CN208153269U - 一种串联复合动力水泵及包含串联复合动力水泵的热泵系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种串联复合动力水泵，包括发动机、电机单元、水泵和电控系统；所述发动机有外伸的传动轴，所述电机单元的两端均具有向外伸出的传动轴，所述发动机、电机单元和水泵的传动轴依次串联连接。还公开了包含串联复合动力水泵的热泵系统，包括一台或多台水泵和一台或多台空气源热泵机组，所述水泵中至少有一台水泵采用串联复合动力水泵，所述空气源热泵机组包括压缩机、水侧换热器、表冷器和四通阀，水侧换热器输出冷水或热水，该热水泵系统及方法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，而且能源利用效率高。

Description

一种串联复合动力水泵及包含串联复合动力水泵的热泵系统

技术领域

本实用新型涉及燃气发电、水泵和空调领域，尤其涉及一种串联复合动力水泵及包含串联复合动力水泵的热泵系统。

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水泵来制冷。

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水泵，承担大部分制冷负荷，而吸收式水泵仅提供辅助供冷。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水泵的机械能，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103090590A的中国专利公开了一种发动机驱动螺杆式水泵冷热水单元（申请号为201210527521.3），该方案只是采用单一的发动机驱动螺杆式水泵，水泵无电机，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），其采用发动机驱动水泵，同时驱动发电机，无电机驱动水泵功能，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水泵，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，再用电机驱动水泵，发动机和水泵并无直接的机械连接；而其中并联方式指：发动机可独立带动水泵，电动机也能独立带动水泵，然后又可联合驱动水泵。因此发动机与水泵，电动机与水泵之间，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水泵和发电机，根据附图，其结构也为直连方式，但是发动机设置在水泵与发电机之间，水泵只能采用发动机驱动，不能采用电机驱动，功能单一。

因此，有必要设计一种串联复合动力水泵及包含串联复合动力水泵的热泵系统。

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复合动力水泵及包含串联复合动力水泵的热泵系统，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：

一种串联复合动力水泵，包括发动机、电机单元、水泵和电控系统；所述发动机有外伸的传动轴，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。所述水泵包括泵体、叶轮和传动轴；所述电控系统与发动机、电机单元电气连接；

所述发动机、电机单元和水泵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水泵的传动轴相连；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，电机单元与水泵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、电机单元和水泵的三轴串联直驱，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，而现有水泵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，或连同发动机和水泵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水泵，电机单元既不做电动机也不发电。

由于发动机、电机单元和水泵均为水平安装，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，而与水泵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水泵直接串联结构，此时整个电机不仅成了连接发动机与水泵的传动轴和飞轮，还成为能支撑发动机和水泵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。

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水泵的转速不一致时，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，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，作为空调采暖的辅助热源。

进一步，所述电控系统包括发动机控制模块和电机控制模块；

（1）发动机控制模块用于控制发动机的启停及运行；

（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，能根据水泵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）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。

进一步，所述电控系统内的各个模块之间可进行互相关联控制，并控制串联复合动力水泵工作在以下任一工作模式中：

（1）工作模式1、发动机单独驱动水泵；

同时接通电机单元与发动机和水泵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水泵，电机处于转子被动空转状态；

（2）工作模式2、电力单独驱动水泵；

让电机单元与水泵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水泵；

（3）工作模式3、发动机与电力混合驱动水泵

同时接通电机单元与发动机和水泵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水泵；

（4）工作模式4、发动机驱动水泵并驱动电机发电

同时接通电机单元与发动机和水泵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水泵；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；该模式下，所发的电能可以全部或部分输送给空气源热泵机组，使整改机房完全摆脱公共外部电源的约束，具有高的独立性。

（5）工作模式5、单发电输出

让电机单元与水泵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，通过电控系统，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。

包含串联复合动力水泵的热泵系统，包括一台或多台水泵和一台或多台空气源热泵机组，其中至少有一台水泵采用前述的串联复合动力水泵；

所述空气源热泵机组包括压缩机、水侧换热器、表冷器和四通阀，水侧换热器输出冷水或热水。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。

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水泵低温的表冷器，提高制热效果，并降低排烟温度。而夏季制冷时，则关闭风阀，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，甚至可以让水泵冬季无霜运行，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。

通过上述串联复合动力水泵的余热回收装置和空气源热泵机组的表冷器，在冬季制热时可以实现燃气燃料百分百完全利用。当空调热负荷较小，如春秋过渡季节，空调主机或锅炉很多时间处于间歇运行状态，而循环水泵却一直在连续运行；如果采用燃气驱动水泵作为空调循环水泵，虽然水泵的功率相对空调主机虽然较小，但在连续运行时，会连续不断累计产生大量余热，可减少空调主机或锅炉的能耗，甚至可以不用启动，只需连续运行串联复合动力水泵，就可满足采暖需求。

热负荷较大，室外气温较低，当采用空气源热泵作为主机，存在频繁化霜，制热效果差的问题，而在空气源热泵机组表冷器引入串联复合动力水泵的烟气，解决化霜问题，可以让空调主机无霜运行。

对于中大型空调系统，水泵功率较大，配置串联复合动力水泵的发动机功率也较大，此时系统中配置的空气源热泵机组的完全为吸收串联复合动力水泵的烟气余热。

进一步串联复合动力水泵运行在工作模式4或5时，所发电可以驱动空气源热泵机组或其他水泵，其他水泵即可是前述串联复合动力水泵，也可是普通电动水泵；这样可让整个空调机房不用完全依赖外部电网，用天然气或燃油可独立工作。

同理上述包含串联复合动力水泵的热泵系统，不仅可用于夏季制，冬季冷制热的空调系统，也可作为专门制热的热水机使用，全年为用户提供卫生热水。

有益效果：

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，本实用新型主要创新点如下：

1.本实用新型创新之一：只用水泵也能采暖

任何采用水循环的中央空调系统，无论空调主机采用热泵还是锅炉，都必须配置循环水泵，而且所有水泵都只具备推动水体运动的功能，不能制热。

通过本实用新型，将空调系统中的循环水泵改为串联复合动力水泵，在驱动空调水路循环同时，将燃气驱动水泵的烟气余热百分百吸收到空调水路中，作为空调热源，虽然水泵相对空调主机的功率较小，但是运行时间却是空调主机运行时间的数倍，能将小热量累计能成大热量，可降低空调主机的能耗，在热负荷较小时，如春秋过渡季节采暖，甚至可不用启动空调主机。

本实用新型创新之二：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；而本实用新型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。

3.本实用新型创新之三：转子当传动飞轮，系统简化。

本实用新型中将发动机、电机单元和水泵的传动轴直接串联，当单独采用燃料驱动水泵时，燃气机必须先驱动电机单元，再驱动水泵，此时电动机虽不产生动力，发电机也不发电，转子被动空转，但却在燃气机与水泵之间充当具有缓冲、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，当由发动机驱动水泵时将电机分离，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燃气机直驱水泵，传动效率高，不仅便于电机单独驱动水泵，也便于燃气机独立发电，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水泵技术，使本实用新型具有很好的实用性。

本实用新型创新之四：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水泵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、电机和水泵均为卧式安装，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，而与水泵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水泵直接串联结构，此时整个电机不仅成了连接发动机与水泵的传动轴和飞轮，连轴装置采用刚性连接时，或当电机、发动机和水泵采用同一个传动轴时，还成为能支撑发动机和水泵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机单元的定子绕组中。

综上所述，本发明方法易于实施，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为串联复合动力水泵结构示意图；

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为发动机驱动水泵模式示意图；

图8为电力驱动水泵模式示意图；

图9为发动机和电力联合驱动水泵模式示意图；

图10为发动机驱动水泵同步发电模式示意图；

图11为发动机单发电模式示意图；

图12为双电机组成电机单元示意图；

图13为双定子电机示意图；

图14为法兰连轴器接通示意图；

图15为法兰连轴器分离的示意图；

图16为变速装置设置在前级连轴装置时的状态图；

图17为变速装置设置在后级连轴装置时的状态图；

图18为带有余热回收器的热泵系统实施例示意图；

图19 为串联复合动力水泵和空气源热泵装置的系统图；

图20为发动机排气与表冷器连接施例示意图；

图21为余热回收器排烟与表冷器连接施例示意图；

图22为发动机驱动水泵同步发电给空气源热泵机组示意图；

图23为发动机驱动水泵同步发电给其他电动水泵示意图。

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，串联复合动力水泵中，包括发动机1、电机单元2、水泵30、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、水泵30为串联布置，电机单元传动轴201的一端与水泵传动轴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、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，控制其启动及运行。

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。

上述电控系统内的各个模块之间可进行互相关联控制，并控制串联复合动力水泵工作在以下任一工作模式中：

模式1、发动机驱动水泵

参照图7，同时接通电机单元2与发动机1和水泵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和水泵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、电力驱动水泵

参照图8，让电机单元2与水泵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驱动水泵30。

模式3、发动机与电力联合驱动水泵

参照图9，同时接通电机单元2与发动机和水泵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联合驱动水泵30。

模式4发动机驱动水泵同步发电

参照图10，同时接通电机单元2与发动机1和水泵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，驱动水泵运行。

模式5、纯发电输出模式

参照图11，让电机单元2与水泵30之间的后级连轴装置42分离，而让与发动机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。

电机单元2可以作为发动机1启动的动力：在热发动机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，可以根据水泵30负荷自动调整电机转速。

实施例3

参照图12，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13，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14和图15，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16，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与水泵30的一致。

实施例9

参照图17，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的水泵30一侧，此时电机单元2与发动机1的转速一致。

实施例10

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11

参照图18，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，冬季制热时可与水泵的蒸发器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12

参照图19，包含串联复合动力水泵的热泵系统，包括一台或多台水泵和一台或多台空气源热泵机组，其中至少有一台水泵采用前述的串联复合动力水泵。

所述空气源热泵机组包括压缩机60、水侧换热器62、表冷器61和四通阀64，水侧换热器62输出冷水或热水。表冷器61与水侧换热器62之间设有节流装置63，制冷剂受到压缩机60的压缩驱动，使在水侧换热器62、表冷器61和压缩机60之间循环流动，并产生相变和温度变化，由四通阀64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62内低温制冷剂与循环水换热，输出冷水，通过水管路及送入室内末端风机盘管，为室内提供冷气，表冷器61内高温制冷剂通过冷凝风机散热；冬季制热时，通过四通阀64切换，水侧换热器62内高温制冷剂与循环水换热，输出热水，通过水管路送入室内末端风机盘管，为室内提供暖气，表冷器61内低温制冷剂通过冷凝风机从空气中吸热。

实施例13

参照图20，与实施例12的区别在于，还包括风阀。表冷器61与发动机1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进入到水泵低温的表冷器61，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61。

实施例14

参照图21，与实施例12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61，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，甚至可以让水泵冬季无霜运行，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。

实施例15

参照图22与实施例12的区别在于，串联复合动力水泵运行在工作模式4时，所发电驱动空气源热泵机组；工作模式5与之相同，不作另行说明。

实施例16

参照图23与实施例12的区别在于，串联复合动力水泵运行在工作模式4时，所发电供给电动水泵的电机8，驱动水泵80运行；工作模式5与之相同，不作另行说明。

实施例17

与实施例12的区别在于，上述包含串联复合动力水泵的热泵系统，不仅可用于夏季制，冬季冷制热的空调系统，也可作为专门制热的热水机使用，全年为用户提供卫生热水。结构与上述一样，不作另行说明。

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 (8)

1.一种串联复合动力水泵，其特征在于，包括发动机、电机单元、水泵和电控系统；所述发动机有外伸的传动轴，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；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；所述水泵包括泵体、叶轮和传动轴；所述电控系统与发动机、电机单元电气连接；

所述发动机、电机单元和水泵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水泵的传动轴相连；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所述的串联复合动力水泵，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水泵传动轴的水平支撑轴承所受的竖直向下压力减小或为零。

3.根据权利要求1所述的串联复合动力水泵，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。

4.根据权利要求1所述的串联复合动力水泵，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所述的串联复合动力水泵，其特征在于，还包括余热回收器，并与发动机的排气管或冷却水管相连输出热水。

6.根据权利要求1所述的串联复合动力水泵，其特征在于，所述电控系统包括发动机控制模块和电机控制模块；

（1）发动机控制模块用于控制发动机的启停及运行；

（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）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。

7.一种包含串联复合动力水泵的热泵系统，包括一台或多台水泵和一台或多台空气源热泵机组，其特征在于，所述水泵中至少有一台水泵采用权利要求1-6任一所述的串联复合动力水泵，所述空气源热泵机组包括压缩机、水侧换热器、表冷器和四通阀，水侧换热器输出冷水或热水。

8.根据权利要求7所述的包含串联复合动力水泵的热泵系统，其特征在于，所述表冷器与串联复合动力水泵的发动机或余热回收器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；风阀出风口与表冷器的进风侧连接。