近年來(lái) ，在我國(guó)"碳達(dá)峰"和“碳中和”綠色發(fā)展目標(biāo)的推動(dòng)下，清潔能源的需求日漸強(qiáng)烈， 磁懸浮中央空調(diào)進(jìn)入了市場(chǎng)應(yīng)用的快速發(fā)展期。海爾、美的、格力，天加等國(guó)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(jī)。有關(guān)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(diǎn)等等，對(duì)大部分用戶來(lái)說都比較陌生。下面，廣州旗興公司凈化工程師從相關(guān)制冷技術(shù)學(xué)術(shù)領(lǐng)域，整理分享以下有關(guān)“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(yīng)用高能源消耗的主要領(lǐng)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(jì)初高速列車、飛輪儲(chǔ)能等領(lǐng)域的應(yīng)用，到了 1980年代，隨著電力電子和數(shù)字控制技術(shù)的進(jìn)步，磁懸浮技術(shù)開始向通用機(jī)電設(shè)備拓展，如磁懸浮鼓風(fēng)機(jī)、磁懸浮離心機(jī)等[2]。

將磁懸浮技術(shù)引入空調(diào)壓縮機(jī)，最早可追溯到90年代初。1991年,美國(guó)Glacier公司首次提出利用主動(dòng)磁懸浮軸承實(shí)現(xiàn)離心式制冷壓縮機(jī)油潤(rùn)滑的設(shè)想[3]。此后,各國(guó)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)開始了磁懸浮壓縮機(jī)的技術(shù)探索。1994年,韓國(guó)三星電子研制出首臺(tái)磁懸浮離心壓縮機(jī)樣機(jī)，標(biāo)志著磁懸浮技術(shù)在空調(diào)領(lǐng)域的研發(fā)成功[4]。2006年，日本大金工業(yè)株式會(huì)社也發(fā)布了磁懸浮離心式冷水機(jī)組，顯著提高了制冷效率，大幅實(shí)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(jī)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(jī)和離心壓縮機(jī)三部分。磁懸浮軸承采用徑向和軸向主動(dòng)磁軸承，分別實(shí)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(yīng)線圈檢測(cè)到轉(zhuǎn)子位移信號(hào)后,反饋給控制器；控制器分析位移,并計(jì)算出所需的校正電流,驅(qū)動(dòng)執(zhí)行線圈產(chǎn)生相應(yīng)的電磁力,對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)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(jī)采用內(nèi)置永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng),通過改變定子繞組的電流頻率,實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。離心葉輪與電機(jī)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(shí)現(xiàn)升壓。制冷系統(tǒng)的工作過程為:電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī),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(jìn)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(jìn)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(gè)關(guān)鍵技術(shù)

(一)磁懸浮軸承技術(shù)

磁懸浮軸承是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,其性能直接影響壓縮機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。常見的磁懸浮軸承類型有主動(dòng)磁軸承(AMB)、混合磁軸承(HMB)、無(wú)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(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制,在高速、重載工況下應(yīng)用廣泛。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,控制難度大,成本較高。HMB結(jié)合了永磁體的被動(dòng)懸浮力和電磁鐵的主動(dòng)控制力,在降低成本的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)子位置的精確控制。PMB利用永磁體排斥力實(shí)現(xiàn)懸浮,無(wú)需外加控制和能量輸入,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但載荷能力有限。設(shè)計(jì)磁懸浮軸承時(shí),需要在承載力、剛度、阻尼、功耗等性能間進(jìn)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(jī)技術(shù)

磁懸浮壓縮機(jī)多采用高速永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，通過變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)寬范圍運(yùn)行。高速電機(jī)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(yùn)行也帶來(lái)了轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡、軸承損耗、氣隙磁場(chǎng)畸變等問題,設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行專門的優(yōu)化校核，如采用整體鑄銅轉(zhuǎn)子、六相錯(cuò)位繞組等措施提升電機(jī)性能。

(三)壓縮機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)直接決定了制冷效率和可靠性。 磁懸浮離心壓縮機(jī)由于轉(zhuǎn)速高,級(jí)數(shù)少,葉輪流道尺寸小,設(shè)計(jì)時(shí)必須重點(diǎn)關(guān)注尺度效應(yīng)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(jìn)出口幾何參數(shù)，采用CFD方法對(duì)葉輪內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析與性能預(yù)測(cè),并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)葉型進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化,以期在滿足強(qiáng)度的同時(shí)獲得高效、寬工況的氣動(dòng)性能。

其次還需對(duì)無(wú)葉擴(kuò)壓器進(jìn)行合理設(shè)計(jì),在滿足壓力恢復(fù)系數(shù)的同時(shí),降低湍流損失和氣流脈動(dòng)。 在整機(jī)裝配時(shí),應(yīng)優(yōu)化葉輪與蝸殼、進(jìn)出口管路的配合,最大限度減小氣動(dòng)噪聲。

(四)懸浮轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)

高速旋轉(zhuǎn)下壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子會(huì)受到氣動(dòng)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(yīng)直接影響系統(tǒng)的懸浮穩(wěn)定性。因此,在設(shè)計(jì)階段必須開展懸浮轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性分析[12]。利用有限元軟件建立轉(zhuǎn)子-軸承-機(jī)架耦合模型,計(jì)算系統(tǒng)的固有振型和頻響函數(shù),識(shí)別共振點(diǎn)。結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)模型進(jìn)行修正,獲得振型相似度和頻率吻合度高的動(dòng)力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上開展臨界轉(zhuǎn)速、不平衡量、碰摩裕度的分析計(jì)算,制定抑制共振的結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施,并指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡試驗(yàn)。磁懸浮系統(tǒng)還應(yīng)進(jìn)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(hù)策略,確保壓縮機(jī)運(yùn)行安全可靠。

(五)磁懸浮控制技術(shù)

磁懸浮壓縮機(jī)能否實(shí)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(yīng)濾波、魯棒控制等智能控制手段,在滿足快速響應(yīng)的同時(shí),保證較強(qiáng)的抗干擾能力[13]。對(duì)于強(qiáng)耦合、非線性的磁懸浮系統(tǒng),可采用現(xiàn)代控制理論進(jìn)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(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定裕度。

在此基礎(chǔ)上,還可引入人工智能算法,通過自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)提高控制器的魯棒性。考慮到壓縮機(jī)在啟動(dòng)、停機(jī)、失電等工況下有碰摩風(fēng)險(xiǎn),還需設(shè)計(jì)專門的保護(hù)控制邏輯,通過能量回饋、自復(fù)位等策略,確保壓縮機(jī)的安全運(yùn)行。

四、磁懸浮空調(diào)的優(yōu)點(diǎn)與不足

（全文轉(zhuǎn)載于學(xué)術(shù)類公眾號(hào)）

參考文獻(xiàn):