近年來 ，在我國"碳達峰"和“碳中和”綠色發(fā)展目標的推動下，清潔能源的需求日漸強烈， 磁懸浮中央空調(diào)進入了市場應用的快速發(fā)展期。海爾、美的、格力，天加等國優(yōu)品牌空調(diào)制冷巨頭紛紛推出商用磁懸浮中央空調(diào)產(chǎn)品 ，部分高端家用變頻空調(diào)也開始采用磁懸浮壓縮機。有關磁懸浮中央空調(diào)的技術(shù)起源，工作原理以及技術(shù)核心與優(yōu)點等等，對大部分用戶來說都比較陌生。下面，廣州旗興公司凈化工程師從相關制冷技術(shù)學術(shù)領域，整理分享以下有關“磁懸浮空調(diào)”研究綜述。

一 、磁懸浮中央空調(diào)的發(fā)展歷程

制冷空調(diào)行業(yè)，屬于工業(yè)應用高能源消耗的主要領域之一，隨著全球氣候變暖和環(huán)境問題日益突出, 研發(fā)節(jié)能環(huán)保型制冷技術(shù)成為空調(diào)行業(yè)的必然發(fā)展路徑。

磁懸浮空調(diào)脫胎于磁懸浮技術(shù)與制冷工藝的交磁懸浮技術(shù)，起源于20世紀初高速列車、飛輪儲能等領域的應用，到了 1980年代，隨著電力電子和數(shù)字控制技術(shù)的進步，磁懸浮技術(shù)開始向通用機電設備拓展，如磁懸浮鼓風機、磁懸浮離心機等[2]。

將磁懸浮技術(shù)引入空調(diào)壓縮機，最早可追溯到90年代初。1991年,美國Glacier公司首次提出利用主動磁懸浮軸承實現(xiàn)離心式制冷壓縮機油潤滑的設想[3]。此后,各國研究機構(gòu)和企業(yè)開始了磁懸浮壓縮機的技術(shù)探索。1994年,韓國三星電子研制出首臺磁懸浮離心壓縮機樣機，標志著磁懸浮技術(shù)在空調(diào)領域的研發(fā)成功[4]。2006年，日本大金工業(yè)株式會社也發(fā)布了磁懸浮離心式冷水機組，顯著提高了制冷效率，大幅實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能[5]。

二、磁懸浮空調(diào)的技術(shù)原理

磁懸浮壓縮機是磁懸浮中央空調(diào)的核心部件，它包含磁懸浮軸承、永磁同步電機和離心壓縮機三部分。磁懸浮軸承采用徑向和軸向主動磁軸承，分別實現(xiàn)轉(zhuǎn)子在徑向和軸向的懸浮控制，保證轉(zhuǎn)子在非接觸狀態(tài)下高速旋轉(zhuǎn)[6]。

磁懸浮工作過程為:徑向磁軸承的感應線圈檢測到轉(zhuǎn)子位移信號后,反饋給控制器；控制器分析位移,并計算出所需的校正電流,驅(qū)動執(zhí)行線圈產(chǎn)生相應的電磁力,對轉(zhuǎn)子進行平衡校正,使其始終處于懸浮平衡位置。軸向磁軸承的控制原理與之類似[7]。

磁懸浮壓縮機采用內(nèi)置永磁同步電機直接驅(qū)動,通過改變定子繞組的電流頻率,實現(xiàn)無級調(diào)速。離心葉輪與電機轉(zhuǎn)子直接同軸連接,高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力輸送氣體,實現(xiàn)升壓。制冷系統(tǒng)的工作過程為:電機驅(qū)動離心葉輪高速旋轉(zhuǎn),氣態(tài)制冷劑從蒸發(fā)器吸入壓縮機,經(jīng)過葉輪壓縮后溫度和壓力升高,變?yōu)楦邷馗邏旱倪^熱蒸汽,隨后進入冷凝器冷凝放熱,凝結(jié)為高壓液體。高壓液體再經(jīng)節(jié)流裝置節(jié)流降壓,進入蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā),完成制冷循環(huán)[8]。

三、磁懸浮空調(diào)的幾個關鍵技術(shù)

(一)磁懸浮軸承技術(shù)

磁懸浮軸承是整個系統(tǒng)的關鍵部件,其性能直接影響壓縮機運行的穩(wěn)定性和可靠性。常見的磁懸浮軸承類型有主動磁軸承(AMB)、混合磁軸承(HMB)、無控制永磁軸承(PMB)等[9]。其中,AMB采用電磁鐵產(chǎn)生懸浮力,可通過改變線圈電流實現(xiàn)主動控制,在高速、重載工況下應用廣泛。但其結(jié)構(gòu)復雜,控制難度大,成本較高。HMB結(jié)合了永磁體的被動懸浮力和電磁鐵的主動控制力,在降低成本的同時,實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)子位置的精確控制。PMB利用永磁體排斥力實現(xiàn)懸浮,無需外加控制和能量輸入,結(jié)構(gòu)簡單,但載荷能力有限。設計磁懸浮軸承時,需要在承載力、剛度、阻尼、功耗等性能間進行平衡,匹配合理的電磁參數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸。

(二)高速電機技術(shù)

磁懸浮壓縮機多采用高速永磁同步電機直接驅(qū)動，通過變頻調(diào)速實現(xiàn)寬范圍運行。高速電機轉(zhuǎn)子表面貼裝永磁體,定子繞組采用集中繞組,可在高頻條件下降低鐵耗和銅耗[10]。但高速運行也帶來了轉(zhuǎn)子動平衡、軸承損耗、氣隙磁場畸變等問題,設計時需進行專門的優(yōu)化校核，如采用整體鑄銅轉(zhuǎn)子、六相錯位繞組等措施提升電機性能。

(三)壓縮機氣動設計

壓縮機的氣動設計直接決定了制冷效率和可靠性。 磁懸浮離心壓縮機由于轉(zhuǎn)速高,級數(shù)少,葉輪流道尺寸小,設計時必須重點關注尺度效應和黏性損失[11]。

首先，需要根據(jù)制冷量和壓比選擇合適的型線，確定葉輪進出口幾何參數(shù)，采用CFD方法對葉輪內(nèi)部流場進行模擬分析與性能預測,并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)對葉型進行反復優(yōu)化,以期在滿足強度的同時獲得高效、寬工況的氣動性能。

其次還需對無葉擴壓器進行合理設計,在滿足壓力恢復系數(shù)的同時,降低湍流損失和氣流脈動。 在整機裝配時,應優(yōu)化葉輪與蝸殼、進出口管路的配合,最大限度減小氣動噪聲。

(四)懸浮轉(zhuǎn)子動力學

高速旋轉(zhuǎn)下壓縮機轉(zhuǎn)子會受到氣動力、電磁力、重力等的耦合作用，軸系的固有頻率、臨界轉(zhuǎn)速、不平衡響應直接影響系統(tǒng)的懸浮穩(wěn)定性。因此,在設計階段必須開展懸浮轉(zhuǎn)子動力學特性分析[12]。利用有限元軟件建立轉(zhuǎn)子-軸承-機架耦合模型,計算系統(tǒng)的固有振型和頻響函數(shù),識別共振點。結(jié)合實際試驗數(shù)據(jù),對模型進行修正,獲得振型相似度和頻率吻合度高的動力學模型。在此基礎上開展臨界轉(zhuǎn)速、不平衡量、碰摩裕度的分析計算,制定抑制共振的結(jié)構(gòu)改進措施,并指導現(xiàn)場動平衡試驗。磁懸浮系統(tǒng)還應進行抗沖擊載荷的瞬態(tài)分析,模擬在different懸浮方案、不同沖擊載荷下的碰摩概率,優(yōu)化保護策略,確保壓縮機運行安全可靠。

(五)磁懸浮控制技術(shù)

磁懸浮壓縮機能否實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮,很大程度上取決于控制系統(tǒng)的性能。通常采用基于PID的徑向位移-電流雙閉環(huán)控制,并輔以自適應濾波、魯棒控制等智能控制手段,在滿足快速響應的同時,保證較強的抗干擾能力[13]。對于強耦合、非線性的磁懸浮系統(tǒng),可采用現(xiàn)代控制理論進行解耦與線性化,如魯棒控制、最優(yōu)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等,獲得更優(yōu)的動態(tài)特性和穩(wěn)定裕度。

在此基礎上,還可引入人工智能算法,通過自學習、自適應提高控制器的魯棒性?？紤]到壓縮機在啟動、停機、失電等工況下有碰摩風險,還需設計專門的保護控制邏輯,通過能量回饋、自復位等策略,確保壓縮機的安全運行。

四、磁懸浮空調(diào)的優(yōu)點與不足

（全文轉(zhuǎn)載于學術(shù)類公眾號）

參考文獻: