ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КОМПРЕССОРНЫЙ АГРЕГАТ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК F04D17/12 H02K21/12 

Изобретения относятся к холодильной технике и электротехнике, соответственно, и могут использоваться в системах кондиционирования воздуха и холодильных установках промышленного и бытового назначения.

Предшествующий уровень техники
Известны различные типы центробежных компрессорных агрегатов. Так, например, холодильный компрессорный агрегат, описанный в патенте US 2986905 (НКИ 62-475, опубл. 15.04.60), содержит две центробежные компрессорные ступени с рабочими колесами, диффузорами, сборными камерами, патрубком входа в первую компрессорную ступень и патрубком выхода из второй компрессорной ступени. Между компрессорными ступенями агрегата размещен электродвигатель, ротор которого установлен на одном валу с рабочими колесами компрессорных ступеней. Используемый в таком агрегате электродвигатель имеет значительные размеры, а его охлаждение осуществляется через каналы, окружающие статор, через которые подается хладагент через дополнительные трубопроводы, непосредственно не связанные с входными и выходными патрубками компрессорных ступеней.

В других центробежных компрессорных агрегатах, один из которых описан в заявке WO 94/29597 (F 04 D 7/02, 29/04, опубл. 22.12.94), каналы охлаждения статора электродвигателя непосредственно сообщены с выходом первой компрессорной ступени и с входом второй ступени. На валу ротора установлены уплотнения, герметизирующие рабочие полости компрессорных ступеней, и подшипники, закрепленные в корпусе электродвигателя. В качестве электродвигателя в такого типа агрегате может использоваться высокоскоростной бесщеточный мотор постоянного тока. Данное выполнение позволяет уменьшить габариты электродвигателя и холодильного агрегата в целом, а также повысить эффективность работы установки при мощностях ниже 180 кВт.

Наиболее близким аналогом патентуемого устройства является центробежный компрессорный агрегат по патенту RU 2104448 C1 (F 25 B 1/10, 31/02, опубл. 10.02.98), в состав которого входят две центробежные компрессорные ступени с рабочими колесами, диффузорами, сборными камерами, патрубком входа в первую компрессорную ступень и патрубком выхода из второй компрессорной ступени, и размещенный между компрессорными ступенями электродвигатель. Ротор электродвигателя установлен на одном валу с рабочими колесами компрессорных ступеней на радиальных газодинамических подшипниках, закрепленных в корпусе. На валу размещены также уплотнения, герметизирующие рабочие полости компрессорных ступеней. С внешней стороны статора электродвигателя образованы охлаждающие каналы. При этом сборная камера первой компрессорной ступени сообщена со входом второй ступени. Полость корпуса электродвигателя сообщена с одной стороны с патрубком входа, а другой - с патрубком выхода из корпуса охлаждающей среды. На поверхности статора, обращенной к ротору, выполняются узкие продольные пазы для протока охлаждающей среды. Проточный тракт охлаждения в полости корпуса образован каналами охлаждения, выполненными между статором и корпусом, и рабочим зазором между статором и ротором.

Компрессорный агрегат данной конструкции обладает повышенной надежностью и малыми габаритами. Однако в связи с несовершенной конструкцией системы охлаждения высокоскоростного электродвигателя известный компрессорный агрегат-прототип обладает относительно низкой эффективностью и надежностью. Малый рабочий зазор между ротором и статором электродвигателя, что связано с необходимостью полдержания требуемой величины его КПД, и узкие пазы на внутренней поверхности статора практически не обеспечивает необходимого для охлаждения ротора и статора расхода паров хладагента, так при увеличении рабочего зазора и размеров пазов резко увеличиваются непроизводительные потери энергии. Таким образом, тракт охлаждения электродвигателя ограничивается лишь каналами, выполненными между статором и внутренней поверхностью его корпуса, по которым поток хладагента эффективно охлаждает внешнюю поверхность статора, образуя проточный тракт охлаждающей среды.

Кроме того, конструкция ротора и статора электродвигателя не позволяют значительно сократить размеры компрессорного агрегата и обеспечить компенсацию осевых усилий на валу.

Известны также высокоскоростные электродвигатели вентильного или, в другой терминологии, бесщеточного типа. Так, например, из патента US 4665331 (H 02 K 11/00, опубл. 12.05.87) известен высокоскоростной электродвигатель, в состав которого входит статор, образованный витками плоской электромагнитной обмотки, расположенной на основании в форме трубы, и установленный на валу двигателя ротор, выполненный в виде постоянного магнита. Такой электродвигатель, хотя и обладает малыми размерами, высокой эффективностью и технологичностью изготовления, однако он не обеспечивает требуемого для холодильной компрессорной установки уровня мощности в связи с определенной областью его использования.

Наиболее близким аналогом заявленного электродвигателя является известный высокоскоростной электродвигатель, статор которого образован магнитопроводом, выполненным в виде сборки тонких электроизолированных друг от друга профилированных кольцеобразных пластин из стали, и электромагнитной обмоткой барабанного типа, имеющей значительный лобовой вылет (Isao Takahashi et all "A Super High Speed PM Motor Drive System by a Quasi-Current Souce Inverter" IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS. VOL. 30, N 3, MAY/JUNE 1994, pp. 683-689). На внутренней части статора известного электродвигателя профиль стальных пластин образует последовательно чередующиеся в азимутальном направлении зубцы и пазы, в которых уложена электромагнитная обмотка. На валу электродвигателя установлен ротор, образованный постоянным магнитом с неэлектропроводным бандажом.

Проведенные испытания двигателя-прототипа показали, что требуемая эффективность, мощность и скорость вращения ротора мотора известной конструкции могут быть достигнуты при величине рабочего зазора между внешней поверхностью магнита ротора и внутренней поверхностью статора, равной 6 мм, и соответствующей величине воздушного зазора, равной 0,5 мм. Для снижения потерь бандаж ротора выполняется из материала, обладающего значительным сопротивлением для протекания вихревых токов (из армированного волокнистого пластика). Увеличение воздушного зазора в электродвигателе-прототипе за счет использований тонкого бандажа из немагнитной стали приводит к значительному увеличению потерь энергии и снижению скорости вращения ротора. Таким образом, в электродвигателе прототипе из-за малой величины воздушного зазора не удается обеспечить проток охлаждающей среды через тракт охлаждения, образованный зазором между ротором и статором.

Сущность изобретения
Патентуемые изобретения направлены на повышение эффективности и надежности работы центробежного компрессорного агрегата и электродвигателя, входящего в состав агрегата, за счет организации оптимального процесса охлаждения ротора и статора с помощью оптимальной с точки зрения потерь энергии конструкции, а также на снижение габаритов агрегата и на компенсацию осевых усилий на его валу за счет уменьшения осевых размеров электродвигателя.

Достижение указанных технических результатов обеспечивается тем, что в центробежном компрессорном агрегате, содержащем две центробежные компрессорные ступени с рабочими колесами, диффузорами, сборными камерами, патрубком входа в первую компрессорную ступень и патрубком выхода из второй компрессорной ступени, электродвигатель, размешенный между компрессорными ступенями, ротор которого выполнен на одном валу с рабочими колесами компрессорных ступеней, подшипники, закрепленные в корпусе агрегата, и установленные на валу уплотнения, герметизирующие рабочие полости компрессорных ступеней, при этом с внешней стороны статора образованы охлаждающие каналы, сборная камера первой компрессорной ступени сообщена со входом второй ступени, полость корпуса электродвигателя сообщена с одной стороны с патрубком входа, а другой - с патрубком выхода охлаждающей среды, который соединен со входом второй компрессорной ступени, проточный тракт охлаждения в полости корпуса образован каналами охлаждения, выполненными между статором и корпусом, и воздушным зазором между статором и ротором, согласно настоящему изобретению сборная камера первой ступени сообщена со входом второй ступени непосредственно через полость корпуса электродвигателя, причем статор выполнен в виде шихтованного магнитопровода торообразной формы с обмоткой кольцевого типа, ротор образован по меньшей мере одним постоянным магнитом с бандажом из материала, препятствующего протеканию вихревых токов, а величина воздушного радиального зазора между ротором и статором составляет не менее 1,5 мм. Предпочтительно воздушный зазор между ротором и статором составляет 2 мм.

Целесообразно также использовать в компрессорном агрегате газодинамические подшипники.

Магнитопровод статора электродвигателя преимущественно изготовляется из прессованного порошка методом порошковой металлургии.

В предпочтительном варианте исполнения магнитопровод статора выполняется в виде сборки тонких ферритовых колец или колец из электротехнической стали, электроизолированных друг от друга.

Желательно, чтобы постоянный магнит ротора был выполнен из материала с высоким электрическим сопротивлением. В качестве такого материала может использоваться магнитопласт.

Ротор преимущественно выполняется в виде сборки электроизолированных друг от друга кольцеобразных постоянных магнитов.

Бандаж ротора может быть изготовлен из углепластика.

Указанные выше технические результаты обеспечиваются также тем, что в электродвигателе, содержащем статор, образованный магнитопроводом, выполненным в виде сборки тонких электроизолированных друг от друга колец, и электромагнитной обмоткой, и установленный на валу электродвигателя ротор, образованный по меньшей мере одним постоянным магнитом с бандажом из материала, препятствующего протеканию вихревых токов, согласно настоящему изобретению статор выполнен торообразной формы, в качестве обмотки статора используется обмотка кольцевого типа, а ротор выполнен в виде сборки электроизолированных друг от друга постоянных магнитов в форме тонких колец из материала с высоким электрическим сопротивлением, при этом воздушный зазор между статором и ротором, величина которого составляет не менее 1,5 мм, образует проточный тракт охлаждения электродвигателя. Величина воздушного зазора между ротором и статором предпочтительно составляет 2 мм.

Магнитопровод статора электродвигателя преимущественно изготавливается из прессованного порошка методом порошковой металлургии.

В предпочтительном варианте исполнения магнитопровод статора выполняется в виде сборки тонких ферритовых колец или колец из электротехнической стали.

В предпочтительном варианте исполнения ротор выполняется из магнитопласта. Бандаж ротора электродвигателя может быть изготовлен из углепластика.

Краткое описание чертежей.

Далее изобретения поясняются описанием конкретных примеров его осуществления и прилагаемыми чертежами, на которых изображено следующее:
на фиг. 1 - продольный разрез компрессорного агрегата, выполненного согласно настоящему изобретению,
на фиг. 2 - поперечное сечение компрессорного агрегата по фиг. 1.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Центробежный компрессорный агрегат содержит корпус 1, в котором с помощью подшипниковых щитов 2 и 3 на установочных винтах 4 и 5 закреплены газодинамические подшипники 6 и 7, а на карданном подвесе 8 установлены двухсторонние упорные подшипники 9 и 10. Компрессорный агрегат содержит две центробежные компрессорные ступени. На консолях вала 11 закреплены рабочие колеса первой 12 и второй 13 компрессорных ступеней. На выходе рабочей среды из рабочих колес 12 и 13 установлены диффузорные аппараты 14 и 15 соответственно, которые сообщены с выходными сборными камерами 16 и 17.

Для обеспечения минимального перетока хладагента между первой и второй ступенями предусмотрены лабиринтные уплотнения 18 и 19, выполненные на концевых участках вала 11 и герметизирующие рабочие полости компрессорных ступеней. Корпус 1 снабжен патрубком 20 входа в первую компрессорную ступень и патрубком 21 выхода из второй компрессорной ступени. Между компрессорными ступенями размещен высокоскоростной электродвигатель, ротор 22 которого закреплен на общем с рабочими колесами 12 и 13 валу 11 агрегата.

Статор электродвигателя выполнен в виде шихтованного магнитопровода 23 торообразной формы, изготовленного из прессованного порошка методом порошковой металлургии, с электромагнитной обмоткой 24 кольцевого типа. Ротор 22 электродвигателя выполнен в виде сборки электроизолированных друг от друга кольцеобразных постоянных магнитов 25, выполненных из магнитопласта, с бандажом 26 из углепластика, препятствующего протеканию вихревых токов По краям ротора установлены балансировочные кольца 27. Статор электродвигателя закреплен внутри корпуса 1 в обойме 28, в которой выполнены продольные охлаждающие каналы 29.

Сборная камера 16 первой компрессорной ступени сообщена со входом второй компрессорной ступени непосредственно через полость корпуса электродвигателя и через трубопровод 30 со входом второй ступени. Полость корпуса электродвигателя соединена с одной стороны, через первую компрессорную ступень, с патрубком входа 20, а с другой - с патрубком 31 выхода охлаждающей среды, который сообщен со входом второй компрессорной ступени через трубопровод 30.

Проточный тракт охлаждения в полости корпуса электродвигателя образован каналами охлаждения 29, выполненными между статором и корпусом, и воздушным радиальным зазором Δ между статором и ротором, величина которого составляет 2 мм. Следует отметить, что в предложенной конструкции электродвигателя при увеличении по сравнению с прототипом воздушного зазора рабочий зазор между ротором и статором остается прежним, близким к 6 мм.

Работа центробежного компрессорного агрегата и электродвигателя, входящего в его состав, осуществляется следующим образом.

Перед включением компрессорного агрегата запускается статический преобразователь частоты (не показан) и ротор 22 высокоскоростного электродвигателя из неподвижного состояния разгоняется до рабочей частоты вращения, отрываясь от поверхностей газодинамических подшипников 6 и 7. Пары хладагента из испарителя холодильной системы (не показаны) поступают во входной патрубок 20 компрессорного агрегата и, соответственно, в первую компрессорную ступень. При высокоскоростном вращении рабочего колеса 12 первой компрессорной ступени пары хладагента нагнетаются под избыточным давлением через диффузорный аппарат 14 в сборную камеру 16, из которой они затем поступают в полость корпуса электродвигателя и через тракт охлаждения, образованный воздушным зазором Δ между статором и ротором и продольными каналами охлаждения 29, к патрубку 31 выхода охлаждающей среды. В результате прокачки хладагента через достаточно широкий кольцевой канал между ротором и статором при обеспечении высокого КПД двигателя происходит эффективное охлаждение их противолежащих поверхностей. С внешней стороны статор электродвигателя охлаждается за счет протока паров хладагента через продольные каналы 29. Кроме того, пары хладагента, протекая через внутреннюю полость корпуса электродвигателя, охлаждают подшипники 6 и 7 и вал 11 вместе с находящимся с ним в тепловом контакте ротором 22. После прокачки хладагента через тракт охлаждения электродвигателя их пары поступают через патрубок 31 выхода охлаждающей среды и трубопровод 30 на вход во вторую компрессорную ступень. При вращении рабочего колеса 13 пары хладагента сжимаются и нагнетаются через диффузорный аппарат 15 в сборную камеру 17, а затем поступают в систему охлаждения холодильной установки через патрубок 21.

Для снижения массы и габаритов электродвигателя его ротор 22 выполняется активным в виде сборки постоянных магнитов 25. Однако при высоких скоростях вращения в роторе возникают потери энергии из-за генерации вихревых токов, что, во-первых, снижает КПД агрегата, и, во-вторых, снижается эффективность холодильной установки в целом из-за увеличения температуры хладагента. Использование постоянных магнитов из магнитопласта, обладающего наибольшим электросопротивлением к вихревым токам, предпочтительно по сравнению с литыми и прессованными постоянными магнитами. Наибольшее активное сопротивление ротора достигается при его выполнении в виде сборки постоянных магнитов из магнитопласта в форме тонких колец 25, электроизолированных друг от друга.

Для обеспечения прочности ротора 22 при высоких скоростях вращения на роторе устанавливается бандаж 26, изготовленный из углепластика. Такое выполнение бандажа позволяет снизить потери, связанные с возникновением вихревых токов.

Использование электромагнитной обмотки 24 статора электродвигателя кольцевого типа позволяет сократить лобовой вылет и соответственно осевой размер электродвигателя по сравнению с обмотками барабанного типа, что особенно важно для "коротких" машин, к числу которых относится патентуемый электродвигатель, применяемый в холодильном центробежном компрессоре.

Таким образом, в патентуемом электродвигателе одновременно со снижением осевой длины ротора удается снизить активное сопротивление обмотки, а следовательно, и уменьшить объем меди и увеличить КПД двигателя за счет снижения тепловых потерь энергии.

За счет использования в патентуемом агрегате и электродвигателе статора с гладкой активной зоной (без зубцов) обеспечивается снижение тепловых потерь, связанных с возникновением вихревых токов в статоре высокоскоростного двигателя. Хотя гладкий кольцевой статор высокоскоростного электродвигателя будет иметь больший диаметр по сравнению с классическими статорами с зубцами и пазами, в которых устанавливаются обмотки двигателя, однако в центробежных компрессорных агрегатах, в которых существенным является продольный размер электродвигателя, повышается эффективность работы за счет уменьшения тепловых потерь и улучшения условий охлаждения двигателя.

Кроме того, гладкий статор обладает более высокой технологичностью и меньшей стоимостью, так как в этом случае магнитопровод имеет простую кольцевую (без пазов и зубьев) форму, а электромагнитная обмотка укладывается непосредственно на ровные (без пазов) цилиндрические поверхности магнитопровода.

Наиболее предпочтительно выполнение магнитопровода статора из ферритовых колец, поскольку в этом случае снижаются потери в магнитопроводе.

Приведенные сведения о конкретных вариантах исполнения компрессорного агрегата и электродвигателя, входящего в его состав, свидетельствуют о возможности решения поставленных задач и достижения технического результата.

Промышленная применимость
Центробежный компрессорный агрегат и электродвигатель, выполненные согласно настоящему изобретению, могут соответственно применяться в холодильной технике и электротехнике. Более конкретно, они могут использоваться в системах кондиционирования воздуха и холодильных установках промышленного и бытового назначения.

Центральный компрессорный агрегат и электродвигатель предназначены для систем кондиционирования воздуха и холодильных установок промышленного и бытового назначения. В состав центробежного компрессорного агрегата входят две центробежные компрессорные ступени с рабочими колесами, диффузорами, сборными камерами, патрубком входа в первую компрессорную ступень и патрубком выхода из второй компрессорной ступени. Между компрессорными ступенями размещен электродвигатель, ротор которого выполнен на одном валу с рабочими колесами компрессорных ступеней. С внешней стороны статора образованы охлаждающие каналы. Сборная камера первой компрессорной ступени сообщена со входом второй ступени. Полость корпуса электродвигателя сообщена с одной стороны с патрубком входа, а другой - с патрубком выхода охлаждающей среды, который соединен со входом второй компрессорной ступени. Проточный тракт охлаждения в полости корпуса образован каналами охлаждения, выполненными между статором и корпусом, и рабочим зазором между статором и ротором. Сборная камера первой ступени сообщена со входом второй ступени непосредственно через полость корпуса электродвигателя. Статор электродвигателя выполнен в виде шихтованного магнитопровода торообразной формы с обмоткой кольцевого типа. Ротор изготовлен в виде сборки электроизолированных друг от друга постоянных магнитов, выполненных в форме тонких колец из материала с высоким электрическим сопротивлением, с неэлектропроводным бандажом. Величина рабочего радиального зазора между ротором и статором составляет не менее 1,5 мм. Такое выполнение компрессорного агрегата и электродвигателя позволит повысить надежность и эффективность их работы. 2 с. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Центробежный компрессорный агрегат, содержащий две центробежные компрессорные ступени с рабочими колесами, диффузорами, сборными камерами, патрубком входа в первую компрессорную ступень и патрубком выхода из второй компрессорной ступени, электродвигатель, размещенный между компрессорными ступенями, ротор которого выполнен на одном валу с рабочими колесами компрессорных ступеней, подшипники, закрепленные в корпусе агрегата и установленные на валу уплотнения, герметизирующие рабочие полости компрессорных ступеней, при этом с внешней стороны статора образованы охлаждающие каналы, сборная камера первой компрессорной ступени сообщена со входом второй ступени, полость корпуса электродвигателя сообщена с одной стороны с патрубком входа, а другой - с патрубком выхода охлаждающей среды, который соединен со входом второй компрессорной ступени, проточный тракт охлаждения в полости корпуса образован каналами охлаждения, выполненными между статором и корпусом, и рабочим зазором между статором и ротором, отличающийся тем, что сборная камера первой ступени сообщена со входом второй ступени непосредственно через полость корпуса электродвигателя, причем статор выполнен в виде шихтованного магнитопровода торообразной формы с обмоткой кольцевого типа, ротор образован по меньшей мере одним постоянным магнитом с бандажом из материала, препятствующего протеканию вихревых токов, а величина воздушного радиального зазора между ротором и статором составляет не менее 1,5 мм. 2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что воздушный зазор между ротором и статором составляет 2 мм. 3. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что используются газодинамические подшипники. 4. Агрегат по п. 1, отличающийся тем, что магнитопровод статора изготовлен из прессованного порошка методом порошковой металлургии. 5. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что магнитопровод статора выполнен в виде сборки тонких ферритовых колец или колец из электротехнической стали, электроизолированных друг от друга. 6. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что постоянный магнит ротора выполнен из материала с высоким электрическим сопротивлением. 7. Агрегат по п.6, отличающийся тем, что ротор изготовлен из магнитопласта. 8. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде сборки электроизолированных друг от друга кольцеобразных постоянных магнитов. 9. Агрегат по п. 1, отличающийся тем, что бандаж ротора изготовлен из углепластика. 10. Электродвигатель, содержащий статор, образованный магнитопроводом, выполненным в виде сборки тонких электроизолированных друг от друга колец, и электромагнитной обмоткой, и установленный на валу электродвигателя ротор, образованный по меньшей мере одним постоянным магнитом с бандажом из материала, препятствующего протеканию вихревых токов, отличающийся тем, что статор выполнен торообразной формы, в качестве обмотки статора используется обмотка кольцевого типа, а ротор выполнен в виде сборки электроизолированных друг от друга постоянных магнитов в форме тонких колец из материала с высоким электрическим сопротивлением, при этом воздушный зазор между статором и ротором, величина которого составляет не менее 1,5 мм, образует проточный тракт охлаждения электродвигателя. 11. Электродвигатель по п.10, отличающийся тем, что величина воздушного зазора между ротором и статором составляет 2 мм. 12. Электродвигатель по п.10, отличающийся тем, что магнитопровод статора изготовлен из прессованного порошка методом порошковой металлургии. 13. Электродвигатель по п.10, отличающийся тем, что магнитопровод статора выполнен в виде сборки тонких ферритовых колец или колец из электротехнической стали. 14. Электродвигатель по п.10, отличающийся тем, что ротор изготовлен из магнитопласта. 15. Электродвигатель по п.10, отличающийся тем, что бандаж изготовлен из углепластика.