多軸磁軸承和對(duì)具有主動(dòng)開關(guān)拓?fù)涞拇泡S承的控制的制作方法
【專利摘要】一種磁軸承系統(tǒng)包括：第一主動(dòng)磁軸承(AMB)，其包括耦合到軸的第一組電磁致動(dòng)器；第二主動(dòng)磁軸承(AMB)，其包括耦合到所述軸的第二組電磁致動(dòng)器；控制器，其包括具有用于控制所述第一AMB和所述第二AMB中的每一個(gè)的多個(gè)主動(dòng)電流開關(guān)的三相控制電路；其中所述第一AMB的第一電磁致動(dòng)器電耦合到所述第二AMB的第二電磁致動(dòng)器，所述第一和第二電磁致動(dòng)器中的每一個(gè)耦合到所述控制電路的兩個(gè)相腳；且其中所述控制器可操作以接收指示所述轉(zhuǎn)子軸的位置的信息，并且向所述磁軸承系統(tǒng)提供調(diào)整信號(hào)以調(diào)整所述軸的所述位置。
【專利說明】多軸磁軸承和對(duì)具有主動(dòng)開關(guān)拓?fù)涞拇泡S承的控制發(fā)明領(lǐng)域
[0001]實(shí)施方案一般涉及用于住宅區(qū)或光照商業(yè)區(qū)制熱和制冷應(yīng)用的制冷劑蒸汽壓縮系統(tǒng)，且更具體而言，涉及一個(gè)或多個(gè)多軸主動(dòng)磁軸承(AMB)和對(duì)連接到制冷劑蒸汽壓縮系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子軸的AMB的控制。
[0002]相關(guān)技術(shù)描述
[0003]在暖通空調(diào)(HVAC)行業(yè)中的傳統(tǒng)的離心壓縮機(jī)使用轉(zhuǎn)子軸承和液體動(dòng)壓軸承，二者均消耗功率、需要燃油和潤滑系統(tǒng)。這些HVAC應(yīng)用中，已引入避免有關(guān)燃油和功率消耗問題的陶瓷轉(zhuǎn)子軸承。陶瓷轉(zhuǎn)子軸承不適用于速度超過每分鐘30，000轉(zhuǎn)數(shù)(rpm)的壓縮機(jī)，因?yàn)檫@些軸承在高rpm下產(chǎn)生過多熱量。齒輪以高rpm運(yùn)轉(zhuǎn)并通常用來替代陶瓷轉(zhuǎn)子軸承。雖然齒輪是行之有效的技術(shù)，但它們需要更多的潤滑、產(chǎn)生過度噪音和振動(dòng)并且消耗更多功率。
[0004]在工業(yè)應(yīng)用中，AMB已被廣泛用作傳統(tǒng)潤滑軸承的替代。AMB的這些工業(yè)應(yīng)用使機(jī)器因?yàn)樽钚∧Σ亮Χ軌蛞苑浅８叩乃俣刃D(zhuǎn)。然而，包括其控件的這些AMB的高成本已限制了磁軸承的大規(guī)模實(shí)施，尤其是在HVAC行業(yè)內(nèi)。通常，利用具有不同拓?fù)涞墓β史糯笃鱽硖峁┩婋娏饕钥刂艫MB。但是，因?yàn)樵谶@些AMB中使用更多線圈，所以需要額外的功率放大器和相關(guān)驅(qū)動(dòng)器和傳感器電路來實(shí)施控制算法。額外的功率放大器使得實(shí)施AMB拓?fù)涓影嘿F和復(fù)雜。一種具有用于控制AMB的減少數(shù)量的開關(guān)的改良拓?fù)鋵⒃诒绢I(lǐng)域中廣受好評(píng)。
發(fā)明概要
[0005]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種包括冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器和耦合到多軸磁軸承系統(tǒng)的壓縮機(jī)的制冷劑蒸汽壓縮系統(tǒng)，其包括:電動(dòng)機(jī)，其經(jīng)由轉(zhuǎn)子軸操作地耦合到壓縮機(jī)；多軸磁軸承系統(tǒng)，其包括具有第一組電磁致動(dòng)器的第一主動(dòng)磁軸承(AMB)，第一主動(dòng)磁軸承電耦合到具有第二組電磁致動(dòng)器的第二 AMB ;和控制器，其包括三相控制電路，三相控制電路具有用于控制第一 AMB和第二 AMB中的每一個(gè)的多個(gè)主動(dòng)電流開關(guān)；其中第一 AMB的第一電磁致動(dòng)器電耦合到第二 AMB的第二電磁致動(dòng)器，第一和第二電磁致動(dòng)器中的每一個(gè)耦合到控制電路的兩個(gè)相腳；且其中控制器可操作以接收指示轉(zhuǎn)子軸的位置的信息，并且向磁軸承系統(tǒng)提供調(diào)整信號(hào)以調(diào)整轉(zhuǎn)子軸的位置。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種磁軸承系統(tǒng)包括:第一主動(dòng)磁軸承(AMB),其包括率禹合到軸的第一組電磁致動(dòng)器；第二主動(dòng)磁軸承(AMB)，其包括耦合到軸的第二組電磁致動(dòng)器；控制器，其包括三相控制電路，三相控制電路具有用于控制第一 AMB和第二 AMB中的每一個(gè)的多個(gè)主動(dòng)電流開關(guān)；其中第一 AMB的第一電磁致動(dòng)器電耦合到第二 AMB的第二電磁致動(dòng)器，第一和第二電磁致動(dòng)器中的每一個(gè)耦合到控制電路的兩個(gè)相腳；且其中控制器可操作以接收指示轉(zhuǎn)子軸的位置，并且向磁軸承系統(tǒng)提供調(diào)整信號(hào)以調(diào)整軸的位置。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于控制在蒸汽壓縮系統(tǒng)中使壓縮機(jī)操作地連接到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子軸的方法包括:接收指示第一主動(dòng)磁軸承(AMB)的第一位置的信息，第一 AMB包括在第一位置處耦合到轉(zhuǎn)子軸的第一組電磁致動(dòng)器；接收指示第二 AMB的第二位置的信息，第二 AMB包括在第二位置處耦合到轉(zhuǎn)子軸的第二組電磁致動(dòng)器；以及提供與第一 AMB和第二 AMB中的每一個(gè)電通信的控制器；以及所述控制器生成信號(hào)以將轉(zhuǎn)子軸定位在第一位置或第二位置的至少一個(gè)處；其中控制器包括三相控制電路，三相控制電路具有用于控制第一 AMB和第二 AMB中的每一個(gè)的多個(gè)主動(dòng)電流開關(guān)；且其中第一 AMB的第一電磁致動(dòng)器電耦合到第二 AMB的第二電磁致動(dòng)器，第一和第二電磁致動(dòng)器中的每一個(gè)耦合到控制電路的兩個(gè)相腳。
[0008]本發(fā)明的其它方面、特征和技術(shù)將從結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述中變得更加顯而易見。
[0009]附圖簡述
[0010]現(xiàn)參考附圖，其中相似的元件在附圖中編號(hào)相同:
[0011]圖1描繪根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的包括磁軸承系統(tǒng)的制冷劑蒸汽壓縮系統(tǒng)的示意圖；
[0012]圖2描繪根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的耦合到磁軸承系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子軸的示意性透視圖；
[0013]圖3描繪根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的將AMB耦合到轉(zhuǎn)子軸的方法的示意圖；
[0014]圖4A描繪根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的用于將電流開關(guān)連接到磁軸承系統(tǒng)的電路拓?fù)洌?br> [0015]圖4B描繪根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的用于將電流開關(guān)連接到磁軸承系統(tǒng)的替換電路拓?fù)洌?br> [0016]圖5描繪根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的用于控制磁軸承系統(tǒng)的控制算法的示意圖；以及
[0017]圖6描繪根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的二級(jí)六開關(guān)電路拓?fù)洹?br>
【具體實(shí)施方式】
[0018]實(shí)施方案包括蒸汽壓縮型HVAC系統(tǒng)，其包括用于支撐轉(zhuǎn)子軸的多軸AMB。轉(zhuǎn)子軸將壓縮機(jī)連接到電動(dòng)機(jī)并受AMB約束，AMB接收一個(gè)或多個(gè)通電信號(hào)以調(diào)整轉(zhuǎn)子軸的徑向位置。在示例性實(shí)施方案中，AMB可包括具有單向主動(dòng)電流開關(guān)的簡化開關(guān)多相電路拓?fù)洹＞哂卸嘞嚯娐吠負(fù)涞谋臼纠詫?shí)施方案減少了用于約束轉(zhuǎn)子軸的徑向位置的二極管和開關(guān)的數(shù)量。HVAC系統(tǒng)還包括具有用于實(shí)施控制算法的處理器的控制器，所述控制算法用于控制用來控制AMB中的線圈以調(diào)整轉(zhuǎn)子軸的位置的偏置電流。
[0019]現(xiàn)參考附圖，圖1圖示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的包括具有耦合到壓縮機(jī)102的轉(zhuǎn)子軸206 (圖2)的變速電動(dòng)機(jī)118的示例性制冷劑蒸汽壓縮系統(tǒng)100。轉(zhuǎn)子軸由磁軸承系統(tǒng)120支撐，磁軸承系統(tǒng)120包括多個(gè)AMB 202,204(圖2中示出)。壓縮機(jī)102包括葉輪/轉(zhuǎn)子，其將液態(tài)制冷劑旋轉(zhuǎn)且壓縮成過熱的制冷劑蒸汽以遞送到冷凝器104。在冷凝器104中，制冷劑蒸汽在高壓下液化，并將熱量排出到室外空氣(例如，經(jīng)由冷凝器風(fēng)扇)。通過膨脹閥106將退出冷凝器104的液態(tài)制冷劑遞送到蒸發(fā)器108。制冷劑傳遞通過膨脹閥106，其中壓力降導(dǎo)致高壓液態(tài)制冷劑實(shí)現(xiàn)液體和蒸汽的低壓組合。在實(shí)施方案中，膨脹閥106可以是用于控制制冷劑的過熱度的恒溫膨脹閥或電子膨脹閥。當(dāng)室內(nèi)空氣通過蒸發(fā)器108 (例如，經(jīng)由蒸發(fā)器風(fēng)扇)時(shí)，低壓液態(tài)制冷劑蒸發(fā)，吸收來自室內(nèi)空氣的熱量，從而冷卻空氣并蒸發(fā)制冷劑。再將低壓制冷劑遞送到壓縮機(jī)102，其中所述制冷劑被壓縮成高壓、高溫氣體，并被遞送到冷凝器104以再次開始制冷循環(huán)。應(yīng)理解，雖然在圖1中示出特定的制冷系統(tǒng)，但是本教導(dǎo)適用于任何制冷系統(tǒng)，包括熱泵、HVAC和冷卻系統(tǒng)。在熱泵中，在冷卻模式期間，所述過程和上述過程相同。在加熱模式下，分別使用在冷卻模式下充當(dāng)蒸發(fā)器和冷凝器的冷凝器和蒸發(fā)器來逆轉(zhuǎn)循環(huán)。
[0020]圖1中還示出，蒸汽壓縮系統(tǒng)100包括由變速電動(dòng)機(jī)118通過變頻驅(qū)動(dòng)114來驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)102。在實(shí)施方案中，變頻驅(qū)動(dòng)114可以是變頻驅(qū)動(dòng)(VFD)或無刷DC電動(dòng)機(jī)(BLDC)驅(qū)動(dòng)。具體而言，變頻驅(qū)動(dòng)114可操作地耦合到壓縮機(jī)102，以及從電源110接收交流電(AC)電功率(例如，480V/60HZ下的三相AC線路功率)且將線路116上的電功率輸出到變速電動(dòng)機(jī)118。變速電動(dòng)機(jī)118與壓縮機(jī)102共享同一個(gè)軸。變速電動(dòng)機(jī)118提供機(jī)械功率以旋轉(zhuǎn)軸且在壓縮機(jī)102內(nèi)壓縮制冷劑。轉(zhuǎn)子軸受磁軸承系統(tǒng)120約束，磁軸承系統(tǒng)120包括用于將轉(zhuǎn)子軸保持在適當(dāng)位置的多個(gè)AMB 202,204(圖2中示出)。轉(zhuǎn)子軸徑向受磁軸承系統(tǒng)120生成的漂浮磁墊約束。在轉(zhuǎn)子軸漂浮后，不存在結(jié)構(gòu)傳播振動(dòng)，因?yàn)榇泡S承系統(tǒng)120創(chuàng)建的空氣緩沖器阻止電動(dòng)機(jī)118將振動(dòng)傳輸?shù)较到y(tǒng)100。在實(shí)施方案中，磁軸承系統(tǒng)120可包括位置傳感器，其用于沿轉(zhuǎn)子軸的多個(gè)徑向檢測(cè)磁力支撐的轉(zhuǎn)子軸的徑向位置。磁軸承系統(tǒng)120包括磁軸承控制器122，其接收指示轉(zhuǎn)子軸的位置和轉(zhuǎn)子速度的信息，并且經(jīng)由AMB 202、204(圖2)提供調(diào)整信號(hào)以調(diào)整其位置。磁軸承控制器122包括用于實(shí)施用于控制調(diào)整轉(zhuǎn)子軸的位置所需的一個(gè)或多個(gè)主動(dòng)電流開關(guān)的算法的處理器。開關(guān)選擇性地產(chǎn)生磁偏置電流以激勵(lì)磁軸承系統(tǒng)120的每個(gè)AMB202、204中的線圈。對(duì)線圈的激勵(lì)基于由位置傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子軸在X方向和y方向上的位置的實(shí)際值而調(diào)整轉(zhuǎn)子軸在X方向和y方向(圖2)上的徑向位置。應(yīng)理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，磁軸承系統(tǒng)120還可以與利用轉(zhuǎn)子軸的其它旋轉(zhuǎn)機(jī)器一起使用。在實(shí)施方案中，變速電動(dòng)機(jī)118可集成在含有壓縮機(jī)102的殼體內(nèi)。
[0021]變頻驅(qū)動(dòng)114包括固態(tài)電子器件以調(diào)制線路116上的電功率的頻率。在實(shí)施方案中，變頻驅(qū)動(dòng)114使用整流器將從電源110接收的AC電功率從AC轉(zhuǎn)換成直流(DC)，并隨后使用變頻器在所需的脈沖寬度調(diào)制(PWM)頻率下將電功率從DC轉(zhuǎn)換成PWM信號(hào)，以便以與PWM DC頻率相關(guān)的電動(dòng)機(jī)速度驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)118。例如，變頻驅(qū)動(dòng)114可直接使用全波整流器電橋來整流電功率，并且隨后可使用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)或晶體閘流管來削減電功率以實(shí)現(xiàn)所需的PWM頻率。在實(shí)施方案中，其它合適的電子組件可用來調(diào)制來自電源110的電功率的頻率。進(jìn)一步地，控制單元112包括處理器，所述處理器用于執(zhí)行算法以控制在線路116上傳遞到電動(dòng)機(jī)118的PWM頻率。通過調(diào)制在線路116上傳遞到電動(dòng)機(jī)118的電功率的PWM頻率，控制單元112從而控制電動(dòng)機(jī)118施加在離心壓縮機(jī)102上的扭矩，從而控制其速度，且因此控制壓縮機(jī)102的容量。
[0022]圖2至圖3描繪根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的具有用于支撐轉(zhuǎn)子軸206 (圖2)的四個(gè)軸的示例性磁軸承系統(tǒng)120。在其它非限制性實(shí)施方案中，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，還可使用多軸磁軸承系統(tǒng)。在圖2至圖3中示出的實(shí)例中，轉(zhuǎn)子軸206(圖2)通過AMB202,204的定子，所述定子跨X軸和y軸施加偏轉(zhuǎn)力，以便調(diào)整轉(zhuǎn)子軸206的位置。還示出，彼此垂直的兩個(gè)徑向控制軸中的一個(gè)被設(shè)為X軸，而另一個(gè)被設(shè)為y軸。在圖2中具體示出，磁軸承系統(tǒng)120包括由第一主動(dòng)磁軸承202 (下文稱為“AMB 202” )和第二主動(dòng)磁軸承204(下文稱為“AMB 204”)支撐的轉(zhuǎn)子軸206。在實(shí)施方案中，每個(gè)AMB202、204被示出為具有提供四軸AMB的四個(gè)電磁體。但是，在另一實(shí)施方案中，在不脫離其范圍的情況下，多軸磁軸承系統(tǒng)可與以下描述的架構(gòu)一起實(shí)施。每個(gè)AMB 202、204包括布置在定子上的同軸對(duì)準(zhǔn)的線圖。在四軸AMB系統(tǒng)120中，磁軸承202、204接收用于通電線圈的偏置電流，以沿AMB 202,204的x軸和y軸(即，沿徑向)對(duì)轉(zhuǎn)子軸206施加位移力。
[0023]圖3描繪具有分別在X方向和y方向上對(duì)轉(zhuǎn)子軸206 (圖2)施加力的四個(gè)電磁致動(dòng)器306,310,314和318的AMB 202，x方向和y方向彼此相互垂直。致動(dòng)器306、310、314、318中的每一個(gè)包括在極靴或軛上具有雙線圈繞組的電磁體。致動(dòng)器306、310、314、318耦合到用于放大提供到電磁體中的線圈的電流的多個(gè)主動(dòng)電流開關(guān)。此外，主動(dòng)電流開關(guān)施加力以控制轉(zhuǎn)子軸206 (圖2)在X方向和y方向上的位移。致動(dòng)器306、310、314、318將兩個(gè)繞組I禹合在一起以在X方向和y方向上施加力。具體而言，致動(dòng)器306 I禹合到X1+和X2+處的線圈繞組，致動(dòng)器310耦合到y(tǒng)i+和y2+處的線圈繞組，致動(dòng)器314耦合到X1-和X2-處的線圈繞組，以及致動(dòng)器318耦合到y(tǒng)1-和y2-處的線圈繞組。
[0024]類似地，第二磁徑向軸承204包括用于分別在X方向和y方向上施加力的四個(gè)致動(dòng)器308、312、316、320，x方向和y方向彼此相互垂直。致動(dòng)器308、312、316、320中的每一個(gè)包括在極靴或軛上具有繞組的電磁體，其中致動(dòng)器308、312、316、320耦合到用于在x方向和y方向上施加力的主動(dòng)電流開關(guān)。具體而言，致動(dòng)器308耦合到X3+和X4+處的線圈繞組，致動(dòng)器312耦合到y(tǒng)3+和y4+處的線圈繞組，致動(dòng)器316耦合到X3-和X4-的線圈繞組，以及致動(dòng)器320耦合到y(tǒng)3-和y4-處的線圈繞組。在實(shí)施方案中，致動(dòng)器306至320是磁阻型致動(dòng)器，其從主動(dòng)電流開關(guān)接收用于通電致動(dòng)器306至320中的電磁體的偏置電流，這導(dǎo)致在X方向和y方向上的位移。進(jìn)一步地，在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，通過簡化開關(guān)多相電路拓?fù)鋵MB 202中的線圈耦合到AMB 204的相對(duì)線圈。具體而言，致動(dòng)器306中的線圈耦合到致動(dòng)器316中的線圈，致動(dòng)器310中的線圈耦合到致動(dòng)器320中的線圈，致動(dòng)器314中的線圈耦合到致動(dòng)器308中的線圈，以及致動(dòng)器318中的線圈耦合到致動(dòng)器312中的線圈，如參考圖4示出和描述。應(yīng)理解，AMB 202與AMB 204的耦合向磁軸承系統(tǒng)120所需的控制方案提供額外的自由度，由此使用通用控制命令來同時(shí)通電耦合在一起的致動(dòng)器，并使用不同的通用控制命令來同時(shí)斷電耦合在一起的致動(dòng)器。
[0025]圖4A描繪根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的用于控制AMB 202、204 (圖2至圖3)中的線圈的簡化開關(guān)多相電路拓?fù)?00。在實(shí)施方案中，多相電路拓?fù)?00可在控制器122中實(shí)施。電路拓?fù)?00包括將致動(dòng)器306中的線圈耦合到致動(dòng)器316中的線圈的主動(dòng)電流開關(guān)402、404、406。類似地，主動(dòng)電流開關(guān)428、430、432將致動(dòng)器310中的線圈耦合到致動(dòng)器320中的線圈，開關(guān)434、436、438將致動(dòng)器314中的線圈耦合到致動(dòng)器308的線圈，且主動(dòng)電流開關(guān)440、442、444將致動(dòng)器312中的線圈耦合到致動(dòng)器318中的線圈。主動(dòng)電流開關(guān)402至406,428至432、434至438和440至444形成將偏置電流提供給磁軸承系統(tǒng)120的磁阻型致動(dòng)器。在實(shí)施方案中，主動(dòng)電流開關(guān)402至406、428至432、434至438和440至444是IGBT，但是MOSFET或其它類型的高電壓功率放大器可用于其它實(shí)施方案中。在示出并實(shí)施用于相位418、420、422的非限制性實(shí)例中，簡化開關(guān)拓?fù)?00包括連接到三個(gè)相位418、420和422中的一個(gè)的三個(gè)高電壓的雙向主動(dòng)電流開關(guān)402、404和406和三個(gè)二極管412、414和416。具體而言，主動(dòng)電流開關(guān)402和二極管412在第一相418中串聯(lián)連接到正DC電壓軌424和DC接地426。插入二極管412，其陽極連接到DC接地426 (即，二極管412位于其傳導(dǎo)方向上)。類似地，主動(dòng)電流開關(guān)404和二極管414在第二相420中串聯(lián)連接到正DC電壓軌424和DC接地426，其中在與二極管412的相反方向上插入二極管414，且主動(dòng)電流開關(guān)406和二極管416在第三相422中串聯(lián)連接到正DC電壓軌424和DC接地426，其中在與二極管412的相同方向(即，在正電流的方向)上插入二極管416。設(shè)計(jì)400還包括連接到相位418和相位420的致動(dòng)器306，和連接到相位420和相位422的致動(dòng)器316。在電子術(shù)語中，致動(dòng)器306、316可基本上由大電感表示。此外，通過調(diào)制技術(shù)，如脈沖寬度調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)電流開關(guān)402、404、406，以便產(chǎn)生選通脈沖以定期打開和關(guān)閉主動(dòng)電流開關(guān)402、404、406，并且通過每個(gè)開關(guān)420、404、406控制時(shí)間平均電流。
[0026]類似地，主動(dòng)電流開關(guān)428、430、432使用二極管452、454、456沿相位446、448、450將致動(dòng)器310中的線圈耦合到致動(dòng)器320中的線圈；開關(guān)434、436、438使用二極管464、466,468沿相位458、460、462將致動(dòng)器314中的線圈耦合到致動(dòng)器308中的線圈；以及主動(dòng)電流開關(guān)440、442、444使用二極管476、478、480沿相位470、474、476將致動(dòng)器312中的線圈耦合到致動(dòng)器318的線圈。
[0027]在實(shí)施方案中，通過打開(諸如)例如主動(dòng)電流開關(guān)402的開關(guān)來控制磁軸承系統(tǒng)120以通過使電流流動(dòng)通過主動(dòng)電流開關(guān)402并進(jìn)入致動(dòng)器306而通電致動(dòng)器306。應(yīng)理解，可通過PWM技術(shù)采用用于控制主動(dòng)電流開關(guān)402至406、428至432、434至438和440至444的控制方案，所述控制方案在約1KHz到約20KHz (其為小于系統(tǒng)100的機(jī)械時(shí)間常數(shù)的時(shí)間常數(shù))下打開和關(guān)閉主動(dòng)電流開關(guān)402至406、428至432、434至438和440至444。
[0028]下文描述了參考圖4A的示例性操作，所述示例性操作用于通電和斷電耦合到相位418、420、422的致動(dòng)器306、316，以在x方向和y方向上施加徑向偏轉(zhuǎn)力。首先，關(guān)閉所有三個(gè)主動(dòng)電流開關(guān)402、404、406。在第一循環(huán)中，通電連接到X1+和X2+ (即，致動(dòng)器306)的線圈以使軸206(圖2)朝X1+方向和X2+方向偏轉(zhuǎn)。為了通電致動(dòng)器306，同時(shí)打開主動(dòng)電流開關(guān)402、404，而關(guān)閉主動(dòng)電流開關(guān)406。在這個(gè)狀態(tài)下，電流從正DC電壓軌424流入相位418的主動(dòng)電流開關(guān)402、流入致動(dòng)器306、流入相位420的主動(dòng)電流開關(guān)404、并且流入DC接地426。致動(dòng)器306用作大電感，S卩，致動(dòng)器306中的電流將逐漸增強(qiáng)。一旦達(dá)到所需的偏置電流，則關(guān)閉主動(dòng)電流開關(guān)402，以使致動(dòng)器306中的線圈斷電，并且控制X1+方向和X2+方向上的偏轉(zhuǎn)。電流現(xiàn)通過剩余的閉合主動(dòng)電流開關(guān)404、致動(dòng)器306和二極管412流入閉合回路中?？赏ㄟ^打開主動(dòng)電流開關(guān)402、404來增大電流，或通過關(guān)閉主動(dòng)電流開關(guān)402來減小電流，以便調(diào)節(jié)致動(dòng)器306中的電流并在X1+和X2+中施加偏轉(zhuǎn)力。類似地，還可以控制致動(dòng)器316中的電流。為了在第一循環(huán)中使連接到X3-和X4-的線圈通電，同時(shí)打開主動(dòng)電流開關(guān)406、404，而關(guān)閉主動(dòng)電流開關(guān)402。在這個(gè)狀態(tài)下，電流從正DC電壓軌424流入相位422的主動(dòng)電流開關(guān)406、流入X4-和X3-(即，致動(dòng)器316)、流入相位420的主動(dòng)電流開關(guān)404、并流入DC接地426。致動(dòng)器316用作大電感，即電流在致動(dòng)器316中將逐漸增強(qiáng)。一旦達(dá)到所需的偏置電流，則關(guān)閉主動(dòng)電流開關(guān)406，以使致動(dòng)器316中的線圈斷電。電流現(xiàn)通過剩余的閉合主動(dòng)電流開關(guān)404、二極管416和致動(dòng)器316流入閉合回路中?？赏ㄟ^打開主動(dòng)電流開關(guān)406、404來增大電流，或通過關(guān)閉主動(dòng)電流開關(guān)406來減小電流，以便調(diào)節(jié)致動(dòng)器316中的電流。類似地，在其它實(shí)施方案中，可使用上述使用主動(dòng)電流開關(guān)428、430、432和二極管452、454、456的方法來控制致動(dòng)器310、320 ;可使用主動(dòng)電流開關(guān)434、436、438和二極管464、466、468來控制致動(dòng)器314、308 ；以及可使用主動(dòng)電流開關(guān)440、442、444和二極管476、478、480來控制致動(dòng)器312、318。在約20KHz的切換頻率下調(diào)節(jié)線圈中的電流時(shí)，發(fā)生打開和關(guān)閉事件。
[0029]圖4B描繪用于控制AMB 202、204 (圖2至圖3)中的線圈的簡化開關(guān)多相電路拓?fù)?50的替換實(shí)施方案，而所有其它方面與參考圖4A描述的那些保持不變。在關(guān)于相位452a、454a、456a的一個(gè)非限制性描述的實(shí)例中，電流拓?fù)?50包括各自主動(dòng)電流開關(guān)458a、460a、462a。主動(dòng)電流開關(guān)458a、460a、462a將致動(dòng)器312中的線圈耦合到致動(dòng)器318中的線圈。此外，簡化開關(guān)拓?fù)?50a包括分別連接到三個(gè)相位452a、454a、456a中的一個(gè)的三個(gè)二極管464a、466a、468a。如示出，兩個(gè)主動(dòng)電流開關(guān)458a、462a直接電耦合到DC接地426，以及主動(dòng)電流開關(guān)460a直接耦合到正DC電壓軌424。與示出為參考圖4A描述的實(shí)施方案類似，通過調(diào)制技術(shù)，如脈沖寬度調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)電流開關(guān)458a、460a、462a，以產(chǎn)生選通脈沖以定期打開和關(guān)閉主動(dòng)電流開關(guān)458a、460a、462a，并且通過每個(gè)開關(guān)458a、460a、462a控制時(shí)間平均電流。
[0030]圖5圖示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的由通過用于控制磁軸承系統(tǒng)120(圖2)的磁軸承控制器122實(shí)施的控制算法500的示意圖。磁軸承控制器122實(shí)施適應(yīng)性地控制激勵(lì)電流以便使在其活動(dòng)區(qū)中的致動(dòng)器306至320(圖3)通電并避免“負(fù)電流”的算法500。控制器122包括用于執(zhí)行存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中的指令的預(yù)編程微處理器。在實(shí)施方案中，計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以是R0M、EPR0M或其它合適的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。激勵(lì)電流包括偏置電流和控制電流。為了便于解釋，主動(dòng)電流注入方法將參考用于控制致動(dòng)器306、316(圖4A)中的通電電流的簡化開關(guān)多相拓?fù)?00進(jìn)行描述。應(yīng)理解，雖然控制算法的方面參考電路來描述，但是算法500可以由微處理器的軟件來實(shí)施，以提供關(guān)于磁軸承系統(tǒng)120的控制信號(hào)。
[0031]在實(shí)施方案中，在線路502上從耦合到AMB 202、204的位置傳感器(未示出)接收輸出電壓信號(hào)。電壓信號(hào)表不轉(zhuǎn)子206沿xl+、x2+、x3-、和x4-方向的實(shí)際位置。電壓信號(hào)由系統(tǒng)500過濾并被發(fā)送到比較器504。比較器506將過濾的電壓信號(hào)與位置參考值504進(jìn)行比較，以產(chǎn)生應(yīng)用到控制電路的誤差值。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，可使用比例積分微分(PID)電路508，但是還可利用其它類似電路。PID電路508的輸出是提供到電路路徑510、512的控制電流。電路路徑510表示用于控制相位418 (圖4A)中的開關(guān)402的路徑，而電路路徑表示用于控制相位422 (圖4A)中的開關(guān)406的路徑。在加法器電路516中將來自PID 508的控制電流添加到偏置電流值514，而在減法器電路518中將來自PID 508的控制電流從偏置電流值514減去。在比較器522中將來自加法器516的輸出值與反饋電流520進(jìn)行比較，而在比較器526中將來自減法器電路518的輸出值與反饋電流524進(jìn)行比較。反饋電流520、524表示傳遞通過各自相位418、422(圖4么)的總比例電流，其包括偏置電流和控制電流。將來自比較器522的誤差信號(hào)發(fā)送到PID 528，而將來自比較器526的誤差信號(hào)發(fā)送到PID 530。PID 528、530輸出在各自相位418、422(圖4么)中控制各自開關(guān)402、406的控制電壓以激勵(lì)致動(dòng)器306、316(圖4A)。此外，將來自PID 528、530的輸出電壓發(fā)送到比較器電路532，其確定將比例因子α施加到來自PID 528、530的輸出電壓。比例因子α在致動(dòng)器306、316(圖4Α)之間實(shí)現(xiàn)全耦合，并增加磁軸承系統(tǒng)120的帶寬。比較器電路532將其輸出發(fā)送到增益放大器534并發(fā)送到第二衰減器536，其根據(jù)表達(dá)式(I)確定相位418、420、422(圖4A)中的電流值和比例因子α:
[0032]b = - a (S) * (a+c) (I)
[0033]其中:
[0034]a (S)=比例因子；
[0035]b =相位420 (圖4A)中的電流；
[0036]a =相位418 (圖4A)中的電流；
[0037]c =相位422 (圖4A)中的電流；以及
[0038]O < α ⑶ < I。
[0039]在接收來自PID 528、530的電壓和來自衰減器536的比例因子a (S)之后，三相電流控制器538通過分別輸出具有傳遞函數(shù)Vl (s)、v2 (s)的控制電壓540、542來控制相位418、420、422中相應(yīng)的電流?？刂齐妷?40、542根據(jù)用于傳遞函數(shù)vl (s)、v2 (s)的表達(dá)式
(2)和(3)來控制各自的致動(dòng)器306、316(圖4A):
[0040]
,? 允 + Ls X、電流 f s )/i J + 2?^? S ))/偏置 + /1
ν!( ,V} =.............................................................................................................................................；..........................................；:-；................................................................................................; (2)
本 / ^ -4- / *4- ^ /Yf K )
[0041]
,,I — f.況 + /土 )(-電流 f a' Ji?" / + 2m S )jf偏置-1I ’
K ‘ L.、+ i + 2 (Ji S }
[0042]圖6描繪用于控制具有參考圖5論述的算法500的AMB 202,204中的線圈的簡化開關(guān)多相電路拓?fù)?00的替代實(shí)施方案。在關(guān)于相位602的一個(gè)非限制性描述的實(shí)例中，電路拓?fù)?00包括分別串聯(lián)連接到正DC軌622和接地624的主動(dòng)電流開關(guān)608、610。類似地，開關(guān)612、614串聯(lián)連接到相位604 ;以及開關(guān)616、618串聯(lián)連接到相位606。主動(dòng)電流開關(guān)608、610、612、614耦合到致動(dòng)器202，而主動(dòng)電流開關(guān)612、614、616、618耦合到致動(dòng)器204。與參考圖4A示出和描述的實(shí)施方案類似，通過調(diào)制技術(shù)，如脈沖寬度調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)電流開關(guān)608至618，以產(chǎn)生選通脈沖以定期地打開和關(guān)閉主動(dòng)電流開關(guān)608至618，并通過每個(gè)開關(guān)608至618控制時(shí)間平均電流。還應(yīng)理解，簡化開關(guān)多相電路拓?fù)?00在H橋電路拓?fù)渖闲枰獪p少數(shù)量的主動(dòng)開關(guān)，以便控制磁軸承系統(tǒng)120 (圖2)，同時(shí)還優(yōu)化軸承剛度且防止磁軸承系統(tǒng)120中出現(xiàn)負(fù)電流。
[0043]示例性實(shí)施方案的技術(shù)效果和益處包括利用用于將支撐壓縮機(jī)與電動(dòng)機(jī)連接的軸的多軸磁軸承系統(tǒng)的蒸汽壓縮型HVAC系統(tǒng)。多軸磁軸承系統(tǒng)可包括具有單向主動(dòng)電流開關(guān)和二極管的簡化開關(guān)多相電路設(shè)計(jì)，以便減少使用的二極管和開關(guān)的數(shù)量。此外，提供控制算法以由用于控制用來控制磁軸承系統(tǒng)的致動(dòng)器中的線圈的偏置電流的控制器執(zhí)行。
[0044]本文使用的術(shù)語是僅用于描述特定實(shí)施方案的目的，且不旨在限制本發(fā)明。雖然對(duì)本發(fā)明的描述已被提供用于說明和描述的目的，但是不旨在詳盡的或限于公開的實(shí)施方案。參考?jí)嚎s機(jī)和蒸汽壓縮系統(tǒng)描述了示例性實(shí)施方案，但是本發(fā)明的實(shí)施方案不應(yīng)被認(rèn)為限制于此。在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將顯而易知未描述的許多修改、變化、改變、替代或等效布置。此外，雖然已參考?jí)嚎s機(jī)和蒸汽壓縮系統(tǒng)來描述本發(fā)明的各種實(shí)施方案，但是應(yīng)理解，本發(fā)明的方面不應(yīng)被認(rèn)為受限于此類參考。因此，本發(fā)明不被視為由前述描述定義，而由所附權(quán)利要求的范圍進(jìn)行闡述。
【權(quán)利要求】
1.一種包括冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器和耦合到多軸磁軸承系統(tǒng)的壓縮機(jī)的制冷劑蒸汽壓縮系統(tǒng)，其包括: 電動(dòng)機(jī)，其經(jīng)由轉(zhuǎn)子軸操作地耦合到所述壓縮機(jī)； 所述多軸磁軸承系統(tǒng)，其包括具有第一組電磁致動(dòng)器的第一主動(dòng)磁軸承(AMB)，所述第一 AMB電耦合到具有第二組電磁致動(dòng)器的第二 AMB ;和 控制器，其包括三相控制電路，所述三相控制電路具有用于控制所述第一 AMB和所述第二 AMB中的每一個(gè)的多個(gè)主動(dòng)電流開關(guān)； 其中所述第一 AMB的第一電磁致動(dòng)器電耦合到所述第二 AMB的第二電磁致動(dòng)器，所述第一和第二電磁致動(dòng)器中的每一個(gè)耦合到所述控制電路的兩個(gè)相腳；且 其中所述控制器可操作以接收指示所述轉(zhuǎn)子軸的位置的信息，并且向所述磁軸承系統(tǒng)提供調(diào)整信號(hào)以調(diào)整所述轉(zhuǎn)子軸的所述位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一組電磁致動(dòng)器控制所述轉(zhuǎn)子軸在所述轉(zhuǎn)子軸的第一長度處的位置，以及所述第二組電磁致動(dòng)器控制所述轉(zhuǎn)子軸在所述轉(zhuǎn)子軸的第二長度處的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述三相控制電路包括主動(dòng)電流開關(guān)，所述主動(dòng)電流開關(guān)耦合到來自所述第一組電磁致動(dòng)器或所述第二組電磁致動(dòng)器中的一組的至少一個(gè)電磁致動(dòng)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述三相控制電路包括串聯(lián)電耦合到相腳上的二極管和電磁致動(dòng)器的主動(dòng)電流開關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述三相控制電路包括串聯(lián)電耦合到相腳上的電磁致動(dòng)器的兩個(gè)主動(dòng)電流開關(guān)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其還包括接收激勵(lì)電流以通電所述至少一個(gè)電磁致動(dòng)器的主動(dòng)電流開關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其還包括主動(dòng)電流開關(guān)，所述主動(dòng)電流開關(guān)電連接到正DC電壓電平、二極管和來自所述第一組電磁致動(dòng)器的電磁致動(dòng)器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述控制器被配置用于通電來自所述第一組電磁致動(dòng)器或所述第二組電磁致動(dòng)器中的一組的至少一個(gè)電磁致動(dòng)器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述控制器被配置用于控制施加到所述第一組電磁致動(dòng)器或所述第二組電磁致動(dòng)器的至少一個(gè)電磁致動(dòng)器的偏置電流。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述控制器被配置用于縮放所述偏置電流。
11.一種磁軸承系統(tǒng)，其包括: 第一主動(dòng)磁軸承(AMB)，其包括耦合到軸的第一組電磁致動(dòng)器； 第二主動(dòng)磁軸承(AMB)，其包括耦合到所述軸的第二組電磁致動(dòng)器； 控制器，其包括三相控制電路，所述三相控制電路具有用于控制所述第一 AMB和所述第二 AMB中的每一個(gè)的多個(gè)主動(dòng)電流開關(guān)； 其中所述第一 AMB的第一電磁致動(dòng)器電耦合到所述第二 AMB的第二電磁致動(dòng)器，所述第一和第二電磁致動(dòng)器中的每一個(gè)耦合到所述控制電路的兩個(gè)相腳；且 其中所述控制器可操作以接收指示所述轉(zhuǎn)子軸的位置的信息，并且向所述磁軸承系統(tǒng)提供調(diào)整信號(hào)以調(diào)整所述軸的所述位置。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述第一組電磁致動(dòng)器控制所述軸在所述軸的第一長度處的位置，以及所述第二組電磁致動(dòng)器控制所述軸在所述軸的第二長度處的位置。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述三相控制電路包括主動(dòng)電流開關(guān)，所述主動(dòng)電流開關(guān)耦合到來自所述第一組電磁致動(dòng)器或所述第二組電磁致動(dòng)器中的一組的至少一個(gè)電磁致動(dòng)器。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述三相控制電路包括串聯(lián)電耦合到相腳上的二極管和電磁致動(dòng)器的主動(dòng)電流開關(guān)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述三相控制電路包括串聯(lián)電耦合到相腳上的電磁致動(dòng)器的兩個(gè)主動(dòng)電流開關(guān)。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其還包括接收激勵(lì)電流以通電所述至少一個(gè)電磁致動(dòng)器的主動(dòng)電流開關(guān)。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其還包括主動(dòng)電流開關(guān)，所述主動(dòng)電流開關(guān)電連接到正DC電壓電平、二極管和來自所述第一組的電磁致動(dòng)器。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述控制器被配置用于通電來自所述第一組電磁致動(dòng)器或所述第二組電磁致動(dòng)器中的一組的至少一個(gè)電磁致動(dòng)器。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述控制器被配置用于控制施加到所述第一組電磁致動(dòng)器或所述第二組電磁致動(dòng)器的至少一個(gè)電磁致動(dòng)器的偏置電流。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述控制器被配置用于縮放所述偏置電流。
21.一種用于控制在蒸汽壓縮系統(tǒng)中將壓縮機(jī)操作地連接到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子軸的方法，其包括: 接收指示第一主動(dòng)磁軸承(AMB)的第一位置的信息，所述第一 AMB包括在所述第一位置處耦合到所述轉(zhuǎn)子軸的第一組電磁致動(dòng)器； 接收指示第二 AMB的第二位置的信息，所述第二 AMB包括在所述第二位置處耦合到所述轉(zhuǎn)子軸的第二組電磁致動(dòng)器；以及 提供與所述第一 AMB和所述第二 AMB中的每一個(gè)電通信的控制器；以及 所述控制器生成信號(hào)以將所述轉(zhuǎn)子軸定位在所述第一位置或所述第二位置的至少一個(gè)處； 其中所述控制器包括三相控制電路，所述三相控制電路具有用于控制所述第一 AMB和所述第二 AMB中的每一個(gè)的多個(gè)主動(dòng)電流開關(guān)；且 其中所述第一 AMB的第一電磁致動(dòng)器電耦合到所述第二 AMB的第二電磁致動(dòng)器，所述第一和第二電磁致動(dòng)器中的每一個(gè)耦合到所述控制電路的兩個(gè)相腳。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其還包括使用所述第一組電磁致動(dòng)器控制所述轉(zhuǎn)子軸在所述轉(zhuǎn)子軸的第一長度處的徑向位置，并且使用所述第二組電磁致動(dòng)器控制所述轉(zhuǎn)子軸在所述轉(zhuǎn)子軸的第二長度處的徑向位置。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中提供所述控制器還包括提供三相控制電路，所述三相控制電路包括耦合到來自所述第一組電磁致動(dòng)器或所述第二組電磁致動(dòng)器中的一組的至少一個(gè)電磁致動(dòng)器的主動(dòng)電流開關(guān)。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中提供所述控制器還包括提供三相控制電路，所述三相控制電路包括串聯(lián)電耦合到相腳上的二極管和電磁致動(dòng)器的主動(dòng)電流開關(guān)。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中提供所述控制器還包括提供三相控制電路，所述三相控制電路具有串聯(lián)電耦合到相腳上的電磁致動(dòng)器的兩個(gè)主動(dòng)電流開關(guān)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中提供所述控制電路還包括提供主動(dòng)電流開關(guān)，所述主動(dòng)電流開關(guān)被配置用于接收激勵(lì)電流以通電所述至少一個(gè)電磁致動(dòng)器。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中提供所述控制電路還包括提供主動(dòng)電流開關(guān)，所述主動(dòng)電流開關(guān)電連接正DC電壓電平、二極管和來自所述第一組的電磁致動(dòng)器。
28.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述控制器生成所述信號(hào)包括通電來自所述第一組電磁致動(dòng)器或所述第二組電磁致動(dòng)器中的一組的至少一個(gè)電磁致動(dòng)器。
29.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述控制器生成所述信號(hào)包括控制施加到所述第一組電磁致動(dòng)器或所述第二組電磁致動(dòng)器中的至少一個(gè)電磁致動(dòng)器的偏置電流。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中所述控制器縮放所述偏置電流。
【文檔編號(hào)】F25B31/02GK104204569SQ201380018453
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2013年4月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月4日
【發(fā)明者】P.克施爾薩加, P.顏 申請(qǐng)人:開利公司