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磁悬浮压缩机的“商业机密”

磁悬浮离心式压缩机与传统的离心式压缩机不同之处主要在于轴承和驱动装置,并因此带来性能上的诸多优势。本文将着重介绍磁悬浮核心“机密”部件----轴承。

磁悬浮轴承的组成



磁悬浮轴承包括径向轴承、推力轴承、位置传感器、备用轴承(Auxiliary bearings)、控制轴承浮动及校准转子位置的轴承控制器和供电电源。下图给出了使用磁悬浮轴承的压缩机的示例。

无油离心式压缩机里面的磁悬浮轴承示意图 

( 丹佛斯 Turbocor供图)

上述磁悬浮轴承系统采用了5(自由度)坐标的主动控制和永磁偏置设计,其中轴承使用永磁体来做主要工作,采用数字控制的电磁铁作为辅助修整系统。下图给出了磁悬浮轴承的总成示意。

无油离心式压缩机里面的磁悬浮轴承总成图

(丹佛斯Turbocor供图)



磁悬浮轴承的工作原理



径向轴承,包括轴承定子和转子部分。每个径向轴承定子包括多对电磁线圈,这些线圈围绕转子径向排列。与定子配对的“转子”部分,是由薄钢片叠合而成固定在转子(轴)上。径向轴承用来校准转子的径向位置。每个径向轴承通过多对独立的电磁线圈运行,这些线圈采用脉宽调制(PWM)数字控制。数字控制基于来自内置的位置传感器的独立信号,这些传感器可以感知小于1微米的位移。当发现轴偏离中心点时,将不同强度的磁场施加到轴上,使其回到其所需的位置。

丹佛斯磁悬浮的轴承数字控制技术,基于20多年的研发历程及全球市场的应用经验,实现领先的精准控制解决方案,是磁悬浮创新技术得以可靠实现的基石。

因此,转子中心轨道和动态振动是通过轴承传感器的输入控制,通过软件驱动的轴承控制器实时地对磁悬浮轴承执行器进行控制。推力轴承通常由一组固定在轴端推力盘两侧的环形磁铁组成。推力盘是扁平固态的铁磁体圆盘。通过调整推力轴承电磁线圈电流的大小,来控制压缩机转子轴向位置。位置传感器用来探测待机和运转时转子的径向和轴向位置以及位移情况,并将数据传输到轴承控制器。备用轴承(Auxiliary bearings):备用轴承在压缩机停机时支撑转子。然而,它们也被设计成在诸如印刷线路板(PCB)或驱动器故障等灾难性故障的情况下保护压缩机。

轴承控制系统根据来自位置传感器的输入信号确定转子的实际位置,并计算调整的参数,将信号发送给轴承功率放大器。轴承功率放大器调节每个轴承的每个线圈的电流,进而调整磁力大小以校正轴的位置,确保转子位于指定的位置。轴承控制系统的主要组成部分是处理器,功率放大器、UPS和与其他系统的接口。轴承控制系统确保在任何情况下磁轴承系统的安全运行,包括启动、正常运转和停机。在现代磁轴承控制系统中,主动控制动平衡也得到了广泛的应用,这进一步减小了制造成本及系统的振动。下图给出了主动磁轴承反馈控制原理框图。

磁轴承反馈控制原理框图


磁悬浮轴承不需要润滑,但必须冷却。磁轴承冷却一般通过制冷剂气体冷却压缩机内部的部分,通过环境空气冷却外部的功率放大器等控制电子部分。

由于磁悬浮轴承是需要供电的,因此,必须考虑电源故障时压缩机安全停机。在电源故障情况下,通常采用两种方式为磁悬浮轴承系统供电直至转子完全停下。一种情况是使用备用电池系统。另外一种情况是使压缩机的电动机转为发电机模式,为轴承提供电源,直到机器完全停止。在电机转为发电机模式下,变频驱动系统里的电容器也有助于在掉电停机期间存储足够的电量来维持转子的控制。

“磁悬浮的奥秘万万千千,磁悬浮轴承简单又不简单”。磁悬浮离心压缩机背后仅是简单的电磁物理原理,但如何可靠地实现简单原理的解决方案才是磁悬浮真正的“商业机密”。

      主要内容节选自《磁悬浮离心式压缩机》

      发表于《制冷空调技术创新与实践》

      原文作者:张乐平 丹佛斯制冷事业部系统技术高级经理


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