CN207881277U - 一种串联动力热泵装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种串联动力热泵装置，包括热动力机、电机单元和热泵机组；所述的电机单元的两端均有向外伸出的传动轴；热泵机组包括压缩机、蒸发器和冷凝器，用于制冷水或制热水；所述热动力机、电机单元和压缩机依次串联连接。该串联动力热泵装置能采用电力和天然气多种模式运行，实现电力和天然气的优势互补，特别冬季用天然气采暖，效率要比直接燃烧的锅炉高好几倍，可以节省天然气。

Description

一种串联动力热泵装置

技术领域

本实用新型涉及燃气发电和空调领域，尤其涉及一种串联动力热泵装置。

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热泵机组来制冷。

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热泵机组，承担大部分制冷负荷，而吸收式热泵机组仅提供辅助供冷。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。

冬季制热，一般常采用天然气直接燃烧的燃气锅炉，即使效率再所排烟气至少都有一百摄氏度以上，浪费较大。

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103090590A的中国专利公开了一种热动力机驱动螺杆式空气源热泵冷热水单元(申请号为201210527521.3)，该方案只是采用单一的热动力机驱动螺杆式压缩机，压缩机无电机，不能用电力驱动，功能单一，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106969529A的中国专利中(申请号为201710356192.3)，天然气高效制冷装置采用单一的燃气轮机直接驱动压缩机，制冷时，燃气机排出的高品位烟气热能通过吸收式制冷模块回收制冷，燃气制冷效率较高，但是压缩机没有电机单元驱动，只能采用燃气制冷，功能单一，适用范围有限。而且在实际使用工程中，燃气轮机的输出功率较大，往往会采用能产生较大制冷量的离心压缩机，叶轮转速高达一万多转，且内部结构配合精密，因而对压缩机输入传动轴的平稳性，即轴向震动和径向震动要求较高。而燃气轮机运行中可能会出现喘震的现象，直接用燃气动力驱动压缩机将影响压缩机安全运行，反之离心压缩机在低负荷下也会经常出现喘震，反过来也会影响燃气轮机的安全运行。

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)，其采用热动力机驱动压缩机，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，也采用电动机和热动力机混合驱动压缩机，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，热动力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，但是热动力机设置在压缩机与发电机之间，压缩机只能采用热动力机驱动，不能采用电机驱动，功能单一。

因此，有必要设计一种串联动力热泵装置。

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串联动力热泵装置，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：

一种串联动力热泵装置，包括热动力机、电机单元和热泵机组；

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。

所述热泵机组包括压缩机和与压缩机吸气管连接的蒸发器，以及与压缩机排气管连接的冷凝器，用于制冷水或制热水，具体包括制冷剂、压缩机，冷凝器、蒸发器和节流装置。压缩机采用外部传动轴驱动，一般为开启式离心压缩机或开启式螺杆压缩机，冷凝器与蒸发器之间设有节流装置，制冷剂受到压缩机的压缩驱动，使在蒸发器、冷凝器和压缩机之间循环流动，并产生相变和温度变化。蒸发器内低温制冷剂与冷冻水换热，使出水温度降低；冷凝器内高温制冷剂与冷却水换热，使出水温度升高。夏季制冷时，冷凝器内的冷却水通过冷却水管路及冷却泵连接室外冷却塔、江水源或地下水进行散热，冷冻水通过冷冻水管路及冷冻泵送入室内末端风机盘管，为室内提供冷气；冬季制热时，通过水路阀门切换，将室外江水或地下水接入热泵机组的蒸发器；而将冷凝器的冷却水与室内末端的风机盘管的管路接通，为室内提供过暖气。

所述热动力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。

所述热动力机的传动轴与电机单元的传动轴直接串联连接后，再与压缩机的传动轴连接。

所述热动力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。

所述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，包括热动力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。

热动力机、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，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，或连同热动力机和压缩机传动轴的水平支撑轴承，所受的径向竖直向下压力减小或为零，此时工况为热动力机驱动压缩机，电机单元既不做电动机也不发电。

由于热动力机、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，驱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，而与压缩机负荷和驱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。

由于采用电机与热动力机和压缩机直接串联结构，此时整个电机不仅成了连接热动力机与压缩机的传动轴和飞轮，还成为能支撑热动力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单元。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热动力机启动的动力：在热动力机启动前，让电机单元接通电动机模块，电机单元工作在电动机模式，通过电机单元带动热动力机转动；当热动力机启动完成之后，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，当热动力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，所述的串联动力热泵装置还包括电控系统；电控系统分别与热动力机、电机单元、热泵机组、连轴装置电气连接；热动力机、电机单元和热泵机组均受控于电控系统。包括用于控制热动力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热泵机组的热泵机组控制模块；

(1)热动力控制模块用于控制热动力机的运行；

(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)所述热泵机组控制模块与热泵机组连接，控制热泵机组运行，包括制冷和制热两种运行工况，在制冷工况下，控制从蒸发器的冷冻水出水温度；在制热工况下，控制从冷凝器的冷却水出水温度；热泵机组控制模块也与外部电源连接，为除压缩机电机以外的电器件提供电源，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。

电控系统内的各个模块之间可进行互相关联控制，如根据热泵机组负荷变化，热泵机组控制模块可通过热动力控制模块自动调整热动力机的转速；或发电模块可根据用电负荷，通过热动力控制模块调整热动力机的燃料供应量。

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，所述的串联动力热泵装置还包括吸收式机组；吸收式机组与热动力机的排气管或冷却水管相连，采用热动力机的排烟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。

进一步，所述的串联动力热泵装置还包括余热锅炉；还包括余热锅炉，并与热动力机的排气管或冷却水管相连；其中余热锅炉包括气-水换热器、水-水换热器和二次气-水换热器中的至少一种，均可输出热水。

采用前述的串联动力热泵装置能工作在以下任一工作模式中：

(1)制冷模式1、热动力单独驱动热泵压缩机制冷；

同时接通电机单元与热动力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，可选的将电机单元与反重力控制模块接通；运行热动力机，热动力机的驱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，热泵机组运行在制冷模式，通过蒸发器向外部输出冷水。

(2)制冷模式2、电力单独驱动热泵压缩机制冷；

让电机单元与压缩机之间的后级连轴装置接通，而让电机单元与热动力机之间的前级连轴装置分离，热动力机不工作；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，热泵机组运行在制冷工况，通过蒸发器向外部输出冷水。

(3)制冷模式3、热动力与电力混合驱动热泵压缩机制冷

同时接通电机单元与热动力机和压缩机之间的前级连轴装置和后级连轴装置；运行热动力机，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；热动力机与电机单元联合驱动压缩机，热泵机组运行在制冷工况，通过蒸发器向外部输出冷水。

(4)制冷模式4、热动力驱动热泵压缩机制冷并驱动电机发电

同时接通电机单元与热动力机和压缩机之间的前级连轴装置和后级连轴装置；

运行热动力机，同步驱动电机转子和压缩机，热泵机组运行在制冷工况，通过蒸发器向外部输出冷水；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)制冷模式5、单用运行吸收式机组制冷

热动力机、电机单元、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，让吸收式机组制冷运行，给外部提供冷水。

(6)制热模式1、热动力单独驱动热泵压缩机制热

同时接通电机单元与热动力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，可选的将电机单元与反重力控制模块接通；运行热动力机，热动力机的驱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，热泵机组运行在制热工况，通过冷凝器向外部输出热水。

(7)制热模式2、电力单独驱动热泵压缩机制热

让电机单元与压缩机之间的后级连轴装置接通，而让电机单元与热动力机之间的前级连轴装置分离，电机单元接入电源模块，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，热泵机组运行在制热工况，通过冷凝器向外部输出热水。

(8)制热模式3、热动力与电力混合驱动热泵压缩机制热同时接通电机单元与热动力机和压缩机之间的前级连轴装置和后级连轴装置；

运行热动力机，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；热动力机与电机单元联合驱动压缩机，热泵机组运行在制热工况，通过冷凝器向外部输出热水。

(9)制热模式4、热动力驱动电机发电以及热动力驱动热泵压缩机制热同时接通电机单元与热动力机和压缩机之间的前级连轴装置和后级连轴装置；

运行热动力机，同步驱动电机转子和压缩式机，热泵机组运行在制热工况，通过冷凝器向外部输出热水；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。

(10)制热模式5、单用运行吸收式机组制热

热动力机、电机单元、压缩机机组，均不工作，单给吸收式机组输入燃气，让吸收式机组单运行制热工况，给外部提供热水。

(11)发电输出模式

让电机单元与压缩机之间的后级连轴装置分离，而让电机单元与热动力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；运行热动力机，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，所述的串联动力热泵控制方法还包括余热利用模式；

(1)在制冷模式1、3、4和发电输出中，在串联动力热泵中增加吸收式机组；热动力机的排烟和冷却水供给吸收式机组，给外部提供冷水。

(2)在制热模式1、3、4和发电输出模式中，在串联动力热泵中增加余热锅炉；采用热动力机的排烟或冷却水加热余热锅炉，其中气-水换热器输入热动力机的排烟，水-水换热器输入热动力机的冷却水，均输出热水，与热泵机组一起给外部提供热水；二次气-水换热器输入排烟，输出热水该热水与热泵机组的蒸发器水路接通，提高蒸发器温度，降低排烟温度，利于节能和环保。

有益效果：

本实用新型公开了一种串联动力热泵装置。

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，充分采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，让燃气和电力实现优势互补，同时双能源体系更加安全高效。本实用新型主要创新点如下(以下热动力机以发动机为例)：

1.本实用新型创新之一：电机转子当传动飞轮，系统简化。

当只用发动机驱动压缩机时，现有技术认为此时电机完全无用，一般都采用复杂的装置将电机与发动机和压缩机脱离，而在本实用新型中却将发动机、电机和压缩机三者传动轴直接串联，当单独采用燃气制冷或制热时，发动机必须先驱动电机，再驱动压缩机，此时电机既不产生动力也不发电，看似多余，完全超出了电机的常规用法，然而通过对发动机、电机和压缩机的各自特点做了深入分析后发现：

热泵空调压缩机，尤其是大功率热泵机组都采用离心压缩机，离心压缩机内的叶轮转速高达一万多转，内部结构配合十分精密，对传动轴的平稳性，即轴向震动和径向震动要求很高。发动机较常用的有内燃机、燃气轮机、汽轮机，其中内燃机转速较低,由多个活塞气缸交替推动，和电动机驱动相比，其输出力矩有一定的脉动性，存在一定量的轴向和径向震动，有时甚至会出现爆震；燃气轮机和汽轮机转速较高，但在运行中负荷变化时很难避免有现喘震现象，其输出轴必然会也有剧烈震动。

因此若用发动机直接驱动离心压缩机，现有工艺下，由于发动机无法达到与电动机一样的平稳性，空调离心压缩机内高速叶轮、高速轴承等部件将无法承受发动机的震动，而且空调离心压缩机本身在低负荷下也会出现喘震，会反过来也影响发动机的安全运行，这也是该技术目前没有真正应用的原因之一。

然而本实用新型中在空调压缩机和发动机之间增加一个同等功率的电机，由于电机定子绕组开路、无电流，定子对转子无转矩，转子处于自由状态，受发动机驱动时，仅只有少量的转子轴承摩擦力。同时电机转子被动高速转动时，相当于在空调压缩机与发动机之间增加一个惯性飞轮，而且通过电机单元前后的两组轴承，可牢牢锁定转子的轴向位移动和径向位移，正好可充分吸收发动机的震动，保证输入给压缩机的扭矩在轴向和径向的平稳，从而在压缩机与发动机形成良好的缓冲隔离，其平稳性可达到与电动机直驱动空调压缩机同等效果。

因此看似不合常理的做法，其实是建立在真正了解离心压缩机、发动机、电机的工作特点基础之上所采用的最佳技术方案，是本实用新型的创新所在。此时虽没有用到电机常规的电气特性，却巧妙的采用了电机的机械结构，让电机转子被动空转，在发动机与离心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，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载，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载技术，使本实用新型具有很好的实用性。

2.本实用新型创新之二：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。此时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，采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径向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，驱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，而与压缩机负荷和驱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，当连轴装置采用刚性连接时，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。

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.实现能源的高效采用

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，能源利用率要高很多，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：(1)由发动机单独驱动压缩机；(2)断开发动机，由电机单元通过电力单独驱动压缩机；(3)发动机和电极单元共同驱动压缩机。

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，本实用新型的串联动力热泵装置及串联动力热泵控制方法易于实施，结构简单。操作灵活，能源采用率高，适合推广应用。

附图说明

图1为串联动力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为双定子电机单元示意图；

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为带有余热锅炉的热泵装置实施例示意图；

图15为热动力机驱动压缩机制冷模式示意图；

图16为带有吸收式机组的热动力驱动压缩机制冷模式示意图；

图17为电力驱动压缩机制冷模式示意图；

图18为热动力机和电力混合驱动压缩机制冷模式示意图；

图19为带有吸收式机组的热动力和电力混合驱动压缩机制冷模式示意图；

图20为热动力机驱动压缩机制冷、发电同步输出模式示意图；

图21为带有吸收式机组的热动力驱动压缩机制冷、发电输出模式示意图；

图22为热动力驱动发电输出和余热吸收式机组制冷模式示意图；

图23为单用运行吸收式机组制冷模式示意图；

图24为热动力机驱动压缩机制热模式示意图；

图25为带有余热锅炉的热动力驱动压缩机制热模式示意图；

图26为电力驱动压缩机制热模式示意图；

图27为热动力机和电力混合驱动压缩机制热模式示意图；

图28为带有余热锅炉的热动力和电力混合驱动压缩机制热模式示意图；

图29为热力机驱动压缩机制热、发电同步输出模式示意图；

图30为带有余热锅炉的热力驱动压缩机制热、发电联合输出模式示意图；

图31为单用运行吸收式机组制热模式示意图；

图32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：

首先所述热动力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，其中最佳采用天然气。

实施例1：如图1，串联动力热泵装置中，包括热动力机1、电机单元2、热泵机组、连轴装置和电控系统，其中热动力机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。其中热泵机组包括压缩机30、冷凝器31、蒸发器32和节流装置33，且该压缩机采用外部传动轴301驱动。压缩机30、冷凝器31、蒸发器32和节流装置33依次相连形成环路。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。

热动力机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与热动力机传动轴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，电控系统包括热动力控制模块、电机控制模块、热泵机组控制模块和传动控制模块。

其中热泵机组控制模块控制热泵机组30运行，还包括制冷模式和制热运行工况，在制冷工况下，控制从蒸发器32输出的冷冻水出水温度；在制热工况下，控制从冷凝器31输出的冷却水出水温度。

其中热动力机控制模块与热动力机1连接，控制其运行。

参照图5、图6，其中电机单元包括驱动轴201、转子20、定子绕组21，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；

其中电动机模块用于控制外部电源为电机单元2供电，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；

其中发电模块用于控制电机单元向外部负载供电；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。

其中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；励磁控制模块用于控制外部电源为电机定子21的反重力励磁绕组211提供电源，此时电机单元2工作在反重力轴承模式；当电机控制模块需要电机单元2工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，切除反重力励磁绕组211，或将反重力励磁绕组211恢复到电动机或发电机的定子绕组中。

其中热泵机组控制模块用于控制热泵机组的运行，以及控制热泵机组制冷、制热工况的工况转换。

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可以作为热动力机1启动的动力：在热动力机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带动热动力机1转动；当热动力机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均采用没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的热动力机1一侧，此时电机单元2与压缩机30的转速一致。

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与热动力机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，所需余热来自热动力机的排烟和冷却水；吸收式机组还具有制热水功能。吸收式机组与热动力机的排气管或冷却水管相连；吸收式机组通过热动力机的排烟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，可使用烟气热水，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，还包括余热锅炉，包括气-水换热器51、水-水换热器52、二次气-水53换热器。其中气-水换热器51输入热动力机1排出的高温烟气，水-水换热器52输入热动力机1的冷却水，均输出热水，并可与冷凝器31的热水混合；余热锅炉内还设有二次气-水53换热器，输入前级排除的低温烟气，输出温度较低的热水，与热泵机组的蒸发器32水路接通，用于提高冷冻水温度，同时低温的冷冻水可进一步降低排烟温度。

根据上述实施例，本装置由热动力机1、电机单元2、热泵机组、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：

制冷模式1、热动力驱动压缩机制冷+可选的余热制冷

参照图15，同时接通电机单元2与热动力机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。

运行热动力机1，热动力机1的驱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和驱动轴受到上方反重力励磁绕组211的电磁吸引力，使驱动轴上的轴承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。热泵机组运行在制冷模式，通过蒸发器32向外部输出冷水。

参照图16，该模式下，还可选择增加吸收式机组，采用热动力机的排烟和冷却水驱动吸收式机组，也能给外部提供部分冷水。

制冷模式2、电力驱动压缩机制冷

参照图17，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与热动力机之间的前级连轴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，热泵机组运行在制冷工况，通过蒸发器32向外部输出冷水。

制冷模式3、热动力与电力混合驱动压缩机制冷+可选的余热制冷

参照图18，同时接通电机单元2与热动力机和压缩机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。运行热动力机，与电机单元2联合驱动压缩机30，热泵机组运行在制冷工况，通过蒸发器31向外部输出冷水。

参照图19，该模式下，还可选择增加吸收式机组，采用热动力机的排烟和冷却水驱动吸收式机组，也能给外部提供部分冷水。

制冷模式4、热动力驱动压缩机制冷+发电+可选的余热制冷

参照图20，同时接通电机单元2与热动力机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。运行热动力机，驱动压缩式冷单元运行，热泵机组运行在制冷工况，通过蒸发器31向外部输出冷水。

参照图21，该模式下，还可选择增加吸收式机组，采用热动力机的排烟和冷却水驱动吸收式机组，也能给外部提供部分冷水。当压缩机30的制冷负荷较低时，热动力机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，提高热动力机的负荷，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。

制冷模式5、热动力驱动发电+余热制冷

参照图22，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与热动力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；运行热动力机，驱动电机单元2发电，通过发电模块向外部用电负荷输送电能；吸收式机组，采用热动力机的排烟和冷却水驱动吸收式机组，也能给外部提供部分冷水。

制冷模式6、单用运行吸收式机组制冷

参照图23，热动力机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，让其制冷运行，给外部提供冷水。

制热模式1、热动力驱动压缩机制热+可选的余热锅炉

参照图24，同时接通电机单元2与热动力机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。

运行热动力机1，热动力机的驱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(整个转子作为一个飞轮运行)，同时转子20和驱动轴受到上方反重力励磁绕组211的电磁吸引力，使驱动轴上的轴承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。热泵机组运行在制热模式，通过冷凝器31向外部输出热水，而蒸发器32的冷冻水路连接江水、河水或地下水源。

参照图25，该模式下，还可选择增加余热锅炉，采用热动力机的排烟驱动余热锅炉，余热锅炉内的气-水换热器51，输入热动力机1排出的高温烟气，并和热泵机组的冷凝器31的冷却水一起给外部提供部分热水；余热锅炉的水-水换热器52，输入热动力机1的冷却水，输出热水，并可与冷凝器31的热水混合；余热锅炉内还设有二次气-水53换热器，输入前级排除的低温烟气，输出温度较低的热水，与热泵机组的蒸发器32水路接通，用于提高冷冻水温度，同时低温的冷冻水可进一步降低排烟温度。

制热模式2、电力驱动压缩机制热

参照图26，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与热动力机1之间的前级连轴装置41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，热泵机组运行在制热工况，通过冷凝器31向外部输出热水。

制热模式3、热动力与电力混合驱动压缩机制热+可选的余热锅炉

参照图27，同时接通电机单元2与热动力机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。

运行热动力机1，同时外部电源通过电机单元2联合驱动压缩机30，热泵机组运行在制热工况，通过冷凝器31向外部输出热水。

参照图28，该模式下，还可选择增加余热锅炉，余热锅炉内的气-水换热器51，输入热动力机1排出的高温烟气；余热锅炉的水-水换热器52，输入热动力机1的冷却水，输出热水，并可与冷凝器31的热水混合；余热锅炉内还设有二次气-水53换热器，输入前级排除的低温烟气，输出温度较低的热水，与热泵机组的蒸发器32水路接通，用于提高冷冻水温度，同时低温的冷冻水可进一步降低排烟温度。

制热模式4、发电与压缩机制热联合输出+可选的余热锅炉：

参照图29，同时接通电机单元2与热动力机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。运行热动力机1，驱动压缩式机30，热泵机组运行在制热工况，通过冷凝器31向外部输出热水。

参照图30，该模式下，还可选择增加余热锅炉，采用热动力机的排烟驱动余热锅炉。余热锅炉内的气-水换热器51，输入热动力机1排出的高温烟气；余热锅炉的水-水换热器52，输入热动力机1的冷却水，输出热水，并可与冷凝器31的热水混合；余热锅炉内还设有二次气-水换热53，输入前级排除的低温烟气，输出温度较低的热水，与热泵机组的蒸发器32水路接通，用于提高冷冻水温度，同时低温的冷冻水可进一步降低排烟温度,利于节能和环保。

制热模式5、采用吸收式机组独立制热

参照图31，热动力机1、电机单元2、压缩机机组30，均不工作，单给吸收式机组输入燃气、燃油或蒸汽，让其单运行制热工况，给外部提供热水。

同理在制热模式1-4中也可增加吸收式机组，用燃气直接制热水，或用热泵型的吸收式机组，用余热和燃气来制热水，不再另行说明。

纯发电输出模式

参照图32，让电机单元2与压缩机30之间的后级连轴装置42分离，而让与热动力机1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。

运行热动力机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。

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 (8)

1.一种串联动力热泵装置，其特征在于，包括热动力机、电机单元和热泵机组；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多个定子绕组；所述热泵机组包括压缩机和与压缩机吸气管连接的蒸发器，以及与压缩机排气管连接的冷凝器，用于制冷水或制热水；

所述热动力机的传动轴与电机单元的传动轴直接串联连接后，再与压缩机的传动轴连接；

所述热动力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；所述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所述的串联动力热泵装置，其特征在于，当所述定子、转子和传动轴处于水平布置时，位于转子上方的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的传动轴的水平支撑轴承或连同热动力机和压缩机传动轴的水平支撑轴承所受的径向竖直向下压力减小或为零。

3.根据权利要求1所述的串联动力热泵装置，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单元。

4.根据权利要求1所述的串联动力热泵装置，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。

5.根据权利要求1所述的串联动力热泵装置，其特征在于，还包括电控系统；热动力机、电机单元和热泵机组均受控于电控系统；

电控系统包括热动力控制模块、电机控制模块和热泵机组控制模块；

(1)热动力控制模块用于控制热动力机的运行；

(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)热泵机组控制模块用于控制热泵机组的运行，以及热泵机组制冷、制热工况的工况转换；

(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；

电控系统内的各个模块之间可进行互相关联控制。

6.根据权利要求2所述的串联动力热泵装置，其特征在于，反重力励磁绕组为定子中独立设置的绕组。

7.根据权利要求1所述的串联动力热泵装置，其特征在于，还包括吸收式机组；吸收式机组与热动力机的排气管或冷却水管相连，采用热动力机排出烟气和冷却水的余热进行制冷或提供热水。

8.根据权利要求1-7任一项所述的串联动力热泵装置，其特征在于，还包括余热锅炉，并与热动力机的排气管或冷却水管相连；其中余热锅炉包括气-水换热器、水-水换热器和二次气-水换热器中的至少一种，均输出热水。