DE10102873A1 - Elektrischer Kompressor - Google Patents

Abstract

Ein elektrischer Kompressor hat eine Drehwelle (16), die durch einen Elektromotor (10) angetrieben wird. Der Motor (10) erzeugt ein Antriebsmoment. Kolben komprimieren ein Gas entsprechend einer Drehung der Drehwelle (16). Bei einer Umdrehung der Drehwelle (16) treten die Zeitabschnitte, bei denen das durch die Kolben erzeugte Gesamtlastmoment minimal ist, und die Zeitabschnitte, bei denen das Antriebsmoment des Motors (10) minimal ist, im wesentlichen bei denselben Drehwinkeln der Drehwelle (16) auf. Bei einer Umdrehung der Drehwelle (16) treten außerdem die Zeitabschnitte, bei denen das Gesamtlastmoment maximal ist, und die Zeitabschnitte, bei denen das Antriebsmoment des Motors (10) maximal ist, im wesentlichen bei denselben Drehwinkeln der Drehwelle (16) auf. Das Antriebsmoment ist stets größer als das Gesamtlastmoment. Daher muss der Motor (10) nicht groß sein, um ein ausreichendes Moment zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Kompressor, der durch einen Elektromotor angetrieben wird.

Die japanische ungeprüfte Patentoffenlegungsschrift Nr. 5-187356 offenbart einen elektrischen Kompressor, dessen Drehwelle durch einen Elektromotor angetrieben wird. Der Kompressor hat mehrere Zylinderbohrungen. In jeder Zylinderbohrung ist ein Kolben untergebracht. Die Kolben sind bei gleichen Winkelabständen um die Achse der Drehwelle angeordnet. Eine Antriebsplatte ist an der Drehwelle befestigt. Eine Taumelscheibenplatte und eine Kolbenstütze sind zwischen der Antriebsplatte und den Kolben angeordnet. Die Kolbenstütze ist durch ein Axiallager gestützt. Das Axiallager ermöglicht der Kolbenstütze, sich relativ zu der Taumelscheibenplatte zu drehen.

Eine Führungsnut ist in der Antriebsplatte ausgebildet. Ein Zapfenstift, der an der Taumelscheibenplatte befestigt ist, ist mit der Führungsnut im Eingriff. Eine Buchse ist durch die Drehwelle gleitbar gestützt. Die Taumelscheibenplatte ist durch ein Paar Buchsenstiften gestützt, die so an der Buchse ausgebildet sind, dass die Taumelscheibenplatte geneigt ist. Die Neigung der Taumelscheibenplatte wird durch einen Eingriff zwischen der Führungsnut und dem Zapfenstift und durch ein Gleiten der Buchse geführt. Wenn sich die Taumelscheibenplatte dreht, schwenkt die Kolbenstütze und bewegt jeden Kolben in der entsprechenden Zylinderbohrung hin und her. Wenn ein Gas in jeder Zylinderbohrung komprimiert wird und von den Zylinderbohrungen ausgestoßen wird, wird eine Kompressionsreaktionskraft erzeugt. Die Kompressionsreaktionskraft wird durch die Kolben, die Kolbenstütze, das Axiallager, die Taumelscheibenplatte und den Zapfenstift zu der Antriebsplatte übertragen und von dieser aufgenommen. Die Kompressionsreaktionskraft übt ein Lastmoment auf die Drehwelle aus. Das durch jeden Kolben erzeugte Lastmoment ist bei dem Ausstoßhub maximal, bei dem das Gas von der Zylinderbohrung ausgestoßen wird. Das Lastmoment beträgt bei dem Saughub im wesentlichen Null, bei dem das Gas in die Zylinderbohrung eingezogen wird. Das Gesamtlastmoment der Kolben hat bei einer Umdrehung der Drehwelle viele Maxima entsprechend der Anzahl der Kolben.

Das durch die Drehwelle erzeugte Antriebsmoment ist stets größer als der Maximalwert des Gesamtlastmomentes. Das Antriebsmoment wird lediglich unter Berücksichtigung des Maximalwertes des durch die Kompressionsreaktionskraft erzeugten Gesamtlastmoments bestimmt. Da Änderungen des Gesamtlastmoments nicht berücksichtigt werden, ist das Antriebsmoment unangemessen hoch, selbst wenn das Gesamtlastmoment geringe Werte hat. Somit wird ein Elektromotor verwendet, der ein unangemessen hohes Moment erzeugt. Der Motor, der das unangemessen hohe Moment erzeugt, ist relativ groß, wodurch die Größe des Kompressors ansteigt.

Es ist demgemäß eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kompakten elektrischen Kompressor vorzusehen.

Um die vorstehend genannte und andere Aufgaben in Übereinstimmung mit dem Ziel der vorliegenden Erfindung zu lösen, wird ein elektrischer Kompressor vorgesehen. Der elektrische Kompressor hat einen Elektromotor, der ein Antriebsmoment erzeugt, eine Drehwelle, die durch den Motor angetrieben wird, und ein Kompressionselement zum Komprimieren von Gas entsprechend einer Drehung der Drehwelle. Während einer Umdrehung der Drehwelle treten zumindest ein Zeitabschnitt, bei dem das durch das Kompressionselement erzeugte Gesamtlastmoment ein Minimum hat, und ein Zeitabschnitt, bei dem das Antriebsmoment des Motors ein Minimum hat, im wesentlichen bei demselben Drehwinkel der Drehwelle auf, oder es treten zumindest ein Zeitabschnitt, bei dem das Gesamtlastmoment ein Maximum hat, und ein Zeitabschnitt, bei dem das Antriebsmoment des Motors ein Maximum hat, im wesentlichen bei demselben Drehwinkel der Drehwelle auf. Die Größe des Antriebsmomentes ist stets größer als diejenige des Gesamtlastmomentes.

Andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, die anhand von Beispielen die Prinzipien der Erfindung darstellen.

Die Erfindung wird zusammen mit ihren Aufgaben und Vorteilen am besten unter Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiele zusammen mit den beigefügten Zeichnungen verständlich.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittansicht eines elektrischen Kompressors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt eine Querschnittansicht entlang eine Linie 2-2 in der Fig. 1;

Fig. 3 zeigt eine Querschnittansicht entlang einer Linie 3-3 in der Fig. 1;

Fig. 4 zeigt eine Querschnittansicht entlang einer Linie 4-4 in der Fig. 1;

Fig. 5 zeigt eine Querschnittansicht, bei der die Drehwelle um 135° gegenüber dem Zustand gemäß der Fig. 4 gedreht ist;

Fig. 6(a) zeigt eine schematische Ansicht des Elektromotors bei dem Zustand gemäß der Fig. 4;

Fig. 6(b) zeigt eine schematische Ansicht des Elektromotors bei dem Zustand gemäß der Fig. 5;

Fig. 6(c) zeigt eine graphische Darstellung von Änderungen eines Gesamtlastmoments und Änderungen eines Antriebsmoments des Motors gemäß den Fig. 6(a) und 6(b);

Fig. 6(d) zeigt eine graphische Darstellung eines elektrischen Stromes, der den Statorspulen des Motors gemäß den Fig. 6(a) und 6(b) zugeführt wird;

Fig. 7(a) zeigt eine schematische Ansicht eines Elektromotors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem Magnete um 30° von Eisenkernen weggedreht sind;

Fig. 7(b) zeigt eine schematische Ansicht des Motors gemäß der Fig. 7(a), bei dem die Eisenkerne den Magneten zugewandt sind;

Fig. 7(c) zeigt eine graphische Darstellung von Änderungen eines Gesamtlastmoments und Änderungen eines Antriebsmomentes des Motors gemäß den Fig. 7(a) und 7(b);

Fig. 7(d) zeigt eine graphische Darstellung eines elektrischen Stromes, der den Statorspulen des Motors gemäß den Fig. 7(a) und 7(b) zugeführt wird;

Fig. 8(a) zeigt eine schematische Ansicht eines Elektromotors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem Magnete den Eisenkernen zugewandt sind;

Fig. 8(b) zeigt eine schematische Ansicht des Motors gemäß der Fig. 8(a), bei dem die Magnete um 90° von den Eisenkernen versetzt sind;

Fig. 8(c) zeigt eine graphische Darstellung von Änderungen eines Gesamtlastmoments und Änderungen eines Antriebsmomentes des Motors gemäß den Fig. 8(a) und 8(b);

Fig. 8(d) zeigt eine graphische Darstellung eines elektrischen Stromes, der den Statorspulen des Motors gemäß den Fig. 8(a) und 8(b) zugeführt wird;

Fig. 9 zeigt eine Querschnittansicht eines Kompressors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;

Fig. 10 zeigt eine Querschnittansicht entlang einer Linie 10-10 in der Fig. 9;

Fig. 11(a) zeigt eine graphische Darstellung von Änderungen eines Gesamtlastmoments und Änderungen eines Antriebsmomentes des Motors gemäß den Fig. 9 und 10; und

Fig. 11(b) zeigt eine graphische Darstellung eines elektrischen Stromes, der den Statorspulen des Motors gemäß den Fig. 9 und 10 zugeführt wird.

Ein Kolbenkompressor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 6 beschrieben.

Wie dies in der Fig. 1 gezeigt ist, sind ein Zylinderblock 13 und ein Motorgehäuseelement 15 an ein mittleres Gehäuseelement 12 gekoppelt. Eine Taumelscheibenplatte 11 ist in dem mittleren Gehäuseelement 12 untergebracht und an einer Drehwelle 16 befestigt. Ein Gehäuseendelement 14 ist an dem Zylinderblock 13 gesichert. Die Drehwelle 16 ist durch das Motorgehäuseelement 15 und den Zylinderblock 13 durch Radiallager 17, 18 gestützt.

Wie dies in den Fig. 1 und 4 gezeigt ist, sind mehrere Statoren - bei diesem Ausführungsbeispiel vier Statoren 19A, 19B, 19C, 19D - an der Innenfläche des Motorgehäuseelementes 15 angeordnet. Ein Rotor 30 ist an der Drehwelle 16 in dem Motorgehäuseelement 15 befestigt. Die Statoren 19A, 19B, 19C, 19D haben Eisenkerne 20A, 20B, 20C bzw. 20D und Spulen 21A, 21B, 21C bzw. 21D. Die Spulen 21A, 21B, 21C, 21D sind um die Eisenkerne 20A, 20B, 20C bzw. 20D gewickelt. Der Rotor 30 hat einen an der Drehwelle 16 befestigten Stützzylinder 301 und Magnete 31A, 31B, 31C, 31D, die an der Fläche des Stützzylinders 301 befestigt sind. Die Anzahl der Magnete 31A, 31B, 31C, 31D ist gleich wie die Anzahl der Eisenkerne 20A, 20B, 20C, 20D. Die Eisenkerne 20A, 20B, 20C, 20D sind bei gleichen Winkelabständen (90°) um die Achse 161 der Drehwelle 16 angeordnet. Die Magnete 31A, 31B, 31C, 31D sind auch um die Achse 161 der Drehwelle 16 bei gleichen Winkelabständen (90°) angeordnet.

Die N-Pole (magnetische Nordpole) eines Paars gegenüberliegender Magnete 31A, 31C sind radial außen angeordnet, und die S-Pole (magnetische Südpole) des verbleibenden Paars 31B, 31D sind radial außen angeordnet. Wenn den Spulen 21A, 21B, 21C, 21D ein elektrischer Strom zugeführt wird, wird der Rotor 30 gedreht. Die Drehwelle 16 und die Taumelscheibenplatte 11 werden einstückig mit dem Rotor 30 gedreht. Die Statoren 19A, 19B, 19C, 19D und der Rotor 30 bilden einen Elektromotor 10 aus.

Wie dies in der Fig. 3 gezeigt ist, sind mehrere Zylinderbohrungen - bei diesem Ausführungsbeispiel vier Zylinderbohrungen 131, 132, 133, 134 - in dem Zylinderblock 13 ausgebildet. Die Zylinderbohrungen 131, 132, 133, 134 sind um die Achse 161 der Drehwelle 16 bei gleichen Winkelabständen angeordnet. Jede der Zylinderbohrungen 131, 132, 133, 134 nimmt einen Kolben 22 auf. Jeder Kolben 22 definiert eine Kompressionskammer 135 in der entsprechenden Zylinderbohrung 131, 132, 133, 134.

Wie dies in der Fig. 1 gezeigt ist, ist ein Paar Gleitkörper 23 zwischen jedem Kolben 22 und der Taumelscheibenplatte 11 angeordnet. Die Drehkraft der Taumelscheibenplatte 11 wird durch die Gleitkörper 23 auf die Kolben 22 übertragen. Wenn sich die Taumelscheibenplatte 11 dreht, wird jeder Kolben 22 in der entsprechenden Zylinderbohrung 131, 132, 133, 134 hin- und her bewegt.

Eine Hauptplatte 24 und eine erste Hilfsplatte 25 sind zwischen dem Gehäuseendelement 14 und dem Zylinderblock 13 angeordnet. Wie dies in der Fig. 2 gezeigt ist, ist das Innere des Gehäuseendelementes 14 durch eine Wand 141 in eine Saugkammer 142 und in eine Ausstoßkammer 143 geteilt.

Wie dies in der Fig. 1 gezeigt ist, sind eine zweite Hilfsplatte 26 und ein Halter 27 durch eine Niete 28 an der Hauptplatte 24 in der Ausstoßkammer 143 befestigt. Sauganschlüsse 241 sind an der Hauptplatte 24 ausgebildet. Jeder Sauganschluss 241 ist nach der Saugkammer 142 und einer der Zylinderbohrungen 131, 132, 133, 134 ausgerichtet. Ausstoßanschlüsse 242 sind an der Hauptplatte 24 und der ersten Hilfsplatte 25 ausgebildet. Jeder Ausstoßanschluss 242 ist nach der Ausstoßkammer 143 und einer der Zylinderbohrungen 131, 132, 133, 134 ausgerichtet. Saugventilklappen 251 sind an der ersten Hilfsplatte 25 ausgebildet. Ausstoßventilklappen 261 sind an der zweiten Hilfsplatte 26 ausgebildet. Die Saugventilklappen 251 öffnen und schließen die Sauganschlüsse 241. Die Ausstoßventilklappen 261 öffnen und schließen die Ausstoßanschlüsse 242.

Wenn sich jeder Kolben 22 von der oberen Totpunktposition zu unteren Totpunktposition bewegt, wird, während er die Saugventilklappe 251 in eine offene Stellung biegt, ein Kühlgas in der Saugkammer 142 durch den entsprechenden Sauganschluss 241 in die entsprechende Kompressionskammer 135 eingezogen. Wenn sich der Kolben 22 von der unteren Totpunktposition zu der oberen Totpunktposition bewegt, wird, während er die entsprechende Ausstoßventilklappe 261 in eine offene Stellung biegt, das Kühlgas durch den Ausstoßanschluss 242 in die Ausstoßkammer 143 ausgestoßen. Das Öffnungsmaß von jeder Ventilklappe 261 ist durch den Halter 27 begrenzt. Die Saugkammer 142 ist durch einen (nicht gezeigten) externen Kühlkreislauf mit der Ausstoßkammer 143 verbunden. Aus der Ausstoßkammer 143 ausgestoßenes Kühlmittel kehrt durch einen Kondensator, ein Expansionsventil und einen Verdampfer des externen Kühlkreislaufes zu der Saugkammer 142 zurück.

Ein Axiallager 29 ist zwischen der Taumelscheibenplatte 11 und einer Wand 121 des mittleren Gehäuseelementes 12 angeordnet. Wenn sich jeder Kolben 22 von der unteren Totpunktposition zu der oberen Totpunktposition bewegt, wird durch das von der Kompressionskammer 135 zu der Ausstoßkammer 143 ausgestoßene Kühlgas eine Kompressionsreaktionskraft erzeugt. Die Kompressionsreaktionskraft wird über den Kolben 22, die Gleitkörper 23, die Taumelscheibenplatte 11 und das Axiallager 29 von der Wand 121 aufgenommen.

Wenn die Drehwelle 16 den in der Fig. 4 gezeigten Drehwinkel einnimmt, befindet sich der Kolben 22 in der oberen Zylinderbohrung 131 gemäß der Fig. 1 in der oberen Totpunktposition, und der Kolben 22 in der gegenüberliegenden Zylinderbohrung 133 befindet sich in der unteren Totpunktposition, wie dies in der Fig. 1 gezeigt ist. Der Drehwinkel der Drehwelle 16 gemäß der Fig. 4 wird als 0° definiert. Bei dem Zustand gemäß der Fig. 4 führt der Kolben 22 in der Zylinderbohrung 132 den Ausstoßhub aus bzw. er bewegt sich von der unteren Totpunktposition zu der oberen Totpunktposition, und der Kolben 22 in der Zylinderbohrung 134 führt den Saughub aus bzw. er bewegt sich von der oberen Totpunktposition zu der unteren Totpunktposition. Wie dies in der Fig. 4 gezeigt ist, ist der Eisenkern 20A dem Magneten 31A zugewandt, der Eisenkern 20B ist dem Magneten 31B zugewandt, der Eisenkern 20C ist dem Magneten 31C zugewandt und der Eisenkern 20D ist dem Magneten 31D zugewandt. Die Fig. 5 stellt einen Zustand dar, bei dem die Drehwelle 16 bezogen auf den Zustand gemäß der Fig. 4 in einer Richtung eines Pfeils R um 135° gedreht ist.

Die Fig. 6(a) zeigt eine schematische Ansicht der Fig. 4, und die Fig. 6(b) zeigt eine schematische Ansicht der Fig. 5. Das Symbol "N" an den Magneten 31A, 31C bezeichnet N-Pole, und das Symbol "S" an den Magneten 31B, 31D bezeichnet S-Pole.

Linien E1, E2, E3, E4 gemäß der Fig. 6(c) stellen Lastmomente der Drehwelle 16 dar, die durch Kompressionsreaktionskräfte in den Kompressionskammern 135 der Zylinderbohrungen 131, 132, 133 bzw. 134 erzeugt werden. Eine Linie E0 stellt das resultierende der durch die Linien E1, E2, E3, E4 dargestellten Momente oder das Gesamtmoment dar. Die horizontale Achse stellt den Drehwinkel der Drehwelle 16 dar. Das Gesamtmoment E0 ändert sich periodisch bei Drehwinkeln von 90°. Wie dies in den Fig. 4 und 6(a) gezeigt ist, hat das Gesamtmoment E0 einen Minimalwert an durch E0s bezeichneten Stellen, die bei Drehwinkeln von 0°, 90°, 180° und 270° auftreten. Bei den Minimalwerten Eos sind die Eisenkerne 20A, 20B, 20C, 20D den Magneten 31A, 31B, 31C, 31D zugewandt. Das Gesamtmoment E0 hat Maximalwerte an durch E0m bezeichneten Stellen, die bei Drehwinkeln von 45°, 135°, 225° und 315° auftreten. Bei den Maximalwerten E0m sind die Eisenkerne 20A, 20B, 20C, 20D von den Magneten 31A, 31B, 31C, 31D annähernd um 45° versetzt, wie dies in den Fig. 5 und 6(b) gezeigt ist.

Wie dies in den Fig. 1, 4 und 5 gezeigt ist, sind die Spulen 21A, 21B, 21C, 21D mit einer Steuereinrichtung C1 verbunden. Die Steuereinrichtung C1 führt den Spulen 21A, 21B, 21C, 21D einen Wechselstrom AC1 zu, der in der Fig. 6(d) gezeigt ist. Die horizontale Achse in der Fig. 6(d) stellt den Drehwinkel der Drehwelle 16 dar.

Wenn der Drehwinkel der Drehwelle 16 0° beträgt, wie dies in der Fig. 6(a) gezeigt ist, erzeugt der den Spulen 21A, 21C, zugeführte Wechselstrom AC1 N-Pole an dem radial inneren Abschnitt der Eisenkerne 20A, 20C der Statoren 19A, 19C. Der den Spulen 21B, 21D zugeführte Wechselstrom AC1 erzeugt außerdem S-Pole an dem radial inneren Abschnitt der Eisenkerne 20B, 20D der Statoren 19B, 19D. Wenn der Drehwinkel 135° beträgt, wie dies in der Fig. 6(b) gezeigt ist, erzeugt der den Spulen 21A, 21C zugeführte Wechselstrom S-Pole an dem radial inneren Abschnitt der Eisenkerne 20A, 20C der Statoren 19A, 19C. Der den Spulen 21B, 21D zugeführte Wechselstrom AC1 erzeugt außerdem N-Pole an dem radial inneren Abschnitt der Eisenkerne 20B, 20D der Statoren 19B, 19D.

Eine Linie F1 in der Fig. 6(c) stellt das durch den Motor 10 erzeugte Antriebsmoment dar, wenn der Wechselstrom AC1 den Spulen 21A, 21B, 21C, 21D zugeführt wird. Das Moment F1 des Motors 10 ändert sich periodisch bei Drehwinkeln von 90°. Wenn die Eisenkerne 20A, 20B, 20C, 20D im wesentlichen den Magneten 31A, 31B, 31C, 31D zugewandt sind, wie dies in den Fig. 4 und 6(a) gezeigt ist, entspricht das Antriebsmoment F1 einem der angegebenen Minimalwerte F1s. Wenn die Eisenkerne 20A, 20B, 20C, 20D so von den Magneten 31A, 31B, 31C, 31D versetzt sind, wie dies in den Fig. 5 und 6(b) gezeigt ist, entspricht das Antriebsmoment F1 einem der angegebenen Maximalwerte F1m.

Da der Kompressor gemäß den Fig. 1 bis 6(d) die vier Zylinderbohrungen 131, 132, 133, 134 hat, hat das Gesamtmoment E0 vier Minimalwerte E0s und vier Maximalwerte E0m. Der Motor 10 erzeugt das Antriebsmoment F1 in Übereinstimmung mit dem von der Steuereinrichtung C1 zugeführten elektrischen Strom. Das Antriebsmoment F1 hat vier Minimalwerte F1s und vier Maximalwerte F1m. Die Minimalabschnitte E0s des Gesamtmomentes E0 erscheinen im wesentlichen bei denselben Drehwinkeln wie die Minimalabschnitte F1s des Antriebsmomentes F1, und die Maximalabschnitte E0m des Gesamtmomentes E0 erscheinen im wesentlichen bei denselben Drehwinkeln wie die Maximalabschnitte F1m des Antriebsmomentes F1. Das Antriebsmoment F1 ist stets größer als das Gesamtmoment E0.

Die Drehwelle 16 wird durch ein Zuführen des Wechselstromes AC1 zu den Spulen 21A, 21B, 21C, 21D gedreht. Bei einer Umdrehung der Drehwelle 16 wird Kühlgas in der Kompressionskammer 135 jeder Zylinderbohrung 131, 132, 133, 134 einmal in die Ausstoßkammer 143 ausgestoßen.

Das Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis 6(d) hat die nachfolgend beschriebenen Vorteile.

Eine Linie G in der Fig. 6(c) stellt das Moment dar, das durch einen Motor einer anderen Bauart als ein Motor gemäß dem Stand der Technik erzeugt wird. Die Minimalabschnitte Gs des Momentes G erscheinen bei anderen Drehwinkeln als die Minimalabschnitte E0s des Gesamtmomentes E0. Die Maximalabschnitte Gm des Momentes G erscheinen bei anderen Drehwinkeln als die Maximalabschnitte E0m des Gesamtmomentes E0.

Die Minimalabschnitte F1s des Momentes F1 des Motors 10 erscheinen im wesentlichen bei denselben Drehwinkeln wie die Minimalabschnitte E0s des Gesamtmomentes E0. Die Maximalabschnitte F1m des Antriebsmomentes F1 erscheinen im wesentlichen bei denselben Drehwinkeln wie die Maximalabschnitte E0m des Gesamtmomentes E0. Daher ist ein Motor, der ein hohes Moment erzeugt, nicht erforderlich. Anstelle von diesem wird der Motor 10 verwendet, der ein relativ geringes aber ausreichendes Moment F1 erzeugt. Vergleichen mit dem Motor, der bei dem Kompressor gemäß dem Stand der Technik verwendet wird, ist die Größe des Motors 10 gering, wodurch die Größe des gesamten Kompressors reduziert ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis 6(d) beträgt die Anzahl der Kolben 22 vier, und die Anzahl der Pole des Motors 10 beträgt ebenfalls vier. Wenn die Anzahl der Kolben 22 der Anzahl der Pole des Motors 10 entspricht, entsprechen die Drehwinkel der Minimalabschnitte E0s bzw. der Maximalabschnitte E0m des Gesamtmomentes E0 im Allgemeinen den Drehwinkeln der Minimalabschnitte F1s bzw. der Maximalabschnitte F1m des Antriebsmomentes F1. Anders gesagt entspricht der Zyklus der Änderungen des Gesamtmomentes E0 dem Zyklus der Änderungen des Antriebsmomentes F1. Außerdem entspricht die Phase des Gesamtmomentes E0 im wesentlichen der Phase des Antriebsmomentes F1. Daher wird solch eine angeglichene Struktur bevorzugt, um die Größe des elektrischen Kompressors zu reduzieren.

Ein elektrischer Kompressor gemäß einem zweitem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 7(a) bis 7(d) beschrieben.

Der Kompressor des zweiten Ausführungsbeispieles hat drei Zylinderbohrungen 131, 132, 133, die um die Achse 161 der Drehwelle 16 angeordnet sind. Der Kompressor hat außerdem sechs Statoren 19A, 19B, 19C, 19D, 19E, 19F. Die Statoren 19A, 19B, 19C, 19D, 19E, 19F haben Eisenkerne 20A, 20B, 20C, 20D, 20E bzw. 20F und Spulen 21A, 21B, 21C, 21D, 21E bzw. 21F. Der Rotor 30 hat sechs Magnete 31A, 31B, 31C, 31D, 31E, 31F. Der anderweitige Aufbau des in den Fig. 7(a) bis 7(d) gezeigten Kompressors ist gleich wie derjenige, der in den Fig. 1 bis 6(d) gezeigt ist.

Linien H1, H2, H3 stellen Änderungen des Lastmomentes dar, das auf die Drehwelle 16 von den Kompressionskammern 135 der Zylinderbohrungen 131, 132, 133 aufgebracht wird. Eine Linie H0 stellt das resultierende der durch die Linien H1, H2, H3 dargestellten Momente oder das Gesamtmoment dar. Das Gesamtmoment H0 ändert sich periodisch bei Drehwinkeln von 120°. Maximalabschnitte H0m des Gesamtmomentes H0 erscheinen bei Drehwinkeln von 110°, 230° und 350°. Minimalabschnitte H0s des Gesamtmomentes H0 erscheinen bei Drehwinkeln von 80°, 200° und 320°.

Eine Steuereinrichtung C2 führt den Spulen 21A, 21C, 21E einen Wechselstrom AC2 zu, der in der Fig. 7(d) gezeigt ist. Die Steuereinrichtung C2 führt außerdem den Spulen 21B, 21D, 21F einen Wechselstrom AC3 zu, der in der Fig. 7(d) gezeigt ist. Eine in der Fig. 7(c) gezeigte Linie F2 stellt ein durch den Motor erzeugtes Moment dar, wenn der Strom AC2 den Spulen 21A, 21C, 21E zugeführt wird und der Strom AC3 den Spulen 21B, 21D, 21F zugeführt wird.

Das Moment F2 des Motors 10A ändert sich periodisch bei Drehwinkeln von 60°. Wenn die Eisenkerne 20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F im wesentlichen den Magneten 31A, 31B, 31C, 31D, 31E, 31F zugewandt sind, wie dies in der Fig. 7(b) gezeigt ist, entspricht das Antriebsmoment F2 Minimalabschnitten F2s. Wenn die Eisenkerne 20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F von den Magneten 31A, 31B, 32C, 31D, 31E, 31F um 30° versetzt sind, entspricht das Antriebsmoment F2 Maximalabschnitten F2m.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 7(a) bis 7(d) hat der Kompressor drei Kolben (nicht gezeigt), und der Motor 10A hat sechs Pole. Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis 6(d) muss der Motor 10A kein großes Moment erzeugen, wodurch die Größe des Kompressors reduziert wird.

Ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 8(a) bis 8(d) beschrieben.

Statoren 19A, 19B haben Eisenkerne 20A bzw. 20B und Spulen 21A bzw. 21B. Ein Rotor 30 hat zwei Magnete 31A, 31B. Der anderweitige Aufbau des in den Fig. 8(a) und 8(d) gezeigten Kompressors ist gleich wie derjenige, der in den Fig. 1 bis 6(d) gezeigt ist.

Eine Steuereinrichtung C3 führt den Spulen 21A, 21B einen Wechselstrom AC4 zu, der in der Fig. 8(d) gezeigt ist. Eine Linie F3 in der Fig. 8(c) stellt das durch den Motor 10B erzeugte Moment dar, wenn der Strom AC4 den Spulen 21A, 21B zugeführt wird. Das Moment F3 des Motors 10B ändert sich periodisch bei Drehwinkeln von 180°. Wenn die Eisenkerne 20A, 20B im wesentlichen den Magneten 31A, 31B zugewandt sind, wie dies in der Fig. 8(a) gezeigt ist, entspricht das Moment F3 einem Minimalabschnitt F3s. Wenn die Eisenkerne 20A, 20B so von den Magneten 31A, 31B versetzt sind, wie dies in der Fig. 8(b) gezeigt ist, entspricht das Antriebsmoment F3 einem Maximalabschnitt F3m.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 8(a) bis 8(d) hat der Kompressor vier Kolben (nicht gezeigt), und der Motor 10B hat zwei Pole. Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis 6(d) muss der Motor 10B kein großes Moment erzeugen, wodurch die Größe des Kompressors reduziert wird.

Ein Kompressor der Spiralenbauart gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 9 bis 11 beschrieben.

Wie dies in der Fig. 9 gezeigt ist, ist eine ortsfeste Spirale 32 an ein mittleres Gehäuseelement 33 gekoppelt. Das mittlere Gehäuseelement 33 ist an das Motorgehäuseelement 34 gekoppelt. Das mittlere Gehäuseelement 33 und das Motorgehäuseelement 34 stützen eine Drehwelle 35 durch Radiallager 36, 37. Eine exzentrische Welle 38 ist einstückig mit der Drehwelle 35 ausgebildet. Ein Kanal 57 ist an dem mittleren Gehäuseelement 33 ausgebildet. Der Kanal 57 verbindet das Innere eines Spiralengehäuseelementes 60 mit dem Inneren des Motorgehäuseelementes 34.

Die exzentrische Welle 38 stützt ein Gegengewicht 39 und eine Buchse 40. Eine bewegbare Spirale 41 ist durch die Buchse 40 über ein Nadellager 42 gestützt und dreht sich relativ zu der Buchse 40. Die bewegbare Spirale 41 ist der ortsfesten Spirale 32 zugewandt. Ein Raum 56 ist durch die Buchse 40, die exzentrische Welle 38, die ortsfeste Spirale 32 und die bewegbare Spirale 41 definiert. Die ortsfeste Spirale 32 hat eine ortsfeste Grundplatte 43 und einen ortsfesten Schneckenabschnitt 44, und die bewegbare Spirale 41 hat eine bewegbare Grundplatte 45 und einen bewegbaren Schneckenabschnitt 46. Die Grundplatten 43, 45 und die Schneckenabschnitte 44, 46 definieren Taschen 51, 50. Wenn sich die exzentrische Welle 38 dreht, orbitiert die bewegbare Spirale 41 um die Achse der Drehwelle 16. Eine durch die orbitierende Bewegung der bewegbaren Spirale 41 erzeugte Zentripetalkraft wird durch das Gegengewicht 39 ausgeglichen.

Ein Ring 47 ist zwischen der bewegbaren Grundplatte 45 und dem mittlerem Gehäuseelement 33 angeordnet. Zylindrische Stifte 49 (nur einer ist in der Fig. 9 gezeigt) sind an dem Ring 47 gesichert. Eine ringartige Druckaufnahmeplatte 48 ist zwischen dem mittleren Gehäuseelement 33 und dem Ring 47 angeordnet. Die Platte 48 hat Löcher 481, deren Positionen mit den Positionen der Stifte 49 übereinstimmen. Die bewegbare Grundplatte 45 hat außerdem Löcher 451, deren Positionen mit den Positionen der Stifte 49 übereinstimmen. Die Löcher 481, 451 sind bei gleichen Winkelabständen um die Achse der Drehwelle 35 paarweise ausgerichtet angeordnet. Die Enden von jedem Stift 49 sind in das entsprechende Paar Löcher 281, 451 eingepasst.

Wie dies in der Fig. 10 gezeigt ist, ist ein Motor 10C in dem Motorgehäuseelement 34 untergebracht. Der Motor 10C hat Statoren 50A, 50B, die an der Innenfläche des Motorgehäuseelementes 34 angeordnet sind, und einen Rotor 51, der an der Drehwelle 35 befestigt ist. Der Stator 50A hat einen Eisenkern 52A und eine Spule 53A, die um den Eisenkern 52A gewickelt ist. Der Stator 50B hat einen Eisenkern 52B und eine Spule 53B, die um den Eisenkern 52B gewickelt ist. Der Rotor 51 hat einen Stützzylinder 511, der an der Drehwelle 35 befestigt ist, und ein Paar Magnete 54A, 54B, die an dem Stützzylinder 511 befestigt sind. Die Eisenkerne 52A, 52B sind bei gleichen Winkelabständen (180°) um die Achse der Drehwelle 35 angeordnet. Der N-Pol von einem der Magnete 54A ist radial außen angeordnet und der S-Pol des anderen Magneten 54B ist radial außen angeordnet.

Wenn sich die exzentrische Welle 38 dreht, orbitiert die bewegbare Spirale 41. Wenn die bewegbare Spirale 41 orbitiert, wird Kühlgas in den Raum zwischen der Grundplatte 43 und der Grundplatte 45 der bewegbaren Spirale durch einen Einlass 321 eingezogen. Wenn die bewegbare Spirale 41 orbitiert, gleitet die Fläche von jedem Stift 49 entlang den Innenwänden des entsprechenden Paars Löcher 451, 481. Der Durchmesser d1 der Löcher 451, 481, der Durchmesser d2 von jedem Stift 49 und der Orbitradius r der Buchse 40 genügen der folgenden Gleichung:

d1 = d2 + r

Demgemäß ist der Orbitradius der bewegbaren Spirale 41 mit r bezeichnet, und der Ring 47 orbitiert mit dem halben Orbitradius r der bewegbaren Spirale 41.

Jeder Stift 49 steht in Kontakt mit der Innenfläche des entsprechenden Lochs 481, wodurch verhindert wird, dass sich der Ring 47 dreht. Die Innenwand von jedem Loch 451 steht in Kontakt mit dem entsprechenden Stift 49 an dem Ring 47, der sich nicht dreht. Die bewegbare Spirale 41 wird daher nicht gedreht. Das bedeutet, dass sich die bewegbare Spirale 41 und der Ring 47 nicht um ihre eigenen Achsen drehen, sondern entlang vorbestimmten Bahnen orbitieren. Wenn die bewegbare Spirale 41 orbitiert, bewegen sich die Taschen S1, S0 zu den inneren Enden 441, 461 der Schneckenabschnitte 44, 46. Durch die Bewegung verringert sich das Volumen von jeder Tasche S1, S0.

Ein Ausstoßanschluss 452 ist an der bewegbaren Grundplatte 45 angeordnet. Der Ausstoßanschluss 452 mündet in die Tasche S0, wenn sich die Tasche S0 in der letzten Etappe befindet. Der Ausstoßanschluss 452 wird durch eine Ausstoßventilklappe 55 geöffnet und geschlossen. Wenn sich das Volumen jeder Tasche S1, S0 verringert, wird Kühlgas in den Taschen S1, S0 komprimiert. Das Gas wird dann von der Tasche S0 durch den Ausstoßanschluss 452 in den Raum 56 ausgestoßen. Das Gas strömt dann durch das Nadellager 42 und durch den an dem mittlerem Gehäuseelement 33 ausgebildeten Kanal 57 in das Innere des Motorgehäuseelementes 34. Das Kühlgas in dem Motorgehäuseelement 34 wird durch einen an der Endwand des Motorgehäuseelementes 34 ausgebildeten Auslass 341 in einen externen Kühlkreislauf ausgestoßen.

Eine Linie K in der Fig. 11(a) stellt ein resultierendes Moment oder das Gesamtmoment dar, das auf die Drehwelle 35 aufgrund der Kompressionsreaktionskräfte der Taschen S1, S0 aufgebracht wird. Das Gesamtmoment K ändert sich periodisch bei Drehwinkeln von 360°. Das Gesamtmoment K entspricht einem Maximalwert Km bei einem Winkel von 130°. Das Gesamtmoment K entspricht einem Minimalwert Ks bei einem Winkel von 310°.

Eine Steuereinrichtung C4 führt einen Wechselstrom AC5 zu, der in der Fig. 11(b) gezeigt ist. Eine Linie F4 in der Fig. 11(a) stellt ein Moment dar, das durch ein Zuführen des Stromes AC5 zu den Spulen 53A, 53B erzeugt wird. Das Moment F4 des Motors 10C ändert sich periodisch bei Winkelperioden von 180°. Das Antriebsmoment F4 entspricht einem Maximalabschnitt F4m, wenn die Eisenkerne 52A, 52B den Magneten 54A, 54B zugewandt sind, wie dies in der Fig. 10 gezeigt ist. Wenn die Eisenkerne 52A, 52B (bzw. die Magnete 54A, 54B) Drehwinkel von 40° und 220° einnehmen, dass heißt wenn die Eisenkerne 52A, 52B von den Magneten 54A, 54B um 90° versetzt sind, entspricht das Antriebsmoment F4 einem Minimalabschnitt F4s. Einer der Maximalabschnitte F4m des Antriebsmomentes F4 erscheint bei demselben Drehwinkel wie der Maximalabschnitt Km des Gesamtmomentes K. Das Antriebsmoment F4 ist stets größer als das Gesamtmoment K.

Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis 6(d) verwendet das Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 9 bis 11(d) einen Motor, der ein relativ geringes Moment erzeugt.

Es ist für eine Durchschnittsfachmann klar, dass die vorliegende Erfindung durch viele andere spezifische Ausführungsformen ausgeführt werden kann, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Es sollte insbesondere klar sein, dass die Erfindung durch die folgenden Ausführungsformen ausgeführt werden kann.

Die vorliegende Erfindung kann auf jeden beliebigen elektrischen Kompressor angewendet werden, solange die Anzahl der Kolben eine Anzahl ist, die durch ein Multiplizieren der Anzahl der Pole des Motors mit einer ganzen Zahl berechnet wird.

Die vorliegende Erfindung kann auf jeden beliebigen elektrischen Kompressor angewendet werden, solange die Anzahl der Pole des Motors eine Anzahl ist, die durch ein Multiplizieren der Anzahl der Kolben mit einer ganzen Zahl berechnet wird.

Die gegenwärtigen Beispiele und Ausführungsbeispiele dienen daher nur der Veranschauung und sind nicht einschränkend, und die Erfindung ist nicht auf die darin gegebenen Details beschränkt, sondern sie kann innerhalb des Umfangs und Äquivalenz der angehängten Ansprüche abgewandelt werden.

Der elektrische Kompressor hat die Drehwelle 16, die durch den Elektromotor 10 angetrieben wird. Der Motor 10 erzeugt ein Antriebsmoment. Die Kolben komprimieren ein Gas entsprechend einer Drehung der Drehwelle 16. Bei einer Umdrehung der Drehwelle 16 treten die Zeitabschnitte, bei denen das durch die Kolben erzeugte Gesamtlastmoment minimal ist, und die Zeitabschnitte, bei denen das Antriebsmoment des Motors 10 minimal ist, im wesentlichen bei denselben Drehwinkeln der Drehwelle 16 auf. Bei einer Umdrehung der Drehwelle 16 treten außerdem die Zeitabschnitte, bei denen das Gesamtlastmoment maximal ist, und die Zeitabschnitte, bei denen das Antriebsmoment des Motors 10 maximal ist, im wesentlichen bei denselben Drehwinkeln der Drehwelle (16) auf. Das Antriebsmoment ist stets größer als das Gesamtlastmoment. Daher muss der Motor 10 nicht groß sein, um ein ausreichendes Moment zu erzeugen.

Claims (12)

1. Elektrischer Kompressor mit einem Elektromotor (10), wobei der Motor (10) ein Antriebsmoment erzeugt, und einer Drehwelle (16), die durch den Motor (10) angetrieben wird, und der Kompressor ist
gekennzeichnet durch
ein Kompressionselement (22, 41) zum Komprimieren von Gas entsprechend einer Drehung der Drehwelle (16), wobei bei einer Umdrehung der Drehwelle (16) zumindest ein Zeitabschnitt, bei dem das durch das Kompressionselement (22, 41) erzeugte Gesamtlastmoment minimal ist, und ein Zeitabschnitt, bei dem das Antriebsmoment des Motors (10) minimal ist, im wesentlichen bei demselben Drehwinkel der Drehwelle (16) auftreten, oder zumindest ein Zeitabschnitt, bei dem das Gesamtlastmoment maximal ist, und ein Zeitabschnitt, bei dem das Antriebsmoment des Motors (10) maximal ist, im wesentlichen bei demselben Drehwinkel der Drehwelle (16) auftreten, und wobei die Größe des Antriebsmomentes stets größer ist als diejenige des Gesamtlastmomentes.

2. Elektrischer Kompressor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der einen Umdrehung die Anzahl der Zeitabschnitte, bei denen das Gesamtlastmoment minimal ist, ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Zeitabschnitte ist, bei denen das Antriebsmoment des Motors (10) minimal ist.

3. Elektrischer Kompressor gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der einen Umdrehung die Anzahl der Zeitabschnitte, bei denen das Gesamtlastmoment minimal ist, gleich ist wie die Anzahl der Zeitabschnitte, bei denen das Antriebsmoment des Motors (10) minimal ist.

4. Elektrischer Kompressor gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der einen Umdrehung alle Zeitabschnitte, bei denen das Gesamtlastmoment minimal ist, und alle Zeitabschnitte, bei denen das Antriebsmoment des Motors (10) minimal ist, im wesentlichen bei übereinstimmenden Drehwinkeln auftreten.

5. Elektrischer Kompressor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der einen Umdrehung die Anzahl der Zeitabschnitte, bei denen das Antriebsmoment des Motors (10) minimal ist, ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Zeitabschnitte ist, bei denen das Gesamtlastmoment minimal ist.

6. Elektrischer Kompressor gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der einen Umdrehung die Anzahl der Zeitabschnitte, bei denen das Antriebsmoment des Motors (10) minimal ist, gleich ist wie die Anzahl der Zeitabschnitte, bei denen das Gesamtlastmoment minimal ist.

7. Elektrischer Kompressor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompressionselement eine Vielzahl von Kolben (22) hat, die um die Achse der Drehwelle (16) angeordnet sind, und wobei der elektrische Kompressor ein Kolbenkompressor ist, der die Kolben (22) entsprechend einer Drehung der Drehwelle (16) hin- und herbewegt.

8. Elektrischer Kompressor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwelle (16) eine Umdrehung dreht, wenn der Motor (10) eine Umdrehung dreht, und wobei die Anzahl der Kolben (22) ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl von Polen des Motors (10) ist.

9. Elektrischer Kompressor gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Kolben gleich ist wie die Anzahl der Pole des Motors (10).

10. Elektrischer Kompressor gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwelle (16) eine Umdrehung dreht, wenn der Motor (10) eine Umdrehung dreht, und wobei die Anzahl von Polen des Motors (10) ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Kolben (22) ist.

11. Elektrischer Kompressor gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Pole des Motors (10) gleich ist wie die Anzahl der Kolben (22).

12. Elektrischer Kompressor mit einem Elektromotor (10), wobei der Motor (10) ein Antriebsmoment erzeugt, und einer Drehwelle (16), die durch den Motor (10) angetrieben wird, und der Kompressor ist gekennzeichnet durch ein Kompressionselement (22, 41) zum Komprimieren von Gas entsprechend einer Drehung der Drehwelle (16), wobei bei einer Umdrehung der Drehwelle (16) der Zyklus und die Phase eines Verlaufes, der die Gesamtschwankungen eines durch das Kompressionselement (22) erzeugten Lastmomentes darstellt, im wesentlichen gleich sind wie der Zyklus und die Phase eines Verlaufes, der das Antriebsmoment des Motors (10) darstellt, und wobei die Größe des Antriebsmomentes stets größer ist als diejenige des Gesamtmomentes.