磁懸浮離心式壓縮機與傳統的離心式壓縮機不同之處主要在于軸承和驅動裝置，并因此帶來性能上的諸多優勢。本期，我們將著重介紹磁懸浮核心“機密”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）、控制軸承浮動及校準轉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的示例。

　　

無油離心式壓縮機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采用了5（自由度）坐標的主動控制和永磁偏置設計，其中軸承使用永磁體來做主要工作，采用數字控制的電磁鐵作為輔助修整系統。下圖給出了磁懸浮軸承的總成示意。

　　

無油離心式壓縮機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，包括軸承定子和轉子部分。每個徑向軸承定子包括多對電磁線圈，這些線圈圍繞轉子徑向排列。與定子配對的“轉子”部分，是由薄鋼片疊合而成固定在轉子（軸）上。徑向軸承用來校準轉子的徑向位置。每個徑向軸承通過多對獨立的電磁線圈運行，這些線圈采用脈寬調制（PWM）數字控制。數字控制基于來自內置的位置傳感器的獨立信號，這些傳感器可以感知小于1微米的位移。當發現軸偏離中心點時，將不同強度的磁場施加到軸上，使其回到其所需的位置。

　　

　　丹佛斯磁懸浮的軸承數字控制技術，基于20多年的研發歷程及全球市場的應用經驗，實現領先的精準控制解決方案，是磁懸浮創新技術得以可靠實現的基石。

　　

　　因此，轉子中心軌道和動態振動是通過軸承傳感器的輸入控制，通過軟件驅動的軸承控制器實時地對磁懸浮軸承執行器進行控制。推力軸承通常由一組固定在軸端推力盤兩側的環形磁鐵組成。推力盤是扁平固態的鐵磁體圓盤。通過調整推力軸承電磁線圈電流的大小，來控制壓縮機轉子軸向位置。位置傳感器用來探測待機和運轉時轉子的徑向和軸向位置以及位移情況，并將數據傳輸到軸承控制器。備用軸承（Auxiliary bearings）：備用軸承在壓縮機停機時支撐轉子。然而，它們也被設計成在諸如印刷線路板（PCB）或驅動器故障等災難性故障的情況下保護壓縮機。

　　

　　軸承控制系統根據來自位置傳感器的輸入信號確定轉子的實際位置，并計算調整的參數，將信號發送給軸承功率放大器。軸承功率放大器調節每個軸承的每個線圈的電流，進而調整磁力大小以校正軸的位置，確保轉子位于指定的位置。軸承控制系統的主要組成部分是處理器，功率放大器、UPS和與其他系統的接口。軸承控制系統確保在任何情況下磁軸承系統的安全運行，包括啟動、正常運轉和停機。在現代磁軸承控制系統中，主動控制動平衡也得到了廣泛的應用，這進一步減小了制造成本及系統的振動。下圖給出了主動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滑，但必須冷卻。磁軸承冷卻一般通過制冷劑氣體冷卻壓縮機內部的部分，通過環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壓縮機安全停機。在電源故障情況下，通常采用兩種方式為磁懸浮軸承系統供電直至轉子完全停下。一種情況是使用備用電池系統。另外一種情況是使壓縮機的電動機轉為發電機模式，為軸承提供電源，直到機器完全停止。在電機轉為發電機模式下，變頻驅動系統里的電容器也有助于在掉電停機期間存儲足夠的電量來維持轉子的控制。

　　

　　“磁懸浮的奧秘萬萬千千，磁懸浮軸承簡單又不簡單”。磁懸浮離心壓縮機背后僅是簡單的電磁物理原理，但如何可靠地實現簡單原理的解決方案才是磁懸浮真正的“商業機密”。

　　

　　主要內容節選自《磁懸浮離心式壓縮機》

　　

　　發表于《制冷空調技術創新與實踐》

　　

　　原文作者：張樂平 丹佛斯制冷事業部系統技術高級經理