磁懸浮離心式壓縮機(jī)與傳統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)不同之處主要在于軸承和驅(qū)動(dòng)裝置，并因此帶來(lái)性能上的諸多優(yōu)勢(shì)。本期，我們將著重介紹磁懸浮核心“機(jī)密”部件----軸承。

　　

　　磁懸浮軸承的組成

　　

　　磁懸浮軸承包括徑向軸承、推力軸承、位置傳感器、備用軸承（Auxiliary bearings）、控制軸承浮動(dòng)及校準(zhǔn)轉(zhuǎn)子位置的軸承控制器和供電電源。下圖給出了使用磁懸浮軸承的壓縮機(jī)的示例。

　　

無(wú)油離心式壓縮機(jī)里面的磁懸浮軸承示意圖　　

（ 丹佛斯 Turbocor供圖）

　　

　　上述磁懸浮軸承系統(tǒng)采用了5（自由度）坐標(biāo)的主動(dòng)控制和永磁偏置設(shè)計(jì)，其中軸承使用永磁體來(lái)做主要工作，采用數(shù)字控制的電磁鐵作為輔助修整系統(tǒng)。下圖給出了磁懸浮軸承的總成示意。

　　

無(wú)油離心式壓縮機(jī)里面的磁懸浮軸承總成圖

（丹佛斯Turbocor供圖）

　　

　　磁懸浮軸承的工作原理

　　

　　徑向軸承，包括軸承定子和轉(zhuǎn)子部分。每個(gè)徑向軸承定子包括多對(duì)電磁線圈，這些線圈圍繞轉(zhuǎn)子徑向排列。與定子配對(duì)的“轉(zhuǎn)子”部分，是由薄鋼片疊合而成固定在轉(zhuǎn)子（軸）上。徑向軸承用來(lái)校準(zhǔn)轉(zhuǎn)子的徑向位置。每個(gè)徑向軸承通過(guò)多對(duì)獨(dú)立的電磁線圈運(yùn)行，這些線圈采用脈寬調(diào)制（PWM）數(shù)字控制。數(shù)字控制基于來(lái)自內(nèi)置的位置傳感器的獨(dú)立信號(hào)，這些傳感器可以感知小于1微米的位移。當(dāng)發(fā)現(xiàn)軸偏離中心點(diǎn)時(shí)，將不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)施加到軸上，使其回到其所需的位置。

　　

　　丹佛斯磁懸浮的軸承數(shù)字控制技術(shù)，基于20多年的研發(fā)歷程及全球市場(chǎng)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)領(lǐng)先的精準(zhǔn)控制解決方案，是磁懸浮創(chuàng)新技術(shù)得以可靠實(shí)現(xiàn)的基石。

　　

　　因此，轉(zhuǎn)子中心軌道和動(dòng)態(tài)振動(dòng)是通過(guò)軸承傳感器的輸入控制，通過(guò)軟件驅(qū)動(dòng)的軸承控制器實(shí)時(shí)地對(duì)磁懸浮軸承執(zhí)行器進(jìn)行控制。推力軸承通常由一組固定在軸端推力盤兩側(cè)的環(huán)形磁鐵組成。推力盤是扁平固態(tài)的鐵磁體圓盤。通過(guò)調(diào)整推力軸承電磁線圈電流的大小，來(lái)控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子軸向位置。位置傳感器用來(lái)探測(cè)待機(jī)和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子的徑向和軸向位置以及位移情況，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷S承控制器。備用軸承（Auxiliary bearings）：備用軸承在壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)支撐轉(zhuǎn)子。然而，它們也被設(shè)計(jì)成在諸如印刷線路板（PCB）或驅(qū)動(dòng)器故障等災(zāi)難性故障的情況下保護(hù)壓縮機(jī)。

　　

　　軸承控制系統(tǒng)根據(jù)來(lái)自位置傳感器的輸入信號(hào)確定轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置，并計(jì)算調(diào)整的參數(shù)，將信號(hào)發(fā)送給軸承功率放大器。軸承功率放大器調(diào)節(jié)每個(gè)軸承的每個(gè)線圈的電流，進(jìn)而調(diào)整磁力大小以校正軸的位置，確保轉(zhuǎn)子位于指定的位置。軸承控制系統(tǒng)的主要組成部分是處理器，功率放大器、UPS和與其他系統(tǒng)的接口。軸承控制系統(tǒng)確保在任何情況下磁軸承系統(tǒng)的安全運(yùn)行，包括啟動(dòng)、正常運(yùn)轉(zhuǎn)和停機(jī)。在現(xiàn)代磁軸承控制系統(tǒng)中，主動(dòng)控制動(dòng)平衡也得到了廣泛的應(yīng)用，這進(jìn)一步減小了制造成本及系統(tǒng)的振動(dòng)。下圖給出了主動(dòng)磁軸承反饋控制原理框圖。

　　

磁軸承反饋控制原理框圖

　　

　　磁懸浮軸承不需要潤(rùn)滑，但必須冷卻。磁軸承冷卻一般通過(guò)制冷劑氣體冷卻壓縮機(jī)內(nèi)部的部分，通過(guò)環(huán)境空氣冷卻外部的功率放大器等控制電子部分。

　　

　　由于磁懸浮軸承是需要供電的，因此，必須考慮電源故障時(shí)壓縮機(jī)安全停機(jī)。在電源故障情況下，通常采用兩種方式為磁懸浮軸承系統(tǒng)供電直至轉(zhuǎn)子完全停下。一種情況是使用備用電池系統(tǒng)。另外一種情況是使壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)模式，為軸承提供電源，直到機(jī)器完全停止。在電機(jī)轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)模式下，變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)里的電容器也有助于在掉電停機(jī)期間存儲(chǔ)足夠的電量來(lái)維持轉(zhuǎn)子的控制。

　　

　　“磁懸浮的奧秘萬(wàn)萬(wàn)千千，磁懸浮軸承簡(jiǎn)單又不簡(jiǎn)單”。磁懸浮離心壓縮機(jī)背后僅是簡(jiǎn)單的電磁物理原理，但如何可靠地實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單原理的解決方案才是磁懸浮真正的“商業(yè)機(jī)密”。

　　

　　主要內(nèi)容節(jié)選自《磁懸浮離心式壓縮機(jī)》

　　

　　發(fā)表于《制冷空調(diào)技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐》

　　

　　原文作者：張樂(lè)平 丹佛斯制冷事業(yè)部系統(tǒng)技術(shù)高級(jí)經(jīng)理