油冷式螺旋压缩机和马达驱动系统及马达控制装置 |
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| 申请号 | CN200910165084.3 | 申请日 | 2009-07-30 | 公开(公告)号 | CN101639068B | 公开(公告)日 | 2013-07-10 |
| 申请人 | 株式会社日立产机系统; | 发明人 | 龟谷裕敬; 山崎胜; 安岛俊幸; 妹尾正治; 田中英晴; 铃木宣长; | ||||
| 摘要 | 在寒冷环境下长时间停止后起动油冷式螺旋 压缩机 时，因贮存在工作室内的油的 粘度 上升，转矩增大，需要比通常运转需要的容量更大容量的驱动装置。本 发明 提供一种油冷式螺旋压缩机，具有：壳体、安装在壳体内且具有 螺纹 牙状的 齿槽 的一对旋转体、旋转驱动这些旋转体的 电动机 、控制该电动机的控制装置、使一对旋转体的齿槽相 啮合 并向由旋转体和壳体包围形成的工作室内供给油的油供给机构、以及从由工作室排出的压缩气体中将油分离的油分离机构，其中，在直接起动的短时间内不增大转矩，以低速驱动将油排出之后， 加速 到通常的运转速度。或者，停止后在将残压释放后，通过使旋转体短时间旋转，将贮存在工作室内的油排出，减轻下一次的起动的负担。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种油冷式螺旋压缩机，具有：壳体、安装在壳体内且具有螺纹牙状的齿槽的一对旋转体、旋转驱动这些旋转体的电动机、控制该电动机的控制装置、使所述一对旋转体的齿槽相啮合并向由所述旋转体和所述壳体包围形成的工作室内供给油的油供给机构、以及从由所述工作室排出的压缩气体中将油分离的油分离机构，所述油冷式螺旋压缩机的特征在于， |
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| 说明书全文 | 油冷式螺旋压缩机和马达驱动系统及马达控制装置技术领域背景技术[0003] 工作室伴随双方旋转体的旋转而移动，并且，其容积反复扩大和缩小。另外，工作室根据旋转体的旋转位置，通过设在壳体上的开口部或与外部连通、或变为密闭空间。工作室在容积扩大过程中持续与被称为吸入口的开口部连通，从外部将被压缩气体吸入工作室内。工作室成为最大容积时，结束与吸入口的连通，被压缩气体则被封闭，通过缩小容积对被压缩气体进行压缩。达到规定的压力时，工作室则与称为排出口的开口部连通，此后，排出被压缩气体，直到容积变为0。 [0005] 油冷式螺旋压缩机，一边向处于压缩过程的工作室内部注入油，一边进行压缩动作。注入油的理由是为了用油对旋转体进行润滑和冷却，而且填充旋转体相互间或旋转体和壳体的内表面之间的间隙，抑制被压缩气体从达到高压的工作室向低压的工作室的泄漏。 [0007] 作为向工作室内注入油的机构，通常是利用压缩机本身产生的吸入侧和排出侧的压差的压差供油机构。该机构是用配管连接对混在自工作室刚排出的被压缩气体中的油进行分离并贮存的处于高压下的贮油器、和压缩开始之后接近吸入压力的工作室，利用两端的压差来送油。该机构在压缩机的旋转体停止后，在大约10～20秒左右的期间，以剩余的压差继续向压缩机供油，因此，油大多贮存在工作室内，在该状态下，压缩机会停止。 [0008] 运转中，因压缩产生的热等，压缩机在排出流路附近的中心达到80～100℃的高温，长时间停止时，压缩机整体变为与周围环境相同的温度。在寒冷地区的冬季，有时达到2 冰点以下，贮存在工作室的油由于低温粘度上升到150mm/s 以上。 [0009] 因此，在要进行低温起动时，高粘度的油阻碍旋转体的旋转，会增大起动需要的转矩。特别是在螺旋压缩机中，工作室移动到达排出端面时，碰撞到端面的油的反作用力作用在齿面上，以转矩的形式发生大的惯性力。 [0010] 如果采用大容量的电动机，并且进行可变速运转的机种强化以变换器为代表的电力装置，就能够在电动机中产生所需要的大的起动转矩，来使压缩机起动。但是，仅以低温环境下的起动为目的，而具备容量为运转中需要的容量的几倍的电动机或电力装置的情况，不仅是浪费，而且在运转中的效率也比容量适中的电动机差。 [0011] 在感应式等以往的一部分电动机中，即使是在极短时间内产生过大的起动转矩，只要是短时间还可以承受，也可以起动。但是，在这种情况下，压缩机瞬间就会消耗大电流。 [0012] 近年来广泛使用的电动机大多是利用以变换器等为代表的半导体元件控制电流来驱动的方式。这种方式，由于过大的电流即使是一瞬间也会损伤半导体元件，因此，不能承受大的起动转矩，具有过大转矩时的起动很困难。 [0013] 在驱动力的传递系统中，有将电动机的输出轴和旋转体的旋转轴一体化的方式、经由联轴节的结合、齿轮或皮带等旋转传递的方式等几种形式。经由柔软的联轴节或皮带的结合，即使瞬间发生过大的起动转矩，在中途的联轴节或皮带也会成为缓冲部件，具有减轻对电动机的负担的效果。但是，如果结合是刚性的，就没有该效果，特别是如果旋转体和电动机的轴设计为一体，由于过大的转矩直接地传递，常常会增大电动机的负担，对于电动机来说，容易成为严酷的条件。 [0014] 在螺旋压缩机中，起动转矩的问题是很长一段时间以来的课题，人们正进行各种各样的研究。例如，在专利文献1中公开了除通常的排出口以外，还设置仅在起动时开口的排出口，以减轻起动转矩的方法。 [0015] 就该方法而言，需要在现有的压缩机主体上重新附加阀装置以及其开闭装置，这样在结构的复杂化及制造成本的增加上存在问题。 发明内容[0016] 本发明的目的在于，鉴于上述课题提供一种油冷式螺旋压缩机，其具备通过减小因油而产生的过大的起动转矩而正常运转时达到适中的容量的电动机，同时即使在低温环境下也能够进行可靠的起动。 [0017] 另外，本发明的另一目的在于，提供一种马达驱动系统，其具备根据电动机的起动状况向变换器提供指令的控制装置。 [0018] 为了达到上述目的，本发明提供一种油冷式螺旋压缩机，具有：壳体、安装在壳体内且具有螺纹牙状的齿槽的一对旋转体、旋转驱动这些旋转体的电动机、控制该电动机的控制装置、使所述一对旋转体的齿槽相啮合并向由所述旋转体和所述壳体包围形成的工作室内供给油的油供给机构、以及从由所述工作室排出的压缩气体中将油分离的油分离机构，其中，在所述电动机起动时，以相对于通常运转速度的旋转速度能够将所述旋转体的齿槽内的油排出的旋转速度、且在直到排出所述旋转体的齿槽内的油为止的规定时间的期间使所述旋转体旋转后，将所述旋转体的旋转速度加速到通常运转时的旋转速度，在所述旋转体从通常运转状态变为旋转停止状态、并从该旋转停止状态起动所述电动机而所述旋转体变为通常运转状态期间，所述控制装置将被供给到收纳所述一对旋转体的壳体内的空间的油的至少一部分排出到所述空间外。 [0019] 此外，为了达到上述目的，本发明提供一种马达驱动系统，具备：与驱动对象物连接的电动机；控制该电动机的转速的变换器；以及控制装置，所述控制装置根据来自设定所述驱动对象物的运转条件的设定装置的设定信息及来自检测所述驱动对象物的输出信息的检测器的检测信息，对所述变换器提供第一转速指令，所述控制装置在所述电动机起动时，根据所述驱动对象物的起动转矩推定信息对所述变换器提供成为比所述第一转速指令低的转速的第二转速指令，在所述电动机根据所述第二转速指令被驱动后，对所述变换器提供所述第一转速指令，在所述电动机起动时，以相对于通常运转速度的旋转速度能够将由所述电动机驱动旋转的旋转体的齿槽内的油排出的旋转速度、且在直到排出所述旋转体的齿槽内的油为止的规定时间的期间使所述旋转体旋转后，将所述旋转体的旋转速度加速到通常运转时的旋转速度。 [0020] 根据本发明，能够可靠地进行油冷式螺旋压缩机的顺畅的起动。另外，由于可以用小型、小输出的设备就足以起动，因此能够实现小型轻量而且制造成本降低，可以选择通常运转时最适当的电动机，能效也高。附图说明 [0021] 图1是第一及第二实施例的油冷式螺旋压缩机的主体周边和油系统的示意图。 [0022] 图2是表示起动前后的旋转体的转速变化的曲线图。 [0023] 图3是停止动作期间的旋转体的转速及注油量的变化的曲线图。 [0024] 图4是第三实施例的油冷式螺旋压缩机的主体周边和油系统的示意图。 [0025] 标号说明 [0026] 1 空气压缩机 [0027] 2 压缩机主体 [0028] 3 阳旋转体 [0029] 4 阴旋转体 [0030] 5 壳体 [0031] 6 吸入口 [0032] 7 排出口 [0033] 8 油分离器 [0034] 9 电动机 [0035] 10 变换器 [0036] 11 控制装置 [0038] 13 油冷却器 [0039] 14 工作室 [0040] 15 轴承 [0041] 16 电磁阀 [0042] 21 连通路 [0043] 22 阀室 [0044] 23 阀体 [0045] 24 突起 [0046] 25 吸入室下部 [0047] 26 油分离器上部空间 具体实施方式[0048] 下面，对本发明的实施例进行说明。本实施例的油冷式螺旋压缩机具有：壳体、安装在壳体内、具有螺纹牙状的齿槽的一对旋转体、旋转驱动这些旋转体的电动机、控制该电动机的控制装置、使一对旋转体的齿槽相啮合并向由旋转体和壳体围成的工作室内供给油的油供给机构、以及从自所述工作室排出的压缩气体中分离出油的油分离机构。 [0049] 在这种油冷式螺旋压缩机中，为了可靠地进行顺畅的起动，在旋转体从通常运转状态变为旋转停止状态、进而在自该旋转停止状态起动电动机而旋转体变为通常运转状态期间，控制装置将供给到收纳一对旋转体的壳体内的空间的油的至少一部分排出所述空间外。 [0050] 在现有的油冷式螺旋压缩机中，即使在配置有设于壳体内的旋转体的空间贮存有油，也会从起动开始一下加速至通常的运转速度。 [0051] 而与此相对，在本实施例中，起动时，以与通常的运转速度比较足够慢的转速使旋转体旋转一定期间，其后，进行加速一直到通常的转速。具体地说，例如在将每分3000转作为额定运转速度的压缩机中，使旋转体以每分300转以下的转速旋转3秒钟左右或按旋转体的旋转转数约为5转使旋转体旋转。 [0052] 该压缩机的起动也可以如下进行，即，仅在利用温度传感装置感知的起动时的温度比确定的温度低时，以与通常的运转速度比较足够慢的转速旋转一定期间后进行加速直到达到通常的转速。 [0053] 此外，在停止时，当压缩机在运转中接收到停止指令时，进行停止电动机的动作，但与此同时进行将残留在与壳体排出侧相连的配管内部的高压力释放的动作。因此，排出侧的高压随即降低到与吸入侧压力相同程度的压力。之后，进行控制而使旋转体以低速、短时间进行旋转。 [0054] 此外，也可以从收纳有旋转体的吸入侧空间的下部，设置与位于其下方的所述贮油器连通的流路，在该流路的中途具备只允许从旋转体收纳空间向贮油方向流动的止回阀。 [0055] 下面，具体地对实施例进行说明。使用图1和图2说明本发明的第一实施例。图1是表示空气用油冷式螺旋压缩机的示意图。图2是表示起动前后的旋转体转速变化的曲线图。 [0056] 空气压缩机1在其内部具备压缩机主体2，其中可旋转地设置有相互啮合的阴阳旋转体3、4。各旋转体3、4在轴向表面上具有螺纹牙状的齿槽。 [0057] 收纳两旋转体的壳体5具有堵塞旋转体3、4的轴半径方向的外周和轴向的端面的内部空间。在该内部空间设置有用于吸进被压缩气体的开口部即吸入口6和排出被压缩后的气体的开口部即排出口7。 [0058] 排出口7之前的流路在向轴向延伸后向下弯曲、折回呈U状，与位于压缩机主体2下部且设置成与壳体5一体的油分离器8连接。 [0059] 作为阳旋转体3的一部分的轴与电动机9的旋转轴连接。电动机9利用自作为电源装置的变换器10供给的电力产生使阳旋转体3旋转的旋转动力。变换器10根据附属的马达控制装置即控制装置11的指令，控制向电动机9输送的电力的频率或电压。 [0060] 在排出口7的下游侧具备作为温度检测装置的温度传感器12，其输出被输入到控制装置11。该温度传感器12用于监视压缩机的排出温度并判断有无异常。 [0061] 油分离器8按照旋风分离器的原理对混在压缩空气内从压缩机主体2排出的油进行离心分离，油落到内部下方而贮存。该油从油分离器8下方引出的管路经由油冷却器13再次被注入压缩机主体2的压缩开始之后的工作室14以及支承两旋转体3、4的轴承15。油分离器8内为与排出压力大致相等的高压，工作室14的内压或轴承15周围的压力为比吸入压力稍高、而比油分离器8的内压低的压力。因此，本实施例的油供给机构不是在油分离器8和工作室14或轴承15之间设置油泵，而是形成油可以利用压差供油的压差供油机构。利用这种结构，注入到工作室14的油混在压缩空气流中从排出口7排出，再次返回到油分离器8进行循环。 [0062] 在油分离器8的上部中央具有压缩空气的出口，与已将大部分的油分离的压缩空气的流路连接。设置有从该流路分支的放气流路，在分支之后具备电磁阀16。该电磁阀16按照控制装置11的指示进行开闭。电磁阀16的次级(下游)侧经过消音器使压缩空气向大气释放。如所述，电磁阀16被控制成在运转时关闭、在停止时打开。 [0063] 当使用者对处于运转状态的压缩机1的控制装置11进行将开关断开等停止操作时，控制装置11向变换器10发出减速和停止的指示。变换器11立即降低向电动机9的供给电力的频率至停止。虽然电动机9和与其输出轴直接连结的阳旋转体3及与阳旋转体3啮合的阴旋转体4的旋转有时也会因一定的惯性而滞后，但在供给电力停止之后也会停止旋转。与从控制装置11发出电动机9的停止指示大致同时，向电磁阀16发出打开的指示。处于从压缩机主体2的排出口7开始经由油分离器8然后再与下游相连的高压配管内的压缩空气，经过打开的电磁阀16释放到大气中，其空间的内压经过约10～30秒的时间逐渐地降低。其间，由于存有油分离器8与工作室14之间的压差，因此，旋转体停止之后的短暂的时间内，继续向停止的工作室14注入油。该油在压差消失后会一直贮存在工作室14内部，当持续长时间停止时，逐渐冷却到周围环境温度。 [0064] 下面，对本实施例的油冷式螺旋压缩机的起动过程进行说明。 [0065] 当按压压缩机的起动开关时，在温度传感器12感知到周围环境的温度为确定的温度例如10℃以下时，控制装置11进行判断并采用与通常的起动不同的低温模式。如图2所示，在通常模式下，从时刻T0的起动之后使旋转体加速并一气加速到通常运转时的转速。这样操作，能够迅速地供给使用者需要的压缩空气。在低温模式下，在启动之后在一定期间(T0～T1)以低速Ns进行旋转。作为具体例，假想使旋转体以每分钟300转左右的速度旋转3秒钟。之后，一气加速到通常运转时的转速N(每分钟3000～4000转)。 [0066] 低温时使旋转体以低速Ns旋转一定期间的理由是，为了排出贮存在工作室14内部的油。为排出油所需要的转矩与旋转体的转速相关，即使是在低温下粘度变高的油，如果以低速挤出，以小的转矩就可以。由于贮存在内部的油量有限，因此，根据螺旋旋转体的性质，只要使旋转体旋转5转左右或旋转1～2秒钟，就可以将贮存的油的大部分从排出口7排出。将油排出后，由于不会产生油的排出转矩，从而，不会给电动机9或变换器10附加负担，能够一气进行加速。 [0067] 此外，在一气进行加速前以低速旋转数转，使油遍布轴承或轴封等需要油润滑的机械要素之后，增加负荷。这样具有改善润滑条件的效果，可以获得防止这些机械要素的磨耗、进而延长寿命的效果。 [0068] 已说明的起动过程尤其对长时间停止后的起动时有效。低温时要想一气进行加速时，还有配置具有富余的大容量的电动机9及变换器10的方法。但是，配置正常运转时不需要的大容量的设备时，无论在能效方面还是制造成本方面都是较大的浪费。因此，根据本实施例的结构，不会增加成本、不牺牲正常运转时的能效，在低温环境下也可以顺畅地起动油冷式螺旋压缩机。 [0069] 此外，在周围温度非常高的情况下，可以通过如现有那样加速迅速地供给压缩空气。在停止期间中，由于工作室14内贮存有油，因此，也期待压缩机内部的防锈效果。此外，本实施例中，不需要对现有的空气压缩机追加高额的部件，就可以进行设计变更。 [0070] 本实施例的马达驱动系统，是以经过半导体的电流限制进行必要性高的变换器的可变速运转的机种为例，不过，不具有变换器的以恒定速度运转的机种也有同样的作用和效果。电动机9的输出轴和阳旋转体3的输入轴不直接连结，而在其间设置联轴节或齿轮、皮带等动力传递机构的机种也有同样的效果。但是，用感应电动机经由皮带驱动的方式，瞬间的起动转矩的峰值被柔软的皮带缓和，而且不经由使用半导体的变换器等的感应电动机如果是瞬间也能够产生过大的转矩，因此，不一定需要本实施例的结构。此外，本实施例是以空气压缩机为例，但对制冷剂或燃料气体等其它的气体进行压缩为目的的油冷式螺旋压缩机也具有同样的效果。 [0071] 在本实施例中，是使旋转体以低速Ns旋转一定期间，但低速Ns不一定是恒定速度。例如，只要是相对通常运转时的转速足够低，即使缓慢加速也可以得到同样的效果。 [0072] 使用图3说明本发明的另一实施例。图3是表示空气用油冷式螺旋压缩机中在没有停止动作期间的旋转体的转速、排出侧压力、注入油量、贮存在工作室内部的油量的时间变化的曲线图。本实施例中，关于与第一实施例共同的结构、作用及效果以及可应用的范围，省略其说明。 [0074] 本实施例在停止操作时具有特征，用图3说明其作用。 [0075] 在运转状态，使用者进行操作，将以转速N、排出压力Pd供给压缩空气的螺旋压缩机1的运转开关断开等，在时刻T5停止操作。控制装置11立即向变换器10发出停止的指示，变换器10则将向电动机9供给的电力的频率降低，在时刻T6(作为具体例为2～5秒钟后)停止电力供给。与此相应，电动机9以及两旋转体3、4的转速也逐渐降低，大致在时刻T6停止。 [0076] 与从控制装置11发出电动机9的停止指示大约在同一时刻T5，向电磁阀16发出打开阀的指示。压缩空气从压缩机主体2的排出口7通过油分离器8，然后再从与下游相连的高压的管路内通过电磁阀16向大气中释放，管路内的压力从运转时的排出压Pd经过10～30秒的时间逐渐降低，在时刻T6大约变为大气压Pa。由于从时刻T6到T7具有时间差，因此，旋转体的旋转停止后短暂的期间内，残留有压差，继续向已停止的工作室14内注入油。如图3所示，在运转中，利用旋转体的旋转继续排出的油，从由于旋转体停止而不排出的时刻T6开始急剧地贮存在工作室14内部，并继续增加直到时刻T7。 [0077] 在现有的油冷式螺旋压缩机中，在贮存该油的状态下进行下一次起动。本实施例中，此后的动作具有特征。 [0078] 在残压足够低的T8时刻，控制装置11指示以低速Ns短时间(T8～T9)进行旋转，变换器10以低的频率驱动电动机9，两旋转体3、4以每分钟100转左右的低速Ns旋转，将贮存在工作室14内部的油从排出口7排出。这时，压缩机主体2整体与运转中的温度相比并没有降低很多，油的粘度也低，因此，排出需要的转矩较小，旋转体3、4可容易地旋转。此外，由于是低速、短时间的旋转，电磁阀16也是打开的状态，因此，排出侧的压力不会上升，油不会被从油分离器8向工作室14输送。 [0079] 因此，通过该旋转体3、4的旋转，贮存在压缩机主体2内部的油的大部分在低速运转结束的时刻T9被排出。在这种状态下，停止动作结束，待机直到下一次起动。另外，开始进行低速运转的时刻T8及结束的时刻T9是以按照内装在控制装置11的定时器功能进行停止操作的T5为基准来确定的。 [0080] 完成以上的停止动作后的下一次起动，即使从低温环境开始，油的大部分也不会贮存在旋转体周围，排出油需要的转矩不会达到成问题的程度。因此，不必把电动机9及变换器10设计为大容量，也能够顺畅地进行可靠的起动。 [0081] 在停止动作的过程中，旋转体以短时间低速旋转按照内装在控制装置11的软件的设定来控制。其旋转的量也可以按照例如2～3秒这样的时间进行控制，也可以按照5～10转这样的旋转总数来控制。总之，不需要检测油量或转矩的传感器，且对于现有机种来说，除软件的变更以外，不需要大的设计变更。 [0082] 根据本实施例，不必对现有的机种进行大的设计变更，就可以达到本发明的目的。此外，即使是低温时，也可以从起动直接开始加速，因此，接通开关以后，在短时间内就可以供给压缩空气。 [0083] 使用图3对本发明的下一个实施例进行说明。图3是表示在空气用油冷式螺旋压缩机中没有执行停止动作期间的旋转体的转速、排出侧压力、注入油量、贮存在工作室内部的油量的时间变化的曲线图。本实施例中，对于与第一实施例共同的结构、作用及效果以及可应用的范围省略其说明。 [0084] 本实施例的空气压缩机的设备结构与图1所示的第一实施例是相同的，但不需要特别的控制装置以及控制软件。此外，不一定需要温度传感器12。 [0085] 其中，在收纳有阴阳旋转体3、4的壳体5内部的空间中，在吸入侧设置有从最下部的吸入室下部25与油分离器上部空间26连通的连通路21。在该连通路21的中途设有截面积大的阀室22，其中收纳有自由活动的球形阀体23。在阀室的下方从阀室壁面朝向内侧设有多个突起24，形成阀体23不能穿过的结构，以防止阀体23落下。另一方面，在阀室22上部与连通路21相连的部分为被阀体23堵塞的结构。 [0086] 在本压缩机的运转状态下，由于压缩的作用，使得油分离器上部空间26内的压力变得比吸入室下部25内的压力高。因此，阀体23被推起直到阀室22的上端，从而将连通路21堵塞。因此，压缩结束后的高压气体不会返回吸入室下部25。 [0087] 在本压缩机的停止状态下，内部的压力变得均匀，阀体23因重力而落到下方被突起24架住。阀体23的外径小于阀室22的内径，突起24的周围空开有间隙。因此，通过连通路21从吸入室下部25连通到油分离器上部空间26，然后贮存在吸入室的油通过连通路21且依靠重力落到油分离器8内。因此，在下一次的再起动时，旋转体3、4周围的油仅有很少，不会成为起动的障碍。 [0088] 根据本实施例，不必附加特别的电或控制的功能，就可以达到目的。因此，假想以恒定速度进行运转，对于不具有变换器等的可变速功能的机种也可以采用。 |
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