CN1633561A - 多级离心压缩机 - Google Patents

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Abstract

一种带有与之构成一体的高速电动机的多级离心压缩机，它包括：一定子(52)、一装有多个永久磁体(72a－72d)的转子(28)，其中，在定子(52)与转子(28)之间有一气隙(50)。转子(28)有一导磁钢的轴(75)，该轴(75)在每一端部处由加压油润滑的流体动力轴承(53，54)可转动地支承。压缩机还包括多个安装成与转子轴(75)一起转动的压缩机叶轮(26，27)和向轴承(53，54)输送冷却油的泵(29)。还设有一条穿过定子(52)的通路(66)，用来在启动过程中将加压空气引入所示气隙(50)内，以保持气隙内为正压，并借以将油从气隙(50)排出。

Description

多级离心压缩机
技术领域
历来，排出压力低于150磅/平方英寸的低流量的压缩机(低于800吸入立方英尺/分(200马力))都是螺旋式或往复式压缩机。这些螺旋式和往复式压缩机是由小型低速(1800至3600转/分)感应型电动机来驱动的。离心压缩机需要高转速，这就决定了需要用齿轮来把驱动速度增高至更高的转子转速(约为驱动转速的5至20倍)。起先，小型离心压缩机在低流量时效率极低，机械损耗较高，并且由于需要增速齿轮和附加的轴承而不经济。由于这些问题，离心压缩机对于低流量市场曾是不可行的。
背景技术
尽管离心压缩机技术对于低流量范围已变得较为有效，但由于增速齿轮和附加的轴承，它们仍是成本较高和机械损耗较大。这就激发人们去研制一种直接驱动的高速电动机/压缩机。
但是很长时间以来，这些转速和功率等级是不可行的。功率电子元件方面的技术状态的进步使得在所要求的功率等级下进行所要求的高频度切换成为可能。但还是存在其它的问题，诸如要能将高密度的磁体固定在以极高转速转动的轴上。而如今，比金属轴套强度更高的合成纤维可以解决这个问题。
本发明的目的是提供一种改进的与压缩机的各级设计成为一个整体的结构紧凑的小型高速电动机，以直接将压缩机驱动至所要求的高转速，而无需增速齿轮及其需要的附加的轴承。
发明内容
本发明针对一种由一高速电动机轴直接驱动的例如两级的多级离心压缩机，而电动机轴是包括两个直接安装在电动机轴两端上的压气叶轮的转子的整体构成部分。电动机轴支承在用油润滑的流体动力轴承上，并由一个由高频逆变器供电的定子推动旋转，逆变器一个电子控制系统控制，电子控制系统与功率转换系统和霍尔传感器相互协调工作。
在本发明的一个实施例中，一种带有与之构成一体的高速电动机的用来压缩空气的多级离心压缩机包括：
1)一个可变速的永磁电动机，它具有围绕一装有多个永久磁体的转子的多个电子整流定子线圈，其中，在各线圈与转子之间存在一气隙，所述转子具有一导磁钢的转子轴，所述轴的每一端由加压油润滑的流体动力轴承可转动地支承，以及其中，各定子线圈包括许多沿定子纵向延伸并连续地围绕定子的端部而形成多个端部线匝的定子金属导线；
2)多个安装成与转子轴一起转动的压缩机叶轮；
3)一个用来将冷却的油引入到轴承中用以润滑轴承及并冷却轴承、转子和定子线圈的泵，所述轴承构造成可使从轴承出来的油飞溅到轴的受支承的端部上以及飞溅到定子线圈的端部线匝上，以及
4)穿过定子的一通路，其用于在启动过程中引入加压的空气，以使气隙内的正压，借以将油从气隙内排出。
本发明针对一种带有与之构成一体的高速电动机的多级离心压缩机的启动方法，其中，电动机具有一定子和一可转动地支承于其中并在两者间形成一气隙的转子，并且其中，转子每一端由油润滑的流体动力轴承支承，其中，所述方法包括以下步骤：
1)当转子开始转动时，在转子的两端部之间的一位置将加压的空气供入所述气隙内，以使从轴承进入气隙的油为最少，以及
2)当转子的转速达到足以从使油转子的端部离心地向外排出并从气隙排空时，停止空气的供入。
本发明的另一个方面针对一种带有与之构成一体的高速电动机的多级离心压缩机，它包括：
1)一个可变速的永磁电动机，它具有围绕一装有多个永久磁体的一转子的多个电子整流定子线圈，所述转子有一由轴承可转动地支承的一导磁钢的轴；
2)多个安装成与转子轴一起转动的压缩机叶轮；
3)所述转子包括：
(1)由平行于轴的转动轴线的四个平面限定的方形横截面的钢轴，
(2)多个由一圆柱形表面和一平的表面所限定并有一弓形横截面的永久磁体，所述各磁体分别固定在方形钢轴的四个平面之一上，并布置成极性交替，以及
(3)预应力的碳石墨纤维增强的塑性捆扎装置，用来将各永久磁体保持在轴上。
定子和逆变器是采用翅片式热交换器进行水冷的。通过将冷空气引入气隙50来控制转子和定子之间的气隙，这些空气可吹除气隙内的油之类的异物。通过将邻近磁体的轴端部浸在冷油中来冷却转子轴。轴冷却的一种可替代方式或加强方式是利用从第二级叶轮贯穿转子到第一级叶轮的一轴向孔。这样，来自第二级进口的被冷却了的空气可从轴内流过而带走热量。空气流的推动力是从第二级进口至第一级进口的压力差。
转子是由安装在一方形横截面的钢轴上并借助于一预应力合成碳石墨纤维绕线层来保持在位的四个半月形钐钴磁体构成的。
附图简述
图1是用于在启动和运行模式中向电动机提供电力的电气系统的示意图；
图2是带有两个压气级、空气通路和中间冷却器的转子的剖视图；
图3是拼合式定子的构造图；
图4是示出图3之细节的一组件的横剖面图；
图5是一转子的构造图；
图5A是沿着图5中线5A-5A截取的一剖面图；
图6示意地示出了用来将交流输入转换成直流电压的一整流电路；
图7示意地示出了由六个IGBT开关组成的逆变电路，用来在启动和运行模式中将电流接连到电动机；以及
图8示出了由两个IGBT开关组成的一升压斩器波电路，用来在直流母线上升高电压。
具体实施方式
图1示出了包括一系统控制器1和一压缩机控制器2的一电气控制系统包括一整流器4、一升压器5、一逆变器6以及一电动机7的一功率转换系统之间的关系。电气控制系统与功率转换系统及霍尔传感器3相互配合，以使电动机启动以及使电动机达到全速状态而承担压缩机的载荷。
图2、3和4示出了转子压缩机结构带有级间空气冷却的空气流通路径。大气空气通过第一级进口21进入一离心压缩机的第一级27，该第一级压缩空气并使其变热。为了增加压缩过程的效率，在空气通过第二级进口24进入第二级26之前使其在热交换器31中进行冷却。热交换器利用在29处流入并从30处流出的冷水来进行从空气到水的热交换。第二级26将空气25进一步压缩至所需要的压力等级。
在转子28在启动时开始转动时，通过管路23将来自从一外部空气源的压缩空气引入到转子28和定子52之间的气隙50中，以防止油从支承转子28的轴承53、54进入气隙50。为了这里所讨论的内容，将描述与轴承53相关的结构布置，应该理解，与轴承54相关的结构布置是相似的。
被迫进入气隙50的空气可用于控制转子28和定子52之间的气氛，以防止油进入到气隙50内，或将可能已经在气隙50内的油吹除出去。在启动之后，当转子28达到以足以使任何与转子28接触的油都将被离心力从转子28上甩掉并离开气隙50的速度转动时，应停止通过管路23引入压缩空气。如果在高转速下向气隙50供入压缩空气，那么转子28和定子52会发生不希望有的摩擦和生热。
转子28在加载状态下的高速转动会使转子中由于通风损耗、铁损或铜损以及谐波而产生热量。通过将转子轴55的端部56浸在冷油中可冷却该轴55。用泵59通过油道57来泵送油，在油道57中，油在压力下被引入轴承53以进行润滑，同时也从轴承53带走热量，且当油从轴承53飞溅到空腔58内的定子52的端部线匝上时，油也从定子52的端部线匝9带走热量。应予理解，泵59是示意地示出的，它可向组件中的所有转子轴承供油。
一种可替代的轴冷却结构(未示出)是穿过转子28的轴内的一个孔从第二级进口24向第一级进口21供应被冷却了的空气。空气的推动力是比第一级进口21处的压力高的第二级进口24处的压力与第一级进口21处的压力之间的压力差。这样的结构也可以与油冷却一起使用。
现在请注意图3和4，用一同步永磁电动机7来驱动压缩机的两级26和27。电动机7包括定子52和转子28。定子52用叠装在一起的电工钢层叠盘片60制成，如图3所示。用于盘片60的层叠材料(图中示出了两片)是高质量的，所以产生的损耗很小。定子52的叠片在其24个定子凹槽中容纳多个Y形连接的三相分布绕组。定子52在是由两段拼合起来的，其中间容纳一个占有一个或多个盘片60的位置的耐高温塑性间隔件8，它具有若干径向延伸的辐向通道64，用以将来自管路23的压缩空气从定子52的外径处供应到定子52的内径与转子28的外径之间的气隙50。这些空气用来吹除气隙50内的任何油，或者防止油进入气隙50内。空气是通过管路23供应到一通道66中，该通道66穿过围绕诸盘片60的一水冷套10延伸到绕定子52的外侧延伸的一环状空间70。从那里，空气就通过辐向通道64分布到气隙50内。
邻近气隙50的各端部线匝9的金属导线之间的开口用于排油。定子52的外周装有水冷套10，它对定子52中由铜损和铁损产生的热量进行冷却。因此，流过轴承54的油流和流过套10的水流都起冷却作用。
如图5和5A所示，转子具有用稀土钐钴制成的永久磁体12。每一转子有四个极。磁体的几何形状是半月形的，以使磁体的端部损耗为最小，并使应力为最小。各半月形的磁体72a-72d安装在一方形横截面的钢轴75上，某75用来构成完整的导磁场。用不导磁的钛制成的端盖13盖住各磁体。钛允许不必将磁体短路就可用霍尔传感器来感测转子磁体的杂散磁场。用预应力的合成材料绕线层14将转子磁体轴径向地固定在轴上。该绕线层14是高强度、低导电率且高阻抗的碳石墨纤维合成物。合成纤维绕线层的预应力状态可防止磁体从轴上松动，而一旦在工作过程中磁体松动就会损坏磁体。
对功率级的输入电压可以从是380伏到575伏，50或60赫兹。交流输入电压由半控制的整流电路转换成直流电压，直流电压的电平可以由升压相位来改变。用逆变器级将直流电压转变成具有所需幅值和频率的交流电压。定子绕组是连接于逆变器的输出。
图6所示的三相半控制的半导体闸流管用来将交流输入电压转换成直流电压。直流电压电平取决于输入电压，并且是输入电压的均方根值的1.45倍。半控制的半导体闸流管由三个闸流管15和三个二极管16组成。各由串联的RC电路构成的三个缓冲电路17分别连接于三个闸流管15的正极和负极。与全控制的形式相比，由于半控制的整流器所施加的电压下降瞬间增加值较小，RC元件可具有较小的额定功率。用一种软启动来初始地对连接于半控制的闸流管的输出的直流电容器组进行充电。在第一级启动的整个过程中，直流电容器的稳定电压保持不变。
电动机的启动分两级进行。两级都采用传统的六步反馈传感器解码。在这六个步骤中的每一步中，六个IGBT(绝缘栅双极晶体管)开关18中的两个是常通的，如图7所示。为了限制电动机加速过程中的电流，以18千赫对各开关中的一个进行PWM(脉冲宽度调制)。每当整流状态变化时，被调制的开关就也被改化，从而在六个IGBT中达到均匀的开关损耗分布。当电动机达到其标称转速的约80％时，有载因数为100％。此时，控制转为第二模式。
第二模式要求对如图8所示的递升(升压)电路加以控制。在第一启动模式结束时，直流母线就已经被充电至一取决于交流输入的均方根电压值的电压，且电动机处于所要求转速的80％。为了进一步增加电动机的转速，需要升高直流母线的电压电平。可通过改变开关的有载比来改变电压电平，该有载比就定义为开关的导通持续时间对切换时间周期的之比。在PWM切换模式中，是通过将一信号电平控制电压与一重复波形比较来产生控制开关状态(导通或断开)的开关控制信号。带有一恒定的波峰的锯齿形的重复波形的频率可建立切换频率。
在升压模式过程中，图7所示的受电压控制的IGBT电路是处于六步控制模式中，该模式使电动机的速度增加到一所要求的标称值。在任何时刻流过电动机两个相绕组20的电流取决于IGBT开关的通/断设置。六个IGBT开关中的每一个导通120°，随后断开60°，并被根据一查找表格进行调整。在120°的导通时间内，施加一正电压。在60°的断开时间内中，停止通电。然后以相同的方式在另两相中进行通电。在三相中分别实行可变的通电定时，以在各相之间形成一120°的相位差。当形成了旋转磁场时，就可以驱动电动机了。
一位置探测电路，即图1所示的霍尔传感器5，是基于霍尔效应的特性。三个霍尔传感器是间隔60°安装的，并且它们设计成用来感测从电动机转子的磁极发出的杂散磁场。当转子磁体的S极掠过传感器时，传感器就输出一正的信号电压；否则信号就为零。霍尔效应的拾取使逆变器和电动机定子绕组得以形成一闭环整流回路。
在电动机处于标称转速时，通过相对于相关的定子绕组中的感生反电动势控制成电流相位超前量可优化电动机电流。反电动势的零交叉点用作电流绕组注入的参照点。霍尔传感器可感测反电动势的零交叉点。
系统控制器执行所有的控制功能，包括电动机启动、PWM控制、升压控制、六步骤控制、电动机位置探测、电流优化以及转速控制。压缩机控制器控制启动和停止功能。在压缩机控制器和电动机控制器之间建立了起串行链接通讯。若干电动机控制给定值从压缩机控制器传输到电动机控制器，它们是：所要转速的给定值、低速报警和跳闸给定值、高速报警和跳闸给定值、最大电流强度和跳闸给定值、超前角和直流母线低压报警给定点。当一个监测到的参数达到不可接受但还没到工作的临界值时，执行一报警动作。当一个监测到的参数达到工作的临界且不安全的数值时，激发出一跳闸动作。系统控制器执行所有的跳闸动作。电动机/控制器模拟输入读数被传到输压缩机控制器用于显示，这些读数是转速、电流强度、直流母线电压以及电动机功率。
尽管已详细地描述了本发明的特定实施例，但熟悉本技术领域的人能理解，根据本说明书所揭示的所有内容，可以对那些详细结构研制出各种修改变型和替代方式。这里所述的目前为较佳的实施例仅用来进行说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应由所附权利要求书及其所有等效字句的全部范围来限定。

Claims (11)

1.一种带有与之构成一体的高速电动机的用来压缩空气的多级离心压缩机，它包括：
1)一个可变速的永磁电动机，它具有围绕一装有多个永久磁体的转子的多个电子整流定子线圈，其中，在各线圈与转子之间存在一气隙，所述转子有一导磁钢的转子轴，所述轴的每一端由加压油润滑的流体动力轴承可转动地支承，以及其中，各定子线圈包括许多沿定子纵向延伸并连续地围绕定子的端部而形成多个端部线匝的定子金属导线；
2)多个安装成与转子轴一起转动的压缩机叶轮；
3)一个用来将冷却的油引入到轴承中用以润滑轴承并冷却轴承、转子和定子线圈的泵，所述轴承构造成可使从轴承出来的油飞溅到轴的受支承的端部上以及飞溅到定子线圈的端部线匝上，以及
4)穿过定子的通路，其用于在启动过程中引入加压的空气，以使气隙内保持为正压，借以将油从气隙内排出。
2.如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，它还包括用于在电动机达到一预定转速时停止向气隙引入加压空气的装置。
3.如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，在启动过程中是将来自外部空气源的加压空气引入气隙。
4.如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，定子线圈是由叠片结构来支承的，而且其特征还在于，所述通路延伸穿过转子轴的两轴端之间的定子线圈的叠片结构的中间处。
5.如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，转子轴有一延伸穿过其中以接受冷却油的轴向孔。
6.一种带有与之构成一体的高速电动机的多级离心压缩机，它包括：
1)一个可变速的永磁电动机，它具有围绕一装有多个永久磁体的转子的多个电子整流定子线圈，所述转子有一由轴承可转动地支承的一导磁钢的轴；
2)多个安装成与转子轴一起转动的压缩机叶轮；
3)所述转子包括：
(1)由平行于轴的转动轴线的四个平面限定的方形横截面的钢轴，
(2)多个由一圆柱形表面和一平的表面限定的并有一弓形横截面的永久磁体，所述各磁体分别固定在方形钢轴的四个平面之一上，并布置成极性交替，以及
(3)预应力的碳石墨纤维增强的塑性捆扎装置，用来将各永久磁体保持在所述轴上。
7.如权利要求6所述的压缩机，其特征在于，它还包括靠近转子的一霍尔效应磁性传感器，用来在方形横截面的轴的一个角部转动通过传感器时感测转子磁场的极性变化。
8.如权利要求6所述的压缩机，其特征在于，各磁体定位在轴上而形成一连续的圆柱形表面。
9.如权利要求8所述的压缩机，其特征在于，每一磁体的边缘定位成与具有相反极性的两磁体的边缘邻接。
10.如权利要求8所述的压缩机，其特征在于，由磁体的圆柱形表面和平直表面所形成的磁体的边缘与具有相反极性的磁体的边缘对接。
11.一种启动带有与之构成一体的高速电动机的多级离心压缩机的方法，其中，电动机具有一定子和一可转动地支承于其中并在两者间形成一气隙的转子，并且其中，转子的每一端由油润滑的流体动力轴承支承，其中，所述方法包括以下步骤：
1)当转子开始转动时，在转子的两端之间的一位置将加压的空气供入所述气隙内，以使从轴承进入气隙的油为最少，以及
2)当转子的转速达到足以使油从转子的端部离心地向外排出并从气隙排空时，停止空气的供入。
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