高速磁悬浮离心式压缩机及其控制方法

刘佰达

(上海偌托新能源科技有限公司，上海 201612)

1 技术背景

随着科学技术的不断进步，人民生活水平的不断提高，磁悬浮技术已成为保证人类生活质量的一项必要手段。据统计，传统异步低转速原动机和压缩机设备所消耗的能源，已占总能源的35%左右。将为国家节省大量能源消耗。磁悬浮离心式压缩机是一种完全不需要使用润滑油的压缩机，高铁民用高端技术的电磁轴承被用来取代传统压缩机中的机械轴承。电动机转子、驱动轴，以及离心叶轮都被电磁轴承的磁场悬浮，处于没有直接接触的悬浮状态，因此消除了机械摩擦，以及所产生的效率损失、震动和噪声。电动机为直流同步永磁电机，通过直流变频技术驱动，转速可以在10000～50000 r/min内连续调节，运行范围广。

2 设计方法内容

2.1 高速磁悬浮离心式压缩机结构

永磁驱动电机，包括壳体、定子、转子、主轴、第一端盖和第二端盖，主轴穿出第一端盖和第二端盖，主轴的一端设置有一级叶轮和二级叶轮；

磁悬浮轴承组件，用于对主轴进行径向支撑和轴向限位；因而整体性能达到最优化设计。位移传感组件，用于检测主轴在旋转过程中相对于磁悬浮轴承组件的轴线在径向方向和轴向方向的位置偏移量。

轴承控制器，用于根据位移传感组件检测到的主轴偏移量控制磁悬浮轴承组件的电流，以调整主轴在径向和轴向方向上的位置。

变频控制器，与轴承控制器联动，用于根据用气需求对空气压缩机的转速、流量、压力进行调节并进行防喘振控制。

通过采用上述技术方案，永磁驱动电机的主轴能够在无摩擦情况下高速稳定旋转，使得空气压缩机能够产生高速高压空气，还能够根据用气需求对输出的压缩空气参数进行调整并防止进入喘振状态。

二级蜗壳远离永磁驱动电机的一端与主轴对应部分设置有第一备降轴承，主轴穿设于第一备降轴承内.

第二端盖与主轴对应的部分设置有第一备降轴承，主轴穿设于第一备降轴承内。

通过采用上述技术方案，能够在空气压缩机运输过程中对主轴进行支承或者当轴承控制器发生故障时支承主轴并逐渐减速至停止，对主轴和轴承控制器进行保护。

磁悬浮轴承组件包括第一径向磁悬浮轴承、第二径向磁悬浮轴承和轴向限位磁悬浮轴承；

其中，第一径向磁悬浮轴承设置于壳体内靠近第一端盖一侧，第二径向磁悬浮轴承设置于壳体内靠近第二端盖一侧，轴向限位磁悬浮轴承设置于主轴远离一级叶轮的一端。

通过采用上述技术方案，能够对主轴进行径向支撑和轴向限位。

位移传感组件包括第一传感器环和第二传感器环，第一传感器环和第二传感器环均包括用于检测主轴在X轴、Y轴和Z轴方向位移的位移传感器；

其中，第一传感器环设置于第一端盖与第一径向磁悬浮轴承之间，第二传感器环设置于第二端盖与第二径向磁悬浮轴承之间。

通过采用上述技术方案，能够对主轴在运转过程中的运动状态进行实时检测，以便于轴承控制器能够对主轴的位置进行调整。

一级叶轮和二级叶轮出口的相对宽度采用以下公式计算获得：

根据叶轮进口速度和出口速度三角形见图1、2，有

图1 叶轮进口速度和出口速度示意图

图2 叶轮进口速度和出口速度三角形示意图

式中，c1r=c1sinα1，c1u=c1cosα1，c2r=c2sinα2，c2u=c2cosα2；

在理论流量下，叶轮进口气体无冲击、无旋转地进入叶道，此时c1=c1r，c1u=0，α1=90°，β1=β1A，β2=β2A；

则气体流过叶轮的理论能量头为

Hth=Lth=u2c2u-u1c1u=u2c2u

连续方程在叶轮出口处的表达式为

则叶轮出口的相对宽度为

式中D2——叶轮外径

b2——叶轮出口处的轴向宽度

qm——质量流量

qv2——体积流量

ρ2——气流密度

第二方面，本技术提供一种前述空气压缩机的控制方法采用如下的技术方案：

一种空气压缩机的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：轴承控制器对磁悬浮轴承组件和位移传感组件的工作状态进行检测和确认，当工作状态正常时，允许变频控制器控制永磁驱动电机启动；

步骤S2：设定压缩机工况参数，启动永磁驱动电机运行；

步骤S3：变频控制器根据工况参数计算瞬时状态下的叶轮效率、气动功率、叶轮有效功率、质量流量、体积流量，并调节转速、出口流量、出口压力、出口温度、永磁驱动电机电流和放空时间。

叶轮效率的计算公式为

式中m——气体多变指数

k——等熵指数

气动功率的计算公式为

P气动=Pint·ηmotor

式中Pint——变频控制器的电功率

ηmotor——永磁驱动电机的效率

叶轮有效功率的计算公式为

Pth=P气动·ηpol

质量流量的计算公式为

式中Lpol——多变压缩功

体积流量的计算公式为

式中p——气体压强

R——气体常量

T——绝对温度

本技术提供的空气压缩机的控制方法还包括步骤S4：轴承控制器对主轴的对中性进行实时监测，当主轴在径向和轴向的偏移量超过位移阈值时，轴承控制器调整输出至磁悬浮轴承组件的电流大小对轴承的位置进行调整。

本技术提供的空气压缩机的控制方法还包括步骤S5：变频控制器对空气压缩机的喘振点进行实时追踪，当空气压缩机的工作状态接近喘振点或处于喘振状态时，变频控制器通过调整转速、打开放空阀或调节出口流量的方式使空气压缩机避开喘振点或从喘振状态恢复正常运行。

综上，本技术至少具有以下一种技术效果：

(1)高速运行条件下采用磁悬浮轴承组件对主轴进行支承，降低了永磁驱动电机的摩擦功耗；

(2)轴承控制器能够实时调整主轴的对中性，从而保证空气压缩机能够稳定运行；

(3)变频控制器能够根据设定工况自动调整空气压缩机的运行状态以满足用气需求，同时能够实现智能防喘振控制，进一步提高空气压缩机的稳定性。

2.2 高速磁悬浮离心式压缩机的控制方法

控制方法通过以下步骤见图3：

图3 空气压缩机的控制原理框图

步骤S1：轴承控制器60对磁悬浮轴承组件20和位移传感组件50的工作状态进行检测和确认，当工作状态正常时，允许变频控制器70控制永磁驱动电机10启动。

在步骤S1中，轴承控制器60检测与磁悬浮轴承组件20的连接状态以及位移传感器503的信号输出是否正常，当磁悬浮轴承组件20和位移传感器503均处于正常工作状态时，轴承控制器60输出控制信号使得磁悬浮轴承组件20通电将主轴101抬起。同时，位移传感器503检测主轴101的悬浮状态并将信号反馈至轴承控制器60，当主轴101的偏移量处于允许永磁驱动电机10启动的范围内时，轴承控制器60输出许可信号给系统控制器80，此时在系统控制器80的控制下，变频控制器70可以控制永磁驱动电机10运行。

步骤S2：设定压缩机工况参数和工作模式，永磁驱动电机10运行。

在步骤S2中，在永磁驱动电机10可以运行的前提下，变频控制器70首先检测进气温度、排气温度、进气压力、排气压力等是否正常，在所检测的温度、压力正常的情况下，变频控制器70控制放空阀开启并启动永磁驱动电机10运行，以便实现空载启动。当永磁驱动电机10启动后，关闭放空阀以进行加载。

其中，在步骤S2中，压缩机工况参数可以通过与系统控制器80连接的上位机设备进行设定，工作模式包括恒压力模式、恒流量模式、恒转速模式和恒电流模式。

步骤S3：变频控制器70根据工况参数计算瞬时状态下的叶轮效率、气动功率、叶轮有效功率、质量流量、体积流量，并调节转速、出口流量、出口压力、出口温度、永磁驱动电机10电流和放空时间，以满足用气需求。

在本技术中，等熵指数、叶轮效率、气动效率、质量流量、体积流量和多变能量头等参数经计算推导后通过编程设置于变频控制器70内，计算推导过程如下：

Hhyd——流体的摩擦损失功

在实际的叶轮机械中，每级间的气流存在的损失不只是摩擦损失Hhyd，还有泄漏损失HL和轮组损失Hdf，因此，总损失为

Hloss=Hhyd+HL+Hdf

可得叶轮上的机械总输入功为

式中Ltot——叶轮消耗的总功

Htot——级内每千克气体获得的总能量头

叶轮上的总输入功应等于叶轮总消耗功，包括泄漏损失和轮组损失，则有

Ltot=Htot=Hth+HL+Hdf

其中，泄漏损失为叶轮盖处介质泄漏产生的能量损失，为

HL=βL·Hth=βL·Lth

式中βL——泄漏系数

轮阻损失为叶轮内外壁面与气体的摩擦损失

Hdf=βdf·Lth

式中βdf——轮阻系数，βL+βdf=0.02～0.04。

则

Ltot=Htot=Hth+HL+Hdf=(1+βL+βdf)Hdf

压缩机温度计算

对于压缩机而言，可假设气流流速较快的情况下，其温度变化差值为恒定，对外界可按无热能q交换，即q=0。

式中k——等熵指数

R——气体常量

压缩机压力计算：

对于压缩机而言，级内压力随位置不同而不同，即各截面上的压力都不相同，并且气体多变指数m也在变化，为计算方便一般取m的平均值。

DEDIV Pi Pin Pout

DEDIV Ti Tin Tout

DLOG Pout Plog

DLOG Tout Tlog

DEDIV Plog Tlog D0。

压缩机在压缩过程中，压缩机和外界一定发生热交换，但由于压缩过程非常短，故可近似把压缩机压缩过程当作一个绝热压缩过程，即等熵过程。常温下等熵指数k=1.4，则有

变频控制器70程序为

DEMOV E1.4 D2

DESUB D2 E1.0 D4

DEDIV D2 D4 D6。

变频控制器70程序为

DESUM D6 D2 D8

DESUM D8 K100 D10

压缩机的气动功率可由变频器的电功率Pint和电机的效率ηmotor计算得到

P气动=Pint·ηmotor

根据叶轮效率ηpol，则叶轮有效功率为

Pth=P气动·ηpol

变频控制器70程序为

DESUM D12 D14 D1

DESUM D16 D8 D18

叶轮的有效功率等于有效功剩余质量流量，即

Nth=qmLth=qmHth

变频控制器70程序为

DEDIV D34 D18 D36

叶轮的质量流量qm=ρ·Vs，式中Vs为体积流量，ρ为流体密度。

由理想气体方程得出空气的密度在不同压力和温度下的压强P有：

P=ρRT

式中ρ——气体密度

R——气体常量

T——绝对温度

变频控制器70程序为

DEDIV Pi R D38

DEDIV D38 Ti D40

DEDIV D36 D40 D42

DEMUL D42 E60 D44

在步骤S3中，根据用气流量、压力、温度、湿度的要求，变频控制器70根据所编写的程序对叶轮效率、气动功率、叶轮有效功率、质量流量、体积流量等参数进行推算，并根据推算结果对永磁驱动电机10的转速、进气导叶的偏转角度、出口流量调节阀的开口度和放空阀的打开时间进行实时调整，从而使空气压缩机的排气参数满足用气需求。

例如，当空气压缩机的排气压力低于设定的用气压力时，变频控制器70根据推算结果控制进气导叶增大开度以提高进气量；当排气压力高于设定的用气压力时，变频控制器70根据推算结果控制进气导叶减小开度以减少进气量，由此能够提高系统压力的控制精度，使系统稳定运行。同时，系统压力控制精度的提高使管网具有更窄的压力段和更低的平均工作压力，从而能够降低能耗。

当管网的用气流量减少时，由于空气压缩机的排气流量大于用气流量，为保持系统稳定，出口流量调节阀在变频控制器70的控制下打开将部分压缩空气放空，从而降低进入管网的压缩空气流量。

本技术提供的空气压缩机的控制方法还包括步骤S4，轴承控制器60对主轴101的对中性进行实时监测，当主轴101在径向和轴向的偏移量超过位移阈值时，轴承控制器60调整输出至磁悬浮轴承组件20的电流大小对轴承的位置进行调整。具体调整过程已在前文进行陈述，此处不再赘述。

本技术提供的空气压缩机的控制方法还包括步骤S5，变频控制器70对空气压缩机的喘振点进行实时追踪，当空气压缩机的工作状态接近喘振点或处于喘振状态时，变频控制器70通过调整转速、打开放空阀或调节出口流量的方式使空气压缩机避开喘振点或从喘振状态恢复正常运行。

其中，喘振点体现叶轮的固有特性，喘振点与叶轮的进气压力、排气压力、流量和转速相关。喘振线为直线，叶轮的喘振点均应位于喘振线的左侧，由此，喘振线的右侧为叶轮不发生喘振的稳定工作区域。根据喘振点对应的进气压力、排气压力、排气流量和转速等参数，可通过变频控制器70编程得到喘振线。

在压缩机运行过程中，变频控制器70实时接收检测进气压力、排气压力、转速、进气流量和排气流量的传感器传回的数据并进行处理，当空气压缩机的实时工作状态接近喘振点时，变频控制器70可控制永磁驱动电机10快速提高转速、短时间打开放空阀或通过出口流量调节阀调整排气流量，使压缩机避开喘振点。当空气压缩机进入喘振状态时，变频控制器70控制放空阀放空打开直至停机。

3 结论

通过积极的使用经验、长期试验运行数据反馈并结合数学空间解析，本设计有以下3点明显优势：

(1)允许转子达到很高的转速

磁悬浮轴承的转子可以在超临界、每分钟数万转的工况下运行，其圆周速度只受转子材料强度的限制。通常在相同的轴颈直径下，磁悬浮轴承支承的转子能达到的转速比滚动轴承支承的转子大约高2倍，比滑动轴承支承的转子大约高3倍。

(2)摩擦功相对传统轴承非常耗小，维护成本低、寿命长。

由于磁悬浮轴承是靠磁场力来悬浮轴颈，相对运动表面之间没有接触，不存在摩擦、磨损和接触疲劳产生的寿命问题，而电子元器件的可靠性在额定工作条件下大大高于机械零部件，所以磁悬浮轴承的寿命和可靠性均高于传统轴承。

(3)无需润滑。

磁悬浮轴承不存在润滑剂对环境的污染。在真空、超净无菌室和禁止润滑剂介质污染的应用场合，磁悬浮轴承具有无可比拟的优势。在一般应用场合，由于省掉了润滑油的存储、过滤、外冷却循环等设施，在价格和占有空间位置上也具有较强的竞争优势。

最后，机组系统在各种不同负荷条件下，达到最高能效，使机器实现整体30%左右节能，同时也可大幅度提高机组的使用寿命、效率及可靠性。