CN207716680U - 一种双动力空气源热泵装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双动力空气源热泵装置，其特征在于，其特征在于，包括发动机、电机单元和空气源热泵；所述的电机单元的两端均有向外伸出的传动轴；空气源热泵包括压缩机、水侧换热器和表冷器，水侧换热器输出冷水或热水；所述发动机、电机单元和压缩机依次串联连接。该双动力空气源热泵装置及方法能采用电力和燃料多种模式运行，实现电力和燃料的优势互补，尤其冬季采用燃气制热时的热效率要比锅炉直接燃烧高出数倍，能大幅节省燃气资源。

Description

一种双动力空气源热泵装置

技术领域

本实用新型涉及燃气发电和空调领域，尤其涉及一种双动力空气源热泵装置。

背景技术

随着天然气在城市的广泛使用，目前很多地区出现冷-热-电联产的能源站，可以提供制冷、供热（采暖和供热水）以及电力供应，其采用内燃发动机或燃气轮机驱动发电机单元发电，发电排出的高温尾气和热水供给吸收式空气源热泵来制冷。

对于以夏季集中供冷为主的能源站，其冷负荷远大于供热负荷，必须用所发电再来驱动空气源热泵，承担大部分负荷，而吸收式空气源热泵仅提供辅助供冷。这种制冷运行模式，燃气热能先转化为机械能，再转化为电能，最后再由电能转化为压缩机的机械能，能源重复转换，效率低，而且系统复杂，占地面积大，只适合大型系统。

此外：公开号为 102563970A的中国专利（申请号为201210042712.0）公开了一种交流电、燃气机并联双驱动热泵装置，该方案中，电机单元、燃气机采用皮带轮并联方式，结构复杂，采用皮带轮机械传动效率低，而且也无发电功能；此外制冷时，燃气机排出的高品位烟气热能没有利用，不能转化成冷源，燃气制冷效率低。

公开号为105276856A的中国专利公开了一种燃气热泵空气调节机（申请号为201510254890.3），其采用发动机驱动压缩机，同时驱动发电机，无电机驱动压缩机功能，结构为皮带传动，功能较单一，结构复杂。

公开号为 1776328的中国专利公开了一种混合动力燃气热泵空调及操作方法（申请号为200510122835.5），该方案中，也采用电动机和发动机混合驱动压缩机，并提到了混合动力装置采用串联方式和并联方式，该技术方案所谓的串联方式，是采用的一种电气和控制逻辑上的串联，即先用发动机发电，再用电机驱动压缩机，发动机和压缩机并无直接的机械连接；而其中并联方式指：发动机可独立带动压缩机，电动机也能独立带动压缩机，然后又可联合驱动压缩机。因此发动机与压缩机，电动机与压缩机之间，分别有独立的机械连接结构，然后再在一起并联，结构复杂，所以说明书里也提到：“并联式混合动力结构复杂，该实用新型不采用”。

公开号为1862947的中国专利公开了一种基于恒转速的燃气热泵独立供能系统（申请号为200610014290.0），该系统中，发动机可以同时驱动压缩机和发电机，根据附图，其结构也为直连方式，但是发动机设置在压缩机与发电机之间，压缩机只能采用发动机驱动，不能采用电机驱动，功能单一。

因此，有必要设计一种双动力空气源热泵装置。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种双动力空气源热泵装置，该双动力空气源热泵装置及双动力空气源热泵装置控制方法灵活性好，占地面积小，易于实施，可让燃气和电力完美地实现优势互补，同时双能源体系更具战略安全性。实用新型的技术解决方案如下：

一种双动力空气源热泵装置，包括发动机、电机单元和空气源热泵；

所述的电机单元的两端均具有向外伸出的传动轴，包括定子、转子和轴承，其中定子包括定子铁芯和定子绕组，所述定子绕组由多个绕组组成，每个绕组由导线反复缠绕在同一定子铁芯部位而形成。

所述空气源热泵包括压缩机、水侧换热器、表冷器和四通阀，水侧换热器输出冷水或热水。压缩机可采用外部传动轴驱动，一般为开启式离心压缩机、开启式螺杆压缩机或开启式活塞机，表冷器与水侧换热器之间设有节流装置，制冷剂受到压缩机的压缩驱动，使在水侧换热器、表冷器和压缩机之间循环流动，并产生相变和温度变化，由四通阀实现制冷与制热模式的制冷剂的流向切换。夏季制冷时水侧换热器内低温制冷剂与循环水换热，输出冷水，通过水管路及水泵送入室内末端风机盘管，为室内提供冷气，表冷器内高温制冷剂通过冷凝风机散热；冬季制热时，通过四通阀切换，水侧换热器内高温制冷剂与循环水换热，输出热水，通过水管路及水泵送入室内末端风机盘管，为室内提供暖气，表冷器内低温制冷剂通过冷凝风机从空气中吸热。

所述发动机可采用燃料内燃机、燃气轮机或蒸汽轮机，或燃气轮机和蒸汽轮机组合形式，其中燃料可采用天然气或汽柴油等。

所述发动机、电机单元和压缩机的传动轴依次串联连接。

所述发动机与电机单元的第一端外伸的传动轴通过前级连轴装置相连；电机单元的第二端外伸的传动轴通过后级连轴装置与压缩机的传动轴相连。

其中前级连轴装置为连轴器或离合器；后级连接装置为连轴器或离合器。

连轴装置安装在传动轴之间，传递传动轴之间的力矩，包括发动机与电机单元之间的前级连轴装置，电机单元与压缩机之间的后级连轴装置；连轴器是指用法兰盘和螺栓将两根传动轴连接起来，采用连轴器连接是一种固定的连接方式，采用离合器连接是一种灵活的连接方式。

连轴装置采用电控离合器或机械可控离合器，如手动控制的机械离合器。离合器包括主动盘和从动盘，分别嵌套固定在所对应的传动轴上，当传动控制模块控制离合器吸合时，主动盘和从动盘同步转动，使得两个传动轴同步转动；离合器分离时，两个传动轴之间不传递转矩。

另一种连轴装置为法兰盘连轴器，包括主动盘、中间连接段和从动盘，其中中间连接段的两侧还可设有柔性连接片，主动盘和从动盘分别嵌套固定在所对应的传动轴上；当主动盘、柔性连接片、中间连接段和从动盘之间用螺栓螺帽连接固定后，主动盘和从动盘同步转动，并带动两个传动轴同步转动，反之拆除螺栓螺帽，两个传动轴分离；主动盘和从动盘结构完全一样可以互换；所述的连轴装置的前级和后连轴装置也可分别采用电控离合器和法兰盘连轴器。

发动机、电机单元和热泵压缩机的三轴串联直驱，效率更高，结构更简单，更于维护。如内燃机在驱动发电机输出50Hz三相交流电时，有的转速为3000r/min，而现有开启式热泵压缩机所采用的两极驱动电机在50Hz三相交流电源驱动时转速为2950r/min，二者转速基本一样，从而使上述直驱连接成为可能。

进一步，还包括余热回收器，余热回收器与发动机的排烟管或冷却水管相连，利用发动机排出的烟气或冷却水加热余热回收器，输出热水。夏季该热水可作为卫生热水；冬季该热水正好可以汇入空调热水系统。

进一步，所述表冷器与发动机的排烟风道之间设有风阀，其中风阀进风口与排烟风道连接，风阀出风口于表冷器连接。当冬季运行制热模式时，从发动机排气口排出的高温烟气通过排烟风道和风阀进入到空气源热泵低温的表冷器，提高制热效果，并降低排烟温度。而夏季制冷时，关闭风阀，切断排烟风道，阻止高温烟气进入表冷器。

所述风阀进风口还可与余热回收器的排烟风道连接。这样在冬季制热时可以让高温烟气先通过余热回收器获得温度较高的热水，然后从余热回收器排出较低温度的烟气再进入10℃以下的低温表冷器，提高热泵机组制热运行时的蒸发温度，融化表冷器的结霜，提高热泵制热效率，甚至可以让空气源热泵冬季无霜运行，而发动机的排烟温度可降至低于气温，实现热源几乎百分百高效利用，同时也利于环保。夏季制冷时，该风阀则关闭。

进一步，当所述电机定子、转子和传动轴处于水平布置时，位于所述电机转子上方的电机定子绕组中包含一个或多个反重力励磁绕组；所述反重力励磁绕组通过在电机定子绕组之间增加引出导线而获得，所述反重力励磁绕组通过引出导线可与其他定子绕组电气分离，形成可独立通电工作的回路，也可接入到定子绕组回路中。

电机转子内主要材料为铁芯，当所述反重力励磁绕组通入电流时，能对电机转子内的铁芯产生向上反重力方向的电磁吸力，该电磁吸力能让电机单元传动轴的水平支撑轴承，或连同发动机和压缩机传动轴的水平支撑轴承，所受的竖直向下压力减小或为零， 此时工况为发动机驱动压缩机，电机单元既不做电动机也不发电。

由于发动机、电机单元和压缩机均为水平安装，而且在三者中的运动部件，电机转子和传动轴的重量相对其他部件要重的多，传动轴转动时轴承产生的摩擦力只与轴承承受的竖直径向压力有关，而与压缩机负荷和传动轴的转矩大小无关，一旦该压力减小甚至为零，将大大降低轴承转动时的摩擦阻力，同时可降低震动和噪音。这种普通轴承加转子和反重力励磁绕组的结构方式，与磁悬浮轴承结构类似，能使轴承径向方向承受的重力减小甚至到零，相当于处于失重环境下，获得近似于磁悬浮轴承的效果。

由于采用电机与发动机和压缩机直接串联结构，此时整个电机不仅成了连接发动机与压缩机的传动轴和飞轮，还成为能支撑发动机和压缩机自身传动轴的反重力轴承。而且反重力励磁绕组结构，不需要再电机本体上额外增加部件，而是结合电机单元已有轴承、转子和定子，通过优化定子绕组，产生出独特反重力励磁绕组结构，使已有电机单元成为一个庞大的反重力轴承，和一个性能更加优质的反重力惯性飞轮。

进一步，所述的电机单元为发电机、电动机、复合型电机或电机组；复合型电机是指该电机单元既能作为发电机使用又能作为电动机使用；电机组为包括依次串联的至少两个子电机。如电机单元采用两台电机同轴串联，其中一台电机连接电动机模块，作动力输出的电动机，另一台电机与发电模块接通， 作电力输出的发电机；或采用双定子共一个转子的电机，其中一个定子与电动机模块接通，作输入电源的电动机定子，另一个定子与发电模块接通，作输出电源的发电机定子。

所述电机单元还可以作为发动机启动的动力： 在发动机启动前，让电机单元接通电动机模块，电机单元工作在电动机模式，通过电机单元带动发动机转动；当发动机启动完成之后，电机单元与电动机模块断开。

进一步，所述前级或后级连轴装置上还设置有用于转速或转向变换的变速装置，当发动机的转速或转向与压缩机的转速不一致时，通过变速装置使二者转速或转向达到一致，一般采用齿轮变速箱或皮带轮结构。

进一步，所述的双动力空气源热泵装置还包括电控系统；电控系统分别与发动机、电机单元、空气源热泵、连轴装置电气连接；发动机、电机单元和空气源热泵均受控于电控系统。包括用于控制发动机的热动力控制模块、用于控制电机单元的电机控制模块以及用于控制空气源热泵的空气源热泵控制模块；

（1）热动力控制模块用于控制发动机的运行；

（2）电机控制模块包括电动机模块、发电模块或反重力控制模块中的至少一种。

所述电动机模块的输出端连接电机单元，电动机模块的输入端连接外部电源，用于从外部电源获取电能为电机中的电动机供电；电动机模块还可采用频率可调电源，能根据压缩机负荷自动调整电机转速。所述发电模块的输入端与电机单元连接，发电模块的输出端与外部用电负荷连接；用于将发电机产生的电能输出到外部负载，外部负载如照明单元等。

当电控系统控制电动机模块与电机单元接通时，电机单元工作在电动机模式；当电控系统控制发电模块与电机单元接通时，电机单元工作在发电机模式。电动机模块和发电模块也可集成合为一个电机控制模块。

所述反重力控制模块输出端与反重力励磁绕组的引线连接，输入端连接外部电源，包括励磁单元和切换单元；其中切换单元控制反重力励磁绕组与其他定子绕组的连接与分离；励磁单元用于控制外部电源为电机定子的反重力励磁绕组提供电源，并控制对电机转子电磁吸力的方向和大小；当切换单元断开时，电机单元工作在反重力轴承模式，励磁单元与反重力励磁绕组接通，即使电机转子被其他设备带动旋转，也能对转子产生持续的反重力方向的电磁吸力；当切换单元闭合时，将反重力励磁绕组恢复到电动机或发电机的定子绕组中，电机单元恢复到电动机模式或发电机模式。

（3）所述空气源热泵控制模块与空气源热泵连接，控制空气源热泵机组运行，包括制冷和制热两种运行工况；也与外部电源连接，而空气源热泵机组的启停则受电机单元控制。

（4）当连轴装置采用电控离合器时，电控系统还包括用于控制离合器连接和分离的传动控制模块。传动控制模块与前级和后级连轴装置连接，控制其连接和分离。

电控系统内的各个模块之间可进行互相关联控制，如根据压缩机负荷变化，空气源热泵控制模块可通过热动力控制模块自动调整发动机的转速；或发电模块可根据用电负荷，通过热动力控制模块调整发动机的燃料供应量。

电控系统可与外部通信单元相连；外部通信单元用于在现场或远程控制控制电控系统。如通过现场的现场总线控制电控系统，或通过远程无线（3G、4G或4G等）或有线（因特网）控制电控系统。

进一步，反重力励磁绕组为电机定子中独立设置的绕组。

进一步，所述的双动力空气源热泵装置还包括吸收式机组；吸收式机组与发动机的排气管或冷却水管相连；利用发动机排出的烟气和冷却水的余热进行制冷或提供热水。吸收式机组采用单冷型或热泵型，可采用烟气型或热水型，还可带有燃气辅助。

前述的双动力空气源热泵装置能工作在以下任一工作模式中：

（1）模式1、热动力单独驱动热泵压缩机；

同时接通电机单元与发动机和压缩机之间的前级连轴装置和后级连轴装置，并将电机单元与外部电路断开（即不发电也不向电机供电），可选的将电机单元与反重力控制模块接通；运行发动机，发动机的传动轴同步驱动电机转子和压缩机，电机处于转子被动空转状态；

（2）模式2、电力单独驱动热泵压缩机；

让电机单元与压缩机之间的后级连轴装置接通，而让电机单元与发动机之间的前级连轴装置分离，发动机不工作；电机单元接入电控系统中的电源模块，电机处于电动机模式；由外部电源输电通过电机单元驱动压缩机；

（3）模式3、热动力与电力混合驱动热泵压缩机

同时接通电机单元与发动机和压缩机之间的前级连轴装置和后级连轴装置；

运行发动机，电机单元接入电源模块，并与外部电源接通，电机处于电动机模式；发动机与电机单元联合驱动压缩机；

（4）模式4、热动力驱动热泵压缩机并驱动电机发电

同时接通电机单元与发动机和压缩机之间的前级连轴装置和后级连轴装置；

运行发动机，同步驱动电机转子和压缩机；电机处于发电模式，电机单元接入发电模块，向外部用电负荷输送电能；

（5）模式5、单运行吸收式机组

发动机、发电机、电动机、压缩机机组，均不工作，单给吸收式机组输入燃气、燃料或蒸汽，让吸收式机组运行制冷或制热，给外部提供冷水或热水；

（6）模式6、单发电输出

让电机单元与压缩机之间的后级连轴装置分离，而让电机单元与发动机之间的前级连轴装置接通，电机单元接入发电模块，电机处于发电模式；运行发动机，驱动电机单元，通过发电模块，专门向外部用电负荷输送电能。

进一步，还包括余热利用模式；

1）在模式1、3、4、6中，在双动力空气源热泵装置中增加吸收式机组；发动机的排烟和冷却水供给吸收式机组，给外部提供冷水或热水；

（2）在模式1、3、4、6中的制热工况，在双动力空气源热泵装置中增加余热回收器；余热回收器输入发动机的排烟，和发动机的冷却水，均输出热水，与空气源热泵一起给外部提供热水；

（3）在模式1、3、4、6中的制热工况，发动机的高温排烟或者从余热回收器排烟气，通过排烟风道和风阀进入低温表冷器，提高水侧换热器温度；夏季制冷时，该风阀关闭。

有益效果：

本实用新型公开了一种双动力空气源热泵装置。

本实用新型简化了目前已广泛使用的冷-电-热联产系统，提高系统效率，减少占地面积，而且适应性广，充分利用外部电网峰谷电价，可降低运行成本，同时也能提高夏季外部电网的稳定性，让燃气和电力实现燃气和电力实现优势互补，同时双能源体系更加安全高效；此外冬季采用燃气制热时能产生数倍于现有燃气锅炉的热效率，大幅节省燃气资源。本实用新型主要创新点如下：

创新之一：燃料全热利用，系统高效

燃料的热能效率高低，排烟温度是最显著指标，现有锅炉制热时，即使采用高效锅炉，所排烟气也有一百多摄氏度；而本发明创新的将燃气烟气与空气源热泵结合，在冬季制热时，甚至可让燃料的烟气温度比室外气温还低，能真正实现燃料全热利用，而且空气源热泵也能实现高效无霜运行。

创新之二：转子当传动飞轮，系统简化。

以发动机、电机和压缩机的顺序连接为例，当单独采用燃料驱动压缩机时，压缩机必须先驱动电机，再驱动压缩机，此时电机虽不产生动力，也不发电，转子被动空转，但却在发动机与压缩机之间充当具有缓冲、稳定的惯性飞轮。

相对于其他采用发动机与电机并联的系统，当由发动机驱动压缩机时将电机分离，虽然可减少电机空转的摩擦，但是结构复杂，实用性差。而采用机械串联的布局结构实现发动机直驱压缩机，传动效率高，不仅便于电机单独驱动压缩机，也便于发动机独立发电，使整个装置结构简单可靠，同时可方便嫁接现有且十分成熟的燃料发电机和压缩机技术，使本发明具有很好的实用性。

创新之三：电机转变成反重力轴承，系统高效。

当电机仅作传动轴和惯性飞轮时，由于转子重量较重，会产生一定的摩擦能耗，而由于在电机中采用反重力励磁绕组的结构，不仅不会增加摩擦力，反而还会减少整个系统的摩擦阻力。

通过在电机定子中增加引出导线，在定子绕组上部中分离出一组或多组绕组，作为反重力励磁绕组，并对其单独通电，利用定子铁芯和转子铁芯，形成一个能将转子往上吸引的电磁铁结构，通过控制电流，使电磁吸引力大小能让电机单元传动轴的水平支撑轴承或连同发动机和压缩机传动轴的水平支撑轴承所受的竖直向下压力减小或为零。

由于发动机、电机和压缩机均为卧式安装，而且在三者中的运动部件，电机转子和传动轴的重量相对其他部件要重的多，传动轴转动时轴承产生的摩擦力只与轴承承受的竖直径向压力有关，而与压缩机负荷和传动轴的转矩大小无关，一旦该压力减小甚至为零，将大大降低轴承转动时的摩擦阻力，同时可降低震动和噪音。

这种普通轴承加转子和反重力励磁绕组的结构方式，与磁悬浮轴承结构类似，能使轴承径向方向承受的重力减小甚至到零，相当于处于失重环境下，获得近似于磁悬浮轴承的效果。

由于采用电机与发动机和压缩机直接串联结构，此时整个电机不仅成了连接发动机与压缩机的传动轴和飞轮，连轴装置采用刚性连接时，或当电机、发动机和压缩机采用同一个传动轴时，还成为能支撑发动机和压缩机自身传动轴的反重力轴承，因而将这种产生反重力效果的整体命名为反重力轴承。

电机变轴承，反重力励磁绕组结构看似很复杂，但其实并不需要在电机本体上再额外增加部件，轴承、转子和定子都是电机本身已有的，只是通过优化定子绕组，增加引出导线，产生出独特反重力励磁绕组结构，使已有电机成为一个庞大的反重力轴承，和一个更优质的零重力惯性飞轮，而成本却只有磁悬浮轴承的千分之几，这正是本实用新型巧妙之处。

当电机需要作在电动机模式或发电机模式时，通过反重力控制模块中的切换单元，对反重力励磁绕组的引线进行切换，将反重力励磁绕组立即恢复到电动机或发电机的定子绕组中。

本实用新型具有以下突出的优势：

1.降低运行成本，完美实现燃气与电力价格互补。

对于很多采用分时电价的用户，当白天电网处于波峰，电价高时，在使用燃气更经济时，通过燃气驱动空调或发电；当夜间电网处于波峰，电价较低时，通过电力和电机驱动空调。不仅可以减低用户运行费用，而且对可稳定电网负荷，减低电网运行及管理费用。

2.降低设备初投资

现有的很多中央空调用户，如医院、酒店、大型商场，中央空调机房和发电机都是独立标配，通过本实用新型，可以省去用户购买发电机单元费用，以及安装和机房的建设费用。

3. 能源安全，所构建的双能源甚至多能源架构，可降低能源风险。

在医院酒店等场合时，一旦停电，可以采用燃气驱动本系统，不但能保障空调的正常运行，还能进一步为照明等提供供电；当空调压缩机与发电同步运行，所发电还可以驱动中央空调系统的水泵、风机等附属设备，让整个空调机房可以脱离外部电网运行。建筑的空调负荷一般占建筑用电负荷的60-70%以上，一旦空调系统可以不依赖外部电网，结合本实用新型的发电功能，也就意味整个建筑可以不依赖外部电网，同时除了可用天然气以外，发动机还可以采用燃油、生物燃料等能源，这样可以大大提高能源战略安全性。

3.实现能源分级利用，效率高。

燃气或燃油通过发动机燃烧产生的高品位热能转化为机械能，直接驱动压缩机制冷，产生大量的高温余热烟气和冷却水，供给吸收式机组回收再来制冷。制热时还可进一步采用热泵回收更低品位的余热，相对于现有技术采用燃气直接给吸收机组制冷，或燃气锅炉制热，能源利用要高很多，因而具有显著的经济效益和巨大的社会效益。

4.结构简单操作灵活。

串联结构使系统简单，通过离合器的简单切换，可在系统中实现多种运行模式。

另外，在变速装置的配合下，能实现压缩机与多种动力机构的良好匹配，从而使得各设备均能工作在最佳状态，实现整个系统的经济和稳定运行。

更进一步，本实用新型还具有十多种运行工况，因此，灵活性极强。

综上所述，本实用新型的双动力空气源热泵装置及双动力空气源热泵装置控制方法易于实施，结构简单。操作灵活，能源利用率高，适合推广应用。

附图说明

图1为双动力空气源热泵装置的总体结构示意图；

图2为连轴装置接通示意图；

图3为连轴装置分离的示意图；

图4为电控系统示意图；

图5为电机单元的定子绕组处于电动机或发电机模式的示意图；

图6为电机单元的定子处于反重力模块控制的示意图；

图7为双电机组成电机单元示意图；

图8为双定子电机示意图；

图9为法兰连轴器接通示意图；

图10为法兰连轴器分离的示意图；

图11为变速装置设置在前级连轴装置时的状态图；

图12为变速装置设置在后级连轴装置时的状态图；

图13为带有吸收式机组的热泵装置实施例示意图；

图14为带有余热回收器的热泵装置实施例示意图；

图15为发动机排气与表冷器连接施例示意图；

图16为余热回收器排气与表冷器连接施例示意图；

图17为热动力驱动压缩机模式示意图；

图18为电力驱动压缩机模式示意图；

图19为热动力和电力联合驱动压缩机模式示意图；

图20为热动力驱动压缩机同步发电模式示意图

图21为单运行采用吸收式机组模式示意图；

图22为热动力驱动发电模式示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明：

首先所述发动机可采用燃料内燃机、燃气轮机或蒸汽轮机，或燃气轮机和蒸汽轮机组合形式，其中燃料可采用天然气或汽柴油等。

实施例1：如图1，双动力空气源热泵装置中，包括发动机1、电机单元2、空气源热泵、连轴装置和电控系统，其中发动机1带有动力输出的传动轴101，其中电机单元2包括转子20和定子21，转子两端均有伸出的传动轴201。

其中空气源热泵包括压缩机30、表冷器31、水侧换热器32、节流装置33和四通阀34，且该压缩机采用外部传动轴301驱动。压缩机30、表冷器31、水侧换热器32和节流装置33依次相连形成环路，水侧换热器输出冷水或热水，表冷器31通过风机与空气进行换热。

其中连轴装置安装在传动轴之间，包括前级连轴装置41和后级连轴装置42，参照图2和图3分别为连轴装置接通和分离的示意图。

发动机1、电机单元2、压缩机30为串联布置，电机单元传动轴201的一端与压缩机传动轴301通过连轴装置42直接连接，同时电机单元传动轴201的另一端通过连轴装置41与发动机传动轴10直接连接。

电机单元2采用一个电机，包括一个转子20和一个定子21，可运行在电动机模式，也可运行在发电机模式。

参照图4，电控系统包括发动机控制模块、空气源热泵控制模块、电动机模块、发电模块、反重力控制模块、传动控制模块。其中发动机控制模块与发动机1连接，控制其运行。其中空气源热泵控制模块控制空气源热泵30运行，也与外部电源连接，通过四通阀34实现制冷与制热工况转换，并控制从水侧换热器32的出水温度。

其中电动机模块的输出端连接电机单元2，电动机模块的输入端连接外部电源。

发电模块的输入端与电机单元2连接，发电模块的输出端与外部用电负荷连接；当电机单元2需要工作在电动机模式时，电控系统控制电动机模块与电机单元2接通；当电机单元2需要工作在发电机模式时，电控系统控制发电模块与电机单元接通。

参照图5、图6，其中电机单元包括传动轴201、转子20、定子绕组21，反重力模块包括励磁单元和切换单元，其输出端连接到位于电机单元定子绕组顶部的反重力励磁绕组211，其输入端连接外部电源。

其中传动控制模块分别与前后级连轴装置41和42连接，控制其连接和分离。

本实施例中前后级连轴装置41和42均采用电控离合器，包括主动盘和从动盘，分别嵌套固定在所对应的传动轴上，当传动控制模块控制离合器吸合时，主动盘和从动盘同步转动，并带动两个传动轴同步转动，反之亦然。主动盘和从动盘结构完全一致，可以互换。

电机单元2可以作为发动机1启动的动力： 在发动机1启动前，让电机单元2接通电动机模块，电机单元2工作在电动机模式，通过电机单元2带动发动机1转动；当发动机1启动完成之后，电机单元2与电动机模块断开。

实施例2

与实施例1的区别在于，电动机模块采用频率可调的电源，可以根据压缩机30负荷自动调整电机转速。

实施例3

参照图7，与实施例1的区别在于，电机单元2采用两个独立电机共轴串联，其中一个电机可作动力输出的电动机，一个电机可作为电力输出的发电机。

实施例4

参照图8，与实施例1的区别在于，采用2个定子21共一个转子20的电机，其中一个定子可作输入电源的电动机定子，另一个定子可作输出电源的发电机定子。

实施例5

参照图9和图10，与实施例1的区别在于，前级连轴装置41和后级连轴装置42均采用无传动控制模块的法兰盘连轴器，包括主动盘401、两套柔性连接片402、中间连接段403、从动盘404、连接螺栓405和螺帽406。主动盘401、柔性连接片402、中间连接段403和从动盘404上均开有若干通孔，可通过螺栓。

其中一套柔性连接片402上通过螺栓405螺帽406交替与主动盘401和中间连接段403固定；另一套柔性连接片402上通过螺栓405螺帽406交替与从动盘404和中间连接段403固定。

当主动盘401、柔性连接片402、中间连接段403和从动盘404之间用螺栓405螺帽406连接固定后，主动盘401和从动盘404同步转动，并带动两个传动轴同步转动；反之拆除螺栓405螺帽406，两个传动轴分离；主动盘401和从动盘404结构完全一样可以互换。

实施例6

与实施例1的区别在于，前级连轴装置41采用电控离合器，前级连轴装置42采用法兰盘连轴器。

实施例7

与实施例1的区别在于，前级连轴装置41采用法兰盘连轴器，前级连轴装置42采用电控离合器。

实施例8

参照图11，与实施例1的区别在于，前级连轴装置41上还设置有用于转速或转向变换的变速装置6，变速装置6位于前级连轴装置41的发动机1一侧，此时电机单元2与压缩机30的 一致。

实施例9

参照图12，与实施例1的区别在于，后级连轴装置42上还设置有用于转速或转向变换的变速装置6，变速装置6位于后级连轴装置42的压缩机30一侧，此时电机单元2与发动机1的转速一致。

实施例10

参照图13，与实施例1的区别在于，还包括吸收式机组，可采用余热制冷，也可采用燃气、蒸汽制冷，所需余热来自发动机排出的烟气和冷却水；吸收式机组还具有制热水功能。吸收式机组与发动机的排气管或冷却水管相连；利用发动机排出的烟气和冷却水的余热进行制冷或提供热水。吸收式机组采用单冷型或热泵型，可采用烟气型或热水型，还可带有燃气辅助。

实施例11

与实施例1的区别在于，电动机模块、发电模块和反重力控制模块集成为一个电机控制模块。

实施例12

参照图14，与实施例1的区别在于，还包括余热回收器，发动机1排出的高温烟气或冷却水供给余热回收器的，冬季制热时可与空气源热泵的水侧换热器32输出的热水共同给外部提供热水，也可在夏季制冷时，向外部提供生活热水。

实施例13

参照图15，与实施例1的区别在于，还包括风阀。表冷器31与发动机30的排烟风道之间设有风阀7，并受电控系统控制，其中风阀7进风口与排烟风道连接，风阀7出风口于表冷器31连接。当冬季运行制热模式时，从发动机1排气口排出的高温烟气通过排烟风道和风阀7进入到空气源热泵低温的表冷器31，提高制热效果，并降低排烟温度。而夏季制冷时，通过关闭风阀7，切断排烟风道，阻止高温烟气进入表冷器31。

实施例14

参照图16，与实施例1的区别在于，风阀7进风口还可与余热回收器的排烟风道连接。这样在冬季制热时可以让高温烟气先通过余热回收器获得温度较高的热水，然后从余热回收器排出较低温度的烟气再进入10℃以下的低温表冷器31，提高热泵机组制热运行时的蒸发温度，融化表冷器的结霜，提高热泵制热效率，甚至可以让空气源热泵冬季无霜运行，而发动机1的排烟温度可降至低于气温，实现热源几乎百分百高效利用，同时也利于环保。夏季制冷时，该风阀7则关闭。

根据上述实施例，本装置由发动机1、电机单元2、空气源热泵、连轴装置和电控系统组成，可夏季制冷、冬季制热和发电，其操作方法如下：

模式1、热动力驱动压缩机

参照图17，同时接通电机单元2与发动机1和压缩机30之间的前后级连轴装置41和42，电机单元2的反重力励磁绕组211与反重力控制模块接通。

运行发动机1，发动机1的传动轴同步驱动电机转子20和压缩机30，电机处于转子被动空转状态，整个转子20作为一个飞轮运行，同时转子20和传动轴受到上方反重力励磁绕组211的电磁吸引力，使传动轴上的轴承22 所受的径向压力减小或为零，减少轴承22摩擦阻力和噪音。

模式2、电力驱动压缩机

参照图18，让电机单元2与压缩机30之间的后级连轴装置42接通，而让电机单元2与发动机之间的前级连轴41装置分离，电机单元2接入电动机模块，电机处于电动机模式。外部电源输电通过电机单元2驱动压缩机30。

模式3、热动力与电力联合驱动压缩机

参照图19，同时接通电机单元2与发动机和压缩机30之间的前级连轴装置41和后级连轴装置42，电机单元2接入电动机模块，并与外部电源接通，电机处于电动机模式。

运行发动机，与电机单元2联合驱动压缩机30。

模式4、热动力驱动压缩机同步发电

参照图20，同时接通电机单元2与发动机1和压缩机30之间的前级连轴装置41和后级连轴装置42，电机单元2接入发电模块，电机处于发电模式，通过发电模块向外部用电负荷输送电能。运行发动机，驱动压缩式冷单元运行，空气源热泵运行在制冷工况，通过水侧换热器31向外部输出冷水。当压缩机30的负荷较低时， 发动机1也处于低负荷运行，特别对于燃气轮机，低负荷效率很低，通过增加发电输出，提高发动机的负荷，保持其始终处于高效率运行。

此外在实际机房应用中，制冷系统还需要配置冷冻水泵和冷却水水泵，以及冷气塔等辅助电力设备，它们占机房耗电的30%左右。该模式下，所发的电能可以输送给机房内部外部电源，直接输送水泵，使整改机房完全摆脱公共外部电源的约束，使该装置具有高的独立性。

模式5、单运行吸收式机组

参照图21，让电机单元2与压缩机30之间的后级连轴装置42分离，而让电机单元2与发动机之间的前级连轴装置41接通，电机单元2接入发电模块，电机处于发电模式，压缩机不工作。运行发动机1，驱动电机单元2，通过发电模块，专门向外部用电负荷输送电能。

模式6、热动力驱动发电

参照图22，发动机1、电机单元2、压缩机30，均不工作，单给吸收式机组输入燃气、燃油或蒸汽，给外部提供冷水或热水。

在上述模式1、3、4、6中，可增加吸收式机组，发动机的排烟和冷却水供给吸收式机组，给外部提供冷水或热水；还可增加余热回收器；余热回收器输入发动机的排烟，和发动机的冷却水，均输出热水；还可将发动机的高温排烟或者从余热回收器排烟气，通过排烟风道和风阀进入低温表冷器，提高水侧换热器温度；夏季制冷时，该风阀则关闭，不再另行说明。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动、变型而不脱离本实用新型的精神和范围。倘若对本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种双动力空气源热泵装置，其特征在于，包括发动机、电机单元和空气源热泵；所述电机单元的两端均具有向外伸出的传动轴，包括定子、转子和轴承，其中定子包括定子铁芯和定子绕组；所述空气源热泵包括压缩机、水侧换热器、表冷器、冷凝风机、节流阀和四通阀，水侧换热器输出冷水或热水；

所述发动机、电机单元和压缩机的传动轴依次串联连接;

所述发动机与电机单元的第一端外伸的传动轴通过前级连轴装置相连；电机单元的第二端外伸的传动轴通过后级连轴装置与压缩机的传动轴相连；其中前级连轴装置为连轴器或离合器；后级连接装置为连轴器或离合器。

2.根据权利要求1所述的双动力空气源热泵装置，其特征在于，还包括余热回收器，余热回收器与发动机的排烟管或冷却水管相连，利用发动机排出的高温烟气或冷却水加热余热回收器，输出热水。

3.根据权利要求1所述的双动力空气源热泵装置，其特征在于，所述表冷器与发动机的排烟风道之间设有风阀，其中风阀进风口与排烟风道连接，或与余热回收器的排烟风道连接；风阀出风口与表冷器的进风侧连接。

4.根据权利要求1所述的双动力空气源热泵装置，其特征在于，当所述电机定子、转子和传动轴处于水平布置时，位于所述电机转子上方的电机定子绕组中包含一个或多个反重力励磁绕组；当所述反重力励磁绕组通入电流时，能对电机转子内的铁芯产生向上反重力方向的电磁吸力，该电磁吸力能让电机单元传动轴的水平支撑轴承或连同发动机和压缩机传动轴的水平支撑轴承所受的竖直向下压力减小或为零。

5.根据权利要求1所述的双动力空气源热泵装置，其特征在于，所述的电机单元为发电机、电动机、复合型电机或电机组；复合型电机是指该电机单元既能作为发电机使用又能作为电动机使用；电机组为包括串联的至少两个子电机。

6.根据权利要求1所述的双动力空气源热泵装置，其特征在于，所述前级或后级连轴装置上还设置有用于转速或转向变换的变速装置。

7.根据权利要求1所述的双动力空气源热泵装置，其特征在于，还包括电控系统；发动机、电机单元和空气源热泵均受控于电控系统；电控系统包括热动力控制模块、电机控制模块和空气源热泵控制模块；

（1）热动力控制模块用于控制发动机的运行；

（2）电机控制模块包括电动机模块、发电模块和反重力控制模块中的至少一种；

所述电动机模块用于控制外部电源为电机单元供电，此时电机单元工作在电动机模式；

所述发电模块用于控制电机单元向外部负载供电，此时电机单元工作在发电机模式；

所述反重力控制模块输出端与反重力励磁绕组的引线连接，输入端连接外部电源，包括励磁单元和切换单元；其中切换单元控制反重力励磁绕组与其他定子绕组的连接与分离；励磁单元用于控制外部电源为电机定子的反重力励磁绕组提供电源；当切换单元断开时，电机单元工作在反重力轴承模式，励磁单元与反重力励磁绕组接通，即使电机转子被其他设备带动旋转，也能对转子产生持续的反重力方向的电磁吸力；当切换单元闭合时，将反重力励磁绕组恢复到电动机或发电机的定子绕组中，电机单元恢复到电动机模式或发电机模式；

（3）空气源热泵控制模块用于控制空气源热泵的运行；

（4）当连轴装置采用电控离合器时，电控系统还包括用于控制离合器连接和分离的传动控制模块；

所述电控系统内的各个模块之间可进行互相关联控制。

8.根据权利要求4所述的双动力空气源热泵装置，其特征在于，反重力励磁绕组为电机定子中独立设置的绕组。

9.根据权利要求1所述的双动力空气源热泵装置，其特征在于，还包括吸收式机组；吸收式机组与发动机的排气管或冷却水管相连，利用发动机排出的烟气和冷却水的余热进行制冷或提供热水。