专利名称：大容量冷却器压缩机的制作方法
技术领域：
本发明大体而言涉及压縮机领域。更具体而言，本发明涉及用于制冷和空调系 统的大容量压縮机。
背景技术：
大型冷却设备，例如用于综合办公楼的工业制冷系统或空调器系统，通常涉及 使用大于400制冷吨(1400kW)的大容量冷却系统。输送该水平的容量通常需要 使用极大的单级或多级压缩机系统。现有的压缩机系统通常由感应电动机驱动，该 感应电动机可为密封式、半密封式或开敞式驱动型。驱动电动机可以超过250kW 的功率水平和大约3600转/分钟的旋转速度运行。压縮机系统通常包括由经过润滑 的流体动压或滚动元件轴承支撑的旋转元件。
视特定的输入和输出条件而定，给定的制冷系统的容量可能变化相当大。相应 地，采暖、通风和空调(HVAC)行业已研究出用于确定制冷系统的容量的标准条 件。水冷冷却器系统的标准额定条件包括冷凝器水入口温度29.4。C(85。F) ， 0.054 升/秒/千瓦(3.0加仑/分钟/吨)；水侧冷凝器污垢系数容差0.044m2-°C/kW (0.00025hr-ft2-°F/BTU);蒸发器水出口温度6.7°C (44.0°F) ， 0.043升/秒/千瓦 (2.4加仑/分钟/吨)；以及水侧蒸发器污垢系数容差0.018m2-°C/kW (0.000lhr-ft2-°F/BTU)。这些条件已由空调与制冷学会(ARI)设定，并在标题 为"2003 Standard for Performance Rating of Water-Chilling Packages Using the Vapor Compression Cycle (使用蒸气压縮循环的冷水机组的性能额定值2003年标准)" 的ARI标准550/590中详细描述，该标准以引用的方式并入本文中，在本文中所具 体定义的术语的任何明确定义除外。在下文中，按照这些条件确定的制冷系统的吨是指"标准制冷吨"。
在冷却器系统中，压縮机作为蒸汽泵，其将制冷剂从蒸发压力压縮到较高的冷 凝压力。在执行该过程中已利用多种压缩机，包括旋转式、螺杆式、涡旋式、往复 式和离心式压縮机。在不同的冷却容量范围内，每一种压縮机都具有针对不同用途 的优点。对于很大的冷却容量，已知离心式压缩机具有最高的等熵效率，因此，其
对于冷却器制冷循环具有最大的总体热效率。参见授予Scaringe等人的美国专利第 5,924,847号。
一般而言，压縮机包括空气动力段、传动机构和控制系统。所釆用的空气动力 段的类型取决于多个因素，包括制冷剂、所需的压力比以及容量范围。空气动力段 可具有一个叶轮(单级)或多个叶轮(多级)。单级压縮机很好地适合于压力比通 常小于3且设备成本很重要的舒适冷却应用中。与多级压缩机相比，单级压缩机的 典型特征是其在很宽的运行范围内具有始终如一的循环效率。
在多级压縮机中，每一级都增大来自前一级的出口的压縮气体的压力。多级压 縮机可配备有节能器(亦称为"中间冷却器")，以在窄运行范围内提供高于单级 压縮机的循环效率，但其成本和复杂性会增加。参见1996年ASHRAE手册"Heating, Ventilating and Air Conditioning System and Equipment (采暖、通风与空调系统和设 备)"(英寸-磅版本)和2005年ASHRAE手册"Fundamentals (基础)"(英寸 -磅版本)，这两者均以引用的方式并入本文中，在本文中所具体定义的术语的任 何明确定义除外。所需的压力比越大，来自多级压縮机的效率效益越大。由于尺寸 较大、需要数量更多的精密部件(例如多级叶轮、消旋叶片)以及用于节能器的额 外管道和部件，所以成本增大。
压縮机叶轮或者由电动机直接驱动，或者通过增加齿轮组驱动。对于诸如 HFC-134a的高压制冷剂，叶轮旋转速度可超过3600转/分钟(rpm)。由于标准感 应电动机在60Hz线路频率下以最大3600rpm旋转，可能需要齿轮增速器来达到超 过3600rpm的旋转速度。齿轮增速器会导致效率低，包括在通过齿轮进行功率传 输中发生的能量损失以及油的粘滞损失。
或者，利用变频驱动器(VFD)将感应电动机驱动到高于3600RPM同步速度。 然而，当以制冷剂(R-134a)所要求的高速度旋转时，伴随感应原理的热损失以及 所导致的效率低会变得过大。
已知可使用磁轴承来增大压缩机驱动系统的效率。例如，授予Conry (Corny) 的美国专利第5,857,348号揭示在离心式压縮机中使用主动磁径向和轴向轴承。传统的压縮机系统利用流体动压或滚动元件轴承，其中轴颈与滚动元件或润滑剂接 触。磁轴承消除了上述滚动接触或润滑剂剪切力，且因此从特性上比基于润滑的轴 承具有较小的摩擦阻力。 '
然而， 一旦磁轴承失去电源，其便可能会遭受接触损失。该电源损失可能为日 常的(且因此据此进行设计)，例如在压缩机停机期间。但是，某些电源损失是预 想不到的，例如停电或其他电源服务中断。在任一种情况下都可能发生不期望的接 触，且可能导致轴承或对磁轴承漂浮所提供的精密找正容差灵敏的其他部件受到损 坏。
有关磁轴承、直接驱动离心式制冷压縮机的设计方面的传统知识是，因为较大 的轴质量和直径(即较大的极惯性矩)和功率密度，开发相当大的容量在单个压縮 机中不可行。
在磁轴承的实施方案中另一关注的问题是轴承控制器本身的故障。轴承控制器 故障通常将由于不受控的位移而导致旋转部件的损坏。
许多大容量冷却器系统的特征是电动机以恒定的运行旋转速度运行。基于满负 荷下或接近满负荷的最佳性能来选择运行速度。然而，更先进的控制方法通常涉及 在小于满容量下频繁地运行冷却器。在小于满容量下运行固定速度压縮机会导致效 率低下。
在离心式压縮机中，制冷剂由叶轮推动经过冷却系统。当前生产的叶轮通常利 用锥形口径作为将叶轮安装到高速轴上的手段。该安装构造廉价且己经成功地使用 了许多年。然而，锥形口径安装具有一些固有的问题。例如(1)叶轮和轴之间 对齐困难且耗时；(2)叶轮安装后的轴向位置不可重复，每次安装叶轮时都会略 微变化；以及(3)轴和叶轮的组合在每次组装后可能需要重新平衡。
通常，驱动压缩机的电动机主动冷却，尤其对于大功率电动机而言。对于冷却 器系统，制冷冷却剂接近电动机通常使其成为冷却电动机所选择的介质。许多系统 都带有旁通回路，其设计为当压缩机以满负荷运行且通过该旁通回路具有伴随的压 力降时足够冷却电动机。其他压縮机，例如Conry揭示的压縮机，将流经旁通回路 的冷却剂流量连接到节流装置，该节流装置调节进入压縮机的制冷剂的流量。另外， 授予deLarminat的美国专利申请公开案2005/0284173揭示了使用汽化(未压縮) 制冷剂作为冷却介质。然而，该旁通回路具有固有的缺点。
某些系统冷却成组的多个部件，这会限制压縮机的运行范围。每一部件的冷却 负荷要求将根据压縮机的冷却容量、压縮机汲取功率、可达到的温度和环境空气温度变化。因此，冷却剂的流量可与成组的部件中仅一个部件正确匹配，且然后仅在 特定的条件下匹配，这将产生其他部件或者过冷却或欠冷却的情况。即使增加流量 控制也不能缓解该问题，因为冷却流量将由需要最大程度冷却的装置决定。该组部 件中的其他部件将或者被过冷却、或者被欠冷却。过冷却的部件如果暴露到环境空 气，则可能形成冷凝。欠冷却的装置可能超出其运行范围，从而导致部件故障或机 组停机。
大型冷却器系统通常具有与油系统相关的具体维护要求。当使用滚动元件或流 体动压轴承时，必须为轴承提供润滑。同样地，还必须为升高或降低传动轴的速度 的任何传动装置提供润滑。油系统向这些部件提供润滑，其需要诸如油池、泵、再 循环回路、油加热器(在冬季保持低的油粘度)和油冷却器(在夏季防止油过热) 的辅助设备。这些部件通常需要定期维护，例如更换过滤器、更換密封、油质取样、 更换油和检修泵、加热器和冷却器。油系统与制冷部件共享公共的环境，这通常会 将油引入到制冷剂中且可能对传热具有不利影响。另外，诸如泵、加热器、冷却器 和再循环回路等部件可能需要与环境大气隔离，这可能会在整个制冷系统中产生泄 漏点。
为更换压縮机的内部部件，现有的压縮机设计通常需要将未计划或原本不需要 维护的其他压縮机部件移除或解体。重新组装通常需要耗时的精确对齐程序，且如 果操作不正确，会改变机组的性能。另外，空气动力和电动机外壳通常容纳在单个 铸造结构中，由于其尺寸限制到现有的铸造尺寸，这会降低更换或升级空气动力部 件的能力。
现有的大容量离心式压縮机设计的另一特点是总成的重量。例如，典型的感应
电动机的转子可能重达数百磅，且可能超过1000磅。另外，当开发超过现有功率
和制冷吨容量的系统时，这些机组的重量可能在装运、安装和维护方面成为问题。 当机组安装到地面以上时，由于需要提供额外的结构支撑的费用，重量可能不止会 产生问题，而会成为限制因素。
在HVAC行业长期需要增大冷却器系统的容量。该需求的证据是大容量冷却 器的销售量持续增大。例如，在2006年，销售了超过2000个压縮机容量大于200 标准制冷吨的冷却器系统。因此，人们欢迎开发可克服前述设计困难以输送远大于 现有或先前的商业化系统的制冷容量的压縮机系统。
发明内容
11本发明的各个实施例包括设计用于大型冷却设备的单级和多级离心式压縮机 总成。该设计增大了功率输出和效率，提高了可靠性并减小了.维护需求。
设计大容量冷却器压縮机的变量包括转子和定子总成的直径和长度以及构造 材料。在转子总成的直径方面存在设计折衷。 一方面，转子总成必须具有足够大的 直径以满足扭矩要求。另一方面，直径不应大到在以高旋转速度(在本发明的某些 实施例中可能超过11,000转/分钟，在某些情况下接近21,000转/分钟)运行时， 会产生超过典型材料强度的表面应力的程度。另外，转子总成的较大直径和长度可 能产生与运行中的转子总成的长度和直径的平方成比例的气动阻力(亦称为风阻)， 从而导致较大的损耗。当使用标准构造材料时，较大的直径和长度还往往可能增大 转子总成的质量和惯性矩。
减小应力和阻力往往会促进使用较小直径的转子总成。为在较小直径的转子总
成范围内产生较大的功率容量，本发明的一些实施例利用永磁(PM)电动机。永 磁电动机很好地适合超过3，600转/分钟的运行，且在压縮机的宽广速度和扭矩范围 内显示出最高的经过证实的效率。与传统的感应电动机相比，永磁电动机通常每单 位体积产生较大的功率，且良好地适合与变频驱动器一起使用。另外，永磁电动机 的功率因数通常较大，且产生的热量通常小于具有类似功率的感应电动机。因此， 永磁电动机比感应电动机提供增大的能量效率。
然而，在较小直径的转子总成范围内进一步增大功率容量会产生较大的功率密 度，且用于传递电气损耗所产生的热量的外表面面积较小。因此，通常将利用永磁 电动机的大型冷却应用(例如工业制冷系统或空气调节器系统)限制到200标准制 冷吨(700kW)或更小的容量。
为解决功率密度的增大，本发明的各个实施例利用来自蒸发器段的制冷气体来 冷却转子和定子总成。其他实施例还进一步包括对电动机轴进行内部冷却，这会增
大传热面积，并能够在制冷气体和转子总成之间增大传热系数的对流耦合。
在本发明的各个实施例中，传动系统的部件设计为提高总体能量效率。可解决 某些或所有前述能量损失机理(例如，气动效率、电动机效率、齿轮损耗和轴承摩 擦损耗)，以获得较高的压縮机效率。另外，所提出的压缩机设计输送超过800 标准制冷吨的冷却容量-比当前现有系统有显著的改进，对于利用磁轴承的直接驱 动式压缩机，当前的现有系统的容量小于200标准制冷吨。因此，本发明的各个实 施例可减少大型(大于200标准制冷吨)冷却设备所需的压縮机的数量。
可使用变频驱动器(VFD，亦称为变速驱动器，或VSD)来改变压縮机速度以匹配负荷要求，从而在部分负荷条件下提高能量效率。
在某些实施例中，叶轮由电动机直接驱动，从而消除了传动装置的需要以及伴 随的能量损耗和维护要求。叶轮可设计为最佳或接近最佳地与制冷气体一起使用， 且具有很宽的运行范围并保持效率近似恒定。
各个实施例还包括用于支撑电动机轴的无油的磁轴承，从而减小原本与使用流 体动压或滚动元件轴承相关联的摩擦损耗。中间直流电源系统为磁轴承提供再生功 率。当转子惯性滑行至停止时，可由电动机产生的反电动势产生电力，从而在万一 发生电力损失或中断时提供轴承的控制。后备轴承系统还可实施为在磁轴承缺少足 够的电力时为正在旋转的总成提供支撑。
永磁电动机在机组效率方面提供有更多的优点。在与变频驱动器匹配时，永磁 电动机可以快于3600转/分钟的速度旋转，从而不需要传动装置来增大旋转速度， 并消除伴随的齿轮传递损耗。变频驱动器和永磁电动机还可匹配为压縮机所需的速 度和扭矩提供高效率。
压縮机可构造为包括冷却系统，该冷却系统用于相互独立地冷却电动机轴/转 子总成和定子总成，避免这些部件成套地冷却所固有的缺点。每一回路都可适用于 改变冷却容量和运行压力比，从而在一定的速度范围内将相应的部件维持在温度范 围内，而不会使电动机欠冷却和过冷却。实施例包括使制冷气体穿过电动机轴和转 子总成外圆周上方的冷却或旁通回路，从而通过向轴直接导热以及通过在外圆周上 方对流来冷却转子总成。
压縮机总成可以模块化方式构造，以方便对机组更容易地进行维护并提供很大 程度的气动灵活性。空气动力段可与电动机外壳完全分离，从而能够将传动机构用 于尺寸或级数量可能变化的多种空气动力段。通过该方式，可对机组进行维护或升 级，而不需要更换两个构造可共享的传动机构或其他部件。当冷却器性能要求变化 和/或为获得较高效率而重新设计部件时，可交换压縮机部件。例如，可将电动机 总成与多种气动总成匹配，以使叶轮或蜗壳形状最好地与负荷匹配。模块化构造还 可简化由冷却器制造商制造并保存的部件的盘存。
本发明的一个实施例包括用于控制至压縮机的入口流量的入口导向叶片系统。 导向叶片由步进电动机致动，并可包括用于反馈控制的旋转定向传感器。致动传动 机构可使用自润滑的聚合物材料制造，从而不需要油润滑。
入口导向叶片中的无油传动机构，联同无油磁轴承以及消除用于增大压縮机的
旋转速度的传动轴传动机构，能够消除油系统及伴随的维护。
13各个实施例包括设计为易于重新构造的铸件。'排放喷嘴可旋转以提供冷却器设 计的灵活性。关于本发明的总成的节时方面包括不需要移除排放喷嘴即可移除和 更换叶轮；叶轮眼密封与叶轮外壳易于对齐；在不移除排放喷嘴的情况下也可进行 入口导向叶片系统的移除和更换；以及在叶轮和电动机轴或其他传动轴之间提供容
易的、可重复对齐的叶轮固定件。某些实施例还无需使用动态O形圈密封，从而 减少维护并减小在运行期间磨损和损坏的可能性。
压縮机可使用重量轻的部件和铸件制造，从而提供高的功率-重量比。在单级 设计中使用低重量部件能够实现在传统机组的大约三分之一的重量下具有相同的 吨数。可通过使用铝或铝合金部件或铸件、取消齿轮和使用较小的电动机来实现重 量减小的差异。
各个实施例还包括通过使用自耦变压器而适用于多个电压输入等级的电源。还 可将电源配备为衰减传递到电网的电气谐波。
用于压縮机的控制系统可经设计以使冷却器控制、压縮机控制、轴承控制和变 频驱动器在网络上通信，该网络协调数据、报警、整定点和控制算法。该网络可为 有线系统(例如因特网)、无线系统或两者的组合。
在一个实施例中，揭示了一种冷却器系统，其包括用于压縮制冷气体的离心式 压縮机总成，该离心式压縮机总成包括容纳于电动机外壳内的永磁电动机，该电动 机外壳界定内部腔室。本实施例中的永磁电动机包括电动机轴，可绕旋转轴线旋 转；转子总成，可操作地耦合该电动机轴的一部分；以及至少两个磁轴承，可操作 地耦合到电动机轴。该电动机轴可包括至少一个纵向通道，其与至少一个抽吸通道 流体连通，该至少一个纵向通道穿过电动机轴的至少所述部分实质平行于该旋转轴 线延伸。在本实施例中，蒸发器段与该至少一个纵向通道流体连通，以供应制冷气 体来冷却电动机轴和转子总成。该冷却器系统可进一步包括可操作地耦合到电动机 轴的空气动力段，可操作性耦合可为直接耦合。永磁电动机的功率可超过140 kW， 可产生超过11,000转/分钟的速度，且在标准工业额定条件下可超过200吨制冷容
本发明的另一个实施例按照本发明的大容量、高效率方面定制。该实施例包括 永磁电动机，其具有电动机轴，该电动机轴由磁轴承支撑以实现低摩擦损耗；空气 动力段，其包括至少一个叶轮，其与该电动机轴直接耦合以消除中间传动装置及伴 随的机械传递损耗；以及变频驱动器，其可操作地耦合该永磁电动机，以匹配该叶 轮的预定旋转速度而使其与所述冷却器系统的制冷负荷相对应。再一个实施例提供大容量的无油冷却器系统。本实施例包括永磁电动机，其 具有由无油磁轴承支撑的电动机轴；空气动力段，其包括至少一个叶轮，该至少一 个叶轮与该电动机轴直接耦合以消除中间传动装置；以及入口导向叶片总成，其包
括包含自润滑材料的齿轮部。
在另一个实施例中，揭示了一种冷却器系统，其包括压縮机总成，该压縮机
总成包括永磁电动机和空气动力段，该永磁电动机包括电动机轴、转子总成和定子
总成，该电动机轴可操作地耦合至少两个磁轴承；冷凝器段，其与该压缩机总成流
体连通；以及蒸发器段，其与该冷凝器段和压縮机总成流体连通。该压縮机总成可
进一步包括转子冷却回路，以利用气体制冷剂消除转子总成中的热量，该转子冷却 回路具有可操作地耦合该蒸发器段的气体冷却入口和可操作地耦合该蒸发器段的
气体冷却出口。该压缩机总成还可包括液体冷却西路，其具有可捧作地耦合该冷凝 器段的液体冷却入口端口和可操作地耦合该蒸发器段的液体冷却出口端口 ，该液体 冷却回路被构造成利用液体制冷剂冷却该定子总成。节流装置可操作地耦合该转子 冷却回路，以用于调节制冷气体流过该气体冷却回路的流速。
在再一个实施例中，揭示了一种冷却器系统，其包括液体旁通回路和气体旁通 回路两者。该液体旁通回路利用冷凝器段供应并返回蒸发器段的液体制冷剂冷却该 定子总成，该液体制冷剂由该冷凝器段相对于蒸发器段的较高的工作压力驱动流过 该液体旁通回路。该气体旁通回路利用气体制冷剂冷却转子总成，气体制冷剂被电 动机轴的旋转所造成的压差从蒸发器段吸入并返回到蒸发器段。
本发明的另一构造包括用于冷却器系统的模块化空气动力段。在本实施例中， 排放外壳与蜗壳嵌件一同界定蜗壳。至少一个叶轮可操作地耦合该蜗壳，该至少一 个叶轮可操作地耦合传动轴。排放喷嘴可操作地耦合该排放外壳并与该蜗壳流体连 通，该排放喷嘴相对于传动轴的旋转轴线选择性地定位并可操作地耦合到下游导 管。本实施例中的所述至少一个叶轮与该蜗壳嵌件可从该空气动力段上移除，同时 该排放外壳保持可操作地耦合到该排放喷嘴且排放喷嘴保持可操作地耦合到该下 游导管。该排放外壳可操作地耦合到电动机外壳。该(一个或多个)叶轮和蜗壳嵌 件可由铝或铝合金材料组成。
在另一实施例中，将模块化概念扩展到作为一个整体的压縮机总成。在本实施 例中，压縮机总成包括电动机外壳，其用于容纳电动机；电动机轴，可围绕旋转 轴线旋转并可操作地耦合该电动机；以及空气动力段，其可操作地耦合该电动机外 壳和电动机轴。该空气动力段包括可分离地耦合到入口导管的入口过渡部，该空气动力段界定与该电动机轴的旋转轴线实质对齐的中央轴线。在本实施例中，该至少 一个叶轮、入口过渡部和蜗壳嵌件可从该空气动力段上移除，同时该排放外壳、入 口导管、电动机外壳和排放喷嘴保持静止。另外，在本实施例中，该空气动力段可 从该压縮机总成移除，同时该入口导管、电动机外壳和排放喷嘴保持静止。该排放 喷嘴可相对于该中央轴线选择性地定位。
某些实施例包括用于冷却器压縮机总成的入口导向叶片总成。在这些构造中， 可将用于在包含制冷气体的环境中工作的多个导向叶片子总成可操作地耦合到入 口过渡部，每一导向叶片子总成界定各自的旋转轴线并包括用于使该导向叶片子总 成围绕所述各自的旋转轴线旋转的齿轮部。可将环形面齿轮可操作地耦合该多个导 向叶片子总成的齿轮部中的每一个。可将驱动电动机可操作地耦合成旋转该环形面 齿轮，以使每一导'向叶片子总成围绕其各自的旋转轴线旋转。该齿轮部可包括能耐 受该制冷气体的自润滑材料。
所述压縮机总成的另一实施例包括6相永磁电动机，其具有第一组和第二组三 相绕组，当所述传动机构旋转时，该第一组和第二组三相绕组输出反电动势。该压 縮机总成进一步包括至少两个磁轴承，其由磁轴承控制器控制并可操作地耦合成当 高于阈电压的电源电压施加到该磁轴承时使该电动机轴漂浮。可将至少两个后备滚 动元件轴承布置成当该电源电压低于阈电压时啮合该电动机轴。可将第一变频驱动 器和第二变频驱动器分别可操作地耦合第一组和第二组三相绕组。可操作地耦合到
该第一和第二变频驱动器的自耦变压器可在该第一和第二变频驱动器之间提供30 度的相移，该30度的相移为该第一和第二变频驱动器提供一 12脉冲的输入，该自 耦变压器可操作地耦合市电电源。中间电源可用于向该磁轴承和磁轴承控制器提供 所述电源电压，当可从市电电源得到电力时，该中间电源由该市电电源供电，当该
6相永磁电动机正在旋转且该市电电源中断时，该中间电源由该反电动势供电。该
第一和所述第二变频驱动器是电流源型变频驱动器。
在另一实施例中，揭示了一种用于组装压縮机总成的方法，该压縮机总成包括 可操作地耦合电动机的传动轴，该电动机容纳于电动机外壳中，该传动轴具有延伸 出该电动机外壳之外的传动端。该方法包括将排放外壳附连到该电动机外壳，以使 该电动机轴的传动端延伸到该排放外壳内，该电动机排放外壳具有入口过渡部和出
口过渡部，该电动机外壳保持静止。其他步骤可包括将叶轮安装到该电动机轴的 传动端；将蜗壳嵌件安装到该排放外壳内以形成蜗壳，该蜗壳嵌件可操作地耦合该 叶轮；使入口外壳与该入口过渡部相耦合；使该出口过渡部与下游扩散系统相耦合该下游扩散系统保持静止。
图1为根据本发明的一个实施例中的冷却器系统的示意图2为根据本发明的一个实施例中的压縮机总成的立体图3为图2的压缩机总成的正视图4为图2的压縮机总成的入口端的端视图5为图2的压縮机总成的俯视图6为图2的压縮机总成的局部分解图7为根据本发明的一个实施例的单级压缩机总成的空气动力段的剖视立体
图8为图7的空气动力段的剖视立体图9为根据本发明的一个实施例中安装到传动轴的叶轮的剖视图10为根据本发明的一个实施例中的两级压縮机总成的剖视立体图11为根据本发明的一个实施例中具有多边形固定件的电动机轴的立体图12为根据本发明的一个实施例中的入口导向叶片总成的剖视立体图13为图12的入口导向叶片总成的蜗杆总成的分解图14为安装到图12的入口导向叶片总成的磁位置传感器的立体图15为根据本发明的一个实施例中的压縮机传动机构总成的剖视立体图16为根据本发明的一个实施例中的终端总线板总成的立体图17为根据本发明的一个实施例中的终端总线板总成的立体图18为图15的传动机构总成的转子和定子总成的剖视图19为图15的传动机构总成的剖视图，.突出显示图18的转子总成的气体旁 通回路；
图19A为图19的电动机轴的剖视图19B为根据本发明的一个实施例中的电动机轴的剖视图19C为图19B的电动机轴的局部放大剖视'图20为压縮机总成的剖视图，突出显示图15中的传动机构总成的定子总成的 液体旁通回路；
图20A和20B为可在图20的液体旁通回路中利用的螺旋形通道的放大剖视图21为根据本发明的一个实施例中的具有6个输出相和相移自耦变压器输入 电源的变频驱动器的电气示意图22为根据本发明的一个实施例中的具有冗余中间电源的电源系统的电气示 意图；以及
图23为直流连接电源与根据本发明的一个实施例中的永磁电动机的旋转速度 的函数关系曲线图。
具体实施例方式
参见图1，其绘示根据本发明的一个实施例中的冷却器系统28，冷却器系统 28具有冷凝器段30、膨胀装置32、蒸发器段34和离心式压縮机总成36。冷却器 系统28的特点在于可进一步具有用于冷却离心式压縮机总成36的各个部件的气体 旁通回路38和液体旁通回路40。
在运行中，冷却器系统28内的制冷剂被从离心式压縮机总成36驱动到冷凝器 段30，'.如方向箭头41所示，从而建立如图1所示的顺时针流向。离心式压縮机总 成36使冷凝器段20的工作压力升高，而膨胀装置32使蒸发器段34的工作压力降 低。因此，在冷却器系统28运行期间存在压差，其中冷凝器段30的工作压力可高 于蒸发器段34的工作压力。
参见图2-9，其中绘示根据本发明的离心式压缩机总成36的一个实施例。离 心式压縮机总成36包括具有中央轴线44的空气动力段42、电动机外壳46、电子 装置室48和输入电源终端壳体50。电动机外壳46通常界定内部腔室49，其用于 容纳并安装压縮机总成36的各个部件。法兰连接表面51可提供电动机外壳46与 空气动力段42之间的耦合。
空气动力段
在一个实施例中，单级压縮机43 (在图7-9中进行最佳的绘示)的空气动力 段42包含离心式压縮机级52，离心式压縮机级52包括蜗壳嵌件56和叶轮外壳57 内的叶轮80。离心式压縮机级52可容纳在排放外壳54内，并与入口外壳58流体 连通。
入口外壳58可在入口导管59与压縮机级52的入口 62之间提供入口过渡部 60。入口导管59可配置为使用法兰59a安装到入口过渡部50。入口外壳58还可 提供用于支撑入口导向叶片总成64的结构，并用于将蜗壳嵌件56抵靠排放外壳 54固定。在一些实施例中，蜗壳嵌件56和排放外壳54 —同形成扩散器66和蜗壳68。 排放外壳54还可配备与蜗壳68流体连通的出口过渡部70。出.口过渡部70可与排 放喷嘴72界接，排放喷嘴72在排放外壳54和下游导管73 (图3-5)之间过渡， 下游导管73导向冷凝器段30。下游扩散系统74可操作地耦合叶轮80，且可包括 扩散器66、蜗壳68、过渡部70和排放喷嘴72。空气动力段42还可包括轴封76 和叶轮眼密封77。轴封76可由波形弹簧78和止动环79固定到位。
排放喷嘴72可由可焊接的铸钢(例如ASTMA216牌号WCB)制造。各个外 壳54、 56、 57和58可由钢、或者由高强度铝合金或轻质合金制造，以减小压縮机 总成36的重量。
从功能上说，法兰连接表面51使排放外壳54能够被安装到电动机外壳46上， 且排放喷嘴72相对于中央轴线44选择性定位。在某些情况下，，排放喷嘴72的选 择性定位使空气动力段42能够被连接到冷凝器段30，而不需借助于过大长度的下 游导管73或下游导管73中的过多数量的拐弯。减小下游导管73的长度和拐弯通 常导绿冷却器系统28中伴随的压头损失减小，从而促进更高效的能量运行。选择 性定位还使本发明的某些实施例能够更容易地应用到可更佳地适合独特的排放角 度的多种蒸发器和冷凝器设计。
叶轮
对于各个实施例，叶轮80可设置在入口 62和叶轮外壳57内的扩散器66之间， 如图7和8所示。叶轮80可包括通孔81，通孔81使叶轮80能够被安装到传动轴 (例如电动机轴82)上。电动机轴82的特点在于旋转轴线89。可使用拉紧螺栓 84将叶轮80耦合到电动机轴82。拉紧螺栓84与螺塞83啮合，且拉紧螺栓84的 螺帽安放在叶轮80鼻部上的前埋头孔85内，如图9所示。螺塞83和拉紧螺栓84 可为左旋螺纹或者右旋螺纹。叶轮80还可成形为与突出部86配合，突出部86从 电动机轴82的肩部87延伸。可在拉紧螺栓84和叶轮80之间的前埋头孔85内构 造平垫圈90和一个或多个弹簧垫圈92的组合。可将鼻锥部88布置在拉紧螺栓84 和前埋头孔85的上方。
图l-9绘示的实施例构造为叶轮80与电动机轴82直接耦合，从而消除单独的 传动轴及伴随的传动装置和结构。在本实施例中，电动机轴82的旋转轴线89界定 空气动力段42的中央轴线44。所属领域的技术人员将认识到，可将本发明的某些 方面应用到包括与电动机轴82分离且不同的传动轴有构造中。
参见图11，在本发明的一个实施例中将电动机轴82绘示为具有突出部86，突
19出部86包括多边形固定件96。多边形固定件86因其多边形横截面而如此命名。 可利用其他叶轮安装构造，包括但不限于弯曲固定件或花键/V形齿固定件。
返回图9和11，在一个实施例中，电动机轴82的突出部86用于将叶轮80与 中央轴线44对齐。弹簧垫圈92有助于在运行期间使拉紧螺栓84保持张紧。另外， 视电动机轴82的旋转方向而定，为螺塞83和拉紧螺栓84选择左旋或右旋螺纹也 有助于保持拉紧螺栓84紧固在螺塞83的螺纹中。可将鼻锥部88成形为具有仿形 表面，以当气体制冷剂94进入叶轮80时减小气动阻力。对于多级压縮机，鼻锥部 88可仅用于第一或入口级(图10)上。
通过蜗壳嵌件56和排放外壳54配合而形成扩散器66和蜗壳68可减少部件的 数量，同时能够实现气动灵活性。该构造通过仅改变蜗壳嵌件56 (即，将扩散器 66从无叶片构造改变为有叶片构造，或改变蜗壳68的通道特性)而能够实现气动 部件的改变，且还适合在多级空气动力段中的第一和第二级之间形成返回通道。因 此，排放喷嘴72和排放外壳70能够在维修气动部件期间保持附连到冷却器。
多边形固定件96解决与叶轮88和眼密封77的移除、轴向定位、旋转对齐(即 "偏转")和平衡相关联的问题。多边形固定件96不需要弄尖，从而使叶轮能够 抵靠肩部87停靠在电动机轴82上。与用键固定的结构相比，多边形形状能够在材 料应力减小的情况下将来自电动机轴82的扭矩传递至叶轮80。
在运行中，空气动力段42将角动量从叶轮82传递至从蒸发器段34进入的气 体制冷剂94 (图7)。由叶轮80传递至气体制冷剂94的动能在下游扩散系统74 中可变换为较高的静压。系统内的全部总压力升通常在叶轮80中产生。大约三分 之二的静压升通常在叶轮80自身内产生，剩余的静压升在下游扩散系统74内产生。
排放喷嘴72能够实现气体制冷剂94在进入冷凝器段30之前较大的扩散，由 此减小冷凝器段内的总压力降，并减小从压縮机辐射的声压水平。通常，通过增大 排放喷嘴72的总体长度和出口直径来实现较大的扩散(即压力恢复或静压增大)。 使用可焊接的铸造材料能够实现将下游导管73.焊接到排放喷嘴72，以便在需要时 安装止回阀(未绘示)来防止逆流。为此目的也可使用其他焊接兼容材料。或者， 排放喷嘴72和下游导管73之间的连接可为法兰界接(未绘示)。
多级构造
参见图10，其中绘示根据本发明的一个实施例在多级压縮机中使用的多级空 气动力段42a。多级压缩机的特征是具有不止一个叶轮，在图10中绘示为第一叶 轮80a和第二叶轮80b。在所绘示的实施例中，第一叶轮80a容纳在第一叶轮外壳57a内，第一叶轮外壳57a由间隔嵌件98支撑，所有上述部件界定第一级52a。在 所绘示的实施例中，图10中的第二级52b由第二叶轮80b、第二叶轮外壳57b和 蜗壳嵌件56界定。第一和第二级52a和52b可由交叉槽99隔离。交叉槽100可配 备有消旋叶片(未绘示)。
第一和第二级52a和52b以及交叉槽99可容纳在排放外壳54中。入口外壳 58可定位在第一级52a的上游。可将短管轴或延伸部55 (例如，在法兰连接构造 中)添加到排放外壳54，以适应第一和第二级52a和52b两者。在一替代实施例 中，排放外壳54和延伸部55可为无法兰的公共外壳(未绘示)，其足够长以适应 第一和第二级52a和52b两者。
第一和第二叶轮80a和80b由公共轴100驱动。公共轴100可以多种方式连接 至电动机轴82。例如，公共轴100可为中空、厚壁结构，且将拉紧螺栓84 (图9) 延长以穿过第一和第二叶轮80a和80b两者以及公共轴100。
在另一实施例中，拉紧螺栓84可与图9中的单级构造的长度相同，但第二叶 轮适合以可螺旋的方式啮合公共轴100的下游端100b。当多级空气动力段42a的 轴向长度由于延伸长度的拉紧螺栓84而被禁止很长时(例如，当级的数量超过两 个时)，后一实施例可能是有用的。
在另一实施例(未绘示)中，下游叶轮(例如，80b)构造有用于将扭矩传递 至叶轮的键槽。公共轴100延伸到上游叶轮(例如，80a)，上游叶轮可与拉紧螺 栓84附连。叶轮之间的间距可使用滑动经过公共轴100的中空圆柱形管维持。
在再一实施例(未绘示)中，可利用足够长以支撑并隔离多个叶轮(例如，80a 和80b)的单一多边形固定件构造。叶轮可滑动经过多边形形状，再由中空圆柱形 间隔件隔离。
本发明可构造带有不止两个级。中间级可由类似于间隔嵌件98的间隔嵌件和 类似于第二叶轮80b的叶轮组成。在一些实施例中，仅多级压縮机的末级需要安装 有蜗壳嵌件56。
从功能上说，离心式压縮机总成36的模块化结构能够实现在需要时使用多级 空气动力段42a更换单级压縮机43 (图8)的空气动力段42。模块化结构使操作 人员能够在不更换传动机构(在下文中论述)或两个构造共享的其他部件(例如入 口外壳58、入口导向叶片总成(在下文中论述)、蜗壳嵌件56和排放喷嘴72)的 情况下将机组升级。模块化结构还能够简化冷却器制造商制造及供货商保存的部件 的盘存。诸如延伸部55 (图10)的多个短管轴能够实现将排放外壳54组合到所需
21的任何长度，而不需要更换单级构造(图8)中使用的外壳54。
在运行中，当气体制冷剂94进入交叉槽99时，第一叶轮80a通常将切向速度 分量传递到气体制冷剂94上。可将消旋叶片(未绘示)设计为当气体制冷剂94 穿过交叉槽99时移除切向速度分量，从而当气流进入第二级52b时将气流整直。
入口导向叶片
参见图12，其中图解说明根据本发明的一个实施例中用于致动入口导向叶片 总成64的入口导向叶片总成64和致动系统101。入口导向叶片总成64可包括多 个导向叶片子总成102，每一叶片子总成102都安装到入口过渡部60。(为清楚起 见，入口过渡部60已从图12移除。)每一导向叶片子总成102都可包括翼部102a、 构造为可操作地与入口过渡部60耦合的底座部102b以及齿轮部104。齿轮部104 和底座102b可借助于键槽103构造配合。导向叶片子总成102可构造为围绕与中 央轴线44实质上相交的旋转轴线106旋转。在一个实施例中，可使用卡环105将 底座102b相对于齿轮部104保持在给定的径向位置。
在图12中，所绘示的实施例包括多个所述导向叶片子总成102和齿轮部104， 每一者都具有其自己的旋转轴线106。多个旋转轴线106实质上位于控制平面108 上。导向叶片子总成102可经尺寸选择为不到达中央轴线44，从而在入口导向叶 片总成64的中央界定孔或间隙直径107。间隙直径107可实现最小的或阈值流量， 以防止在轻负荷在起动期间失速。间隙直径107还能够实现到达拉紧螺栓84的通 道。
齿轮部104可利用聚合物制造。使用某些聚合物(例如聚氧化甲烯(POM)， 也称为聚縮醛、仲甲醛和聚氧化甲烯(例如特拉华州威明顿DuPont公司生产的 DELRIN )能够实现通过注塑成形来形成齿轮部104。导向叶片子总成102可利用 硅黄铜或铝合金铸造或机加工而成。图12的实施例绘示用于导向叶片子总成102 的国家航空咨询委员会(NACA) 0009系列对称翼形。视具体的应用而定，其他 材料和导向叶片构造可能适用。
在一个实施例中，与控制平面108实质上平行且位于控制平面108的下游侧的 单个环形面齿轮IIO与齿轮部104互相啮合。环形面齿轮IIO也可釆用高强度聚合 材料(例如，DELRIN或其他5级材料)制造，在这种情况下环形面齿轮可通过注 塑成形。
齿轮部104可采用自润滑材料制造，该自润滑材料足够经久耐用以提供可接受 的有效寿命并耐受指定与冷却器总成28 —起使用的制冷剂。所述材料包括但不限
22于縮醛(例如POM)、聚丁烯对苯二甲酸酯(PBT)、尼龙、聚苯硫醚(PPS)、
液晶聚合物(LCP)和聚醚醚酮(PEEK)。或者，可使用在外表面或齿轮接触表 面上局部或全部涂有自润滑材料的金属芯。
縮醛在很大的温度范围内具有尺寸稳定性、耐疲劳和耐受许多化学品的能力。 缩醛是高度光滑的，并在金属和塑料两者上平滑移动。PBT是适合在具有利用其 他塑料和金属制造的齿轮的混合齿轮组中应用的聚脂，且其特点是模塑有光滑的表 面。尼龙的特点通常是有韧性、耐磨以及对其他塑料和金属具有低摩擦阻力。PPS 通常为刚性且尺寸稳定，具有很高的耐疲劳和化学性。LCP的特点是在温度高达 220°C时仍具有尺寸稳定性并耐受大多数化学品。
可使用纤维和填充剂来增强齿轮的树脂特性。例如，使用25%的2毫米短纤 维加强的縮醛共聚物可将基本树脂的拉伸强度提高两倍，并将其挠曲模量提高三 位。添加长于IO毫米的玻璃纤维能够进一步增强聚合物的强度、刚度、抗蠕变和 冲击、尺寸稳定性以及韧性。
在一个实施例中，具有扇形凹口表面113的导向叶片止动环112位于齿轮部 104的上游侧，扇形凹口表面113朝向齿轮部104定向。参见图12和14。导向叶 片止动环112也可使用能够实现注塑成形制造的聚氧化甲烯或者其他高强度聚合 材料制造。相对于控制平面108 (即上游或下游)定位环形面齿轮110和导向叶片 止动环112是随意的且不受限制。
所绘示的实施例将环形面齿轮IIO显示为具有外圆周114，将外圆周114的一 部分机加工为蜗轮116，以配合蜗杆118。蜗杆-118可由驱动电动机120通过包括 传动齿轮121和减速齿轮123的标准传动/减速齿轮组合122驱动。
从功能上说，入口导向叶片总成64可用于将入口涡流角设置为与叶轮80的旋 转方向相同或相反。通过改变入口导向叶片角度，可控制制冷剂穿过压縮机级的功、 压力升和质量流量。于是，在以部分冷却负荷运行时，入口导—向叶片总成64可提 供气体制冷剂94流过离心式压縮机总成36的流量的控制或调节。(另一技术涉及 改变压缩机速度，这在下文中描述，其可与入口导向叶片总成64组合使用以控制 离心式压縮机总成36。)
为齿轮部104入口导向叶片总成64使用自润滑材料也可设计为在不需要润滑 油的制冷剂环境中工作。
参见图13，其中显示用于驱动蜗轮116的蜗杆总成126的一个实施例的分解 图。在该实施例中，蜗杆总成126包括轴128、蜗杆118、长间隔件129和短间隔件130以及设置在靠近轴128的端部的两个轴承131和132。蜗杆支撑支架133可 为实质上U形，第一端口 134与第二端口 135实质上轴向对齐。第一端口 134可 构造为接纳弹簧垫圈136，且第二端口 134构造为接纳固定夹137。轴128可构造 为在一端接纳止动夹127以及分别与蜗杆118和减速齿轮123配合的齿轮键138 和139。
在图13所示的实施例中，间隔件129、 130用于将蜗杆118在蜗杆支撑支架 133内置于正确的定向。轴承131和132可提供轴128的自由旋转，与标准的接触 或辊子轴承设计相比，这可减小摩擦和扭矩要求。蜗杆总成126可通过弹簧垫圈 136和固定夹137提供的对置止动固定在蜗杆支撑支架133内。止动夹127可将减 速齿轮123固定在轴128的轴部与蜗杆支撑支架133之间。齿轮键138和139可起 作用以旋转的方式分别固定蜗杆U8和减速齿轮123。
参见图14，其中图解说明本发明的一个实施例中用于确定入口导向叶片子总 成102的角向位置的位置传感器140。合适的位置传感器在市场上有售，例如新罕 布什尔州Melexis Microelectronic Integrated Systems of Concord制造的MLX 90316。 在一个实施例中，位置传感器140以霍尔磁效应原理工作，其中磁铁142嵌入或以 其它方式耦合至导向叶片子总成102的基座，且霍尔效应传感器144接近磁铁142 安装在电路板146上，以感测磁铁142绕旋转轴线106的位置。导向叶片子总成 102的角向位置可从磁铁142所感测的位置获得。电路板146可由安装至入口外壳 58的支架148支撑。在2005年10月4日版本001的3901090316 "数据表" "MXL90316 Rotary Position Sensor IC (MXL90316旋转位置传感器IC)"中提供 关于MLX 90316工作的描述，其以引用的方式并入本文中，在本文中所具体定义 的术语的任何明确定义除外。
在运行中，可通过对入口导向叶片子总成102以可旋转的方式进行定位来控制 离心式压缩机总成36，以阻碍流向不同角度的流量和/或引导流量流向不同的角度。 驱动电动机120通过传动/减速齿轮组合122来旋转蜗杆118，传动/减速齿轮组合 122驱动蜗轮116并使面齿轮110围绕中央轴线44旋转。本实施例中的面齿轮110 的旋转使齿轮部104的每一者围绕各自的旋转轴线106旋转，从而使导向叶片子总 成102旋转。对于蜗杆总成126，轴承134和136可提供轴128的自由旋转以满足 低摩擦和扭矩要求。导向叶片止动环112 (图12)的扇形凹口表面113能够在打开 和关闭方向两者为齿轮部104的每一者提供旋转机械止挡，从而防止导向叶片子总 成102之间发生损坏性碰撞。可使用用于机械止挡的其他手段，例如销或自入口外壳58延伸的突起部。
驱动电动机120可为带有内部反馈回路的密封式双向步进.电动机，利用该反馈 回路可通过正确的对齐和校准来确定导向叶片子总成102的角向位置。驱动电动机 120可经尺寸确定以传递必要的扭矩来将导向叶片子总成102从全关闭位置驱动到 全打开位置。驱动电动机120还可经尺寸确定以应对在运行期间制冷剂气体124 的气动力施加在导向叶片子总成102上的载荷。另外，驱动电动机120可构造为将 导向叶片子总成102固定在恒定的旋转位置并防止其在运行期间漂移。 ' 位置传感器总成140提供用于确定导向叶片子总成102的角向定向的一替代实 施例。霍尔效应传感器144的输出信号根据可能安装到入口导向叶片子总成102 的端部的磁铁142的角向位置而变化。电路板146可提供信号电缆(未显示)的连 接点及霍尔效应传感器144的安装结构。
传动机构
参见图15，其中描绘电动机外壳46的一个实施例，电动机外壳46包含传动 机构1*50，传动机构150包括永磁电动机152，永磁电动机152具有定子总成154、 安装到电动机轴82的转子总成156以及在运行期间使电动机轴82悬浮的无油磁轴 承158和160。永磁电动机152可通过连接到定子总成154的6根引线162经由终 端母线板总成163供电。也可将检测轴位置的旋转位置反馈装置(例如编码器或电 位计)耦合至电动机轴82。
电动机外壳46和传动机构150可进一步包括端部外壳161、 一对轴承托架子 总成149a和149b，以及推力轴承总成151。推力轴承总成可包括从电动机轴82 向外径向延伸的滑块151a以及跨过滑块151a的两个线圈151b和151c。
在图15绘示的实施例运行中，推力轴承总成150的线圈151b和151c与滑块 151a用磁力相互作用，以将传动机构150固定在电动机外壳46内的轴向位置，从 而提供无摩擦的反作用力来助长或抵消施加在传动机构150上的推力。轴承托架子 总成149a和149b可提供在安装电动机后将轴承定位在电动机中心线上的结构。位 置反馈装置可用于确定电动机轴82的旋转速度以及给定时刻的旋转位置，可能需 要所述两者来正确地运行和控制变频驱动器。(变频驱动器的运行在下文中描述。)
参见图16，其中显示本发明的一个实施例中的终端母线板总成163的立体图。 在本实施例中，六个矩形终端159穿过介电铸装材料165，例如玻璃环氧材料。终 端159可分成两组，每组三个，每一组都穿过公共的介电铸装。封装材料165提供 终端159和安装板163a之间的电气绝缘。参见图17，其中显示本发明的另一实施例中的终端母线板总成163，其中每一
终端159都单独地封装在介电馈通167内，介电馈通167配备有诸如O形圈或压 紧密封的装置，以相对介电馈通167密封，以防止容纳在电动机外壳46内的气体 制冷剂94在介电馈通167和安装板163a之间发生泄漏。每一终端159和相应的介 电馈通167形成一总成，该总成可单独移除，且可使用如图17所示的卡环157或 所属领域的技术人员可用的其他构造(例如螺纹连接或锁紧螺母)固定。
图16和17的构造中的终端159通常使用铜制造，且其高度可变以方便将电源 线安装到终端上。安装板163a可使用铝、铝合金或其他合适的结构材料构造。
参见图'18，其中描绘本发明的一个实施例中的转子总成156。电动机轴82包 括叶轮80可安装在其上的驱动端164和延伸进入电动机外壳46内的非驱动端166。 转子总成156的特点是具有内部间隙直径168和总体长度170，总体长度170包括 永磁材料174可设置在其上的有效长度172。
在图18中还绘示本发明的一个实施例中的6相定子总成154。在本实施例中， 通常将定子总成154描述为中空圆柱体176，该圆柱体的壁包括层叠片178和六个 绕组180，绕组180的端匝部181和182封装在诸如高温环氧树脂的介电铸件183 内(在图18中最佳地进行图解说明)。总共六根引线162(图18中显示其中四根)， 每一根用于六个绕组180.中的其中一个，在本构造中自中空圆柱体176的端部186 延伸。可包括衬套188，衬套188在中空圆柱体176的外表面的上方延伸并与层叠 片178和介电铸件183两者的外径向圆周紧密接触。衬套188可利用高导电率、无 磁材料(例如铝或不锈钢)制造。可定位多个温度传感器190 (例如热电偶或热敏 电阻)，以感测定子总成154的温度，其终端自中空圆柱体1'76的端部186延伸。
参见图19和19A，其中图解说明本发明的一个实施例中的转子冷却回路192。 转子冷却回路192可为气体旁通回路40 (图1)的子部分或支路。来自蒸发器段 34的气体制冷剂94可通过在端部外壳161上形成的入口通道194进入转子冷却回 路192，且可经由在电动机外壳46上形成的出.口通道195离开。相应地，可将转 子冷却回路192界定为气体旁通回路40在入口通道194和出口通道195之间的一 段。入口通道194可与纵向通道196流体连通，纵向通道196可为实质上与电动机 轴82的旋转轴线89同心的中央通道。纵向通道196可构造为在电动机轴82的非 驱动端166具有开口端198。纵向通道196可穿出并越过电动机轴82的安装有转 子总成156的一部分，并终止于闭合端200。
图19的图示描绘电动机轴82的非驱动端166与端部外壳161之间的间隙201。在本构造中，气体制冷剂94从内部腔室94被吸入纵向通道196的开口端198。或 者，该轴可接触端部外壳161上的配合结构(例如动密封)，.以便气体制冷剂94 沿管道直接进入纵向通道196。
在一个实施例中，多个径向抽吸通道202在闭合端200附近与纵向通道196 流体连通，抽吸通道202通过电动机轴82向外径向延伸。抽吸通道202可构造为 使气体制冷剂94离开进入定子总成154和电动机轴82之间的空腔区203。可在定 子总成154和转子总成156之间界定环形间隙204以输送气体制冷剂94。通常， 气体旁通回路40的转子冷却回路192可布置为使气体制冷剂能够流过容纳在转子 总成156和端部外壳161之间的各个部件(例如磁轴承158)。离开出口通道195 的气体制冷剂94可返回到蒸发器段34。利用此布置，传动机构150的部件与汽相 冷却制冷剂(气体制冷剂94)且在特定条件下与液相制冷剂接触。
参见图19B,绘示本发明的另一实施例的多个流体通道206，其与电动机轴82 的旋转轴线89实质上平行但不同心。流体通道206可替代图19A所绘示的单一纵 向通道196，或可对纵向通道196进行增补。该多个通道可与抽吸通道202流体连 通。
流体通道206可包括传热增强结构，例如纵向翅片206a，其沿流体通道206 的长度延伸并伸入流体通道206。本领域技术人员可得到其他上述传热增强结构， 包括但不限于螺旋形翅片、在流体通道206的壁上形成的纵向或螺旋形沟槽或交错 布置结构。还可将上述传热增强结构纳入图19和19A的构造中。
从功能上，使用多个通道通过增加传热面积来增强气体制冷剂94和转子总成 156之间的总体传热系数。传热增强结构还可增大传热面积，且在特定构造中可用 来切断流量以进一步增强传热。由于可缩短导热路径的有效径向厚度，所以还可减 小流体通道206与电动机轴82的外表面之间的传热性耦接。多个通道可向设计人 员提供另一组参数，可操作或优化该组参数以产生可增强气体制冷剂94和流体通 道206的壁之间的对流性传热系数的有利的雷诺数范围。
可在气体旁通回路40的转子冷却回路192的入口侧(如图19中绘示)或出口 侧包括节流装置207。节流装置207的性质可为被动性或自动性。被动装置通常是 不具有主动反馈控制的装置，例如带有固定节流孔装置或带有利用开式回路控制的 可变节流孔装置。自动装置是利用闭式回路控制中的反馈元件的装置，例如开/关 控制器或利用比例/积分/微分控制方案的控制器。
可利用反馈元件(例如，温度传感器205)监视离开转子冷却回路92的气体制冷剂94的温度。可使用反馈元件对节流装置207进行闭式回路控制。或者，可 使用其他反馈元件，例如流量计、热通量计或压力传感器。.
参见图20和20A,突出显示本发明的一个实施例中用于冷却定子总成154的 液体旁通回路40的定子冷却段208。定子冷却段208可包括管子209a，管子209a 界定于衬套188的外部形成的螺旋形通道210。利用管子209a和衬套188之间的 热传导间隙材料211可增大传递至管子209a中流动的冷却剂216的热量。可通过 焊接、钎焊、夹持或技术人员熟知的其他手段将管子209a固定至衬套188。
参见图20B，螺旋形通道210可包括槽209b，槽209b使在其中流动的液体冷 却剂216能够与衬套188进行直接接触。可通过焊接、钎焊或技术人员所熟知的提 供气密通道的其他技术将槽20%固定至衬套188。
应进一步注意，对于定子冷却段208,本发明不限于螺旋形构造。可将普通的 圆柱形冷却夹套(例如宾夕法尼亚州Lafayette Hill的Dean Products公司提供的 PANELCOIL产品系列)安装到衬套I88上，或者甚至取代使用单独的衬套的必要 性。.'.
可将螺旋形通道210构造为与液体冷却入口孔212和液体冷却出口孔214流体 连通，通过液体冷却入口孔212供应液体冷却剂216，通过液体冷却出口孔214返 回液体冷却剂216。可将液体冷却入口孔212连接至冷却回路的冷凝器段30，且可 将液体冷却出口孔214连接至蒸发器段34。由于冷凝器段30相对于蒸发器段34 的工作压力较大，可推动本实施例中的液体冷却剂216从冷凝器段30流到蒸发器 段34 (图1)。
可在定子冷却段208的入口侧或出口侧包括节流装置(未绘示)。节流装置 207的性质可为被动性或自动性。
可从电动机轴82的非传动端166组装传动机构150。在组装期间将转子总成 156滑动经过非传动端166 (不是传动端164)可防止对径向抽吸通道202造成损 坏。
从功能上，永磁电动机152可在高速度下在很大的运行范围内具有高效率，并 与类似规格的感应电动机相比，组合有高输出功率和改进的功率因数的优点。永磁 电动机152还占用很小的容积或覆盖区，从而提供很高的功率密度和很高的功率重
另外，电动机轴82可作为永磁电动机152和空气动力段42的叶轮80之间的 直接耦合。这种布置在本文中称为"直接传动"构造。电动机轴和叶轮80之间的
28直接耦合可消除中间传动装置，中间传动装置会引起传递的效率低，需要维护并增 加机组的重量。本领域的技术人员将认识到，可将本发明的某些方面应用到包括与 电动机轴82分离且与其不同的传动轴的构造中。
在工作中，电动机轴82内的径向抽吸通道202的旋转作为离心叶轮，其通过 气体旁通回路40抽取气体制冷剂94，并冷却定子总成154。在本实施例中，驻留 在抽吸通道202内的气体被径向向外甩入空腔区203，从而在闭合端200产生较低 的压力或吸力，该较低的压力或吸力通过入口通道194从蒸发器段34抽取气体制 冷剂94。将气体排入空腔区203还会在空腔区203内产生较大的压力，该较大的 压力驱动气体制冷剂94穿过环形间隙204和出口通道195返回蒸发器段34。由此 离心作用产生的压力差使气体制冷剂94流入和流出蒸发器段34。
可在多个方面相对于现有的制冷压縮机设计对转子总成156的冷却进行增强。 通过向被冷却的电动机轴82进行直接的热传导来沿内部间隙直径168的长度对转 子总成156进行冷却。通常，还通过被推动经过环形间隙204的气体制冷剂94引 起的强迫对流对转子总'成156的外表面进行冷却。
可使用节流装置207来控制气体制冷剂94的流量和其伴随的热传递。可利用 温度传感器205作为反馈元件来控制气体制冷剂94的流速。
为冷却转子，使用气体制冷剂94相对于使用液体制冷剂216具有某些优点。 气体通常比液体具有较低的粘度，因而在移动中的表面上方传递较小的摩擦或气动 阻力。气动阻力会减小机组的效率。在所揭示的实施例中，在流过环形间隙204 中尤其存在气动阻力，该处不仅存在轴向速度分量，而且由于转子总成156的高速 旋转，还存在很大的切向速度分量。
如一个实施例中所揭示，定子总成154可由作为液体进入螺旋形通道210的液 体制冷剂216冷却。然而，当液体制冷剂216流过定子冷却段208时， 一部分制冷 剂可能气化，产生两相或泡核沸腾情况，并提供非常有效的热传递。
由于在冷凝器段30和蒸发器段34之间存在的压差，液体制冷剂216可被强迫 通过液体旁通回路40和定子冷却段208。节流装置(未绘示)被动或主动减小或 调节经过液体旁通回路40的流量。可结合节流装置在反馈控制回路中使用温度传 感器l卯。
可使用对传导性热传递进行热扩散并促进层叠片178和介电铸件183两者的外 圆周均匀冷却的高热导率材料来制造衬套188。对于螺旋形缠绕槽209b构造，衬 套188进一步作为阻止液体制冷剂216渗入层叠片178的障碍。将定子总成154的端匝部181， 182封装在介电铸件183内用于将来自端匝部 181， 182的热量传导至定子冷却段208，从而减小对气体旁il屈路40的转子冷却 回路192的热负荷要求。介电铸件183还可减小暴露至流过转子冷却回路192的气 体制冷剂94的端匝部181， 182腐蚀的可能性。
磁轴承
在本发明的各个实施例中，正常运行下转子总成156由无摩擦磁轴承158和 160支撑。轴承158， 160由微处理器控制器和功率放大器控制及悬浮，该微处理 器控制器和功率放大器可容纳在压縮机本体上的电子装置壳体217内，或者可布置 在远处。
另外，可提供"支承"滚动元件轴承218和220来约束旋转总成，并防止其在 对磁轴承158和160的灾难性控制失败期间发生损坏。在某些实施例中，后备轴承 218和220的内径大于电动机轴82的直径。磁轴承158和160、后备轴承218和 220以及电动机轴82可布置为使电动机轴82在运行期间实质上位于内径的中心， 在电动机轴82和磁轴承158和160的每一者之间产生环形间隙。该间隙使电动机 轴82能够自由旋转而不接触后备轴承218， 220。通过该布置，后备轴承218， 220 '在正常运行期间不会接触转子总成156。
变频驱动器
参见图21，示意性地绘示本发明的一个实施例中采用六相布置的变频驱动器 系统(VFD系统)248，其驱动永磁电动机153。在本实施例中，总共六根电力引 线250向 一对三相绕组252a和252b传输电力。每组三相绕组252a和252b可由单 独而独立的变频驱动器(VFD)电源部分254a和254b供电，电源部分254a和254b 可通过连接到市电电源224的自耦变压器256供电。
在六相构造中，自耦变压器256可在VFD电源部分254a和254b提供30度相 移。自耦变压器256还可根据VFD的需求按照要求用于升高或降低输入电压。
本说明书中描述和绘示六相实施例，但本发明不因此受到限制。例如，单一电 源部分可为具有一组三相绕组的永磁电动机提供电源。在本替代实施例中，自耦变 压器256不用于相移，但可用于将输入电压升高或降低到VFD电源部分254a和 254b所要求的电压。
VFD电源部分254a和254b中每一者可包括输入整流器258、滤波器260、电 流斩波器262和控制电路264，其均如图21所示通过直流母线266连接。整流器 258将来自自耦变压器256的交流电源转换为直流电源。可使用的整流器的类型包括二极管桥式整流器、可控硅控制整流器，或两者的组合。滤波器260减小整流后
的直流电源的纹波。电流斩波器262和控制电路264组合形成逆变器。
逆变器268将直流电源转换为三相交流电源，该三相交流电源的频率对应于永 磁电动机153所需的旋转速度。通过绝缘栅双极晶体管(IGBT)使用脉宽调制 (PWM)完成对直流母线266上的电流的开关。
在一个实施例中，将逆变器268称为"电流源"型，其中至永磁电动机153 的输出是受控的交流电流而不是受控的交流电压。在诸如以下参考文件中可看到该 电流源驱动器"Introduction to Power Electronics and Drives (电力电子和驱动简 介)"，Bimal K.Bose，版本Ch5， 1997，电气及电子工程师学会，ISBN0-7803-1061-6， 该参考文件以引用的方式并入本文中，在本文中所具体定义的术语的任何明确定义 除外。
电力电子、控制方法和微处理器控制使用户能够利用几乎没有缺点的电流源驱 动的优点。电流源逆变器利用逆变器内较低的开关频率和较低的电压上升时间 (dVMT)，从而减小电动机应力并提高总体系统效率。电流源逆变器还具有固有 的限流能力。电流源逆变器通常包括直流连接中的大型电感器，其具有伴随的成本 和重量。为控制输入和输出上的谐波，电流控制方法可能十分复杂。
下文中列举与具体设计问题相关的关于控制方法、效率、与永磁电动机一起使
用以及谐波缓解的其他参考文件。所有这些参考文件都以引入的方式并入本文中， 在本文中所具体定义的术语的任何明确定义除外。
"A general purpose voltage regulated current-source inverter power supply"， Espinoza, J.R.; Joos, G、；Ziogas， P.D.;应用电力电子年会暨展示会，1993年APEC'93， 会议论文集1993，第8份年刊，1993年3月7-11日，第778-784页
"A low-harmonics electric drive system based on current-source inverter"， YuexinYin; Wu, A.Y.,IEEE工业应用会刊，1998年1-2月，第1期，第34册，第 227-235页
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"A current-source-inverter-fed induction motor drive system with reduced losses," Espinoza， J.R.; Joos， G.; IEEE工业应用会刊，1998年7-8月，第4期， 第34册，第796-805页"Implementation of current source inverter for power line conditioning," Williams, S.M.; Hoft， R.G.; IEEE工业应用会刊，1991年7-8.月，第4期，第27 册，第773-779页
"An integrated three-phase voltage regulated current source inverter topology," Espinoza，J.; Joos, G.; Ziogas，P.;工业电子会议论文集，1993年，ISIE'93-布达佩 斯，IEEE国际研讨会，1993年6月1-3日，第663-668页
"Brushless permanent magnet (BPM) motor drive system using load-commutated inverter," Toliyat，H.A.; Sultana, N.; Shet,D.S.; Moreira, J.C.; IEEE电力电子学会 刊，1999年9月，第5期，第14册，第831-837页
"High-efficiency drives using permanent-magnet motors, " Slemon, G.R.; IECON'93工业电子、控制和仪表国际会议会刊，1993年U月15-19日，第725-730 页
各个实施例中的电流斩波器262 (也称为降压变换器(Step down converter)、 降压突换器(buck converter)或多相降压变换器(multi-phase buck converter))的 功能是将直流母线电压维持在高于永磁电动机153的反电动势以上的恰当水平，并 维持永磁电动机153的恒电流源。电流斩波器262可包括二极管、大型电感器和投 切装置的网络。投切装置可为多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)，其并列布置并以 交错或多相模式控制。该控制模式在不同的时刻"接通"IGBT，其可减小直流连 接中的纹波并使电流源平滑。
控制电路264可包括投切装置网络，该投切装置使用PWM控制模式将直流电 源变换为脉冲的三相交流电源。可根据所需的电动机速度以某一速率切换至永磁电 动机153的各三相绕组252a和252b的电源。这种类型的逆变器输出部分可使用远 低于电压源驱动的开关频率。
本发明的另一个实施例使用电压源逆变器。在这种类型的逆变器中，维持直流 电压且IGBT以较高的速率切换。
从功能上，VFD系统248可匹配为向离心叶轮80或叶轮80a或80b提供足够 的扭矩和速度，以满足冷却器的运行要求。与传统设计相比，VFD系统248可减 小电力线路谐波并增大传动机构的效率。使用两个VFD电源部分254a和254b向 电动机中的独立绕组供电可取消传统12脉冲VFD中使用相间变压器来配合直流母 线电压或电流的需要。该布置还减小电动机发热损失和能量损失。
VFD系统248可设计为高速运行，以适应可在本发明的模块化设计中实施的
32多个叶轮尺寸和制冷剂组合。可达到超过20,000转/分的旋转速度。
在一个实施例中，VFD系统248可包括具有冷却旁通回路(未绘示)的散热 片，该冷却旁通回路适应液体或气体制冷剂。该冷却旁通回路可包括控制阀和来自 散热片的反馈温度元件，以按照所需的温度控制散热片(未绘示)。散热片的湿部 件可经选择为适合待使用的制冷剂(例如，制冷剂R-134a和多元醇脂油)。紧邻 主动冷却部件的电子元件可设计为避免或适应冷凝产生的水分。各个实施例可使用 水作为冷却流体。
整流器258可能产生谐波，该谐波通过向市电电源224供电的电网不仅对成套 设备，而且对相邻的设施会产生大量的弊病，尤其对于大功率设备而言。可能由谐 波导致的问题包括导线过热、电容器失效或破裂、断路器假跳闸、变压器绕组过热 以及干扰设施中或电网上的控制器、计算机和公用事业表计。
通过减小伴随的电力线路谐波并向逆变器提供12脉冲输入(例如，向图21 的两个逆变器268中的每一者提供6个脉冲)，自耦变压器256提供的30度相移 可缓解这些问题。该12脉冲输入可消除5次和7次谐波。另外，6相电动机构造 中的相移可减小电动机发热并使效率最大。这些方法减少电力谐波，并在需要时可 与额外的谐波滤波器一起使用以满足IEEE-519要求。
中间电源
参见图22，绘示本发明的一个实施例中的电源和VFD系统221，其包括驱动 磁轴承158和160的中间电源222、磁轴承控制器270和VFD控制器272。在正常 运行下，中间电源222可由直流连接电压274a和274b从每一 VFD 254a和254b 的直流母线266供电。至中间电源222的另一直流输入276还可通过整流器278 从输入市电电源224供电。
在一个实施例中，中间电源222包括开关变换器280和一组隔离电源变压器 282，以将直流输入276或中间直流连接电压274变换为规定的辅助电源电压。磁 轴承158和160、磁轴承控制器270和VFD控制器272可连接到合适的隔离电源 变压器282。
本发明的各个实施例还可向中间电源222提供由永磁电动机153的相应三相绕 组252a和252b的旋转所提供的反电动势284a和284b。当永磁电动机153旋转时， 万一来自市电电源224的电源中断，反电动机电压284a和284b可能是直流母线 266上存在的唯一电源。反电动势284a和284b通常与永磁电动机153的旋转速度 成比例。从功能上说，当不存在直流连接电压274a和274b时，中间电源222的冗余电 源能够实现压縮机总成的功能通电。例如，当未完全向VFD供电或当不存在反电 动势电压时(例如在系统初始起动或系统维修期间)，中间电源可通过整流器278 供电。当永磁电动机153旋转时，反电动势284a和284b可向中间电源222提供替 代电源。万一VFD 254a和254b故障导致直流连接电压274a和274b损失时，该 冗余不仅向磁轴承158、 160，而且向磁轴承控制器270提供额外的供电安全。
在正常运行中，可将逆变器268的交流电压输出控制到刚好高于永磁电动机 153产生的反电动势284a和284b。可使用旋转位置反馈装置来实现投切逆变器268 中的IGBT的相位时序。
当市电输入电源电压224损失时，直流连接电压274a和274b可由反电动势电 压284a和284b维持。反电动势通过以"续流"构造布置的二极管，该二极管与IGBT 投切装置并联使用。在本构造中，续流二极管作为整流器向直流母线供电。由此在 暂态及市电电源224经历线路骤降期间维持至磁轴承158、 160和磁轴承控制器270 的电源，以防止损坏磁轴承158、 160。
VFD 254a和254b可构造为在具有适当变化(例如±10%)的各种标准市电电 源电压(例如，380、 400、 415、 440、 460、 480和575V)及50或60Hz线路频率 下工作。适应各种输入电压可产生各种直流连接电压274a、 274b。在降低的电压 和频率下工作的能力可对输送给中间电源222的直流连接电压274施加另一个变 量。相应地，在向轴承158、 160以及控制器270和272输送电源时可利用一定的 调节水平。
在一个构造中，VFD控制器272可使VFD系统248能够旋转永磁电动机152 并将VFD系统248的状态通知给冷却器系统的其他部件。
VFD系统248可构造为通过冷却器设备的本地以太网传递和接收设置和运行 数据。另外，VFD系统248可具有FTP服务器来通过以太网上传软件更新以及HTTP 服务器来监视并设置驱动器。
参见图23，中间电源222可进一步构造为向直流连接电压274a和274b提供 "再生性升压"286。通过修改VFD 264的输出逆变器内的IGBT的投切范围来实 现再生性升压286。维持直流连接电压274a和274b本身又可维持来自中间电源222 的输出电压。
可通过调节逆变器投切模式以模拟"升压"变换器来实现升压。在这种类型的 直流-直流变换器中，由于包括直流连接电感器(能量存储装置)、二极管和IGBT的电路布置，输出电压超过输入电压。
图23将再生性升压286的示例效果表示为直流连接电压274和永磁电动机153 的旋转速度290之间的正规化曲线图。虚线代表没有再生性升压286时出现的直流 连接电压274的未升压电压288。未升压电压288与速度成比例下降。中间电源222 的输出可因此维持下降到永磁电动机153的大约5%的额定旋转速度290。
再生性升压构造的直流连接电压274由实线2站表示。再生性升压的效果可在 低于额定值的大约40%的旋转速度290时实现，而直流连接电压274可维持恒定， 直到旋转速度290下降到低于额定值的大约2%。在低于额定旋转速度的2%时， 直流连接电压274急剧下降，并在额定旋转速度的大约1%时达到零输出。
因此，再生性升压可构造为提供高于某一将控制器270和272维持下降到接近 零的旋转速度290的阈值的足够直流连接电压274，并视额定直流连接电压而定， 还可提供高于某一将磁轴承158、 160维持下降到同一旋转速度290的阈值的足够 功率或电压。
由于不理想的电气部件，可能发生一些能量损失。因此，如果在异常损失轴承 控制后，后备轴承218、 220能够支撑旋转总成。在正常的停机条件下，在将电动 机轴82降低到后备轴承218、 220上之前，轴承控制器可促使电动机轴82完全停 机。
在以下列举的参考文件中可找到投切电源和变型(例如升压变换器、降压变换 器和多相变换器)的装置和方法，所以这些参考文件都以引用的方式并入本文中， 在本文中所具体定义的术语的任何明确定义除外。
Mohan，Ned; Undeland， Tore M.， Robbins， William P.(2003). Power Electronics. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-42908-2
Power Electronics. Converter, Applications and Design. N.Mohan， T.M. Undeland and W.P.Robbins. John Wile&Sons ISBN 0-471-58408-8
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J.G. Kassakian， M.F.Schlecht and G.C. Verghese.
Addison-Wesley ISBN 0-201-09689-7
组装程序
可利用以下程序来组装压縮机总成的各个部件。为实现所需的组装，某些步骤 可能是可选的且不需要。步骤的顺序也可改变，且因此不具有限制性。 本发明的一个实施例中用于组装电动机/轴承总成的程序可能如下。
升高电动机外壳46的温度。
将定子总成154插入电动机外壳46内。
使外壳冷却，将定子固定到电动机外壳。
安装防旋转销，其在电动机外壳46和定子总成154之间提供额外的剪切阻 力以保持扭矩。
，将电动机端子板50附装到电动机外壳46。 一 将电动机引线使用螺栓和螺母固定到端子上。
将前径向磁轴承158和后备轴承220插入前轴承座。
将轴承电源引线和传感器引线连接到电子装置端子。
将轴承座总成插入外壳并用螺钉固定。
使用必要的夹具将电动机转子/轴总成150、 156插入前轴承架。
将后径向磁轴承160、前推力轴承致动器151b和后备轴承218、 220插入后 轴承座14%。
将轴承电源引线和传感器引线连接到电子装置端子
将轴承座总成插入电动机外壳46并固定。
将推力滚圈151a插到电动机轴上。
将推力轴承致动器151c插入后轴承座并固定。
将O形圈插入电动机外壳端盖161。
将电动机外壳端盖附装到外壳上。
注意，空气动力段42可设计为与附装到电动机外壳46上的排放外壳54 —起 维修，使空气动力段42维修期间排放喷嘴72能够保持在原位，且因此减少维修停 机时间。另外，排放外壳54可绕中央轴线44旋转，以提供组装离心式压缩机总成 36时的灵活性。参见图6。用于将叶轮80安装到图9中绘示的构造的电动机轴82上的程序可能如下
在安装叶轮80之前，验证已安装轴密封76。
将电动机轴82与叶轮80对齐，并将叶轮推到电动机轴82上。叶轮应抵靠 肩部87放置。
将平垫圈90和两个弹簧垫圈92安装到叶轮80的前埋头孔85内。
将拉紧螺栓84穿过叶轮通孔81，并以螺旋的方式将拉紧螺栓84与位于电
动机轴82的突出部86内的螺纹啮合；根据所确定的扭矩规范拧紧拉紧螺栓。
将鼻锥部88插入前埋头孔85内并按照所确定的扭矩规范拧紧。可通过将
销穿过径向孔并旋转来拧紧鼻锥部。注意鼻锥部使用左旋螺纹。 通过以下程序可实现离心式压縮机总成36的组装 使用波形弹簧78和止动环79将轴密封76装入排放外壳54内。
将排放外壳54紧固到电动机外壳46上。
将叶轮80安装到电动机轴82上(参见上述叶轮安装程序)。
'将蜗壳嵌件56插入排放外壳54内并使用紧固件紧固到位。
将叶轮眼密封77和波纹弹簧78穿过叶轮外壳57的入口边缘。
将入口导向叶片总成64安装到入口外壳58内。
将入口外壳58对齐、插入并紧固到排放外壳54。
通过旋转叶轮80检查叶轮眼密封77的配合。
组装多级空气动力段将按照类似的方法，并可应用到轴长度和轴承载荷有变化 的近似相同的传动机构。
用于组装蜗杆总成126的程序可能如下(请参见图13): 将蜗杆118放入蜗杆支撑支架133的切口内。
将轴128插入穿过蜗杆支撑支架133上的端口 134、 135，如图13所示啮合 蜗轮。将蜗轮键槽与轴键槽对齐，并将蜗轮键139插入以将蜗轮锁紧到轴上。
将长间隔件129、轴承131和弹簧垫圈U6插入蜗杆支撑支架133内的第一 端口 134。将弹簧垫圈136紧固到第一端口 134内。
将轴承132滑过轴128进入第二端口 135，并将固定夹137安装到第二端口 135内。
将短间隔件130放到轴128上。
将减速齿轮123放到轴128上。将齿轮键槽与轴键槽对齐并安装齿轮键139， 以旋转方式相对于轴128固定减速齿轮123。 将止动夹127安装到轴128上。
用于组装入口导向叶片总成64的程序可能如下(请参见图12): 将面齿轮110放到入口外壳58上，齿背离外壳。
将导向叶片子总成102以正确的定向插入口外壳58内。在插入导向叶片子 总成102后，将叶片旋转到关闭位置。
将齿轮部104放到每一导向叶片子总成102上，将齿轮部104中的键槽103 与导向叶片子总成102对齐。
将键(未绘示)放入每一叶片/正齿轮总成的开槽中。
将卡环105安装到每一导向叶片总成102上。
将导向叶片止动环112安装到入口外壳58上，使扇形凹口表面113朝向正 齿轮104。
将蜗杆总成126紧固到入口外壳58上，确保蜗杆118与面齿轮IIO上的蜗 轮116之间正确配合。
将传动齿轮121安装到驱动电动机120上。
将驱动电动机120紧固到蜗杆总成126上，使电动机传动齿轮121与减速 齿轮123啮合。
本发明可实施为在本说明书中未揭示的其他实施例。所提及的相对性术语(例 如"上面"和"下面"、"前面"和"背面"、"左边"和"右边"等)均旨在方 便描述而不是要将本发明或其部件限制为任何具体定向。插图中绘示的所有尺寸均 可随可能的设计和本发明的某个具体实施例的预期用途而变化，此并不背离本发明 的范围。
本说明书中所揭示的额外的插图和方法的每一者均可单独使用或结合其他特 征和方法使用，以提供改进的装置、系统以及制造和使用所述装置和系统的方法。 因此，在最宽泛的意义上实施本发明可能不需要本说明书中所揭示的特征和方法的 组合，揭示它们的目的仅仅是具体描述本发明的代表性实施例。
为便于解释本发明的权利要求，明确打算除非在标的物中引用具体的措词"用 于…的装置"或"用于…的步骤"，否则不援引35U.S.C第112节第6段的条款。
权利要求
1.一种冷却器系统，包括离心式压缩机总成，用于压缩制冷气体，所述离心式压缩机总成包括永磁电动机，所述永磁电动机容纳于电动机外壳内，所述电动机外壳界定内部腔室，所述永磁电动机包括电动机轴，可围绕旋转轴线旋转，转子总成，可操作地耦合所述电动机轴的一部分，以及至少两个磁轴承，可操作地耦合到所述电动机轴；所述电动机轴包括至少一个纵向通道和至少一个抽吸通道，所述至少一个纵向通道穿过所述电动机轴的至少所述部分实质平行于所述旋转轴线延伸，所述至少一个抽吸通道与所述内部腔室和所述至少一个纵向通道流体连通；以及蒸发器段，与所述至少一个纵向通道流体连通，以供应所述制冷气体来冷却所述电动机轴和所述转子总成。
2. 如权利要求1所述的冷却器系统 到所述电动机轴的空气动力段。
3. 如权利要求2所述的冷却器系统 动机轴直接进行耦合。
4. 如权利要求1所述的冷却器系统 于140千瓦。
5. 如权利要求4所述的冷却器系统 速大于ll，OO转/每分钟。
6. 如权利要求1所述的冷却器系统 量大于200标准制冷吨。
7. —种冷却器系统，包括永磁电动机且在标准工业额定条件下所具有的制冷 容量大于200制冷吨。
8. 如权利要求7所述的冷却器系统，其特征在于，所述永磁电动机包括由磁 轴承支撑的电动机轴，所述电动机轴的转速大于11,000转/每分钟。
9. 一种大容量、高效率冷却器系统，包括永磁电动机，具有电动机轴，所述电动机轴由磁轴承支撑以实现低摩擦损耗；其特征在于，进一步包括可操作地耦合 其特征在于，所述空气动力段与所述电 其特征在于，所述永磁电动机的功率大 其特征在于，所述永磁电动机的所述转 其特征在于，所述冷却器系统的冷却容空气动力段，包括至少一个叶轮，所述至少一个叶轮与所述电动机轴直接耦合 以消除中间传动装置及伴随的机械传递损耗；以及变频驱动器，可操作地耦合所述永磁电动机，以匹配所述叶轮的预定旋转速度 而使其与所述冷却器系统的制冷负荷相对应；其中所述冷却器系统在标准工业额定条件下所具有的冷却容量大于200制冷吨。
10. —种大容量、无油冷却器系统，包括 永磁电动机，具有由无油磁轴承支撑的电动机轴；空气动力段，包括至少一个叶轮，所述至少一个叶轮与所述电动机轴直接耦合 以消除中间传动装置；以及入口导向叶片总成，包括包含自润滑材料的齿轮部。
11. 一种冷却器系统，包括压缩机总成，包括永磁电动机和空气动力段，所述永磁电动机包括电动机轴、 转子总成和定子总成，所述电动机轴可操作地耦合至少两个磁轴承； 冷凝器段，与所述压縮机总成流体连通；以及 蒸发器段，与所述冷凝器段和所述压缩机总成流体连通；所述压縮机总成包括转子冷却回路，以利用气体制冷剂移除所述转子总成中的 热量，所述转子冷却回路具有可操作地耦合所述蒸发器段的气体冷却入口和可操作 地耦合所述蒸发器段的气体冷却出口；所述压縮机总成包括液体冷却回路，所述液体冷却回路具有可操作地耦合所述 冷凝器段的液体冷却入口端口和可操作地耦合所述蒸发器段的液体冷却出口端口， 所述液体冷却回路被构造成利用液体制冷剂冷却所述定子总成。
12. 如权利要求11所述的冷却器系统，其特征在于，所述电动机轴和所述空 气动力段被构造用于直接驱动所述空气动力段。。
13. 如权利要求11所述的冷却器系统，其特征在于，进一步包括可操作地耦 合所述转子冷却回路的节流装置，以用于调节所述制冷气体流过所述气体冷却回路 的流速。
14. 如权利要求13所述的冷却器系统，其特征在于，进一步包括用于控制所 述制冷气体的所述流速的反馈元件。
15. 如权利要求12所述的冷却器系统，其特征在于，所述反馈元件是温度传 感器。
16. —种冷却器系统，包括压縮机总成，包括永磁电动机和空气动力段，所述永磁电动机包括可操作地耦 合电动机轴的转子总成和用于形成所述电动机轴的旋转的定子总成，所述电动机轴 可操作地耦合至少两个磁轴承并可围绕旋转轴线旋转，所述电动机轴和所述空气动 力段被布置成直接驱动所述空气动力段；冷凝器段和蒸发器段，分别可操作地耦合所述空气动力段，所述冷凝器段的工 作压力高于所述蒸发器段；液体旁通回路，用于利用液体制冷剂冷却所述定子总成，所述液体制冷剂由所 述冷凝器段提供并返回到所述蒸发器段，所述冷凝器段相对于所述蒸发器段的所述更高的工作压力促使所述液体制冷剂流过所述液体旁通回路；以及气体旁通回路，用于利用气体制冷剂冷却所述转子总成，所述气体制冷剂被所 述电动机轴的所述旋转所造成的压差从所述蒸发器段吸入并返回到所述蒸发器段。
17. 如权利要求16所述的冷却器系统，其特征在于，所述电动机轴进一步包括至少一个纵向通道和至少一个抽吸通道，所述至少一个纵向通道穿过所述电动机 轴的至少所述部分实质平行于所述电动机轴的所述旋转轴线延伸，所述至少一个抽 吸通道与所述至少一个纵向通道流体连通，所述至少一个纵向通道和所述至少一个 抽吸通道界定所述气体旁通回路的一部分。
18. 如权利要求16所述的冷却器系统，其特征在于，进一步包括可操作地耦 合所述气体冷却回路的节流装置，以用于调节所述制冷气体的流速。
19. 一种用于冷却器系统的空气动力段，包括 传动轴，可围绕旋转轴线旋转；排放外壳，其与蜗壳嵌件一同界定蜗壳；至少一个叶轮，可操作地耦合所述蜗壳，所述至少一个叶轮可操作地耦合所述 传动轴；以及排放喷嘴，可操作地耦合所述排放外壳并与所述蜗壳流体连通，所述排放喷嘴 相对于所述旋转轴线选择性地定位并可操作地耦合到下游导管；其中所述至少一个叶轮与所述蜗壳嵌件可从所述空气动力段上移除，同时所述 排放外壳保持可操作地耦合到所述排放喷嘴且所述排放喷嘴保持可操作地耦合到 所述下游导管。
20. 如权利要求19所述的空气动力段，其特征在于，所述传动轴是电动机轴。
21. 如权利要求19所述的空气动力段，其特征在于，所述排放外壳可操作地耦合到电动机外壳。
22. 如权利要求21所述的空气动力段，其特征在于，所述传动轴是电动机轴。
23. 如权利要求19所述的空气动力段，其特征在于，所述排放外壳、所述至 少一个叶轮和所述蜗壳嵌件由铝或铝合金材料制成。
24. —种用于冷却器系统的压縮机总成，包括 电动机外壳，用于容纳电动机；电动机轴，可围绕旋转轴线旋转并可操作地耦合所述电动机；空气动力段，可操作地耦合所述电动机外壳和所述电动机轴，所述空气动力段包括可分离地耦合到入口导管的入口过渡部，所述空气动力段界定与所述电动机轴的所述旋转轴线实质对齐的中央轴线并包括 排放外壳，蜗壳嵌件，与所述排放外壳一同界定蜗壳，以及 至少一个叶轮，可操作地耦合所述蜗壳和所述电动机轴；以及 '排放喷嘴，可分离地耦合所述排放外壳并与所述蜗壳流体连通，所述排放 喷嘴可操作地耦合下游导管；其中所述至少一个叶轮、所述入口过渡部和所述蜗壳嵌件可从所述空气动力段 上移除，同时所述排放外壳、所述入口导管、所述电动机外壳和所述排放喷嘴保持 静止，以及其中所述空气动力段可从所述压縮机总成移除，同时所述入口导管、所述电动 机外壳和所述排放喷嘴保持静止。
25. 如权利要求24所述的压縮机总成，其特征在于，所述排放喷嘴相对于所述中央轴线选择性地定位。
26. 如权利要求24所述的压縮机总成，其特征在于，所述入口过渡部可操作 地耦合多个导向叶片子总成，所述多个导向叶片子总成中的每一个均包括翼部。
27. 如权利要求26所述的压縮机总成，其特征在于，所述导向叶片子总成中 的每一个进一步包括底座部和齿轮部。
28. 如权利要求24所述的压縮机总成，其特征在于，所述电动机轴可操作地 耦合一对磁轴承。
29. —种用于冷却器压縮机总成的入口导向叶片总成，包括 多个导向叶片子总成，用于在包含制冷气体的环境中工作，所述多个导向叶片子总成可操作地耦合到入口过渡部，每一导向叶片子总成界定各自的旋转轴线并包括用于使所述导向叶片子总成围绕所述各自的旋转轴线旋转的齿轮部；环形面齿轮，可操作地耦合所述多个导向叶片子总成的所述齿轮部中的每一 个；以及驱动电动机，可操作地耦合成旋转所述环形面齿轮，以使每一导向叶片子总成 围绕所述各自的旋转轴线旋转。
30. —种用于冷却器压縮机总成的入口导向叶片总成，包括 多个入口导向叶片，用于在包含制冷气体的环境中工作，所述多个入口导向叶片可操作地耦合到入口过渡部，每一入口导向叶片可由齿轮部进行旋转驱动，所述 齿轮部包括能耐受所述制冷气体的自润滑材料。
31. —种用于冷却器系统的压缩机总成，包括传动机构，包括电动机轴、6相永磁电动机和至少两个磁轴承，所述磁轴承由 磁轴承控制器控制并可操作地耦合成当高于阈电压的电源电压施加到所述磁轴承 时使所述电动机轴漂浮，所述6相永磁电动机包括第一组和第二组三相绕组，当所 述传动机构旋转时，所述第一组和第二组三相绕组输出反电动势；至少两个后备滚动元件轴承，被布置成当所述电源电压低于所述阈电压时啮合 所述电动机轴；第一变频驱动器，可操作地耦合所述第一组三相绕组；第二变频驱动器，可操作地耦合所述第二组三相绕组；自耦变压器，可操作地耦合到所述第一和所述第二变频驱动器，并在所述第一 和所述第二变频驱动器之间提供30度的相移，所述30度的相移为所述第一和所述 第二变频驱动器提供一12脉冲的输入，所述自耦变压器可操作地耦合市电电源； 以及中间电源，用于向所述磁轴承和所述磁轴承控制器提供所述电源电压，当可从 所述市电电源得到电力时，所述中间电源由所述市电电源供电，当所述6相永磁电 动机正在旋转且所述市电电源中断时，所述中间电源由所述反电动势供电。
32. 如权利要求31所述的压縮机总成，其特征在于，所述第一和所述第二变 频驱动器是电流源型变频驱动器。
33. —种组装压缩机总成的方法，所述压縮机总成包括可操作地耦合电动机的 传动轴，所述电动机容纳于电动机外壳中，所述传动轴具有延伸出所述电动机外壳 之外的传动端，所述方法包括-将排放外壳附连到所述电动机外壳，以使所述电动机轴的所述传动端延伸到所述排放外壳内，所述电动机排放外壳具有入口过渡部和出口过渡部，所述电动机外 壳保持静止； . 将叶轮安装到所述电动机轴的所述传动端；将蜗壳嵌件安装到所述排放外壳内以形成蜗壳，所述蜗壳嵌件可操作地耦合所述叶轮；使入口外壳与所述入口过渡部相耦合；以及使所述出口过渡部与下游扩散系统相耦合，所述下游扩散系统保持静止。
全文摘要
本发明提供一种用于大型冷却装置的高效率、低维护单级或多级离心式压缩机总成。该总成借助驱动永磁电动机并使压缩机速度与压缩机负荷相匹配的变频驱动器(VFD)、消除齿轮传动损失的直接传动叶轮以及减小摩擦损失的磁轴承而具有高效率。万一电源损失，电动机产生的反电动势向磁轴承提供中间电源。冷却系统使用气体制冷剂提供转子的直接冷却，使用液体制冷剂提供定子的冷却。模块化结构使压缩机能够使用升级进行改造。入口导向叶片系统不需要油润滑工作。使用轻金属铸件并取消传动齿轮可将重量减小到具有同等动力的传统机组的三分之一或更小。
文档编号F25B1/10GK101558268SQ200780044367
公开日2009年10月14日 申请日期2007年10月9日 优先权日2006年10月6日
发明者E·A·坎佩恩, M·C·多蒂, P·K·布特勒, Q·E·克莱恩, S·J·肖雷特, T·A·沃特森 申请人:阿拂迈克奎公司