CN115280028A - 用于离心式制冷剂压缩机的轴向磁轴承 - Google Patents

用于离心式制冷剂压缩机的轴向磁轴承 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种用于离心式制冷剂压缩机的轴向磁轴承以及对应的系统和方法。根据本公开的示例性方面的离心式制冷剂压缩机系统尤其包括连接到轴的叶轮和支撑轴的磁轴承系统。磁轴承系统包括轴向磁轴承，其本身包括被配置为产生第一偏置通量的第一永磁体、与第一永磁体轴向间隔开并被配置为产生第二偏置通量的第二永磁体、以及电磁体。电磁体包括布置在第一和第二永磁体径向外部的线圈，并且电磁体被配置为选择性地产生第一控制通量或第二控制通量以分别沿第一轴向方向或与第一轴向方向相反的第二轴向方向向轴施加力。

Description

用于离心式制冷剂压缩机的轴向磁轴承
技术领域
本公开涉及一种用于离心式制冷剂压缩机的轴向磁轴承，以及对应的系统和方法。
背景技术
离心式制冷剂压缩机用于通过制冷剂回路将制冷剂循环到冷却器。一些离心式制冷剂压缩机包括由磁轴承系统支撑在转子轴上的叶轮，该磁轴承系统通常包括径向和轴向磁轴承。在一些压缩机中，径向磁轴承向轴施加径向力，并且轴向磁轴承向轴施加轴向磁力。
发明内容
根据本公开的示例性方面的离心式制冷剂压缩机系统尤其包括连接到轴的叶轮和支撑轴的磁轴承系统。磁轴承系统包括轴向磁轴承，轴向磁轴承本身包括被配置为产生第一偏置通量的第一永磁体、与第一永磁体轴向间隔开并被配置为产生第二偏置通量的第二永磁体、以及电磁体。电磁体包括布置在第一和第二永磁体的径向外部的线圈，并且电磁体被配置为选择性地产生第一控制通量或第二控制通量，以分别沿第一轴向方向或与第一轴向方向相反的第二轴向方向向轴施加力。
在前述系统的进一步非限制性实施例中，该系统包括极，所述极包括第一极和第二极，其中，第一永磁体由第一极支撑并且第二永磁体由第二极支撑。
在任何前述系统的进一步非限制性实施例中，第一极与第二极通过间隙轴向间隔开，并且由磁性材料形成并被配置成与轴一起旋转的盘突出到所述第二极中。
在任何前述系统的进一步非限制性实施例中，第一极包括接纳第一永磁体的第一槽，并且第二极包括接纳第二永磁体的第二槽。
在任何前述系统的进一步非限制性实施例中，第一永磁体和第二永磁体基本上成形为长方体。
在任何前述系统的进一步非限制性实施例中，第一槽轴向地延伸穿过整个第一极，并且第二槽轴向地延伸穿过整个第二极。
在任何前述系统的进一步非限制性实施例中，第一永磁体是由第一极支撑的多个第一永磁体之一，第一槽是形成在第一极中的多个第一槽之一，每个第一永磁体布置在第一槽中的相应一个中，第二永磁体是由第二极支撑的多个第二永磁体之一，第二槽是形成在第二极中的多个第二槽之一，并且每个第二永磁体布置在第二槽中的相应一个中。
在任何前述系统的进一步非限制性实施例中，第一槽通过第一极的相应的桥在周向上彼此间隔开，并且第二槽通过第二极的相应的桥在周向上彼此间隔开。
在任何前述系统的进一步非限制性实施例中，第一极和第二极的桥是磁饱和的。
在任何前述系统的进一步非限制性实施例中，第一极和第二极的桥的磁通量密度大于或等于1.5特斯拉(T)。
在任何前述系统的进一步非限制性实施例中，第一极包括内极和外极，第一永磁体是径向地位于第一极的内极和外极之间的多个第一永磁体之一，第二极包括内极和外极，第二永磁体是径向地位于第二极的内极和外极之间的多个第二永磁体之一。
在任何前述系统的进一步非限制性实施例中，第一永磁体是连接到第一极的径向最内表面的多个第一永磁体之一，并且第二永磁体是连接到第二极的径向最内表面的多个第二永磁体之一。
在任何前述系统的进一步非限制性实施例中，该系统包括传感器和控制器，所述传感器被配置为产生指示轴的轴向位置的输出，所述控制器被配置为接收输出并选择性地发出激活电磁体的指令。
根据本公开的示例性方面的方法尤其包括激活离心式制冷剂压缩机的轴向磁轴承的电磁体以将轴向力施加到离心式制冷剂压缩机的轴上。轴向磁轴承还包括被配置为产生第一偏置通量的第一永磁体、与第一永磁体轴向间隔开并被配置为产生第二偏置通量的第二永磁体，并且电磁体包括布置在第一和第二永磁体的径向外部的线圈。激活电磁体的步骤包括产生第一控制通量或第二控制通量以分别沿第一轴向方向或与第一轴向方向相反的第二轴向方向向轴施加力。
在前述方法的进一步非限制性实施例中，第一永磁体是多个径向对准的第一永磁体之一，所述多个径向对准的第一永磁体通过相应的磁饱和的桥在周向上彼此间隔开，并且第二永磁体是多个径向对准的第二永磁体之一，所述多个径向对准的第二永磁体通过相应的磁饱和的桥在周向上彼此间隔开。
附图说明
图1是具有离心式制冷剂压缩机的制冷剂系统的极为示意性的视图。
图2是具有由径向和轴向磁轴承支撑的轴装式叶轮的离心式制冷剂压缩机的极为示意性的视图。
图3是示例性轴向磁轴承布置结构的示意图。
图4是图3的示例性轴向磁轴承布置结构的剖切的透视图。
图5是诸如图3和图4的示例性轴向磁轴承的示意图，并且图示了示例性偏置和控制通量。
图6是另一个示例性轴向磁轴承布置结构的剖切的透视图。
图7是又一个示例性轴向磁轴承布置结构的剖切的透视图。
具体实施方式
参考图1和2，制冷系统10包括离心式制冷剂压缩机12(“压缩机12”)，用于使流体流循环F，在该示例中所述流体是制冷剂。示例性压缩机12在图2中更详细地示出，并且包括壳体14，在该壳体内布置电动机16。虽然在该示例中压缩机12是离心式压缩机，但本公开延及到其他应用。壳体14被示意性地绘制并且可以包括一个或多个构件。电动机16通过轴20围绕中心轴线A(“轴线A”)旋转地驱动叶轮18以压缩制冷剂。
叶轮18包括入口22和出口24。如图2所示，入口22轴向布置，并且出口24径向布置。尽管仅示出了一个叶轮，但压缩机12可以包括多个叶轮。
压缩机12与制冷剂回路26流体连通，所述制冷剂回路将制冷剂循环到负载、诸如冷却器。如图1所示，制冷剂回路26包括冷凝器28、蒸发器30和膨胀装置32。虽然制冷剂系统10的特定示例在图1中示出，但该应用延及到其他制冷剂系统配置。此外，本公开延及到相对于不包含冷却器的制冷剂回路使用的压缩机。例如，制冷剂回路26可以包括位于冷凝器28下游和膨胀装置32上游的节能器。
无油轴承布置结构被提供用于支撑轴20，使得无油制冷剂可用于热管理(即冷却)压缩机12、即电动机16。在示例中，轴20通过磁轴承组件34被相对于壳体14旋转地支撑。在该示例中，磁轴承组件34包括两个径向轴承36、38，它们可以是磁的，或也可以不是磁的，被配置为支撑和/或调节轴20的径向位置。术语“径向”在本文中参考轴线A使用并且在图2中是大致上下的。本公开不限于径向磁轴承36、38的任何特定细节。此外，本公开可以与任何类型的径向轴承一起使用，并且不限于与径向磁轴承一起使用。磁轴承组件34还包括轴向磁轴承40，其被配置成支撑和/或调节轴20的轴向位置。
控制器42与磁轴承组件34通信，并且特别是接收来自磁轴承组件34的部件的信号并被配置为向磁轴承组件34的部件提供指令。特别是，控制器42被配置成选择性地发出指令以激活与径向和/或轴向磁轴承36、38、40相关联的一个或多个电磁体。响应于这些指令，在压缩机12运行期间，磁轴承组件34产生使轴20悬浮的磁场并控制其特性，包括通过持续监测和调节轴20的径向和/或轴向位置来稳定轴20。
控制器42被示意性地绘制，并且可以包括一个或多个控制器，这些控制器彼此远离或靠近地定位。控制器42可以包括硬件和/或软件。控制器42可以通过有线和/或有线连接而电连接到磁轴承组件34的各个部件。控制器42还可以电连接到压缩机12的除磁轴承组件34之外的其他部件，并且被配置为从其接收信号并向其发送指令。
图3是更详细地示意性图示出轴向磁轴承40的示例性布置结构的局部剖视图。在图3中，控制器42电连接到轴向磁轴承40的电磁体44和位置传感器46。位置传感器46被配置为产生指示轴20的轴向位置的信号，以用于控制反馈系统和振动监测。
在所示示例中，位置传感器46被配置为通过感测位置传感器46与从轴20的外表面50径向向外突出的凸片48之间的距离来检测轴20的轴向位置。在一个示例中凸片48是传感器目标。在该示例中，控制器42使用来自位置传感器46的信息通过控制流过电磁体44的线圈52的电流来控制由电磁体44产生的力。代替位置传感器46和凸片48，控制器42可以替代地使用指示轴的轴向位置的其他信息。位置传感器46可以是任何已知的部件，其被配置为产生可以由控制器42解释并且对应于位置传感器46和凸片48之间的距离的信号。控制器42还与电压或电流源(未示出)通信或包括电压或电流源(未示出)，以便向电磁体44提供希望的电流，如下面将讨论的那样。
在该示例中，轴向磁轴承40包括极组件54。在一个示例中，极组件54包括第一极56和附接到第一极56的第二极58。第一极56和第二极58在图中仅部分示出。应当理解，第一极56和第二极58围绕轴线A周向延伸。虽然示出了分开的第一极56和第二极58，但是第一极和第二极可以一体地形成为一个无缝结构。
第一极56和第二极58由诸如钢的磁性材料形成，使得磁通量可以从中通过。在这点上，第一极56和第二极58可以被称为磁极或定子。第一极56和第二极58使用已知的附接技术、诸如使用紧固件而彼此附接。在附接时，第一极56和第二极58在它们之间限定径向延伸的间隙60。间隙60面向轴20敞开。与轴20相邻，间隙60包括在从轴20的外表面50径向向外突出的盘64的第一侧上的第一轴向间隙62和在盘64的与第一侧相对的第二侧上的第二轴向间隙66。在该示例中，盘64由磁性材料制成，同样使得磁通量可以从中通过。在第一轴向间隙62和第二轴向间隙66和盘64的径向外部，间隙60包括容纳电磁体44的线圈52的腔68。第一极56和第二极58在一径向外部位置处相互接触以提供间隙60和腔68的径向外边界。
在该示例中，轴向磁轴承40包括分别位于第一极56和第二极58中并且与第一间隙62和第二间隙66相邻的多个第一永磁体和多个第二永磁体。图3示出第一永磁体70A。附加的第一永磁体70B在图4中示出。第二永磁体72在图3中示出。第一永磁体和第二永磁体布置在第一极56和第二极58的相应一个中，并且在该示例中在极组件54的径向最内表面73的径向外部间隔开并也在腔68的径向内部间隔开。
第一永磁体70A、70B中的每一个基本上径向对准并且围绕轴线A在周向上彼此间隔开。同样地，第二永磁体基本上彼此径向对准并且与第一永磁体对准，并且围绕轴线A在周向上彼此间隔开。图4中仅示出了第一永磁体70A、70B中的两个。在一个示例中，有六个围绕轴线A周向延伸的第一永磁体。在该示例中，有相同数量的类似布置的第二永磁体。本公开不限于特定数量的磁体。
参考图4，例如，第一极56包括多个第一槽74A、74B，它们轴向延伸穿过与第一间隙62相邻的整个第一极56，并接纳相应的第一永磁体70A、70B。第一永磁体70A、70B基本上成形为长方体。槽74A、74B相似地成形，但具有圆形端部以便于加工。例如，槽74A、74B可以铣削到第一极56中。此外，相邻的槽74A、74B由桥76间隔开，所述桥是第一极56的周向地位于相邻的永磁体之间的部段。第二极58包括类似布置的被配置成接纳第二永磁体的槽，包括周向地位于这些槽之间的桥。
参考图5，每个第一永磁体被配置为产生第一偏置通量B1，并且每个第二永磁体被配置为产生第二偏置通量B2。在图5中，第一永磁体70A和第二永磁体72的每一个中只有一个是可见的，但第一和第二永磁体中的每一个都产生沿矢量的磁通量，其在图5中图形地表示为第一偏置通量B1和第二偏置通量B2。由于第一和第二永磁体的性质，第一偏置通量B1和第二偏置通量B2基本上是恒定的。虽然在图5中第一偏置通量B1和第二偏置通量B2不穿过轴20，但如果轴20由磁性材料制成，则第一偏置通量B1和第二偏置通量B2进一步径向向内延伸并且可以部分地穿过轴20。
例如如果来自位置传感器46的信号指示轴20的轴向位置需要调节，则控制器42发出指令以例如通过指示电流源来激活电磁体44，从而引起电流流过线圈52。根据流过线圈52的电流的水平和方向，由电磁体44产生的磁场变化。当电磁体44被激活时，电磁体44产生控制通量C。根据流过线圈52的电流的方向，控制通量C可以是第一控制通量或第二控制通量以便分别抵消第一控制通量B1或第二偏置通量B2，并且以便分别沿第一轴向方向(即，图5中向左侧)或与第一轴向方向相反的第二轴向方向(即，图5中向右侧)向轴20施加力。换言之，控制通量C防止轴20的意外轴向运动。
在图5的示例中，控制通量C采用上述第一控制通量的形式，其围绕线圈52沿逆时针方向延伸。因此，在第一间隙62中，控制通量C的轴向延伸分量与第一偏置通量B1的轴向延伸分量的方向相同，而在第二间隙66中则相反。即，控制通量C的轴向延伸分量与第二偏置通量B2的轴向延伸分量的方向相反。因此，相对于图5，盘64以及进而轴20上的净力是使盘向左侧移动的吸引力。如果通过线圈52的电流反向，则会发生相反的情况，并且控制通量C将采用前述第二控制通量的形式，围绕线圈52沿顺时针方向延伸。进而，盘64和轴20将被吸引到右侧。
在本公开的一个特定方面中，第一极56和第二极58的桥76是磁饱和的，以便抵抗进一步磁化并如图5所示引导第一偏置通量B1和第二偏置通量B2，而不是沿周向方向引导通过相应的第一极56和第二极58。就此而言，磁饱和是指当施加的外部磁场的增加不能进一步增加饱和元件的磁化时的状态，因此总磁通量密度基本上趋于平稳。在特定示例中，相邻磁体相对于桥布置为使得第一极和第二极的桥的磁通量密度大于或等于1.5特斯拉(T)。这样的饱和水平防止了通过第一极56和第二极58周向地通量泄漏，而不需要大量去除桥(这会需要稍微更复杂并且可能成本更高的制造技术)。
图6和图7示出了用于压缩机的其他示例性轴向磁轴承，其不包括槽和/或桥。在这些图中，示例性轴向磁轴承包括与上面使用的附图标记相似的附图标记，其中相似的部件分别在前加有“1”或“2”。图6和图7的实施例在一些方面可能比上述实施例更难制造或成本更高，但它们不包括需要单独加工的槽，并且桥饱和不是问题，因为在相邻的永磁体之间的周向空间中不存在磁性材料。
在图6中，极组件154包括类似于第一极56和第二极58的第一极156和第二极158，不同之处在于第一极156和第二极158中的每一个都包括内极156I、158I和与相应的内极156I、158I分开形成的外极156O、158O。如图6所示，第一永磁体170A、170B径向布置在第一极156的内极156I和外极156O之间。第二永磁体(在图6中仅可见一个(第二永磁体172))同样径向地布置在内极158I和外极158O之间。外极156O、158O可以是产生力的有源极，而内极156I、158I可以是不产生力而是用作偏置通量的返回路径的无源极。
在另一个实施例中，如图7所示，第一永磁体(即270A、270B)和第二永磁体(即272)连接到极组件254的径向最内表面274、即相应的第一极256和第二极258的径向最内表面。在图6和图7中，永磁体被弯曲以匹配相应极的曲率，这与之前的其中永磁体类似于接纳在类似形状的槽中的长方体的实施例不同。
应当理解，诸如“轴向”、“径向”和“周向”之类的术语在上文参考压缩机的正常运行姿态使用。此外，这些术语在本文中出于解释的目的而使用，并且不应被认为是限制性的。诸如“一般”、“基本上”和“大致”之类的术语并非旨在成为无边界的术语，并且应该与本领域技术人员解释这些术语的方式一致地进行解释。
尽管不同示例具有图示中所示的特定部件，但是本公开的实施例不限于那些特定组合。可以将来自示例之一的一些部件或特征与来自另一示例的特征或部件结合使用。此外，本公开所附的各个附图不一定是按比例的，并且一些特征可能被夸大或最小化以显示特定部件或布置结构的某些细节。
本领域普通技术人员将理解，上述实施例是示例性的而非限制性的。也就是，本公开的修改将落入权利要求的范围内。因此，应研究所附权利要求以确定其真实范围和内容。

Claims (15)

1.一种离心式制冷剂压缩机系统，包括：
连接到轴的叶轮；
支撑所述轴的磁轴承系统，其中，所述磁轴承系统包括轴向磁轴承，所述轴向磁轴承包括：
被配置为产生第一偏置通量的第一永磁体；
与所述第一永磁体轴向间隔开并且被配置为产生第二偏置通量的第二永磁体；和
电磁体，所述电磁体包括布置在所述第一永磁体和所述第二永磁体的径向外部的线圈，其中，所述电磁体被配置为选择性地产生第一控制通量或第二控制通量，以分别沿第一轴向方向或与所述第一轴向方向相反的第二轴向方向向所述轴施加力。
2.如权利要求1所述的系统，还包括第一极和第二极，其中，所述第一永磁体由所述第一极支撑并且所述第二永磁体由所述第二极支撑。
3.如权利要求2所述的系统，其中：
所述第一极与所述第二极通过间隙轴向间隔开，并且
由磁性材料形成并且被配置为与所述轴一起旋转的盘突出到所述间隙中。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一极包括接纳所述第一永磁体的第一槽，并且所述第二极包括接纳所述第二永磁体的第二槽。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述第一永磁体和所述第二永磁体基本上成形为长方体。
6.如权利要求4所述的系统，其中，所述第一槽轴向延伸穿过整个所述第一极，并且所述第二槽轴向延伸穿过整个所述第二极。
7.如权利要求4所述的系统，其中：
所述第一永磁体是由所述第一极支撑的多个第一永磁体之一，
所述第一槽是形成在所述第一极中的多个第一槽之一，
每个所述第一永磁体布置在所述第一槽中的相应一个中，
所述第二永磁体是由所述第二极支撑的多个第二永磁体之一，
所述第二槽是形成在所述第二极中的多个第二槽之一，并且
每个所述第二永磁体布置在所述第二槽中的相应一个中。
8.如权利要求7所述的系统，其中：
所述第一槽通过所述第一极的相应的桥在周向上彼此间隔开，并且
所述第二槽通过所述第二极的相应的桥在周向上彼此间隔开。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述第一极和所述第二极的桥是磁饱和的。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述第一极和所述第二极的桥的磁通量密度大于或等于1.5特斯拉(T)。
11.如权利要求5所述的系统，其中：
所述第一极包括内极和外极，
所述第一永磁体是径向地位于所述第一极的所述内极和所述外极之间的多个第一永磁体之一，
所述第二极包括内极和外极，并且
所述第二永磁体是径向地位于所述第二极的所述内极和所述外极之间的多个第二永磁体之一。
12.如权利要求5所述的系统，其中：
所述第一永磁体是连接到所述第一极的径向最内表面的多个第一永磁体之一，并且
所述第二永磁体是连接到所述第二极的径向最内表面的多个第二永磁体之一。
13.如权利要求1所述的系统，还包括：
传感器，所述传感器被配置为产生指示所述轴的轴向位置的输出；和
控制器，所述控制器被配置为接收所述输出并选择性地发出激活所述电磁体的指令。
14.一种方法，包括：
激活离心式制冷剂压缩机的轴向磁轴承的电磁体，以向所述离心式制冷剂压缩机的轴施加轴向力，其中，所述轴向磁轴承还包括：
被配置为产生第一偏置通量的第一永磁体；
与所述第一永磁体轴向间隔开并且被配置为产生第二偏置通量的第二永磁体；和
其中，所述电磁体包括布置在所述第一永磁体和所述第二永磁体的径向外部的线圈，并且激活所述电磁体的步骤包括产生第一控制通量或第二控制通量，以分别沿第一轴向方向或与所述第一轴向方向相反的第二轴向方向向所述轴施加力。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述第一永磁体是径向对准的多个第一永磁体之一，所述多个第一永磁体通过相应的磁饱和的桥在周向上彼此间隔开，并且所述第二永磁体是径向对准的多个第二永磁体之一，所述多个第二永磁体通过相应的磁饱和的桥在周向上彼此间隔开。
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