CN1149674A - 反向旋转制动的旋转压缩机 - Google Patents

Abstract

一种由电动机驱动的旋转压缩机具有电工元器件，在电动机停止供电时可用来防止电动机压缩机的反向旋转。

Description

反向旋转制动的旋转压缩机

本发明一般地涉及电动机驱动的压缩机，更具体点说，涉及旋转压缩机如涡卷压缩机、螺旋压缩机反向旋转制动用的装置和方法，这类压缩机在停供电流时通常会在反方向被系统压力驱动。

旋转压缩机如涡卷式和螺旋式都是公知的旋转机械，普遍被用来压缩气体。这类压缩机并不要求在压缩室的排放侧设置止回阀，因此制造时经常不供止回阀。从而，在压缩机的电动机被停供电流时，在排放侧的高压气体便会在反方向驱动压缩机。况且，这类压缩机的一般特点是，在压缩的各个阶段都有一定体积的气体。因此，即使在这些压缩室的排放侧设有阀门以资防止高压气体回流到这些体积内，仍有足够的能量留在这些压缩过的体积内，能够引起反向的旋转。在任一种情况下，这会使涡卷件反向旋转，涡卷件又会直接使驱动轴和驱动电动机也在反方向上旋转。压缩机零件以过高的速率反向旋转可产生令人讨厌的噪声并造成零件的损坏，特别是在高压停车而又没有任何制动系统的条件下，压缩机能呈现很高的瞬间的反向旋转速率。而在市场上，特别是在空调和热泵方面，对宁静机械的需求正日益增长。

因此本发明的第一目的是要提供一种旋转压缩机，它能利用电来制动电动机即反对其在反方向的旋转，从而可行而有效地使压缩机零件的高速反向旋转减速。在本实施例中完成这一点的办法是，在压缩机上装设一台装开关的磁阻电动机(凸板无励同步电动机)和专用线路以便将能量施加在电动机内的定子线路上从而产生一个制动转矩来反对反向旋转。本发明的另一个目的是要回收能量使它返回通过电动机并有效地利用这个能量来产生制动转矩。

从下面的详细说明、权利要求书和附图中，本行业的普通技术人员当可对本发明的其他优点和目的有所了解。

在附图中示出实施本发明的目前最好的形式。其中，

图1为按照本发明装有一台装开关的磁阻电动机的涡卷式压缩机的通过其中心的概略的垂直剖视图；

图2为装开关的磁阻电动机的示意的横截面图，图中示出将能量施加在其一个相位上的情况；

图3A到3C示出装开关的磁阻电动机的电动机控制开关转换顺序；

图4为一线路图，进一步示出按照本发明的电动机控制的开关转换；

图5为按照本发明的用来控制电动机的开关转换的控制器的方块图；

图6为示出用来控制本发明的压缩机的控制器判定的逻辑表；

图7为示出电动机控制的开动和制动的磁通量和安培匝数能量的曲线图。

虽然本发明适宜用于多种型式的旋转压缩机，但为了示范的目的，这里只就一台压缩气体致冷剂用的涡卷压缩机进行说明，其一般结构如图1所示。一般地说，压缩机10具有一个基本为圆筒形的密封的壳体12，其上端焊接在一盖14上，而其下端焊接在一具有多个整体制出的安装脚(图中示出其一部分)的底16上。盖14设有一个致冷排放阀组装件包括一个排放接头其内有一常见的排放阀。固定在壳体上的其他主要零件包括：一块在横向上伸展的消声器板22，该板以其周边焊接在壳体12上焊接着盖14的同一部位上；一个适当地固定在壳体12上的主轴承罩壳24和一个具有多条沿径向向外伸出的腿而各适当地固定在壳体12上的下轴承罩壳12。一根在其上端具有一个偏心曲柄销32的驱动轴或曲轴30可旋转地以其轴颈支承在主轴承罩壳24中的主轴承34内。而曲轴30的下端则可旋转地支承在一个由下轴承罩壳26支承着的轴承组装体40内。

涡卷机构本身一般具有一个固定的涡卷件42和一个旋转的涡卷件44，后者在一相对于涡卷件42的轨道上被曲柄销32通过一个驱动套管46驱动着。每一个涡卷件都具有通常的螺旋卷绕部，并以通常的方式互相配合，致使两个涡卷件在彼此合拢到轨道内时造成多个体积逐渐缩减的压缩室47。有一Oldham环组装件48在两个涡卷件之间运行以便防止它们之间的相对转动。

进入的气体通过一个进气接头(未示出)被送入到壳体12内。压缩室47从壳体内的处在进气压力下的进气区引入进气，将它压缩，并将压缩过的气体送到处在排放压力下的排放区。该气体流动通过消声器板22内的排放口50进入到一个由排放气板22和盖14形成的排放消声器52内。压缩空气被从消声器52排放出来通过阀门组装件20和排放接头18。设有一个传统用的IPR阀54以便释放在消声器52内的过高的压力和一个浮动的密封以便在正常的操作条件下提供增压的轴向密封移动。关于机械的所有零件以及它们的工作方式的完整说明可参阅授予本申请人、代理人的美国专利特许证4,767,293,4,998,864,5,102,316和5,156,539号，这里引用其公开部分供参数。

驱动曲轴30旋转的电动机140最好属于装开关的磁阻式，具有一个转子146和一个设有定子绕组144的定子142如图1和2所示。转子146可压配合在曲轴30上，而定子146可压配合在壳体12内。转子146与曲轴30直接连接并具有多个凸起件148，形成一对或多对在直径上对置的转子极。定子142同样设有多个凸起件150，形成一对或多对在直径上对置的定子极。每一定子极都具有N匝的定子绕组144。每一对对置的定子级共有两个串联(如图所示)或并联的定子绕组以便为电动机140提供一个单独的相位。图2和3所示的例为-三相装开关的磁阻电动机，具有六个定子极和四个转子极。电动机140跟随直流电(DC)的施加以正常的方式运转，当将直流电顺序施加在与相应的相位结合的各子定子绕组144上时便将一个磁场施加在定子142上，该磁场又在定子142和转子146之间产生磁力，结合起来成为转矩的形式，从而使转子146旋转而驱动压缩机10的曲轴30。

使转子146旋转的磁力的产生是由开关转换装置来完成的。开关转换装置时而接通时而断开通往各该定子绕组144的电力供应母线178和180使绕组内的电流按适当的时间在开通和关断之间转换。如图3A到3C的例子所示，开关转换线路152包括三对开关SW1、SW2和SW3，分别与一对(对置的)定子极的定子绕组144串联。因此，电动机140的相位1是通过开关SW1来控制的，而相位2和相位3则分别通过各自的开关SW2和SW3来控制。另外，每对定子绕组都各有一对单向运行的二极管以便将剩余的磁能送回到电力供应母线178内。这个剩余能量是在开关典型地需要被关断而磁通量仍处在一个较高的水平时以磁的形式存在在定子和转子的磁路内的。因此，当一对开关被转为关断而有单向的二极管存在时，电流能继续在绕组内流动，使磁路内的磁通量消失为零，并将该能量送回到供电线路。而在没有二极管时，一个大的电压可能会在绕组上产生而损坏开关，力图使该能量从磁路中解脱出来。因此单向运行的二极管具有回收这个能量的功能，该能量能被其他相位利用而提高效率，另外二极管还能提高开关的可靠性。

现在结合图3A到3C所示的开关转换线路说明三相的开关转换。在图3A中，开关SW1闭合使相位1开通，将电流施加到相应的定子绕组144A上。同时，开关SW2和SW3保持断开，而通过二极管D6和D3的反馈路径使被不久前关断的相位3激励而留在磁路中的能量得以回收。再参阅在图3B中的开关转换线路152，其时开关SW1断开而开关SW2闭合。这样可有效地使相位2的定子绕组144B增能而使相位1的定子绕组144A去能。如上所述，反馈的二极管D4和D1可使能量从通过绕组144的磁路反馈到供电线路和定子绕组144B。

最后，在图3C中，开关SW2断开而开关SW3闭合以便使相位3通电而将相位2关断，随之发生的是典型的能量通过二极管D5和D2的反馈。从相位1到相位2到相位3再返回到相位1的顺序的开关转换以及时的方式追随转子146对给定的载荷采取的适当位置来达到所需的电动机转速。

特别请参阅图4，其中进一步示出电动机控制开关转换线路152连接到一个交流(AC)电源上的情况，其时用一个全波整流器156以便模跨主线158和160产生一个直流(DC)电压。有一电感器电容器(L-C)组成的滤波器也连接在主线158和160上并使它们分别与母线178和180连接，以便使整流器156的电压输出平滑。开关转换线路152具有三个并联的相位控制线路以便用来控制电动机140的各该相位，如同上面结合图3A到3C已经说明过的。与电动机的三个相位的每一个相位都并联的电容器C可有效地蓄积周期性地由整流电桥156供应的能量和来自二极管回收线路的能量。另外，还可以任意使一个串联的开关SW4和电阻器R与电动机的三个相位并联。开关SW4可用恒定的或脉动的方式闭合，以便在电动机停止和所有能量都放出后用来使停止工作的线路放电，或者用来将制动后过多的回收能量放掉，这在后面还要说明。

开关SW1、SW2和SW3的开通和关断的转换是根据图5所示的控制器164在追随图6表中所示的控制策略后发出的控制信号来控制的。特别请参阅图5，控制器164包括一个比较器166、一个计算单元168和一个开关控制器170。

计算单元168被配置为既可从传统的位置传感器172，也可从一个位置估计算法174来接收位置信号。位置传感器172可以是一个用来感测曲轴30或转子146的位置的霍尔效应磁传感器。位置估计算法可任意选用，例如根据感测到的跨越两个节点198和200而施加在每一定子绕组上的定子电压(V_s1、V_s2或V_s3)以及感测到的至少通过其中一个定子绕组144的定子电流(I_s1、I_s2或I_s3)，可将位置作为所感测到的定子电压和定子电流的函数而确定曲轴30或转子146目前的位置。这点之所以可能是因为如图7所示，磁通量和电流位置有一独特的关系，其中磁能量Φ可从 积分而得，而 $\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}=\frac{V-\mathrm{Ri}}{N}$ 当绕组匝数N、绕组电阻R、电压V和电流I均为已知时， 亦为已知。

计算单元168可将速率作为所接收到的转子位置信号对时间的函数而确定曲轴30旋转的角速率。比较器166可将计算出来的速率与速率设定点176比较，该速率设定点是由通常的综合致冷或HVAC(供暖、通风和空调)系统的需求网路建立起来的。比较器166的输出、以及速率设定点176和位置信号都被输送到开关控制器170上，根据这些，开关控制器170作出控制判定以便用来控制成对的开关SW1到SW3如图6所示。

当速率设定点大于零时，指示电动机的向前速率合乎需要，其时如图向前速率信号小于速率设定点，控制器164会发出一个增速信号来调整开关SW1到SW3的开通关断定时以资增加对绕组的能量输入从而增加电动机140的速率。如果速率信号小于速率设定点，控制器164会发出一个减速信号来调整开关SW1到SW3的开通关断定时以资减少对绕组的能量输入从而减小电动机140的速率。如果速率等于所需的速率设定点，那么不需改变速率。

当载荷发生变化以至电动机的转速降低时，控制器164固然会因力图维持速率而发出增速信号来调整开关相对于转子146位置的定时。但当载荷增加到这样程度，以致达到电动机的最大容许输入，不再能用调整开关定时来进一步提高电动机的速率时，那么一个预先设定的“速率不变”信号就能超越地控制开关控制器的输入，或者，当由于任一零件的误动作而导致速率超过任何预定的上限时也可用类似上述方式来进行超越控制，这样就可对旋转速率加以限制。

当速率设定点被设定为零，指示已将电动机转为关断，因此已被去能，但电动机在速率往下滑时仍向前旋转，这时控制器164发出信号使所有开关SW1到SW3都断开。当曲轴30的速率达到零时，指示电动机已经停止，控制器164同样发出使开关SW1到SW3保持断开的信号。但应知道由于在压缩机的出口和进口间存在着巨大的压力差，高压的排放气体发出的力将使连接在其上的曲轴30和转子146迅速降低向前的速率然后迅速提高在反方向旋转的速率。按照本发明的较优实施例，当反方向旋转的负的速率的信号被检测后，控制器164会发出一个制动信号以便将一个制动转矩施加在转子146上来反对反向旋转。根据这个制动信号，开关控制器170调整开关SW1到SW3的开通关断定时以便产生一个力图驱动转子146使它返回到向前旋转的制动转矩，从而降低反向旋转的速率。这样便可通过由于反向旋转速率的降低而造成的正常的漏使压缩机10在进口和出口之间的压力差取得均衡。这样还可减少由于压缩机零件突发的高速反向旋转所带来的各种有害的影响。

图7通过磁通量和所施加的安培匝数(Ni)之间的函数关系示出一个相位的磁路的功能操作。D和E分别代表在非接合和接合位置的磁路的磁化(饱和)曲线。面积可代表能量，这是电工行业内所熟知的，dw＝Ni(dΦ)分。这样Ni(dΦ)和积分式环(1)所包围的面积便代表投入在磁路内并被转变成向前旋转的机械能的能量。从图上可以看到，磁通量是在开关闭合而转子极大部分未被接合的情况下沿着箭头的方向运行到转子大部分被接合而开关在A点被断开的过程中积聚起来的。

本发明的电动机控制开关转换线路152可有效地应用在任何需要按给定速率驱动电动机向前旋转而又要产生制动转矩来反对反向旋转的地方。这是通过开关的适当定时来完成的。通过开关的适当定时可使定子/转子磁路的磁化在转子极很好地被接合在定子极内时如同图7的环(2)从O点到B点进行，而在转子极未被接合而去磁(开关关断)时则从B点到O点进行。在磁通量消失时，转子的机械能被转变成为被二极管回收线路回收的电能(画有阴影线的部分)，该电能能存贮在电容器C内及/或用在其他相位上及/或如果需要，通过开关SW4的脉动在电阻器R内消耗成为热。有利的是，制动能造成过多的电能。这样电动机控制开关转换线路152在AC电源154开通或关断时都可操作。当AC电源154关断时，电容器C、电感器L和定子绕且144A到144C因有能量存贮在其内，可使控制线路152产生制动转矩。

虽然本发明只是结合具体实例进行说明，但除了所附权利要求书限定的范围并不受实例的限制。而在研究本发明的说明和附图后，本行业的行家是可以在不背离本发明创意的情况下作出各种修改的。

Claims (19)

1.一种旋转压缩机具有：

一个压缩室；

一根驱动轴用来强制造成压缩室内的压缩；

一台装开关的磁阻式电动机，具有一个与驱动轴连结的转子，还包括一个定子，该定子具有一个或多个定子电路用来提供磁阻转矩以便使转子向前旋转；

一个控制器用来确定状况是否已经改变到能使转子反向旋转；以及

一个用来使电动机定子线路增能的线路，它能根据所说控制器的关于状况改变的确定对转子施加一个制动转矩来反对反向旋转。

2.按照权利要求1的压缩机，其特征为，所说压缩机为涡卷式压缩机。

3.按照权利要求1的压缩机，其特征为，所说转子具有一个或多个凸起件。

4.按照权利要求1的压缩机，其特征为，所说状况改变是所说转子旋转方向的反转。

5.按照权利要求1的压缩机，其特征为，控制器在确定所说状况改变时把它作为施加在所说电动机定子线路上的电压和电流的函数。

6.按照权利要求1的压缩机，其特征为，控制器与一位置传感器连接以便接收指示转子现有位置的信号。

7.按照权利要求1的压缩机还具有一个电源以便将电力供应给所说电动机定子线路。

8.按照权利要求1的压缩机还具有一个与所说电动机定子线路并联的电容器以便用来存贮能量。

9.按照权利要求1的压缩机，其特征为，所说压缩机在去能后可经过一段延迟时间再进行反向旋转。

10.按照权利要求1的压缩机，其特征为，所说电动机还具有开关转换装置，以便在转子向前旋转时按顺序将电流施加到所说定子线路上，所说开关转换装置包括将转子反向旋转时感应出来的电流反馈到定子线路内的反馈装置。

11.按照权利要求1的压缩机，其特征为，所说控制器确定一个速率信号并将该信号与一设定值比较。

12.按照权利要求1的压缩机，其特征为，所说控制器操作着多个开关以便根据开通和关断的转换定时来增大或减小电动机所产生的转矩。

13.一种旋转压缩机具有：

一个泵压室；

一根驱动轴用来强制造成泵压室内的压缩；

一台电动机具有一个非永久磁性的、与驱动轴连结的转子，还包括一个定子，该定子具有一个或多个定子电路用来施加转矩以便使转子向前旋转；

一个控制器用来确定状况是否改变到能使电动机反向旋转；以及

一个用来将电流施加在定子线路上的线路，它能根据所说控制器的关于状况改变的确定来施加电流以资反对转子的反向旋转。

14.一种旋转压缩机具有：

一根驱动轴用来强制造成压缩室内的压缩；

一台电动机具有一个含有一个或多个凸起件的转子，还包括一个定子，该定子具有一个或多个定子电路用来将转矩施加在转子上使它向前旋转；

一个控制器用来确定状况是否已经改变到能使电动机反向旋转；以及

一个将电流施加到定子线路的线路，它能根据所说控制器的关于状况改变的确定对转子施加一个制动转矩来反对转子的反向旋转。

15.一种控制旋转压缩机使它能在压缩机停车时反对电动机的反向旋转的方法，所说的方法具有下列步骤：

将能量施加在定子线路上驱动转子向前旋转；

减少所施加的能量以至停止对压缩机电动机供电；

确定状况是否已经改变到能使转子反向旋转；

重新将能量施加在定子线路上来反对转子的反向旋转；

回收在定子线路内感应出来的能量；以及将回收的能量送回到定子线路内。

16.按照权利要求15的方法，其特征为，回收能量的步骤包括在转子反向旋转时回收在定子线路内感应出来的能量。

17.一种控制旋转压缩机使它能在压缩机停车时反对电动机反向旋转的方法，所说方法具有下列步骤：

施加能量，驱动定子线路，通过磁阻驱动转子使它向前旋转；

减少所施加的能量以至停止对压缩机电动机供电；

确定状况是否已经改变到能使转子反向旋转；以及

重新施加能量，驱动定子线路来反对转子的反向旋转。

18.一种涡卷压缩机具有：

一对互相配合的涡卷件；

一根用来驱动所说涡卷件的旋转轴使这两个涡卷件互相相对地旋转，所说相对的旋转运动可使至少一个压缩室形成，该压缩室从处在进气压力的进口区伸展到处在排气压力的排放区时逐渐变小；

一台用来转动所说轴的电动机；

一个与所说排放区连通以便从排放区接纳排放气体的封闭空间，所说排放压力和所说进气压力之间的压力差及所说排放气体的封闭空间都相当大，以致所说封闭空间内的增压气体在没有制动力的情况下会驱动压缩机反向旋转；以及

一个用来将能量施加到所说电动机上的线路，从而将磁阻感应出来的转矩施加在电动机的转子上来反对轴的反向旋转。

19.一种涡卷压缩机具有：

一对互相配合的涡卷件；

一根用来驱动所说涡卷件的旋转轴使这两个涡卷件互相相对地旋转，所说相对旋转运动可使多个压缩室形成，它们在从处在进气压力的进口区伸展到处在排气压力的排放区时逐渐变小；所说排放压力和所说进气压力之间的压力差及所说这些压缩室的体积都相当大，以至所说这些压缩室内增压的空气在没有制动力的情况下会驱动压缩机反向旋转；

一台用来转动所说轴的电动机；以及

一个用来将能量施加到所说电动机上的线路，从而将磁阻感应出来的转矩施加在电动机的转子上来反对轴的反向旋转。

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