JP2004532371A - 多段遠心コンプレッサ - Google Patents

Abstract

ステータ（５２）と、永久磁石（７２ａ−７２ｄ）を搭載したロータ（２８）とを有する内蔵高速モータを備える多段遠心コンプレッサであって、ステータ（５２）とロータ（２８）との間に空隙（５０）が形成されている。ロータ（２８）は、その各端部が圧油潤滑流体ベアリング（５３，５４）によって回転可能に支持された磁性鋼ロータ軸（７５）を有する。コンプレッサは、更に、ロータ軸（７５）と共回りするように取付けられた複数のコンプレッサインペラ（２６，２７）と、ベアリング（５３，５４）に冷却オイルを送るポンプ（２９）とを備えている。又、空隙内を正圧に維持することで空隙（５０）からオイルを排出するために、始動中に空隙（５０）内に加圧空気を導入するための通路（６６）がステータ（５２）に貫通形成されている。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ軸の両端に直接取付けられた二つのインペラから構成されるロータの一体部分としての高速モータ軸によって直接駆動される、多段式、たとえば、二段式の遠心コンプレッサに関する。オイルによって潤滑された流体ベアリング上に支持された前記モータ軸は、パワー変換システム及びホールセンサと相互作用するシステムで電子制御される高周波インバータによって駆動されるステータによって回転される。
【背景技術】
【０００２】
１.発明の分野
歴史的に、排出圧が１５０ｐｓｉｇ以下の小型で低流速のコンプレッサ（８００ＩＣＦＭ（２００ＨＰ）以下）は、スクリュー式か往復動式のいずれかのコンプレッサであった。これらのスクリュー式及び往復動式コンプレッサは、小型の誘導型低速（１８００−３６００ｒｐｍ）モータによって駆動された。遠心コンプレッサは、高い回転速度を必要とし、その為に、駆動速度をより高いロータ速度（駆動速度の約５〜２０倍）に増大させるためにギアを使用する必要があった。当初、小型の遠心コンプレッサは、低流速では効率が悪く、機械損失が大きく、増速ギアと余分なベアリングとが必要なために経済的ではなかった。これらの問題に依り、遠心コンプレッサは、低流速マーケットのセグメント用としては実用的ではなかった。
２.関連技術の説明
遠心コンプレッサ技術がこのような低流速においても効率的なものとなった時、やはり、増速ギアと余分なベアリングによる高コスト及び機械損失の問題は残った。この理由により、ダイレクト駆動式の高速モータ／コンプレッサを開発することが求められた。
【０００３】
しかしながら、長年の間、このような速度とパワーレベルは実現不可能であった。パワー電子コンポーネントにおける技術水準の進歩は、必要なパワーレベルにおける必要な高スイッチング周波数を可能にした。しかし、非常に高速で回転している軸に、高密度の磁石を保持させる能力等のその他の問題があった。金属スリーブよりも強度の高い合成ファイバがその回答であることが判った。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、増速ギアやギア用の余分なベアリングを必要とすることなく、コンプレッサを所望の高速に直接駆動するためのコンプレッサ段を一体に備えた改良された小型でコンパクトな高速モータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一実施例に拠れば、空気を圧縮するための、内蔵高速モータを備える多段遠心コンプレッサは、以下を有する、
ａ）永久磁石を備えたロータを包囲する電気整流ステータコイルを有する可変速度永久磁石モータ、ここで、前記コイルと前記ロータの間には空隙があり、前記ロータは、圧油潤滑流体ベアリングによって各端部が回転可能に支持された磁性鋼ロータ軸を有し、前記ステータコイルは、前記ステータに沿って長手方向に延出するとともに、引き続き前記ステータの両端部を回って延出してエンドターンを形成する複数のステータワイヤから構成されている、
ｂ）前記ロータ軸と共回りするように支持された複数のコンプレッサインペラ、
ｃ）前記ベアリングを潤滑し、かつ、ベアリングとロータとステータコイルとを冷却するべく、前記ベアリングに冷却されたオイルを導入するポンプ、前記ベアリングは、これらベアリングから出るオイルが、前記軸の支持された両端部上で飛散し、かつ、前記ステータコイルの前記エンドターン上で飛散するように構成されている、そして
ｄ）前記空隙内に正圧を維持することで前記空隙からオイルを排出するべく、始動中に加圧空気を導入するために前記ステータに貫通形成された通路。
【０００６】
本発明は、更に、内蔵の高速モータを備える多段遠心コンプレッサを始動する方法にも関し、前記モータがその内部に、回転可能に支持されるととともに、それらの間に空隙を形成するステータとロータとを有し、前記ロータが、各端部において流体オイルベアリングによって支持されているものにおいて、前記方法は以下の工程を有する、
ａ）前記ロータが回転を開始したときに、前記ベアリングから前記空隙へのオイルの流入を最小限にするために、前記ロータの両端部間の位置において、前記空隙内に加圧空気を注入する、そして
ｂ）前記ロータがオイルを前記ロータ端部から遠心力によって放出し、前記空隙から離間させるのに十分な回転速度に達した時に、前記空気の注入を中止する。
【０００７】
本発明の更に別の実施例は、内蔵高速モータを備えた多段遠心コンプレッサに関し、これは以下を有する、
ａ）永久磁石を備えたロータを包囲する電気整流ステータコイルを有する可変速度永久磁石モータ、前記ロータは、ベアリングによって回転可能に支持された磁性鋼ロータ軸を備える、
ｂ）前記ロータ軸と共回りするように取付けられた複数のインペラ、
ｃ）前記ロータは以下を有する、
１）前記軸の回転軸心に平行な四つの面によって形成される断面正方形のスチール軸、
２）円筒面と平坦面とによって形成されるとともに、前記正方形スチール軸の四つの面のそれぞれに固定された円形部分断面を有する永久磁石、これら永久磁石は極性が交互するように配置されている、そして
３）前記永久磁石を前記軸に対して保持するための予応力付加カーボン・グラファイト繊維補強プラスチック結合部。
【０００８】
前記ステータとインバータとは、フィン付熱交換器を利用して水冷される。前記ロータと前記ステータとの間の前記空隙は、その領域からオイルなどの汚染物質を排出する低温空気を該空隙５０に導入することによって制御される。前記ロータ軸は、前記磁石の近傍の両端部を低温オイルに浸漬することによって冷却される。この軸の冷却のための別の又は増強的な構成は、前記第２段インペラから第１段インペラへと前記ロータに貫通形成された軸孔を利用する構成である。前記第２段入口から入った低温空気は次に前記軸を通過して熱を奪う。前記空気流のための推進力は、第２段入口から第１段入口への差圧である。
【０００９】
前記ロータは、正方形断面のスチール軸に取付けられ、予応力付加カーボン・グラファイト繊維補強プラスチック結合部によって保持された四つの半月形のサマリウムコバルト磁石から構成されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、システムコントローラ１及びコンプレッサコントローラ２を備える電気制御回路と、整流器４、ブースター５、インバータ６及びモータ７を備えるパワー変換システムとの間の関係を図示している。前記電気制御回路は、前記パワー変換システム及びホールセンサ３と相互作用して、モータの始動、並びに、コンプレッサ負荷に適応するためのモータ全速状態を提供する。
【００１１】
図２、３及び４は、モータコンプレッサ構成と、ステージ間空冷を伴う流れの経路とを図示している。外気は、第１段入口２１から、空気を圧縮しその空気を加熱させる第１遠心コンプレッサ段２７に入る。圧縮プロセスの効率を高めるために、空気は第２段入口２４から第２段２６に入る前に熱交換器３１で冷却される。前記熱交換器は、２９から入って３０から出る低温水を利用して、空気から水へと熱を交換する。第２段２６は、空気２５を更に所望の圧力レベルにまで圧縮する。
【００１２】
圧縮空気がライン２３を介して外部ソースからロータ２８とステータ５２との間の空隙５０に導入され、ロータ２８が始動時に回転を始める時に、ロータ２８を支持しているベアリング５３，５４からのオイルが空隙５０に入ることを防止する。ここでの記載の目的のために、ベアリング５３に関係する構成は、ベアリング５４に関係する構成と類似しているものとして説明する。
【００１３】
空隙５０に押し込まれた空気は、空隙５０内へのオイルの侵入を防止、若しくは、既に空隙５０内に存在している可能性のあるオイルを排出するために、ロータ２８とステータ５２との間の空気を制御するために使用することができる。始動後は、ロータ２８に接触している全てのオイルが遠心力によってロータ２８から放出され、空隙５０から離間するのに十分な速度でロータ２８が回転すると、ライン２３を介した圧縮空気は中断されるべきである。もしも、高回転速度時に加圧空気が空隙５０に供給されれば、ロータ２８とステータ５２との望ましくない摩擦と加熱が発生するであろう。
【００１４】
負荷条件下におけるロータ２８の高速回転は、風損（ｗｉｎｄａｇｅ）、鉄損と銅損及び高調波（ｈａｒｍｏｎｉｃｓ）によってロータ内に熱を発生させる。ロータ軸５５は軸５５の両端部５６を冷却オイルに浸漬させることによって冷却される。オイルは、ポンプ５９によって油路５７に送り込まれる。ここで、オイルは、潤滑のためのみならず、ベアリング５３から熱を除去するためにも、圧力によってベアリング５３へ導入され、オイルがキャビティ５８においてベアリング５３からステータ５２のエンドターン９上に飛散する際にステータ５２のエンドターン９から熱を奪う。尚、ポンプ５９は略示されているが、これは、アセンブリ中の全てのロータベアリングにオイルを供給する。
【００１５】
別の軸冷却構成（図示せず）が、第２段入口２４から、ロータ２８の軸内の孔を介して、第１段入口２１へ低温空気を供給する。この空気の推進力は、第１段入口２１の圧力よりも高い第２段の入口２４の差圧である。この構成は、オイル冷却との関係においても利用可能である。
【００１６】
次に図３及び図４を参照すると、コンプレッサ段２６及び２７を駆動するために同期永久磁石モータ７が使用される。該モータ７は、ステータ５２とロータ２８とから構成されている。ステータ５２は、図３に示されるように、互いに積層された電気スチール積層ディスク６０を使用して製造される。これらのディスク６０（２枚が図示されている）のための積層材は高品質であり、その結果低い損失がもたらされる。ステータ５２のこのスタックは、２４のステータスロットに、３相分布されＹ字に接続された巻線を含んでいる。ステータ５２は中間部において分割され、１枚又は複数枚のディスク６０の代わりに高温プラスチック製スペーサ８を収納しており、前記スペーサは、ライン２３を介してステータ５２ＯＤ（外径）から、ステータ５２ＩＤ（内径）とロータ２８ＯＤとの間の空隙５０へ加圧空気を供給するべく径方向に延出した複数のスポーク通路６４を備えている。この空気は、空隙５０内のオイルの除去、又は、この空隙５０へのオイルの侵入の防止のために使用される。空気は、ライン２３を介して、ディスク６０回りの水冷ジャケット１０を通って、ステータ５２の外側回りに延出する環状部７０へと延出している通路６６内に供給される。そこから、前記空気は、複数のスポーク通路６４を通って空隙５０内へと分配される。
【００１７】
空隙５０の近傍のエンドターン９ワイヤのワイヤ間の開口部は、排油のために設けられている。ステータ５２の外周部には、ステータ５２内で発生した銅損及び鉄損によって発生した熱のための冷却を提供する水冷ジャケット１０が取付けられている。従って、冷却は、ベアリング５４を介したオイル流と、ジャケット１０を介した水流との両方によって行われる。
【００１８】
ロータは、図５及び図５Ａに示されているように、希土類サマリウムコバルトから成る永久磁石１２を有している。一つのロータに４つの極が存在する。前記磁石の形状は、磁石端部損失を最小限にし、応力レベルを最小限にするために半月形状である。これらの半月形磁石７２ａ−７２ｄは、導電界を完成するために使用される断面が正方形のスチール軸７５に取付けられている。これらの磁石は、軸心方向において、非導電性のチタンエンドキャップ１３によってケーシングされている。チタンは、前記磁石をショートさせることなく、ホールセンサによる、ロータ磁石の迷磁場の検出を可能にする。前記ロータ磁石は、予応力を付加された（ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ）複合体巻線１４によって径方向において前記軸に対して保持されている。この複合体巻線１４は、高強度、低導電率、高抵抗のカーボン・グラファイト繊維組成物である。前記複合体巻線の前記予応力状態によって、運転中において磁石に損傷を与える可能性のある、前記磁石の軸からの離間を防止している。
【００１９】
パワー段に対する入力電圧は、３８０Ｖ〜５７５Ｖ、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの範囲で変えることができる。前記ＡＣ入力電圧は、半制御整流回路によって、レベルをブースト位相によって変えることが可能なＤＣ電圧に変換される。前記ＤＣ電圧は、インバータ段によって所望の大きさと周波数のＡＣ電圧に変換される。ステータ巻線は、インバータ出力に接続されている。
【００２０】
図６に示されている三相の半制御サイリスタは、入力電圧をＤＣ電圧レベルに変換するために使用される。ＤＣ電圧レベルは入力電圧に依存し、入力電圧のｒｍｓ値よりも１．４５高い。半制御サイリスタは、三つのサイリスタ１５と三つのダイオード１６とから成る。それぞれが一連のＲＣ回路から成る三つの緩衝回路１７は、三つのサイリスタ１５のアノードとカソードとに接続されている。このＲＣコンポーネントは、全制御のものと比較すると、前記半制御整流器によって課せられる小さな電圧傾き過渡増加により、低い出力定格を有する。前記半制御サイリスタ出力に接続されたＤＣコンデンサバンクを最初にチャージするためにソフトスタートが使用される。ＤＣコンデンサの固定電圧は、第１段始動時を通じて維持される。
【００２１】
モータ始動は、二つの段階で展開される。両段階は、従来式の６段フィードバックセンサデコーディングを使用する。これら６つの段のそれぞれの間、図６に示されているように、６つのＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポラートランジスタ）のスイッチ１８の内の二つが通常、ＯＮになる。モータの加速に伴って電流を制限するために、これらのスイッチの１つは、１８ｋＨｚにおいてＰＷＭ（パルス幅変調）される。整流状態が変化する度に、変調されるスイッチが変わり、これによって、前記６つのＩＧＢＴ間に於けるスイッチング損失の分布を均一にしている。モータが公称回転速度の約８０％に到達した時、デューティーサイクルは１００％となる。この時点において、制御は第２モードに切り替わる。
【００２２】
第２モードは、図８に示されているセットアップ（ブースト）回路の制御を必要とする。前記第１の始動モードＤＣの終わりに、バスは既に前記ＡＣ入力ｒｍｓ電圧値に依存するレベルにチャージされており、モータは所望速度の８０％になっている。モータ速度を更に増加させるためには、このＤＣバス電圧レベルを増加させる必要がある。電圧レベルは、スイッチング時間に対するＯＮ継続時間の比率として定義されるスイッチデューティー比を変化させることによって変えられる。前記ＰＷＭスイッチングモードでは、前記スイッチの状態（ＯＮ又はＯＦＦ）を制御するスイッチ制御信号が、信号レベル制御電圧を反復波形と比較することによって発生される。一定のピークと鋸歯形状を備えた反復波形の周波数が、前記スイッチング周波数を設定する。
【００２３】
前記ブーストモード中には、図７に示されている電圧制御されたＩＧＢＴ回路は６段制御モード状態にあり、所望の公称値までモータ速度の増加が得られる。電流はＩＧＢＴスイッチのＯＮ／ＯＦＦ設定に応じて、いかなる時でも、二つのモータ位相巻線２０を通って流れる。６つのＩＧＢＴスイッチのそれぞれは、１２０°に渡ってＯＮ、６０°に渡ってＯＦＦであり、ルックアップテーブルに従って制御される。前記１２０°のＯＮ時間中は正の電圧が付与される。６０°のギャップ中は電力供給は停止される。その後、他の二つの位相において電力供給が同様に行われる。位相と位相の間に１２０°の差が存在するように、三つの位相の各々において電力供給の可変タイミングが適用される。これによって、磁気回転磁界が発生した時にモータを駆動することが可能になる。
【００２４】
図１に示されている位置検出回路すなわちホールセンサ３はホール効果特性に基づく。三つのホールセンサが６０°離間搭載され、モータのロータ極から迷磁場を検出するように設計されている。ロータのＳ極磁石がセンサを通過する時に正の信号電圧がラッチされ、それ以外の時は信号はゼロである。前記ホール効果ピックアップが、前記インバータとモータのステータ巻線の閉ループ整流を可能にしている。
【００２５】
モータが公称速度にある時、電流位相の進みをステータ巻線内の関連する誘導バックＥＭＦ（起電力）に制御することによって、モータ電流は最適化される。バックＥＭＦ零交差が電流巻線導入のための参照ポイントとして使用される。ホールセンサがバックＥＭＦ零交差を検出する。
【００２６】
前記システムコントローラは、モータ始動、ＰＷＭ制御、ブースト制御、６段制御、モータ位置検出、電流最適化、及び速度制御を含むすべての制御機能を行う。前記コンプレッサコントローラは、始動及び停止機能を制御する。コンプレッサコントローラとモータコントローラとの間には、シリアルリンク通信が確立される。モータ制御設定点は、前記コンプレッサコントローラからモータコントローラへと送られるが、これら設定点は、所望速度設定点、低速アラーム及びトリップ設定点、高速アラーム及びトリップ設定点、最大アンペア値及びトリップ設定点、リード角及び低ＤＣバスアラーム設定点である。アラーム動作は、モニタされているパラメータが、作動における許容不能であるが臨界レベルではないレベルに達した時に起動される。トリップ動作は、モニタされているパラメータが作動における臨界で危険なレベルに達した時に起動される。前記システムコントローラは全てのトリップ機能を行う。モータ／コントローラのアナログ入力読み取り値が表示のために前記コンプレッサコントローラに送られるが、これらは、速度、アンペア値、ＤＣバス電圧、及びモータパワーである。
【００２７】
以上、本発明の具体的な実施例について詳述したが、当業者においては、本開示の全体的教示に鑑みてこれらの詳細に対する様々な変形及び代替構成を開発するこが可能であることが理解されるであろう。ここに記載した好適実施例は、例示的なものであって、添付の請求項の全範囲として与えられる本発明の範囲及びそれらのすべての均等物に対して限定的なものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】始動及び運転モード中にモータに電力を提供するための電気システムを示す略図
【図２】二つの圧縮段、空気路、及びインタークーラを備えるロータの図
【図３】スプリットステータの構造図
【図４】図３の詳細を示すアセンブリの断面図
【図５】ロータの構造図
【図５Ａ】図５の５Ａ−５Ａ線に沿った断面図
【図６】ＡＣ入力をＤＣ電圧に変換する整流回路の略図
【図７】始動と運転モード中においてモータへ電流を伝えるのに使用される６つのＩＧＢＴスイッチから成るインバータ回路の略図
【図８】ＤＣバス上で電圧レベルをステップアップするのに使用される二つのＩＧＢＴから成るブースト・チョッパ回路の図

Claims (11)

1. 空気を圧縮するための、内蔵高速モータを備える多段遠心コンプレッサであって、以下を有する、
   ａ）永久磁石を備えたロータを包囲する電気整流ステータコイルを有する可変速度永久磁石モータ、ここで、前記コイルと前記ロータの間には空隙があり、前記ロータは、圧油潤滑流体ベアリングによって各端部が回転可能に支持された磁性鋼ロータ軸を有し、前記ステータコイルは、前記ステータに沿って長手方向に延出するとともに、引き続き前記ステータの両端部を回って延出してエンドターンを形成する複数のステータワイヤから構成されている、
   ｂ）前記ロータ軸と共回りするように支持された複数のコンプレッサインペラ、
   ｃ）前記ベアリングを潤滑し、かつ、ベアリングとロータとステータコイルとを冷却するべく、前記ベアリングに冷却されたオイルを導入するポンプ、前記ベアリングは、これらベアリングから出るオイルが、前記軸の支持された両端部上で飛散し、かつ、前記ステータコイルの前記エンドターン上で飛散するように構成されている、そして
   ｄ）前記空隙内を正圧に維持することで前記空隙からオイルを排出するべく、始動中に加圧空気を導入するために前記ステータに貫通形成された通路。
2. 更に、前記モータが所定の速度に到達した時に、前記空隙への加圧空気の導入を終了させるための手段を有する請求項１に記載のコンプレッサ。
3. 外部ソースからの圧縮空気が始動中に前記空隙に導入される請求項１に記載のコンプレッサ。
4. 前記ステータコイルは積層体によって支持されており、前記通路は、前記ロータ軸の軸方向端部間の中間で前記ステータコイルの前記積層体を通って延出している請求項１に記載のコンプレッサ。
5. 前記ロータ軸は、冷却のためのオイルを受け入れるために該軸を貫通して延出する軸穴を有する請求項１に記載のコンプレッサ。
6. 内蔵高速モータを備える多段遠心コンプレッサであって、以下を有する、
   ａ）永久磁石を備えたロータを包囲する電気整流ステータコイルを有する可変速度永久磁石モータ、前記ロータは、ベアリングによって回転可能に支持された磁性鋼ロータ軸を備える、
   ｂ）前記ロータ軸と共回りするように取付けられた複数のインペラ、
   ｃ）前記ロータは以下を有する、
   １）前記軸の回転軸心に平行な四つの面によって形成される断面正方形のスチール軸、
   ２）円筒面と平坦面とによって形成されるとともに、前記正方形スチール軸の四つの面のそれぞれに固定された円形部分断面を有する永久磁石、これら永久磁石は極性が交互するように配置されている、そして
   ３）前記永久磁石を前記軸に対して保持するための予応力付加カーボン・グラファイト繊維補強プラスチック結合部。
7. 更に、前記正方形断面軸の角部が回転してそのセンサを通過する時に、前記ロータの磁界の極性の変化を検出するべく前記ロータの近傍に設けられたホール効果磁気センサを有する請求項６に記載のコンプレッサ。
8. 前記磁石は１つの連続した円筒状面を形成するように前記軸上に配置されている請求項６に記載のコンプレッサ。
9. 各磁石のエッジは、反対の極性を有する磁石のエッジの近傍に配置されている請求項８に記載のコンプレッサ。
10. 前記円筒状面と平坦面とによって形成される前記磁石のエッジは、反対の極性の磁石のエッジに接当している請求項８に記載のコンプレッサ。
11. 内蔵の高速モータを備える多段遠心コンプレッサを始動する方法であって、前記モータがその内部に、回転可能に支持されるとともに、それらの間に空隙を形成するステータとロータとを有し、前記ロータが、各端部において流体オイルベアリングによって支持されているものにおいて、前記方法は以下の工程を有する、
    ａ）前記ロータが回転を開始したときに、前記ベアリングから前記空隙へのオイルの流入を最小限にするために、前記ロータの両端部間の位置において、前記空隙内に加圧空気を注入する、そして
    ｂ）前記ロータがオイルを前記ロータ端部から遠心力によって放出し、前記空隙から離間させるのに十分な回転速度に達した時に、前記空気の注入を中止する。

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