CN110475977B - 磁性轴承马达压缩机 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于冷却器组件的密封式感应马达。所述感应马达包括定子、转子、以及具有第一端和第二端的轴。所述转子和所述轴被配置成相对于所述定子旋转。所述感应马达进一步包括位于所述轴的所述第一端附近的第一磁性轴承组件、以及位于所述轴的所述第二端附近的第二磁性轴承组件。所述第一磁性轴承组件和所述第二磁性轴承组件被配置成支撑所述轴。所述轴利用直接驱动连接而联接至离心式压缩机。

Description

磁性轴承马达压缩机
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2017年3月24日提交的美国临时申请62/476,343和2017年12月29日提交的美国临时申请62/612,065的权益，所述两项临时申请的全部内容通过援引并入本文。
技术领域
本披露总体上涉及一种高速半密封式感应马达，所述感应马达直接驱动冷却器组件的离心式压缩机。
背景技术
一些离心式压缩机使用中压(MP)制冷剂、磁性轴承和高速永磁马达。然而，高速永磁马达通常需要使用昂贵的稀土材料和专用的变速驱动器(VSD)。与中压制冷剂一起使用的叶轮倾向于在高速下运行以实现所需的压力上升。使用低压(LP)制冷剂允许使用较大直径的叶轮，并且其后允许使用较慢的运行速度。LP离心式压缩机的较低的运行速度可以允许使用高速直接驱动感应马达和简化的VSD。感应马达技术与简化的VSD的组合可以在降低的成本下提供与永磁马达类似的性能。
发明内容
本披露的一种实现方式是一种用于冷却器组件的密封式感应马达。所述感应马达包括定子、转子、以及具有第一端和第二端的轴。所述转子和所述轴被配置成相对于所述定子旋转。所述感应马达进一步包括位于所述轴的所述第一端附近的第一磁性轴承组件、以及位于所述轴的所述第二端附近的第二磁性轴承组件。所述第一磁性轴承组件和所述第二磁性轴承组件被配置成支撑所述轴和相关联的负载。所述轴利用直接驱动连接而联接至离心式压缩机。
在一些实施例中，所述离心式压缩机使用运行压力小于400kPa的低压制冷剂。在其他实施例中，所述低压制冷剂是R1233zd。
在一些实施例中，所述第一磁性轴承组件和所述第二磁性轴承组件包括径向磁性轴承组件，所述径向磁性轴承组件被配置成在径向上支撑所述轴。所述感应马达包括第三磁性轴承组件，所述第三磁性轴承组件被配置成在轴向上支撑所述轴。在其他实施例中，所述第一、第二和第三磁性轴承组件是主动磁性轴承组件。
本披露的另一实现方式是一种蒸气压缩系统。所述蒸气压缩系统包括连接在闭合的制冷剂环路中的离心式压缩机、冷凝器、膨胀装置、以及蒸发器，所述离心式压缩机由密封式感应马达直接驱动。所述密封式感应马达包括定子、转子、以及具有第一端和第二端的轴。所述转子和所述轴被配置成相对于所述定子旋转。所述密封式感应马达进一步包括位于所述轴的第一端附近的第一径向磁性轴承组件、位于所述轴的第二端附近的第二径向磁性轴承组件、以及止推磁性轴承组件。所述第一径向磁性轴承组件和所述第二径向磁性轴承组件被配置成在径向上支撑所述轴，而所述止推磁性轴承组件被配置成在轴向上支撑所述轴。
在一些实施例中，所述离心式压缩机是具有入口、叶轮、扩散器、以及集流器或涡旋组件的单级压缩机。
在一些实施例中，所述离心式压缩机使用运行压力小于400kPa的低压制冷剂。在其他实施例中，所述低压制冷剂是R1233zd。
在一些实施例中，所述止推磁性轴承组件位于所述第一径向磁性轴承组件与所述第二径向磁性轴承组件之间。
本披露的又另一实现方式是一种用于冷却器组件的感应马达。所述感应马达包括具有圆柱形形状的定子、以及联接至轴上的转子。所述转子和所述轴被配置成相对于所述定子旋转。所述感应马达进一步包括被配置成支撑所述转子的磁性轴承组件、以及被配置成至少部分地封装所述定子、所述转子、所述轴和所述磁性轴承组件的壳体。所述定子利用间隙配合联接至所述马达壳体。所述间隙配合被配置用于防止所述圆柱形形状变形。
在一些实施例中，所述轴联接至离心式压缩机。所述离心式压缩机包括入口、叶轮、扩散器、以及涡旋组件。在其他实施例中，所述轴被配置成经由直接驱动连接来驱动所述叶轮。在进一步的实施例中，所述离心式压缩机使用运行压力小于400kPa的低压制冷剂。在又进一步实施例中，所述低压制冷剂是R1233zd。
在一些实施例中，所述第一磁性轴承组件包括径向磁性轴承组件或止推磁性轴承组件。在一些实施例中，所述感应马达包括第二磁性轴承组件和第三磁性轴承组件。在其他实施例中，所述第一、第二和第三磁性轴承组件包括主动磁性轴承组件。
附图说明
图1是根据一些实施例的冷却器组件的透视图。
图2是根据一些实施例的图1的冷却器组件的正视图。
图3是根据一些实施例的图1的冷却器组件的高速感应马达和离心式压缩机的截面图。
具体实施方式
总体上参照附图，示出了具有离心式压缩机的冷却器组件，所述离心式压缩机带有磁性轴承马达压缩机。参照图1-2，描绘了冷却器组件100的示例性实现方式。冷却器组件100被示出为包括压缩机102、冷凝器106、以及蒸发器108，所述压缩机由马达104驱动。制冷剂在蒸气压缩循环中循环通过冷却器组件100。冷却器组件100还可以包括控制面板114，用于控制冷却器组件100内蒸气压缩循环的运行。
马达104可以由变速驱动器(VSD)110提供电力。VSD 110从交流(AC)电源(未示出)接收具有特定固定线电压和固定线频率的AC电力，并向马达104提供具有可变电压和频率的电力。马达104可以是任何类型的电动机，而不是由VSD 110供电。例如，马达104可以是高速感应马达。压缩机102由马达104驱动，用于对通过吸入管线112从蒸发器108接收的制冷剂蒸气进行压缩，并通过排出管线124将制冷剂蒸气输送到冷凝器106。压缩机102可以是离心式压缩机、螺杆式压缩机、涡旋式压缩机、或任何其他类型的合适的压缩机。在图2中描述的示例中，压缩机102是离心式压缩机。
蒸发器108包括内部管束(未示出)、用于向内部管束供应和移除工艺流体的供应管线120和返回管线122。供应管线120和返回管线122可以经由循环工艺流体的导管而与HVAC系统内的部件(例如空气处理器)处于流体连通。工艺流体是用于冷却建筑物的冷却液体，并且可以是但不限于水、乙二醇、氯化钙盐水、氯化钠盐水、或任何其他合适的液体。蒸发器108被配置成当工艺流体通过蒸发器108的管束并与制冷剂交换热量时降低工艺流体的温度。通过被输送到蒸发器108的制冷剂液体与工艺流体交换热量并经历了到制冷剂蒸气的相变，在蒸发器108中形成制冷剂蒸气。
由压缩机102从蒸发器108输送到冷凝器106的制冷剂蒸气将热量传递给流体。由于与流体的热传递，制冷剂蒸气在冷凝器106中冷凝成制冷剂液体。来自冷凝器106的制冷剂液体流过膨胀装置并返回到蒸发器108以完成冷却器组件100的制冷剂循环。冷凝器106包括供应管线116和返回管线118，用于使流体在冷凝器106与HVAC系统的外部部件(例如冷却塔)之间循环。经由返回管线118供应到冷凝器106的流体与冷凝器106中的制冷剂交换热量，并且经由供应管线116从冷凝器106中移除以完成循环。循环通过冷凝器106的流体可以是水或任何其他合适的液体。
现在参考图3，示出了用于驱动离心式压缩机的高速感应马达的截面图。在一些实施例中，高速感应马达基本上类似于马达104，并且离心式压缩机基本上类似于压缩机102，这两者都在上文中参考图1进行了描述。马达104被示出为包括外壳或壳体202、定子204、以及转子206等部件。定子204是在转子206上施加径向和轴向磁力的马达的电磁电路的静止部分。在正确对齐的系统中，这些力的总和为零或接近零。在一些实施例中，定子204被马达护套210部分地封装，并且所述定子204和马达护套210都可以具有基本上圆柱形的形状。马达护套210可以由铝构造而成，并且可以被配置成对来自定子204的热传递进行优化以防止马达104过热。
转子206是马达的电磁电路的旋转部分。在各种实施例中，转子206可以是鼠笼式转子、绕线转子、凸极转子或圆柱形转子。转子206联接至轴208。轴208被示出为包括第一端238和第二端240。转子206和轴208共同围绕中心轴线226旋转，以便将扭矩和旋转传递到联接至马达104的其他部件和/或组件。
如图3所示，轴208的第二端240利用直接驱动连接228而联接至离心式压缩机102的叶轮230。在一些实施例中，直接驱动连接228可以包括用于将轴208联接至叶轮230的机械紧固件(例如，螺栓、销)。直接驱动系统提供了胜出齿轮驱动系统的优势，因为它们减少了摩擦损失并且所需要的部件更少、更简单。除了叶轮230之外，离心式压缩机102还可以包括入口242、由可变几何形状扩散器(VGD)232和扩散板236组成的扩散器组件、以及集流器或涡旋组件234等。入口242可以包括将流体(例如，LP制冷剂)抽吸到叶轮230的管道，所述叶轮是使蒸气逐渐具有动能的旋转叶片组。叶轮230的下游是由VGD 232和扩散板236形成的扩散器间隙。当蒸气在经由集流器或涡旋组件234离开离心式压缩机之前流动并膨胀通过扩散器间隙时，蒸气的动能被转换成压力能。
在一些实施例中，LP制冷剂具有小于400kPa或大约58psi的运行压力。在进一步的实施例中，所述LP制冷剂是R1233zd。R1233zd是一种不易燃的氟化气体，相对于商用冷却器组件中使用的其他制冷剂而言，其具有较低的全球变暖潜能值(GWP)。GWP是为比较不同气体对全球变暖的影响而制定的一项衡量标准，方法是量化1吨气体的排放量在一定时段内相对于1吨二氧化碳的排放量将吸收多少能量。
一些感应马达利用过盈配合将定子保持在壳体内。在过盈配合中，定子可以被加热，直到热膨胀在马达壳体的内径与定子的外径之间产生间隙。在其他实施例中，对定子进行冷却直到定子收缩并且在马达壳体与定子之间产生间隙。一旦定子插入壳体中并且壳体和定子都达到平衡温度，则壳体与定子之间的间隙减小到零。然而，由于壳体和定子的热膨胀速率可能不相同，这种返回到平衡温度会导致定子的形状(例如，圆形)变形。由过盈配合引起的已变形的定子可能导致转子上的磁力不平衡。当系统没有正确地对齐而使得定子施加在转子上的力的总和非零时，设计者必须过度定制轴承组件(即他们必须选择具有特大号部件的磁性轴承)，以便不会超过磁性轴承组件的转子定位能力。
因此，如图3所描绘的，在定子204的马达护套210与马达壳体202之间保持间隙区域222，以避免壳体202的有缺陷的圆形使定子的圆形发生变形。为了防止马达护套210和定子204相对于马达壳体202的移位和/或旋转，定位销212或键可以插入穿过壳体202和马达护套210，并保持在定子204内。为了使不平衡磁力最小化，重要的是要使定子204与转子206同轴，以及如图3所描绘的，使定子与转子之间的气隙224保持为真正的圆柱形特征。可以控制马达护套210与马达壳体202之间的间隙区域222，使得气隙224的偏差不超过标称间隙的10％。标称间隙可以被定义为定子204与转子206之间沿着中心轴线226的完全同心对齐。
马达104还被示出为包括磁性轴承组件214、216和218，所述磁性轴承组件支撑转子206和轴208并允许转子206和轴208相对于定子204旋转。磁性轴承组件利用磁力悬浮来支撑负载，并且因此允许摩擦极低且很少或没有机械磨损的相对运动。在一些实施例中，磁性轴承组件214、216和218是主动磁性轴承(AMB)组件。AMB组件使用具有连续调节的电流值的电磁致动器来使转子206和轴208保持在期望位置并实现稳定悬浮。
磁性轴承组件214和218可以是被配置成控制轴208在径向(即垂直于中心轴线226)上的位置的径向轴承组件，而磁性轴承组件216可以是被配置成控制轴208在轴向(即平行于中心轴线226)上的位置的止推轴承组件。在一些实施例中，径向磁性轴承组件214可以位于轴208的第一端238附近，而径向磁性轴承组件218可以位于轴208的第二端240附近。止推磁性轴承组件216可以位于径向轴承组件214与径向轴承组件218之间，并靠近轴208的第二端240和叶轮230。通过将止推磁性轴承组件216定位在叶轮230附近，当马达104的运行所产生的热量导致轴208膨胀时，止推磁性轴承组件216的接近允许叶轮230在压缩机扩散器内精确对齐以实现优化的空气动力学性能。
如上所述，马达104可以是半密封式的。密封式或半密封式马达104可以指暴露于压缩机组件102内部环境的马达(即，使得马达可以通过制冷剂循环通过冷却器组件而冷却)。相比之下，未被设计成密封式或半密封式的马达可以被封装在单独的壳体中，并且经由联轴器和轴封连接至压缩机。马达104可以被认为是半密封式的，因为端板220可以通过使用机械紧固件和密封件(例如，螺栓、o形环)可拆卸地紧固至壳体202。相比之下，完全密封式的压缩机是对马达进行封装并且可以包括焊接外壳的压缩机。
如各示例性实施例中所示出的系统和方法的构造和安排仅是说明性的。尽管本披露中仅详细描述了示例性实施例，但是许多修改是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、各种元件的形状和比例、参数的值、安装安排、材料的使用、颜色、取向等的变化)。例如，元件的位置可以颠倒或以其他方式变化，并且离散元件的性质或数量或位置可以更改或变化。因此，这类修改旨在被包括在本披露的范围之内。可以根据替代实施例对任何过程或方法步骤的顺序或序列进行改变或重新排序。在不脱离本披露范围的情况下，可以在示例性实施例的设计、运行条件和安排方面作出其他替代、修改、改变、和省略。

Claims (25)

1.一种用于冷却器组件的感应马达，所述感应马达包括：
定子，所述定子具有管状形状；
转子，所述转子联接至轴，所述转子和所述轴被配置成围绕中心轴线相对于所述定子旋转；
第一磁性轴承组件，所述第一磁性轴承组件被配置成支撑所述转子；以及
壳体，所述壳体被配置成至少部分地封装所述定子、所述转子、所述轴和所述第一磁性轴承组件；
其中，所述定子利用间隙配合联接至所述壳体，所述间隙配合被配置成防止所述管状形状变形，并且其中所述壳体与联接至所述定子的马达护套之间的第一间隙被控制，以使得所述定子与所述转子之间的第二间隙的偏差不超过标称间隙的百分之十，其中所述标称间隙被定义为所述定子与所述转子之间沿着所述中心轴线的同心对齐。
2.如权利要求1所述的感应马达，其中，所述轴联接至离心式压缩机，所述离心式压缩机包括入口、叶轮、扩散器、以及涡旋组件。
3.如权利要求2所述的感应马达，其中，所述轴被配置成经由直接驱动连接来驱动所述叶轮。
4.如权利要求2所述的感应马达，其中所述第一磁性轴承组件包括止推磁性轴承组件。
5.如权利要求4所述的感应马达，其中所述止推磁性轴承组件位于靠近所述叶轮的位置。
6.如权利要求1所述的感应马达，其中所述感应马达进一步包括第二磁性轴承组件和第三磁性轴承组件。
7.如权利要求2所述的感应马达，其中，所述离心式压缩机使用运行压力小于400kPa的低压制冷剂。
8.如权利要求7所述的感应马达，其中，所述低压制冷剂为R1233zd。
9.如权利要求1所述的感应马达，其中所述马达护套由铝制成。
10.一种用于冷却器组件的感应马达，所述感应马达包括：
定子，所述定子具有圆柱形形状；
马达护套，所述马达护套具有圆柱形形状，所述马达护套被配置成至少部分封装所述定子；
转子，所述转子联接至轴，所述转子和所述轴被配置成相对于所述定子和所述马达护套围绕中心轴线旋转；
第一磁性轴承组件，所述第一磁性轴承组件被配置成支撑所述转子；以及
壳体，所述壳体被配置成至少部分地封装所述定子、所述马达护套、所述转子、所述轴和所述第一磁性轴承组件；
其中所述壳体和所述马达护套之间的第一间隙被控制以使得所述定子与所述转子之间的第二间隙的偏差不超过临界间隙值。
11.如权利要求10所述的感应马达，其中所述临界间隙值是标称间隙的百分之十，其中所述标称间隙被定义为所述定子与所述转子之间沿着所述中心轴线的同心对齐。
12.如权利要求10所述的感应马达，其中所述马达护套由铝制成。
13.如权利要求10所述的感应马达，其中所述第一磁性轴承组件包括径向磁性轴承组件和止推磁性轴承组件中的至少一个。
14.如权利要求10所述的感应马达，进一步包括第二磁性轴承组件和第三磁性轴承组件。
15.如权利要求1所述的感应马达，其中，所述第一磁性轴承组件包括径向磁性轴承组件和止推磁性轴承组件中的至少一种。
16.如权利要求1所述的感应马达，其中所述轴包括第一端和第二端，
其中所述第一磁性轴承组件位于所述轴的所述第一端附近，并且
第二磁性轴承组件位于所述轴的所述第二端附近，并且
其中，所述第一磁性轴承组件和所述第二磁性轴承组件被配置成支撑所述轴，其中，所述轴适于利用直接驱动连接而联接至离心式压缩机。
17.如权利要求16所述的感应马达，其中，所述第一磁性轴承组件和所述第二磁性轴承组件包括径向磁性轴承组件，所述径向磁性轴承组件构被配置成在径向上支撑所述轴。
18.如权利要求17所述的感应马达，进一步包括第三磁性轴承组件。
19.如权利要求18所述的感应马达，其中，所述第三磁性轴承组件包括止推磁性轴承组件，所述止推磁性轴承组件被配置成在轴向上支撑所述轴。
20.如权利要求19所述的感应马达，其中，所述第一磁性轴承组件、所述第二磁性轴承组件和所述第三磁性轴承组件包括主动磁性轴承组件。
21.如权利要求19所述的感应马达，其中，所述止推磁性轴承组件位于所述第一磁性轴承组件与所述第二磁性轴承组件之间。
22.一种蒸气压缩系统，包括：
连接在闭合的制冷剂环路中的离心式压缩机、冷凝器、膨胀装置以及蒸发器，所述离心式压缩机由如权利要求1至21中任一权利要求所述的感应马达直接驱动。
23.如权利要求22所述的蒸气压缩系统，其中所述轴联接到离心式压缩机，所述离心式压缩机包括入口、叶轮、扩散器以及涡旋组件，并且其中所述轴被配置成经由直接驱动连接而驱动所述叶轮。
24.如权利要求22所述的蒸气压缩系统，其中，所述离心式压缩机是包括入口、叶轮、扩散器以及涡旋组件的单级压缩机。
25.如权利要求22所述的蒸气压缩系统，其中，所述离心式压缩机使用运行压力小于400kPa的低压制冷剂，其中所述低压制冷剂为R1233zd。
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