或过低时，会使压缩机的负荷突然增大或减小，在这些区间，单套绕组方案的普通热泵压缩机常会出现效率偏低的情况，比如压缩机在低温制热、高温制热、水箱低水温等工况下压缩机能效较低，不利于热水器能效提升，也不能满足高能效、宽工况、高水温型热水器系统需求。但是如果将电机工作点降太低，则压缩机的可靠性也会降低且不能满足高水温需求，在长期工作的情况下容易出现烧机现象。

因此，如何调整并扩宽空气能热水器上使用的热泵压缩机中电机高效率区间所对应的扭矩范围，使热泵压缩机在多种工况下依旧能够保持高能效是目前空气能热水器使用过程中急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有多个高效率扭矩工作点的热泵压缩机，通过给压缩机电机增加附加绕组，使电机具有不同的绕组方案，不同的绕组方案主、副相绕组匝比不同，由此具有不同的工作点和对应不同的扭矩，使热泵压缩机在不同工况下可以进行调节切换，从而保持高能效状态。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

全工况高效热泵压缩机，所述热泵压缩机的电机上设置主相绕组、附加绕组及副相绕组，其中，所述主相绕组与副相绕组并联后与公共端连接，所述副相绕组与电容串联；所述附加绕组串联于所述主相绕组上或串联于所述副相绕组上，所述附加绕组的一端引出第一引线；所述主相绕组与附加绕组之间或所述副相绕组与附加绕组之间引出第二引线。

优选的，所述附加绕组连接于所述主相绕组上，所述第二引线从所述主相绕组与附加绕组之间引出，所述第二引线与主相绕组连接。

优选的，所述第一引线和公共端接通时，所述主相绕组与附加绕组构成运行主相绕组；所述第二引线和公共端接通时，主相绕组构成运行主相绕组。

优选的，所述电容包括由切换开关控制的第一电容和第二电容，所述第一电容和所述第二电容并联后与所述副相绕组相连。

优选的，所述第一引线和公共端接通时，所述副相绕组只与第一电容连接；所述第二引线和公共端接通时，所述副相绕组与并联后的第一电容和第二电容连接。

优选的，所述主、副相绕组匝比为1.0～1.6。

优选的，所述主相绕组、附加绕组及副相绕组为正弦绕组。

优选的，所述附加绕组为扭矩系数较小的绕组。

由以上技术方案可知，本发明让热泵压缩机的电机具有多套绕组方案，通过加入附加绕组使不同的绕组方案具有不同的主、副相绕组匝比，以此来调节电机的扭矩，从而对应不同的工作点。在低负荷（低水温、低温制热）工况下采用额定功率小的电机，在大负荷（高水温、高温制热）工况下切换至额定功率大的电机，使电机具有较强的过负荷能力，通过调整并扩宽热泵压缩机电机高效率区间所对应的扭矩范围，使热泵压缩机在低温制热，高温制热、低水温制热等不同情况下仍能够保持较高能效。经过测试可知，本发明的热泵压缩机在低温制热、高温制热、低水温情况下压缩机能效能够平均提高6%，低水温情况下能效能够提高10%，并可有效提高压缩机的可靠性。

附图说明

图1为热泵压缩机额定工况下的环境温度-效率曲线图；

图2为热泵压缩机额定工况下的水温-效率曲线图；

图3为热泵压缩机的水温-扭矩曲线图；

图4为本发明一个实施例的压缩机接线端子切换电路原理图；

图5为本发明低负荷工况下压缩机接线原理图；

图6为本发明高负荷工况下压缩机接线原理图；

图7为本发明热泵压缩机电机的扭矩-效率曲线图；

图8为本发明另一实施例热泵压缩机电机的扭矩-效率曲线图。

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

具体实施方式

空气能热水器以空气作为热源，采用电驱动，使热泵压缩机从蒸发器中吸入低温低压气体制冷剂，通过热泵压缩机做工将制冷剂压缩成高温高压气体，高温高压气体进入冷凝器与水交换热量后，在冷凝器中被冷凝成低温液体而释放出大量的热量，水吸收其释放出的热量而温度不断上升；被冷凝的高压低温液体经膨胀阀节流降压后，在蒸发器中通过风扇的作用，吸收周围空气热量从而挥发成低压气体，又被吸入热泵压缩机中压缩，如此反复循环从而制取热水。因此，空气能热水器的能效比以及正常工作与否和空气源的温度及水温直接相关。

参照图1和图2，图1为热泵压缩机额定工况下的环境温度-效率曲线图，图2为热泵压缩机额定工况下的水温-效率曲线图。图1中的曲线A为现有技术中普通热泵压缩机电机额定工况下的环境温度-效率曲线，图2中的曲线a为现有技术中普通热泵压缩机电机额定工况下的水温-效率曲线，从图1和图2可以看出，在外界环境温度或水温较低时，普通热泵压缩机的效率不高，随着外界环境温度或水温的升高，普通热泵压缩机的效率逐渐提高并在一定区间范围内保持，但当外界环境温度或水温再继续升高时，普通热泵压缩机的效率开始有明显的降低。这是因为现有普通热泵压缩机的电机只有一个绕组方案，电机的额定功率固定，高效率区间较小，当水温、环境温度过高或过低时，会使热泵压缩机的负荷突然减小，导致普通热泵压缩机出现效率突然降低的情况。

发明人研究发现，热泵压缩机中电机的主相绕组匝数与电机的额定输入功率相关，当主相绕组匝数较多时，电机的额定输入功率较低，电机的最高效率点对应的扭矩较小。同时参照图3，图3为热泵压缩机的水温-扭矩曲线图，从图3可以看出，当水温上升时，扭矩也增大。因此要改善热泵压缩机在环境温度或水温过高或过低时效率不高的情况，可以在电机主相绕组中引入或者去掉部分主相绕组（附加绕组），使得一个电机具有两套或多套主相绕组方案，通过切换不同主相绕组可以改变电机的主、副相绕组匝比，从而调整电机工作点，使电机能够切换工作点，以调节电机的扭矩，转变运行状态，来使其满足宽工作点需求。

以下结合附图，以一个具体的实施方案来对本发明的全工况高效热泵压缩机的结构以工作过程做详细说明。

与现有的热泵压缩机相同，本实施例的热泵压缩机同样包括封闭壳体，封闭壳体内设置电机和压缩泵体，压缩泵体通过吸气管与气液分离器连通。参照图4，本发明热泵压缩机的电机上设置主相绕组S、附加绕组S1以及副相绕组S2，主相绕组S与附加绕组S1串联，附加绕组S1的一端引出第一引线J1，第一引线J1从附加绕组S1的与主相绕组S连接端相对的另一端引出。主相绕组S与附加绕组S1之间引出与主相绕组S相连的第二引线J2，在同一时刻，第一引线J1和第二引线J2中只有一个被连通。主相绕组S与副相绕组S2并联后与公共端J0连接。副相绕组S2与电容串联，从而使主、副相电流相位间相差一定的电角度。本实施例的电容包括第一电容C1和第二电容C2，第一电容C1为25uF，第二电容C2为10uF。第一电容C1与第二电容C2并联后与副相绕组S2串连，第二电容C2与一切换开关KF连接，通过切换开关KF可以控制第二电容C2的工作状态，从而实现副相绕组S2与不同值的电容连接。

本发明的电机绕组为同心式绕组，同心式绕组中每组线圈的匝数不相等，以使产生的磁势在空间接近正弦分布。嵌线时主相绕组和副相绕组为单绕串联，嵌线顺序是先主相后副相，主相线径略大于副相线径。本实施例电机的定子总槽数为24，极对数为1，电机采用单相正弦绕线，使用正弦绕线或接近正弦绕线有助于削弱谐波的影响，提高电机性能。本实施例主相绕组S和副相绕组S2的绕组方案如表1所示，附加绕组S1的绕组方案如表2所示。表1所示绕组方案为本实施例的大工作点电机，当在表1所示绕组方案的基础上加入表2所示绕组方案时即构成本实施例的小工作点电机，小工作点电机的绕组方案如表3所示。以上绕组方案的主、副相绕组匝比范围约为1.1～1.4。

表1.主相绕组及副相绕组的绕组方案列表

	组1	组2	组3	组4	组5	组6
							主相绕组S	52	52	28	18	0	0
副相绕组S2	0	0	15	25	34	58

表2.附加绕组的绕组方案列表

	组1	组2	组3	组4	组5	组6
							附加绕组S1	0	0	8	10	20	0

表3.小工作点电机的绕组方案列表

	组1	组2	组3	组4	组5	组6
							主相绕组S	52	52	36	28	20	0
副相绕组S2	0	0	15	25	34	58

参照图5，第一引线J1和公共端J0与电源接通时，电机的绕组方案为表3所示绕组方案，主相绕组S和附加绕组S1均参与电机的运行，主相绕组S与附加绕组S1共同构成电机的运行主相绕组，主相绕组S与附加绕组S1通过的电流同相，电机的主、副相绕组匝比为1.424；同时通过切换开关KF使副相绕组S2只与第一电容C1连接，此时由于电机运行主相绕组的匝数较多，电机的额定输入功率较低，电机的最高效率点对应的扭矩较小，电机的工作点靠前；

参照图6，当第二引线J2和公共端J0与电源接通时，电机的绕组方案为表1所示绕组方案，此时，附加绕组S1不参与电机的运行，只有主相绕组S构成电机的运行主相绕组，电机的主、副相绕组匝比为1.136；同时通过切换开关KF使副相绕组S2与并联后的第一电容C1和第二电容C2相连，第一电容C1和第二电容C2并联后电容值变大，此时电容值变为35uF。由于附加绕组S1不参与工作，附加绕组S1没有电流通过，电机运行主相绕组的匝数相对要少，电机的额定输入功率相对高，电机的最高效率点对应的扭矩较大，电机的工作点靠后。

下面对本发明的工作过程作进一步的说明：

启动时（15～45°水温），J0-J1连接（或者J0-J2连接，增大启动能力，启动完后再断开J0-J2，恢复J0-J1连接），启动后电机在低工作点处运行，对应热泵水温较低，阻力矩小，此时电机具有较高效率；

随热泵水温升高（45～55°水温），泵体阻力矩增大，当偏离电机最佳工作点较多时，电机效率下降明显，此时断开J0-J1，连接J0-J2，并通过切换开关KF将第一电容C1和第二电容C2实现并联，与副相绕组S2连接的电容值变大，使电机切换到高工作点运行，电机可以继续运行在合适的扭矩范围，保持较高效率；

停机时，切断J0-J2，恢复J0-J1连接（或者为提高启动能力可不切断J0-J2，待下次启动完再切断）。

参照图7，图7是本实施例电机的扭矩-效率曲线图。图7中的曲线C为表3绕组方案的扭矩-效率曲线，曲线D为表1绕组方案的扭矩-效率曲线。图7中两条曲线交点约在2.2N*m附近，效率曲线交点即为切换条件。启动后电机沿曲线C运行，当电机输出扭矩到达2.2N*m左右时（水温或外界环境温度升高到达一定值时），效率开始降低至曲线D以下且过负荷能力不能满足，此时切换为J0-J2连接，电机过渡至曲线D运行，电机重新运行在高效率区且过负荷能力增强，以使水温继续升高。参照图1、图2和图7，图1中曲线B为本实施例电机的环境温度-效率曲线，图2中曲线b为本实施例电机的水温-效率曲线，经比较可知，通过不同主相绕组的切换，本实施例电机在宽工作点范围内均可获得较高效率。

前述实施例作为一个优选的技术方案，为使不同绕组方案均能获得较高能效，实施例中设置了两个电容与副相绕组S2连接，为不同绕组方案搭配不同电容，以实现热泵压缩机工作中在切换绕组的同时可以切换电容。由于增加或者去掉部分附加绕组后，原电容大多会不再合适，需重新核算最佳电容值，因此在切换引线的同时切换电容，可以使电机始终工作在最佳电容值下，电机的主、副相电流相位始终能接近90°电角度，增强磁场圆度，保证引线前后电机各项性能。

以下再通过另一具体实施例对本发明进行说明，在该实施例的说明中，与前一实施例相同的部件采用相同的标号，功能结构相同的地方不再赘述。参照表4至表6，本实施例主相绕组S和副相绕组S2的绕组方案如表4所示，附加绕组S1的绕组方案如表5所示。表4所示绕组方案为本实施例的大工作点电机，当在表4所示绕组方案的基础上加入表5所示绕组方案时即构成本实施例的小工作点电机，小工作点电机的绕组方案如表6所示。以上绕组方案的主、副相绕组匝比范围约为1.0～1.2。

表4.主相绕组及副相绕组的绕组方案

	组1	组2	组3	组4	组5	组6
							主相绕组S	47	47	30	23	0	0
副相绕组S2	0	0	20	29	31	58
							嵌线顺序	79.9%	79.9%	83.4%	83.7%	42.2%	78.9%

表5.附加绕组的绕组方案

	组1	组2	组3	组4	组5	组6
							附加绕组S1	0	0	0	0	20	0

表6.小工作点电机的绕组方案

	组1	组2	组3	组4	组5	组6
							主相绕组S	47	47	30	23	20	0
副相绕组S2	0	0	20	29	31	58
							嵌线顺序	79.9%	79.9%	83.4%	83.7%	81.4%	78.9%

同理，当第一引线J1和公共端J0和电源接通时，为表6所示绕组方案，主相绕组S和附加绕组S1均参与电机的运行，电机为5-4联电机，电机的主、副相绕组匝比为1.21，副相绕组S2只与第一电容C1（25uF）连接，电机的最高效率点对应的扭矩较小，电机的工作点靠前；

当第二引线J2和公共端J0与电源接通时，为表4所示绕组方案，附加绕组S1不参与电机的运行，电机变为4-4联电机，电机的主、副相绕组匝比为1.07，同时更换大电容（35uF），副相绕组S2与并联的第一电容C1和第二电容C2连通，电机的最高效率点对应的扭矩较大，电机的工作点靠后。

如图8所示，图8中曲线c为表6绕组方案的扭矩-效率曲线，曲线d为表4绕组方案的扭矩-效率曲线，本实施例热泵压缩机电机的效率曲线交点约在2.75N*m附近，即启动后电机输出扭矩小于2.75N*m时使电机运行于曲线c状态，当工况变化，泵体阻力增大，电机输出扭矩超过2.75N*m时，切换引线和电容，使电机运行于曲线d状态，电机转到强过负荷区间运行。

从实测数据及图8可看出，从1.5N*m处开始到交点处（约2.75N*m），对应扭矩点上，表6绕组方案的电机比表4绕组方案的电机效率高5.9%～0%；从交点处到4.5N*m处，表4绕组方案的电机比表6绕组方案的电机效率高0%～6.1%。结合表7可知，采用本实施例电机后，从1.5～4.5N*m宽范围内均可使电机效率高于80%。

表7.电机测试结果列表

连接引线	工作点	效率	转速	运行电流	入力	出力
							第一引线J1	2.31	85.18%	2890	3.807	820.701	699.09
第一引线J2	2.987	84.54%	2874	4.848	1063.492	899.08

以上为本发明的两个具体的实施方式，根据不同的设计需求本发明还可以有不同的变化，本发明的目的在于通过一定的规律调节电机主、副相绕组的匝比，以此来调节电机的工作点，因此本发明的第二引线既可从主相绕组引出也可从副相绕组引出，即当在主相绕组上增加适当匝数的附加绕组后电机工作点减小，反之增大；当在副相绕组上增加适当匝数的附加绕组后电机工作点变大，反之减小，当附加绕组加在副相绕组上时，第一引线仍从附加绕组引出，第二引线则从附加绕组和副相绕组之间引出，并与副相绕组连接。本发明电机主、副相绕组匝比优选为1.0～1.6，此时小工作点电机的工作点可以更靠前，大工作点电机的工作点可以更靠后（过负荷能力更强），相当于转矩范围更大，只是大工作点电机效率略低。

前述实施例虽然只描述了电机具有两套绕组方案的实施方式，但根据实际需要，也可以通过相应增加附加绕组，每增加一个附加绕组可增加一个绕组方案，使电机具有两套以上的绕组方案，使电机在对应的范围具有相应的工作点，以上变化本领域技术人员可根据实际需求进行设计，只需根据泵体算出的各扭矩点分别来计算，校验出小扭矩点时电机的启动能力，大扭矩点时的过负荷能力一集切换点的扭矩，转速条件等，即可设计出相应的绕组方案。

此外，由于本发明的主相绕组S、附加绕组S1及副相绕组S2为正弦绕组，因此切换引线后剩下的绕组依然能形成正弦绕组。本发明的附加绕组为扭矩系数较小的线圈，即对合成磁势的基波贡献较小的线圈，相同条件下这些线圈产生的扭矩较小，这样可保证电机有较高的效率。附加绕组可按照基波绕组系数来选择，基波绕组系数小的多抽些匝数，基波绕组系数大的少抽些匝数，这样对整个磁势波形影响较小。

本发明的全工况高效热泵压缩机将电机设计成具有多套绕组方案，不同绕组方案有着不同的工作点，压缩机负荷（环境温度或水温）变化时，可以通过监测电流、环境温度、水温等参数，通过智能或逻辑电路切换相应绕组-电容方案，通过绕组方案的互相组合切换，在不同工况下采用不同绕组段工作，可让压缩机具有多个高效率扭矩工作点，从而实现全工况下压缩机均可保持高能效状态。

当然，本发明的技术构思并不仅限于上述实施例，还可以依据本发明的构思得到许多不同的具体方案，例如，电容的数量、连接方式、大小等根据实际情况的不同还可以有所变化，而且不同的电容也可以分别用一个开关来限制，诸如此等改变以及等效变换均应包含在本发明技术方案所述的范围之内。

Claims (6)

1.全工况高效热泵压缩机，其特征在于：

所述热泵压缩机的电机上设置主相绕组(S)、附加绕组(S1)及副相绕组(S2)，其中，所述主相绕组(S)与副相绕组(S2)并联后与公共端(J0)连接，所述副相绕组(S2)与电容串联，所述电容包括由切换开关(KF)控制的第一电容(C1)和第二电容(C2)，所述第一电容(C1)和所述第二电容(C2)并联后与所述副相绕组(S2)相连；

所述附加绕组(S1)串联于所述主相绕组(S)上或串联于所述副相绕组(S2)上，所述附加绕组(S1)的一端引出第一引线(J1)；

所述主相绕组(S)与附加绕组(S1)之间或所述副相绕组(S2)与附加绕组(S1)之间引出第二引线(J2)；

在同一时刻，第一引线(J1)和第二引线(J2)中只有一个被连通。

2.根据权利要求1所述的全工况高效热泵压缩机，其特征在于：所述附加绕组(S1)串联于所述主相绕组(S)上，所述第二引线(J2)从所述主相绕组(S)与附加绕组(S1)之间引出，所述第二引线(J2)与所述主相绕组(S)相连。

3.根据权利要求2所述的全工况高效热泵压缩机，其特征在于：所述第一引线(J1)和公共端(J0)接通时，所述主相绕组(S)与附加绕组(S1)构成运行主相绕组；

所述第二引线(J2)和公共端(J0)接通时，所述主相绕组(S)构成运行主相绕组。

4.根据权利要求1所述的全工况高效热泵压缩机，其特征在于：所述第一引线(J1)和公共端(J0)接通时，所述副相绕组(S2)只与第一电容(C1)连接；

所述第二引线(J2)和公共端(J0)接通时，所述副相绕组(S2)与并联后的第一电容(C1)和第二电容(C2)连接。

5.根据权利要求1所述的全工况高效热泵压缩机，其特征在于：所述主、副相绕组匝比为1.0～1.6。

6.根据权利要求1所述的全工况高效热泵压缩机，其特征在于：所述主相绕组(S)、附加绕组(S1)及副相绕组(S2)为正弦绕组。