一种磁悬浮技术的家用空调无油压缩机设计

2016-05-17武汉理工大学能源与动力工程学院邱铖铖叶婷婷向林明武汉理工大学工程训练中心郑卫刚

电子世界 2016年8期

关键词：无油节能减排

武汉理工大学能源与动力工程学院邱铖铖叶婷婷向林明武汉理工大学工程训练中心郑卫刚

一种磁悬浮技术的家用空调无油压缩机设计

武汉理工大学能源与动力工程学院邱铖铖叶婷婷向林明
武汉理工大学工程训练中心郑卫刚

【摘要】针对目前家用空调因机械轴承摩擦耗能大、噪声大以及因润滑油随制冷剂传递带来制冷效率降低等缺陷，提出一种基于磁悬浮技术的新型家用无油空调压缩机技术，并验证了其设计可行性。

【关键词】磁悬浮家用空调压缩机；无油；节能减排；减噪

1　引言

随着工业化程度的不断提高以及人们生活质量的不断提高，家用空调得到广泛普及，造成大量能源的消耗、噪声污染严重。目前家用空调的节能减排工作达到瓶颈，很难在现有技术上进行创新节能。国家对节能减排工作一直在持续推进，节能消费也成为空调用户新的诉求和痛点。而目前家用空调中因转子转动过程中机械轴承产生巨大摩擦，造成空调压缩机的能耗大、效率降低、温度上升，出现振动和噪声，使得表面磨损、配合间隙增大，导致压缩机性能下降。同时，润滑油系统在压缩机中必不可少，润滑油会随着制冷剂的传递造成热阻，致使制冷效率下降。为此，提出了基于磁悬浮技术的新型家用无油空调压缩机设计，并进行了理论分析与研究。

2　主体结构设计与工作原理

基于磁悬浮技术的压缩机利用可调电流在电磁铁上产生非接触的电磁力来控制转子在空间中的位置，使轴承没有物理的接触。位移传感器时刻监测转子的位置，以及时调整电流大小进而调整磁场力大小，使得转子偏移到中心位置。图1为简单磁悬浮系统，它是由转子、位移传感器、控制器和执行器4部分组成，其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。假设在参考位置上，转子受到一个向下的扰动，就会偏离其参考位置，这时传感器检测出转子偏离参考点位置。控制器的微处理器将检测得到的位移变换成控制信号。然后功率放大器将这一控制信号转换成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生磁力，从而驱动转子返回到原来平衡位置。因此，不论转子受到向下或向上的扰动，转子始终能处于稳定的平衡状态。

图1　简单磁悬浮系统图

磁悬浮轴承能够实现无直接机械接触，不需润滑，摩擦阻力减小，适用寿命长，在极端环境下运行，如极高和极低的温度、极高的温度、极高的真空或在淹没情况下的应用，满足家用空调压缩机使用环境。

如图2是压缩机中转子以及磁悬浮轴承的装配示意图。图1中辅助轴承，作为磁悬浮系统中的保护轴承，当压缩机处于非工作状态时，转子置于保护轴承上面。当压缩机处于工作状态时，转子悬浮于空中，与辅助轴承脱离。辅助轴承在压缩机系统中起到保护转子与压缩机其它结构的作用。图2中径向传感器监测转子径向偏移，图中8轴向传感器监测转子轴向偏移。两者共同完成对转子在空间中的位移监测，使得转子始终处于中心位置旋转。图3中前径向轴承和7后径向轴承饶有线圈，在通电情况下，绕组线圈根据电生磁原理产生环形磁场，转子在此力作用下悬浮在空间中，与轴承间没有摩擦力，达到节能效果。

图2　磁悬浮系统构成示意图

图3　径向轴承示意图

图4　推力轴承示意图

磁悬浮轴承由径向控制和轴向控制轴承组成。径向轴承将承受压

缩机重力、转子离心力、电磁力作用，三力平衡使得转子始终位于空间中心转动。电磁绕组由八级线圈组成，分别控制X、Y、Z 向转子力。绕组线圈通电根据电生磁原理产生磁场，带动转子旋转。在旋转过程中，转子离心力的改变导致合力变化，进而引起电流变化从而调整电磁力大小，转子恢复平衡位置。图3前径向轴承3和后径向轴承7制约径向两个平动和转动，轴向轴承4制约轴向运动。

3　性能分析

预估计，至2020年我国还要建设大约100亿平方米的公共建筑。假定平均每年建设6-7亿平方米，若采用磁悬浮技术的空调压缩机，与现在的建筑能耗相比，每年可节省的电能总计为18亿度，综合经济效益可节约资金16亿元，新增产值83亿元。而如果将现有15％建筑的空调主机改造为磁悬浮变频离心式冷水机组，那么可以节约电能14亿度，综合经济效益可节约资金13亿元，新增产值64亿元以上。