磁悬浮轴承热泵压缩机设计与应用研究

周黎民,贺艳晖,周 亮

(中车株洲电机有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引 言

近几年，热泵节能技术广泛应用于建筑供暖、生活热水、工业干燥、温室养殖等领域，产业发展前景非常广阔[1-2]。热泵系统是由压缩机、冷凝器、蒸发器和节流阀4个基本部件组成的。其中，压缩机作为制冷系统的心脏，对整个系统的安全性、可靠性、节能性影响最大，如何提高压缩机效率和可靠性是热泵技术领域最关注的研究内容之一[3]。家用空调(热泵)多采用转子式压缩机，商用空调(热泵)根据功率的不同分别采用转子式、涡旋式、螺杆式、离心式等各类压缩机[4]。目前，压缩机的技术总体正向着高效节能、新型制冷剂、更大制冷量、新兴应用的方向发展。凭借无油运行和变频直驱技术带来的高效、稳定、低维保成本、无喘振、低噪声等优势，磁悬浮无油变频离心式压缩机已经成为替代传统螺杆机和传统离心机的首选[5-6]。

磁悬浮轴承是一种利用磁场力将转子无机械摩擦地悬浮在空中的高性能轴承，可实现主动控制，具有转速高、无机械摩擦、无油等特点[7]。近年来，各大暖通行业企业相继推出磁悬浮热泵机组。在暖通行业，海尔、麦克维尔、考弗兰、大金、SMARDT 目前位居磁悬浮离心压缩机市场的“TOP5”。格力、美的、约克、顿汉布什、LG 等品牌也以磁悬浮离心机组为增长突破口，积极推广相关热泵产品[8-9]。研究表明，即使在突然和连续的喘振中，带磁轴承的无油离心式制冷压缩机也比带气膜轴承的制冷压缩机表现出更优异的耐久性[10]。文献[11]的研究结果表明，磁悬浮轴承支撑的制冷压缩机在整个运行工况下具备良好的静动态特性，具有替代传统制冷压缩机的潜力。美国学者对油润滑轴承和磁轴承两种冷水机组系统在其生命周期阶段(包括原材料提取、制造、运输、使用和寿命结束)的全球变暖潜力进行了评估。虽然2种系统的材料使用和制造温室气体排放相似，但由于磁轴承系统的压缩机效率更高，在使用阶段产生的温室气体排放更少[12]。文献[13]对磁悬浮热泵机组的经济性进行了详细分析，采取磁悬浮式热泵机组供热模式可有效降低一级管网回水温度，日平均制热性能系数比较高，制热季节能效比可达到8.93。文献[14]基于磁悬浮变频冷水机组全年运行的实测数据，建立了磁悬浮变频冷水机组性能系数模型，分析了磁悬浮变频冷水机组供冷季不同负荷下的运行特性。文献[15]通过工程实例表明，磁悬浮离心式冷水机组与普通离心式冷水机组相比，全年可减少能耗40%左右，其名义工况下的性能系数(COP)达到国家冷水机组1级能效等级，其综合部分负荷性能系数(IPLV)超过8.7。文献[16]提出了一种将动态冰蓄冷、磁悬浮热泵、热源塔、热回收等多项技术融入燃气冷热电三联供(CCHP)系统中的新的设计方法。文献[17]针对闭式热源塔热泵、水源热泵、空气源热泵、水蓄热、电锅炉等设备组成不同的供冷、供热方案，从系统能效比、单位面积能耗、投入与运行费用等方面，闭式热源塔热泵与水源磁悬浮热泵耦合系统的经济性较佳。

本文的目的是为磁悬浮轴承高速旋转机械的使用者提供一些工业应用信息和设计方法。针对余热回收型封闭式热泵烘干系统，设计开发一套热泵压缩机用5自由度磁悬浮轴承。基于承载力要求和电机尺寸等限制条件进行径向和轴向磁悬浮轴承设计。在实际使用过程中，分析并解决了成柜安装后压缩机和柜体的模态共振问题。最后，设计的磁悬浮轴承应用于实际热泵压缩机，验证了其有效性和实用性。

1 磁悬浮热泵压缩机结构

余热回收型封闭式热泵烘干系统的基本原理如图1所示。热泵烘干系统通过蒸发器吸收热源能量，将低压低温气体工质转变为高温低压气体工质，经过气液分离器后进入磁悬浮高速直驱压缩机，通过压缩做功后，将工质转换为高压高温气体。高压高温气体工质通过下游的热交换器将吸收的热量释放给外界空气，实现热风烘干循环。此时，工质重新转变为高压低温液体工质，通过膨胀阀后，又转变为低压低温工质，工质进入下一次循环[18]。热泵烘干系统可以有效回收干燥回风中的热量、降低干燥能耗、减小大气环境污染。

图1 余热回收型封闭式热泵烘干系统基本原理

热泵压缩机采用磁悬浮轴承高速永磁同步电机，其结构如图2所示。压缩机最高转速30 000 r/min，转子质量47 kg，转子长度758 mm，转子外径116 mm。电机转子由主动磁悬浮轴承进行支撑，包含2个径向磁轴承和1个轴向磁轴承，装配有2个径向位移传感器和1个轴向位移传感器。采用角接触陶瓷滚动轴承作为保护轴承，为整个轴系提供辅助支撑和跌落保护。循环工质采用R141b，电机采用全密封结构保证工质不泄漏。

图2 磁悬浮热泵压缩机结构示意图

2 磁悬浮轴承设计

2.1 径向磁轴承设计

径向磁轴承采用U型电磁铁方案，设计输入条件如表1所示。根据压缩机离心叶轮接口尺寸和电机电磁设计，转子外径选取为116 mm，径向磁悬浮轴承的结构尺寸以转子外径为基础进行设计[19]。

表1 径向磁轴承设计输入条件

径向磁轴承电磁铁结构及尺寸定义如图3所示。采用一维磁路模型和二维有限元方法进行设计，结果如表2所示。

图3 径向磁轴承电磁铁结构及尺寸定义

表2 径向磁轴承设计结果

2.2 轴向磁轴承设计

轴向磁轴承设计的输入条件如表3所示。根据柜体安装尺寸限制，轴向磁悬浮轴承的最大安装尺寸限制在234 mm以内。

表3 轴向磁轴承设计输入条件

轴向磁轴承的电磁铁设计为U型2磁极结构，其结构及尺寸定义如图4所示。采用一维磁路模型和二维有限元方法进行设计，设计结果如表4所示。

图4 轴向磁轴承电磁铁结构及尺寸定义

表4 轴向磁轴承设计结果

3 试验验证

磁悬浮轴承热泵压缩机柜体安装如图5所示。磁悬浮热泵压缩机和电气控制部分都安装在同一柜体内，形成橇装一体式热泵系统。压缩机的基本参数如表5所示。

图5 磁悬浮轴承热泵压缩机柜体安装图

表5 压缩机基本参数

磁悬浮控制器中开关功率放大器采用H半桥拓扑结构，如图6所示[20]。图6中，Uin为直流电压；D2和D3是反向二极管；Q1和Q4是功率开关器件。功率放大器指令电流ic和实际电流反馈iL比较后的偏差信号经比例积分(PI)环节调节后输出控制信号uc，uc与三角载波交截得到输出驱动信号，控制主电路开关器件Q1和Q4的通断。

图6 功率放大器工作原理

磁悬浮轴承控制采用基于不完全微分的PID控制器加不平衡补偿控制，如图7所示[21]。图7中，Ω为转子角频率，Xref为转子位置给定值，Xfbk为位移传感器检测的转子位置信号，Ifbk为电磁铁线圈电流反馈值，ωfbk为转子角频率检测值，Fx_unbalance表示转子不平衡引入的不平衡扰动，Gc(s)为不完全微分PID位置环控制器，Gw(s)为电流环控制器，A(s)为磁轴承线性模型。

图7 磁轴承控制算法示意图

单自由度磁悬浮轴承系统闭环反馈控制环路如图8所示。图8中xref为位置给定信号，x为实际转子位移信号，e为位移误差。根据ISO 14839-3-2006的稳定裕度评价标准[22]，灵敏度函数Gs(s)定义为

图8 磁悬浮轴承系统闭环反馈控制环路

(1)

电机安装叶轮蜗壳后，在安装到柜体之前，灵敏度函数如图9所示。

图9 安装到柜体之前的灵敏度函数曲线

由图9可以看到，在安装到柜体之前，磁轴承的5个自由度的灵敏度函数都小于12 dB，满足ISO 14839-3-2006的稳定裕度要求。激励频率在高频段时，由于磁浮轴承系统带宽有限，导致频谱分析时高频段有较大噪声。为了提高信噪比，在500 Hz以上增加了数据采样点数提高频谱分析的准确度。由于采样点数的突变，导致在该频率点频谱分析结果出现突变，该突变不影响对稳定裕度的判断。

电机安装到柜体后测量的灵敏度函数如图10所示。径向磁悬浮轴承的灵敏度最大值皆小于12 dB，满足ISO 14839-3的B区要求。轴向磁悬浮轴承的灵敏度最大值为12.61 dB，超出了标准规定的不大于12 dB的要求，系统不能长期稳定运行。

图10 电机安装到柜体后的灵敏度函数曲线

磁悬浮轴承各方向的轴振时域图如图11所示。可见在电机升速过程中转子振动曲线中有较大的毛刺干扰，并且轴向磁悬浮轴承会出现共振区域，导致转子轴振变大，最大峰-峰值达到140 μm，进入了ISO 14839-2规定的C区[23]。

图11 磁悬浮轴承各方向的轴振时域图

通过模态共振分析后发现，电机安装在整柜之后，整个电机被支撑梁支撑在中间位置。支撑梁只在2个方向有支撑柱，另外2个方向悬空，支撑刚度太低引起热泵压缩机和支撑梁发生模态共振，导致轴向磁悬浮轴承控制系统灵敏度超过了12 dB，并在高速区发生了共振。

为解决支撑梁刚度太低的问题，在2根平行支撑梁的下方再固定2根支撑梁，新增加2个支撑节点，4根支撑梁构成“井”字结构，以增加整个柜体的支撑刚度，问题得到有效解决。改进后，磁悬浮热泵压缩机在整个速度范围内的轴振曲线如图12所示。由图12可知，在全速范围内，5个自由度的振动峰-峰值都在80 μm以下，满足ISO 14839-2规定的A区要求。安装到整柜后，磁轴承的轴向模态点从2 400 r/min升高至5 000 r/min左右，运行时，轴振峰-峰值从140 μm下降至80 μm以下；径向的刚性模态点从4 800 r/min升高至9 000 r/min左右，径向轴振峰-峰值在60 μm左右。转速大于10 000 r/min以后，5个自由度上的振动大小都比较平稳，峰-峰值小于20 μm，稳定运行于ISO 14839-2规定的A区。

图12 整柜试验升速过程轴振变化曲线

4 结 语

基于承载力要求和电机尺寸等限制条件，设计了一套适用于65 kW、30 000 r/min的热泵压缩机用主动磁悬浮轴承。解决了装柜后压缩机与柜体支撑模态共振问题，在工作转速范围(10 000 r/min以上)转子轴振峰-峰值不超过20 μm，灵敏度函数值不超过12 dB，均满足ISO 14839要求的长期稳定运行标准。

该系统的成功应用对磁轴承在热泵压缩机领域的工程推广具有一定参考意义。后续将持续开展磁悬浮轴承在制冷压缩机、空气压缩机、鼓风机等领域的工程应用研究。