近年來 ，在我國"碳達峰"和“碳中和”綠色發展目標的推動下，清潔能源的需求日漸強烈， 磁懸浮中央空調進入了市場應用的快速發展期。海爾、美的、格力，天加等國優品牌空調制冷巨頭紛紛推出商用磁懸浮中央空調產品 ，部分高端家用變頻空調也開始采用磁懸浮壓縮機。有關磁懸浮中央空調的技術起源，工作原理以及技術核心與優點等等，對大部分用戶來說都比較陌生。下面，廣州旗興公司凈化工程師從相關制冷技術學術領域，整理分享以下有關“磁懸浮空調”研究綜述。

一 、磁懸浮中央空調的發展歷程

制冷空調行業，屬于工業應用高能源消耗的主要領域之一，隨著全球氣候變暖和環境問題日益突出, 研發節能環保型制冷技術成為空調行業的必然發展路徑。

磁懸浮空調脫胎于磁懸浮技術與制冷工藝的交磁懸浮技術，起源于20世紀初高速列車、飛輪儲能等領域的應用，到了 1980年代，隨著電力電子和數字控制技術的進步，磁懸浮技術開始向通用機電設備拓展，如磁懸浮鼓風機、磁懸浮離心機等[2]。

將磁懸浮技術引入空調壓縮機，最早可追溯到90年代初。1991年,美國Glacier公司首次提出利用主動磁懸浮軸承實現離心式制冷壓縮機油潤滑的設想[3]。此后,各國研究機構和企業開始了磁懸浮壓縮機的技術探索。1994年,韓國三星電子研制出首臺磁懸浮離心壓縮機樣機，標志著磁懸浮技術在空調領域的研發成功[4]。2006年，日本大金工業株式會社也發布了磁懸浮離心式冷水機組，顯著提高了制冷效率，大幅實現環保節能[5]。

二、磁懸浮空調的技術原理

磁懸浮壓縮機是磁懸浮中央空調的核心部件，它包含磁懸浮軸承、永磁同步電機和離心壓縮機三部分。磁懸浮軸承采用徑向和軸向主動磁軸承，分別實現轉子在徑向和軸向的懸浮控制，保證轉子在非接觸狀態下高速旋轉[6]。

磁懸浮工作過程為:徑向磁軸承的感應線圈檢測到轉子位移信號后,反饋給控制器；控制器分析位移,并計算出所需的校正電流,驅動執行線圈產生相應的電磁力,對轉子進行平衡校正,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]。

磁懸浮壓縮機采用內置永磁同步電機直接驅動,通過改變定子繞組的電流頻率,實現無級調速。離心葉輪與電機轉子直接同軸連接,高速旋轉產生的離心力輸送氣體,實現升壓。制冷系統的工作過程為:電機驅動離心葉輪高速旋轉,氣態制冷劑從蒸發器吸入壓縮機,經過葉輪壓縮后溫度和壓力升高,變為高溫高壓的過熱蒸汽,隨后進入冷凝器冷凝放熱,凝結為高壓液體。高壓液體再經節流裝置節流降壓,進入蒸發器吸熱蒸發,完成制冷循環[8]。

三、磁懸浮空調的幾個關鍵技術

(一)磁懸浮軸承技術

磁懸浮軸承是整個系統的關鍵部件,其性能直接影響壓縮機運行的穩定性和可靠性。常見的磁懸浮軸承類型有主動磁軸承(AMB)、混合磁軸承(HMB)、無控制永磁軸承(PMB)等[9]。其中,AMB采用電磁鐵產生懸浮力,可通過改變線圈電流實現主動控制,在高速、重載工況下應用廣泛。但其結構復雜,控制難度大,成本較高。HMB結合了永磁體的被動懸浮力和電磁鐵的主動控制力,在降低成本的同時,實現了對轉子位置的精確控制。PMB利用永磁體排斥力實現懸浮,無需外加控制和能量輸入,結構簡單,但載荷能力有限。設計磁懸浮軸承時,需要在承載力、剛度、阻尼、功耗等性能間進行平衡,匹配合理的電磁參數與結構尺寸。

(二)高速電機技術

磁懸浮壓縮機多采用高速永磁同步電機直接驅動，通過變頻調速實現寬范圍運行。高速電機轉子表面貼裝永磁體,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]。但高速運行也帶來了轉子動平衡、軸承損耗、氣隙磁場畸變等問題,設計時需進行專門的優化校核，如采用整體鑄銅轉子、六相錯位繞組等措施提升電機性能。

(三)壓縮機氣動設計

壓縮機的氣動設計直接決定了制冷效率和可靠性。 磁懸浮離心壓縮機由于轉速高,級數少,葉輪流道尺寸小,設計時必須重點關注尺度效應和黏性損失[11]。

首先，需要根據制冷量和壓比選擇合適的型線，確定葉輪進出口幾何參數，采用CFD方法對葉輪內部流場進行模擬分析與性能預測,并結合試驗數據對葉型進行反復優化,以期在滿足強度的同時獲得高效、寬工況的氣動性能。

其次還需對無葉擴壓器進行合理設計,在滿足壓力恢復系數的同時,降低湍流損失和氣流脈動。 在整機裝配時,應優化葉輪與蝸殼、進出口管路的配合,最大限度減小氣動噪聲。

(四)懸浮轉子動力學

高速旋轉下壓縮機轉子會受到氣動力、電磁力、重力等的耦合作用，軸系的固有頻率、臨界轉速、不平衡響應直接影響系統的懸浮穩定性。因此,在設計階段必須開展懸浮轉子動力學特性分析[12]。利用有限元軟件建立轉子-軸承-機架耦合模型,計算系統的固有振型和頻響函數,識別共振點。結合實際試驗數據,對模型進行修正,獲得振型相似度和頻率吻合度高的動力學模型。在此基礎上開展臨界轉速、不平衡量、碰摩裕度的分析計算,制定抑制共振的結構改進措施,并指導現場動平衡試驗。磁懸浮系統還應進行抗沖擊載荷的瞬態分析,模擬在different懸浮方案、不同沖擊載荷下的碰摩概率,優化保護策略,確保壓縮機運行安全可靠。

(五)磁懸浮控制技術

磁懸浮壓縮機能否實現穩定懸浮,很大程度上取決于控制系統的性能。通常采用基于PID的徑向位移-電流雙閉環控制,并輔以自適應濾波、魯棒控制等智能控制手段,在滿足快速響應的同時,保證較強的抗干擾能力[13]。對于強耦合、非線性的磁懸浮系統,可采用現代控制理論進行解耦與線性化,如魯棒控制、最優控制、滑模變結構控制等,獲得更優的動態特性和穩定裕度。

在此基礎上,還可引入人工智能算法,通過自學習、自適應提高控制器的魯棒性。考慮到壓縮機在啟動、停機、失電等工況下有碰摩風險,還需設計專門的保護控制邏輯,通過能量回饋、自復位等策略,確保壓縮機的安全運行。

四、磁懸浮空調的優點與不足

（全文轉載于學術類公眾號）

參考文獻: