具有內冷空氣流的馬達驅動離心空氣壓縮機的製作方法
2023-05-29 07:38:36 2
專利名稱：具有內冷空氣流的馬達驅動離心空氣壓縮機的製作方法
技術領域：
本發明總的涉及在各種工業工藝過程中供應壓縮空氣的馬達驅動空氣壓縮機，尤其涉及對內燃機氣缸供應充量空氣的馬達驅動壓氣機。
背景技術：
目前在工業內燃機中使用的馬達驅動壓氣機通常包括一個裝在一鋁殼內並驅動一包封的壓氣腔體內的一離心空氣壓縮機葉輪的無刷電馬達，如
圖1所示。這種馬達驅動壓氣機常常處於車輛的發動機隔艙內，在那裡，周圍的環境處在顯著提高的溫度之下。在這種空氣壓縮機運轉中，馬達自外電源，諸如電瓶，經一電子控制器獲取電能，該電子控制器將電瓶的直流電變換為交流電，在馬達繞組中產生一旋轉磁場。包圍安裝在驅動軸上的馬達磁鐵的旋轉磁場產生一個力矩，它驅動該壓縮機葉輪和軸總成。該壓縮機葉輪自大氣或空氣濾清器將空氣引入壓縮機空氣進口，並自壓縮腔體以高於大氣壓力將其壓出。
在許多應用中，諸如內燃機的增壓系統中，小尺寸是一個優點，而壓縮機馬達對溫度可能是敏感的。就溫度敏感馬達來說，我們指的是，其可靠性可能是處於危險中或其性能可能惡化的馬達，由於不能使在其運轉期間產生的熱及其形成的內部溫度消散，為小型電馬達，由於因其繞組損失產生的熱及不能充分地使這些熱量消失，其內部溫度可能危及馬達的絕緣。
內燃機增壓系統和其它的應用希望採用一種由高速無刷電馬達構成的緊湊壓氣機總成，該種電馬達包括一定子和一轉子及由一對軸承支承的旋轉軸，該旋轉軸包含一個自該對軸承中之一向外延伸的軸延伸部。這種緊湊的壓氣機總成可包括一個殼體，殼體具有一個支承電馬達和軸承的第一部和一個圍繞軸延伸部構成壓縮機腔的第二部，第二部具有一中心配置的進口和一圓周配置的壓縮空氣出口。壓縮機腔包圍一離心壓縮機葉輪，該葉輪由一自軸接合輪殼徑向向外延伸的固體後壁和若干自該後壁徑向和軸向向外伸出至在空氣進口和出口之間的壓縮機腔內自中心徑向向外伸出的邊緣部的空氣轉動葉片構成。該高速無刷電馬達能以高速轉動這種離心壓縮機葉輪，以便在其周邊提供一股壓縮空氣流。
在諸如內燃機增壓系的一些應用中，一直要求在電馬達的選擇和應用方面進行折衷，因為敵對的馬達環境和小馬達效率較低。因此，在這些應用方面，由目前的馬達驅動壓縮機在連續的基礎上可靠生產的壓縮空氣量通常受電馬達繞組中產生的溫度的限制。低速馬達已採某種型式的內風扇，該風扇固定於軸上以產生一股冷卻空氣流，該氣流流經馬達並圍繞其內部部件以限制它們的溫度。然而，對於極高速無刷馬達，小型內風扇的採用對電馬達施加了一個頗大而不希望的負荷，變得更加難於實現，並使壓縮腔體總成的內部結構複雜化。
發明概述本發明提供一種馬達驅動壓縮機總成，其中流經離心壓縮機的一小部分空氣作為馬達繞組的冷卻空氣被導至馬達殼體，然後被排至大氣中或被再循環到壓縮機空氣進口。結果，在繞組中產生的一部分內熱被帶走，從而允許馬達在連續的基礎上產生較高的功率，這又允許壓縮機以較高的壓力輸送更多的壓縮空氣給接收裝置。
本發明的馬達驅動壓縮機包括一個由馬達包封殼體部支承的馬達，一個由馬達驅動的在第二殼體部內的包含一加壓部的壓縮機葉輪，和自加壓壓縮腔體部向馬達包封殼體部提供馬達冷卻空氣流的裝置。本發明包括各種向馬達殼體部提供冷卻空氣流的裝置。本發明的一個優先實施例允許冷卻空氣在壓縮機葉輪周圍經一進氣口吸入，被進氣口將壓氣機葉輪後面供引入的選定空氣量經一個或多個鑽通殼體壁的孔引入馬達殼體內部。在另一個實施例中，在加壓壓縮腔體部和馬達包封殼體部之間可設置一冷卻空氣流的導管。例如，自增壓壓縮腔體部至馬達包封殼體部可連接一外部導管，或自增壓壓縮腔體部至馬達包封殼體部可將鑽通的通道延伸，以便自壓縮腔體部的加壓部將空氣放入馬達殼體部。在流過馬達殼體後，最好流過各繞組及繞組和馬達磁鐵之間的氣隙後，冷卻空氣可自馬達殼體經一單向止回閥排出，或經一外部導管可再循環到壓縮機腔的空氣進口部。
附圖簡介圖1是現有技術馬達驅動離心壓縮機的通過其中心線的剖面圖；圖2是本發明的馬達驅動離心壓縮機的優先實施例的通過其中心線的剖面圖3是本發明的另一馬達驅動離心壓縮機的通過其中心線的剖面圖，表示對馬達殼體部提供冷卻空氣流的備選的裝置；圖4是本發明的再一個馬達驅動離心壓縮機的通過其中心線的剖面圖，表示對馬達殼體部提供冷卻空氣流的另一裝置；圖5是本發明的還有一個馬達驅動離心壓縮機的通過其中心線的剖面圖，表示自馬達殼體將冷卻空氣流再循環到壓縮機進口的裝置；圖6是本發明的又一個馬達驅動離心壓縮機的通過其中心線的剖面圖，表示包含在向馬達殼體部提供冷卻空氣流的裝置內的小風扇。
本發明最佳模式詳述圖1圖示了現有技術的馬達驅動壓縮機，而圖2-5圖示了本發明的馬達驅動壓縮機，包括向壓縮機的馬達包封殼體部提供壓縮空氣流以冷卻其內部部件的各種裝置。
例如，圖2圖示了本發明的優先馬達驅動壓縮機。如圖2所示，馬達驅動壓縮機10包括一個壓縮機葉輪11，葉輪包括一後壁11a和若干徑向延伸的壓縮機葉片11b。壓縮機葉輪11固定於由電馬達13驅動的旋轉軸12，與其一起轉動。電馬達13包括若干馬達繞組14，它們包圍固定於旋轉軸12上的永久磁鐵組件15。馬達13最好是一種小型高速無刷電馬達，能以超過4000轉/分，最好在10000至50000轉/分範圍內的速度轉動該軸12。馬達13被支承在馬達殼體16內，該殼體包括一個支承處於其內部16c內的馬達13的定子繞組的圓柱部16a和一個自圓柱部16a徑向向外延伸的平壁部16b。該馬達殼體圓柱部16a在其與平壁部16b相反的端部支承一個用於軸承之一的支撐件22。如圖2所示，馬達13基本上由圓柱馬達殼體部16a及支撐另一軸承的平壁部16b的內部所包封。馬達殼體16的內部16c在其後部由一後壁27基本上包封，只是一開口23由一單向止回閥24蓋住。壓縮腔體17被支承在馬達殼體16的平壁部16b的周圍。壓縮腔體17包括一個構成相對於壓縮機葉輪11中心配置的空氣進口17b的空氣進口部17a及構成壓力腔17d以收集並輸送離開壓縮機葉輪11周圍的壓縮空氣流的周圍蝸殼部17c。
在圖2的實施例中，馬達驅動壓縮機10包括通過伸入壓縮腔體部17d的壓縮空氣流內的進氣口18的裝置自加壓壓縮腔體部17d將冷卻空氣流輸送到馬達包封殼體部內部16c的裝置。如圖2所示，進氣口包括一圓環唇18a，該唇伸入壓縮空氣流內使壓縮機葉輪11的周圍自壓縮機葉輪11截取小部分選定的壓縮空氣流。在壓縮機葉輪周圍，壓縮溫度上升大約一半，因此，由伸出唇18a在壓縮機葉輪11周圍收集的冷卻空氣以可接受的溫度為馬達部件提供冷卻空氣。此外，冷卻空氣量可由該伸出唇18a允許伸入壓縮空氣流道17d內的距離來調節。進入端腔28的冷卻也能為繞組導線端子26提供冷卻。
在圖2的實施例中，由環形唇18a截取的壓縮空氣流被引入壓縮機葉輪11的後壁11a和馬達殼體16的前壁16b之間，流經在馬達殼體16的前壁16b上形成的一個或多個開口20和電馬達15，自馬達殼體16經在馬達殼體16後壁27上形成的一開口23由止回閥24控制排出，止回閥可包括一個緊固在馬達殼體後壁27上的彈性膜片。如對比圖1和2所示，在本發明中，馬達殼體16基本上在各個方面可相同於現有技術馬達殼體，除了馬達殼體16的前壁16b在壓縮機葉輪11的周圍設有開口20和進氣口18，它們能可變地形成，以選擇和控制經馬達殼體內部16c提供的冷卻空氣量。如圖2中所示，引導冷卻空氣流進入馬達殼體內部16c的開口20最好配置成使冷卻空氣流對準馬達繞組14。
圖3圖示本發明的另一馬達驅動壓縮機30。在圖3的實施例中，輸送冷卻空氣流至馬達殼體的裝置包括至少一根導管，而最好多根導管，自加壓壓縮腔體部通至馬達包封殼體部。如圖3中所示，馬達殼體16在其平壁部31b上可設有一凸起或多個凸起31a，並在其中鑽通一些孔32，以構成一空氣流道，自加壓壓縮腔體部33進入馬達殼體16的內部31c。如圖3中所示，冷卻空氣流最好自壓縮機外殼的加壓部33由通道32經開口32a引至馬達繞組14。如在圖2實施例中那樣，冷卻空氣經馬達殼體後壁27上的止回閥控制開口23，24排至大氣中。
圖4圖示本發明的另一馬達驅動壓縮機40，和圖3實施例一樣，它採用一空氣流導管，作為向馬達殼體輸送冷卻空氣流的裝置。如圖4中所示，對馬達殼體輸送冷卻空氣的裝置包括一根冷卻空氣導管，由自壓縮機外殼41的加壓圓周部延伸並端接於馬達殼體16的圓周上的管子43構成。如圖4中所示，在壓縮機外殼41上設有一凸起41a，而在馬達殼體16上設有一類似的凸起42。一外部導管或管子自凸起41a連至凸起42，因此冷卻空氣能自壓縮機外殼41中的加壓壓縮腔體部44流經導管43，並經凸起42和通道46進入馬達殼體內部45。如圖4中所示，通道46引導冷卻空氣流向前進入殼體部內部45，因此，它可向後流經電馬達的馬達繞組14。冷卻空氣流自馬達驅動壓縮機40經止回閥控制開口23，24排出，如在圖2和3的實施例中那樣。
圖5圖示本發明的另一馬達驅動壓縮機50，除了一個用以將冷卻空氣流自馬達殼體內部16c再循環到壓縮機的空氣進口部17a的附加裝置51不同之外，它與圖2的馬達驅動壓縮機10相同。如圖5中所示，使冷卻空氣再循環的裝置包括一根外部管子52，以其一端連於馬達殼體16後壁54上的凸起開口53，以其另一端端接於在壓縮腔體17的空氣進口部17a上形成的凸起57內。圖5的實施例在冷卻空氣流流經馬達殼體16後避免了保持在冷卻空氣流中的任何能量損失的意義上來說是更可取的。
圖6圖示了本發明的再一個實施例60。儘管它並不是優先的，然而，一個小型風扇61可裝在馬達殼體16內的旋轉軸12上，與該馬達一起高速旋轉。這種風扇61能有助於促使冷卻空氣流自加壓壓縮腔體部經壓縮機葉片11後壁11a和馬達殼體16前壁16b之間的間隙並經一些孔進入馬達殼體內部16c。所產生的冷卻風扇流經馬達繞組14和軸承支撐件64上的孔63進入端腔65，而後經止回閥控制開口23，24排出。
雖然我們已圖示和說明了我們認為包含了目前所知的本發明最佳模式的幾個實施例，然而，熟悉該技術的人們會認識到本發明可包含在其它的一些實施例中，並且僅受隨後的權利要求書的限定。
權利要求
1．一種馬達驅動壓縮機，包括一個電馬達和一個受其驅動的旋轉軸；一個由所述旋轉軸驅動的離心壓縮機葉輪；一個具有一第一部和一第二部的殼體，第一部包封該電馬達，並支承馬達驅動旋轉軸的軸承系統，而第二部構成離心從壓縮機葉輪的壓力腔；自加壓壓縮腔體部向馬達包封殼體部輸送冷卻空氣流的裝置。
2．按權利要求1所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於所述裝置包括截取加壓壓縮腔體部內的壓縮空氣流並將其引入馬達包封殼體部內的裝置。
3．按權利要求2所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於所述截取裝置包括一個在離心壓縮機葉輪周圍伸入壓縮空氣流內的內部表面。
4．如權利要求3所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於所述內部表面包括一個基本上沿離心壓縮機葉輪的整個周圍伸入壓縮空氣流內的環形唇。
5．如權利要求3所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於所述內部表面在離心壓縮機葉輪周圍可調節地伸入壓縮空氣流內。
6．如權利要求1所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於所述自加壓壓縮腔體部向馬達包封殼體部輸送冷卻空氣流的裝置包括一條在加壓壓縮腔體部和馬達包封殼體部之間的空氣流道。
7．如權利要求6所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於該空氣流道至少部分包括一條其一端通入加壓壓縮腔體部而另一端通入馬達包封殼體部的通道。
8．如權利要求6所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於該空氣流道包括一根自加壓壓縮腔體部周圍至馬達包封殼體部的管子。
9．如權利要求6所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於所述旋轉軸在馬達包封殼體部內支承一小型風扇，以便經該空氣流道進一步導出冷卻空氣流。
10．如權利要求1所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於還包括一個用於連接馬達包封殼體部內部和壓縮機葉輪空氣進口的導管裝置。
11．權利要求1所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於馬達包封殼體部基本上包封了該電馬達，並包含一個冷卻空氣流排出口和一個所述出口的止回閥。
12．一種馬達驅動壓縮機，包括一個離心壓縮機葉輪，一個驅動壓縮機葉輪的電馬達和一根支承離心壓縮機葉輪與電馬達轉子的可轉動軸；一個構成電馬達的馬達腔的馬達殼體，所述馬達殼體具有一個支承電馬達定子繞組的圓柱部和一個自離心壓縮機葉輪和電馬達之間的圓柱部徑向向外延伸的平壁部，所述馬達殼體支承一對軸承及該旋轉軸與馬達轉子總成；一個構成一壓縮機葉輪腔一通至壓縮機葉輪的中心空氣進口和一圓周壓縮空氣收集器的壓縮腔體；自壓縮機腔向馬達腔輸送冷卻空氣流的裝置。
13．按權利要求12所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於所述冷卻空氣流通過伸入壓縮空氣流中的唇部自壓縮機葉輪周圍被收集到壓縮腔體內。
14．按權利要求13所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於該唇部是在鄰近離心壓縮機葉輪周圍的平壁部上形成的。
15．按權利要求13所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於冷卻空氣量可通過唇部在壓縮機葉輪周圍伸入壓縮空氣流內的伸入量來調節。
16．按權利要求12所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於馬達部件的冷卻空氣流是經一條在馬達殼體的徑向延伸平壁部上形成的通道輸送的，該通道自壓縮機腔通入到馬達殼體內。
17．按權利要求16所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於還包括一個支承在所述旋轉軸上的小型風扇，以進一步促使冷卻空氣流經所述通道。
18．如權利要求16所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於該通道包括至少一條在圓周壓縮空氣收集器和馬達腔之間的徑向延伸壁部上形成的通道。
19．按權利要求12所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於冷卻空氣流是經一條自圓周壓縮空氣收集器通入馬達殼體的外部導管輸送的。
20．按權利要求12所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於冷卻空氣流是自馬達殼體經一由馬達殼體支承的單向止回閥排出的。
21．按權利要求12所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於冷卻空氣流是自馬達殼體經一外部導管被再循環到壓縮腔體的空氣進口的。
22．在內燃機的增壓系統中，其改進包括一個為內燃機提供壓縮充量空氣流量的馬達驅動壓縮機，所述馬達驅動壓縮機包括一個安裝在第一馬達包封殼體部內的溫度敏感電馬達和一個由包含一加壓部的第二殼體部包封的壓縮機葉輪以及自加壓壓縮腔體部引導壓縮空氣流經馬達包封殼體部以冷卻該溫度敏感馬達的整體裝置。
23．按權利要求22所述的增壓系統，其特徵在於所述整體裝置包括在所述加壓壓縮腔體部內用以截取壓縮空氣流並將其引入馬達包封殼體部內的一個進氣口。
24．按權利要求23所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於所述進氣口包括一個基本上沿離心壓縮機葉輪的整個周圍伸入壓縮空氣流內的環形唇部。
25．按權利要求23所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於所述進氣口可調節地在離心壓縮機葉輪周圍伸入到壓縮空氣流內。
26．按權利要求22所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於所述殼體裝置至少部分包括一條帶一端自加壓壓縮腔體部而其另一端通至馬達包封殼體部的通道。
27．按權利要求22所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於所述整體裝置包括一條自加壓壓縮腔體部周圍通至馬達包封殼部的外部導管。
28．按權利要求22所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於還包括一個用以連接馬達包封殼體部和壓縮機葉輪空氣進口的導管裝置。
29．按權利要求22所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於該馬達包封殼體部基本上包封該電馬達，並包含一個冷卻空氣流排出口和一個所述出口的止回閥。
30．按權利要求26所述的馬達驅動壓縮機，其特徵在於還包括一個在所述馬達包封殼體部內由所述溫度敏感電馬達驅動以進一步促使壓縮空氣流經所述通道的小型風扇。
全文摘要
一種馬達驅動壓縮機包括一個由馬達包封殼體部(16)支承的馬達(13),一個在構成和壓力腔的第二殼體部(17)內由該馬達驅動的壓縮機葉輪(11)及自加壓壓縮腔體部向該馬達包封殼體部輸送馬達冷卻空氣流的裝置(20)。在該馬達驅動壓縮機內,流經壓縮機的小部分空氣被引至馬達殼體作為馬達繞組的冷卻空氣。
文檔編號F04D25/08GK1281535SQ98810781
公開日2001年1月24日 申請日期1998年9月8日 優先權日1997年9月10日
發明者E·M·哈利米, W·E·烏倫維伯 申請人:渦輪動力系統有限公司