【壓縮機網(wǎng)】引言

　　能源是人類(lèi)進(jìn)化和社會(huì )發(fā)展過(guò)程重要的因素，人類(lèi)利用能源需要實(shí)現能量形式的轉化，如把熱能轉化為機械能，機械能轉化為電能，電能轉化為機械能等。機械旋轉是能量轉化的重要手段，通常轉速越高能量轉化的效率越高，轉化機械的能量密度越大，因而高速旋轉機械應運而生。

　　高速旋轉機械大體可分為三類(lèi)：高速電動(dòng)機械、高速發(fā)電機械、高速非電機械。1）高速電動(dòng)機械是指由高速電機驅動(dòng)的機械，實(shí)現電能到機械能再到更具體的能量形式的轉化，如鼓風(fēng)機、壓縮機等；2）高速發(fā)電機械是指由熱能、水能、風(fēng)能能轉化為機械旋轉帶動(dòng)高速發(fā)電機發(fā)電的機械，實(shí)現能源到機械能再到電能的轉換，如汽輪發(fā)電機、燃氣輪發(fā)電機等；3）高速非電機械是指不經(jīng)過(guò)電動(dòng)機或發(fā)電機，直接以機械能作為中間載體的能量轉換機械，例如由膨脹機直接帶動(dòng)壓縮機做功。

　　高速旋轉機械由高速軸承、高速動(dòng)力源、高速能量轉化裝置三個(gè)要素部分組成。高速旋轉對軸承帶來(lái)了巨大挑戰，高速帶來(lái)軸承線(xiàn)速度上升，對于接觸軸承來(lái)講機械摩擦引起的磨損和發(fā)熱都快速增加，潤滑代價(jià)增加，壽命極大降低，甚至根本無(wú)法運行，磁懸浮軸承從根本上解決了高速帶來(lái)的一系列支撐難題、無(wú)機械摩擦引起的磨損和發(fā)熱問(wèn)題，不需要潤滑，可以說(shuō)磁懸浮軸承為高速旋轉機械打開(kāi)了一扇大門(mén)。

　　在第1）類(lèi)高速電動(dòng)機械中，高速動(dòng)力源是高速電機，高速能量轉化是流體機械等轉化裝置；第2）類(lèi)高速發(fā)電機械是第1）類(lèi)高速電動(dòng)機械的逆操作；第3）類(lèi)旋轉機械則是前兩類(lèi)的結合，中間省略了發(fā)電和電動(dòng)機的轉化。一個(gè)典型的高速旋轉機械可以進(jìn)一步定義其組成包括：高速軸承、高速電動(dòng)機/發(fā)電機、高速能量轉化裝置，其中高速電動(dòng)機/發(fā)電機可統稱(chēng)為高速電機，下面分別進(jìn)行論述。

 

　　1 高速軸承

　　軸承是旋轉機械中支承轉子的關(guān)鍵部件，常規的軸承包括滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承、懸浮軸承，滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承都屬于接觸式軸承，雖然定轉子可能通過(guò)油膜不直接接觸，但本質(zhì)上油膜也不能承受過(guò)高的線(xiàn)速度，因而極大地限制了高速應用。懸浮軸承真正意義上不產(chǎn)生機械接觸，因而是高速軸承的主要解決方案，懸浮軸承包括磁懸浮軸承和空氣懸浮軸承，空氣懸浮軸承又分為靜壓軸承和動(dòng)壓軸承，由于空氣承載力較小，因而只限制在小功率轉子較輕的應用上；磁懸浮軸承有比非常寬的適應范圍，承載能力強，對工作介質(zhì)沒(méi)有特殊，真空中也可以運行，因而是最適合高速旋轉機械的軸承。

　　磁懸浮軸承技術(shù)萌芽于20世紀三十年代，德國和美國相繼有人成功的進(jìn)行了主動(dòng)磁懸浮系統的設計和實(shí)現，歐美發(fā)達國家在六七十年代開(kāi)始工程應用，最早以NASA等研究機構為主，之后歐洲較多學(xué)者和工程人員開(kāi)始研究，尤其以瑞士、德國、法國、芬蘭等較為集中。中國的系統性研究大概開(kāi)始于20世紀90年代，以清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)為代表。磁懸浮技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化始于歐洲，法國S2M公司1976年成立，開(kāi)始將研究轉化為工業(yè)應用，中國的產(chǎn)業(yè)化則整整晚了30年，代表性的企業(yè)有：飛旋科技成立于2006年，是國內首家從事磁懸浮軸承產(chǎn)品研發(fā)和推廣的專(zhuān)業(yè)公司；磁谷科技是第二家主要從事磁懸浮軸承技術(shù)研究、開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的公司[1]。

　　磁懸浮軸承是利用磁力使轉子懸浮于定子中心，從而獲得無(wú)接觸支承的一種電磁裝置。英國數學(xué)家Earnshaw從理論上證明了單純依靠永磁不能實(shí)現靜態(tài)下的全懸浮，因而采用主動(dòng)控制方法的主動(dòng)磁懸浮軸承(active magnetic bearing)是工業(yè)領(lǐng)域應用的主要懸浮形式[2]。主動(dòng)磁懸浮軸承由位移傳感器、軸承本體、控制器和輔助軸承等部分組成，軸承本體又分為兩組徑向軸承和一組軸向軸承，如圖1所示。主動(dòng)磁懸浮軸承本質(zhì)上是一套帶有閉環(huán)控制的電磁裝置，傳感器采集轉子的位移，控制器進(jìn)行控制算法實(shí)現，輸出控制電流控制軸承本體產(chǎn)生電磁場(chǎng)懸浮轉子。輔助軸承的作用是在轉子未懸浮狀態(tài)提供備用支承，或在緊急情況下提供保護。

　　磁懸浮軸承定轉子不接觸，不需要潤滑油或潤滑脂，沒(méi)有機械摩擦，可以支承轉子達到很高的線(xiàn)速度，打破了常規軸承的諸多限制，尤其在高速應用的場(chǎng)合，擁有無(wú)可比擬的優(yōu)勢，是一種革命性的軸承。

 

　　2 高速電機

　　高速電機在工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應用前景，既可以以電動(dòng)機的方式驅動(dòng)壓縮機等負載，也可以作為發(fā)電機配合汽輪機、燃氣輪機等工作。由于直連負載或原動(dòng)機，取消了變速箱和油潤滑系統，體積重量都大大減小。永磁電機相比電勵磁同步電機和異步電機，轉子沒(méi)有導條，不需要采用硅鋼片，因此具有極為簡(jiǎn)單和結實(shí)的轉子結構，非常適合高速運行。同時(shí)永磁電機轉子損耗非常小，具有天然的高效率優(yōu)勢，因此目前國內外的主流大功率高速電機多采用永磁電機方案[3]。

　　高速電機按照功率劃分，可以分為以下四個(gè)等級：1）小功率高速電機：功率在數十瓦至數千瓦范圍，轉速一般超過(guò)10萬(wàn)轉/分鐘；2）中小功率高速電機：功率為數十千瓦，轉速范圍一般在5～10萬(wàn)轉/分鐘；3）中等功率高速電機：功率為數百千瓦，轉速范圍一般在1～6萬(wàn)轉/分鐘；4）大功率高速電機：功率為數兆瓦，轉速范圍一般在0.6～2萬(wàn)轉/分鐘。第1）、2）類(lèi)高速電機主要可以用在慣性導航裝置、牙科磨頭、離心機、雕刻機、微型或小型電輔助渦輪增壓器、制冷壓縮機、微型或小型燃氣輪發(fā)電機系統、高速電主軸等。這兩類(lèi)的高速電機，國內外已取得了不少成果，許多相關(guān)技術(shù)基本成熟，其應用也日益廣泛。第3）類(lèi)高速電機可以應用在大型高速鼓風(fēng)機、大型空氣壓縮機和制冷壓縮機、大型儲能裝置等，這一類(lèi)高速電機近10年在工業(yè)領(lǐng)域得到了快速發(fā)展，涌現出一批國內外企業(yè)，鼓風(fēng)機、制冷壓縮機等都大量裝機。第4）類(lèi)高速電機的研究和應用在國際上很少，所見(jiàn)的報道僅有美國麻省理工學(xué)院研制的1.5萬(wàn)r/min、5MW高速感應發(fā)電機，以及美國Calnetix公司研制的1.9～2.25萬(wàn)r/min、2兆瓦高速永磁發(fā)電機。

　　高速電機取消了變速箱，直接驅動(dòng)負載，沒(méi)有傳動(dòng)損失，是一種革命性的電機。

 

　　3 高速能量轉化裝置

　　高速能量轉化裝置，是一種高速旋轉機械，是“高速”和“旋轉”兩個(gè)概念的復合，以高速旋轉為主要特征點(diǎn)，典型應用包括汽輪機、燃氣輪機、壓縮機、風(fēng)機、泵、水輪機、機床、航空發(fā)動(dòng)機等廣泛應用于電力、石化、冶金、環(huán)保、航空航天等領(lǐng)域。除機床、儲能飛輪等領(lǐng)域外，大多屬于流體機械。

　　流體機械是以流體為對象，進(jìn)行能量轉換的機械裝置，按照工作原理、結構可以大體分為容積式和動(dòng)力式兩種。動(dòng)力式流體機械通過(guò)葉片的高速旋轉和流體之間傳遞能量，也稱(chēng)為透平機械。以往，高速的獲得通過(guò)齒輪箱實(shí)現，隨著(zhù)磁懸浮軸承技術(shù)和高速電機技術(shù)的發(fā)展，高速直驅成為透平機械的首選解決方案。磁懸浮高速電機在處理空氣的鼓風(fēng)機、空壓機，處理工藝氣體的工藝壓縮機，處理冷媒的制冷壓縮機等領(lǐng)域都獲得了大量成功的應用。

　　三元流技術(shù)是我國科學(xué)家吳仲華首先提出的基礎理論[4]，目前已經(jīng)成為國際流體機械高效氣動(dòng)設計的通用性技術(shù)，通過(guò)把葉輪內部三元立體空間無(wú)限地分割，對葉輪流道各工作點(diǎn)進(jìn)行分析，建立完整的流動(dòng)數學(xué)模型，效率明顯提高，通常葉輪效率可以高達95%以上。

 

　　通常速度越高，能量轉換裝置的體積越小，能量密度越大，因而高速化是能量轉換裝置的發(fā)展趨勢。

 

　　4 磁懸浮高速旋轉機械及其市場(chǎng)分析

　　采用磁懸浮軸承支承，高速電機直接驅動(dòng)高速能量轉化裝置工作，就產(chǎn)生了高速旋轉機械這一革命性的機械形式。磁懸浮高速旋轉機械結合了磁懸浮軸承無(wú)摩擦、無(wú)需潤滑的優(yōu)點(diǎn)，高速電機傳動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)，以及高速能量轉化裝置轉化效率高的優(yōu)點(diǎn)于一身，體積遠小于傳統機械，節約制造材料；效率高，節約能源；不需要潤滑油機械維護簡(jiǎn)單，節約使用成本；壽命更長(cháng)，節約設備投資。從整個(gè)生命周期來(lái)看，能夠減少大量二氧化碳的排放。隨著(zhù)國家對產(chǎn)業(yè)升級和節能減排的大力推動(dòng)，高速化成為旋轉機械的大勢所趨，其市場(chǎng)空間廣闊。

　　軸承方面，2020年，全國軸承行業(yè)營(yíng)業(yè)收入達到1930億元[5]，隨著(zhù)旋轉機械高速化的進(jìn)程推動(dòng)，磁懸浮軸承將會(huì )占據越來(lái)越多的份額，即使按照1/10的份額計算，也將達到100億規模。

　　電機方面，2020年全國工業(yè)電機產(chǎn)量為32334.1萬(wàn)千瓦，銷(xiāo)售收入達到3291.4億元[6]。平均單位千瓦售價(jià)約1000元/千瓦，目前磁懸浮高速電機的售價(jià)大概在1500元/千瓦高于該平均值，但隨著(zhù)批量生產(chǎn)帶來(lái)的規模效應，當磁懸浮高速電機年產(chǎn)量達到200萬(wàn)千瓦時(shí)（即年產(chǎn)20000臺100千瓦電機），即可達到1000元/千瓦的平均線(xiàn)，對應銷(xiāo)售收入20億元。加之高速化附帶的對增速齒輪箱的替代，磁懸浮高速電機的發(fā)展空間巨大，至少應達到500億市場(chǎng)規模。

　　按照國民經(jīng)濟分類(lèi)，能量轉化裝置可以歸屬于通用設備制造領(lǐng)域，涵蓋內燃機、汽輪機、泵及真空設備、氣體壓縮機械、風(fēng)機、制冷、空調設備等眾多領(lǐng)域，2020年通用設備制造業(yè)銷(xiāo)售收入40065.7億元[7]，其中磁懸浮高速旋轉機械可以覆蓋的范圍在1000億規模。

 

　　5 結論

　　磁懸浮高速旋轉機械是磁懸浮軸承、高速電機、高速能量轉換裝置的有機結合體，是一種動(dòng)力的革命，是我國實(shí)現裝備制造業(yè)升級和換道超車(chē)的重要機遇。

 

　　參考文獻

　　[1] 張維煜, 朱熀秋, 袁野. 磁懸浮軸承應用發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(012):12-20.

　　[2] CHWEITZER. 主動(dòng)磁軸承基礎、性能及應用[M]. 虞烈，袁崇軍譯，北京:新時(shí)代出版社，1997

　　[3] 張鳳閣，杜光輝，王天等. 高速電機發(fā)展與設計綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報，2016，4(7)

　　[4] Chong-hua Wu. A General Though-Flow Theory of Fluid Flow With Subsonic or Supersonic Velocity in Turbomachines of Arbitrary Hub and Casing Shapes [J].NACA TN2302，1952

　　[5] 中商情報網(wǎng)

　　[6] 前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《中國工業(yè)電機行業(yè)發(fā)展前景預測與投資戰略規劃分析報告》

　　[7] 國家統計局

 

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