一種磁懸浮技術(shù)的家用空調(diào)無油壓縮機(jī)設(shè)計

武漢理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 邱鋮鋮 葉婷婷 向林明武漢理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心 鄭衛(wèi)剛

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一種磁懸浮技術(shù)的家用空調(diào)無油壓縮機(jī)設(shè)計

武漢理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 邱鋮鋮 葉婷婷 向林明
武漢理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心 鄭衛(wèi)剛

【摘要】針對目前家用空調(diào)因機(jī)械軸承摩擦耗能大、噪聲大以及因潤滑油隨制冷劑傳遞帶來制冷效率降低等缺陷，提出一種基于磁懸浮技術(shù)的新型家用無油空調(diào)壓縮機(jī)技術(shù)，并驗證了其設(shè)計可行性。

【關(guān)鍵詞】磁懸浮家用空調(diào)壓縮機(jī)；無油；節(jié)能減排；減噪

1　引言

隨著工業(yè)化程度的不斷提高以及人們生活質(zhì)量的不斷提高，家用空調(diào)得到廣泛普及，造成大量能源的消耗、噪聲污染嚴(yán)重。目前家用空調(diào)的節(jié)能減排工作達(dá)到瓶頸，很難在現(xiàn)有技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新節(jié)能。國家對節(jié)能減排工作一直在持續(xù)推進(jìn)，節(jié)能消費也成為空調(diào)用戶新的訴求和痛點。而目前家用空調(diào)中因轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中機(jī)械軸承產(chǎn)生巨大摩擦，造成空調(diào)壓縮機(jī)的能耗大、效率降低、溫度上升，出現(xiàn)振動和噪聲，使得表面磨損、配合間隙增大，導(dǎo)致壓縮機(jī)性能下降。同時，潤滑油系統(tǒng)在壓縮機(jī)中必不可少，潤滑油會隨著制冷劑的傳遞造成熱阻，致使制冷效率下降。為此，提出了基于磁懸浮技術(shù)的新型家用無油空調(diào)壓縮機(jī)設(shè)計，并進(jìn)行了理論分析與研究。

2　主體結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

基于磁懸浮技術(shù)的壓縮機(jī)利用可調(diào)電流在電磁鐵上產(chǎn)生非接觸的電磁力來控制轉(zhuǎn)子在空間中的位置，使軸承沒有物理的接觸。位移傳感器時刻監(jiān)測轉(zhuǎn)子的位置，以及時調(diào)整電流大小進(jìn)而調(diào)整磁場力大小，使得轉(zhuǎn)子偏移到中心位置。圖1為簡單磁懸浮系統(tǒng)，它是由轉(zhuǎn)子、位移傳感器、控制器和執(zhí)行器4部分組成，其中執(zhí)行器包括電磁鐵和功率放大器兩部分。假設(shè)在參考位置上，轉(zhuǎn)子受到一個向下的擾動，就會偏離其參考位置，這時傳感器檢測出轉(zhuǎn)子偏離參考點位置?？刂破鞯奈⑻幚砥鲗z測得到的位移變換成控制信號。然后功率放大器將這一控制信號轉(zhuǎn)換成控制電流，控制電流在執(zhí)行磁鐵中產(chǎn)生磁力，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子返回到原來平衡位置。因此，不論轉(zhuǎn)子受到向下或向上的擾動，轉(zhuǎn)子始終能處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。

圖1　簡單磁懸浮系統(tǒng)圖

磁懸浮軸承能夠?qū)崿F(xiàn)無直接機(jī)械接觸，不需潤滑，摩擦阻力減小，適用壽命長，在極端環(huán)境下運行，如極高和極低的溫度、極高的溫度、極高的真空或在淹沒情況下的應(yīng)用，滿足家用空調(diào)壓縮機(jī)使用環(huán)境。

如圖2是壓縮機(jī)中轉(zhuǎn)子以及磁懸浮軸承的裝配示意圖。圖1中輔助軸承，作為磁懸浮系統(tǒng)中的保護(hù)軸承，當(dāng)壓縮機(jī)處于非工作狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子置于保護(hù)軸承上面。當(dāng)壓縮機(jī)處于工作狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子懸浮于空中，與輔助軸承脫離。輔助軸承在壓縮機(jī)系統(tǒng)中起到保護(hù)轉(zhuǎn)子與壓縮機(jī)其它結(jié)構(gòu)的作用。圖2中徑向傳感器監(jiān)測轉(zhuǎn)子徑向偏移，圖中8軸向傳感器監(jiān)測轉(zhuǎn)子軸向偏移。兩者共同完成對轉(zhuǎn)子在空間中的位移監(jiān)測，使得轉(zhuǎn)子始終處于中心位置旋轉(zhuǎn)。圖3中前徑向軸承和7后徑向軸承饒有線圈，在通電情況下，繞組線圈根據(jù)電生磁原理產(chǎn)生環(huán)形磁場，轉(zhuǎn)子在此力作用下懸浮在空間中，與軸承間沒有摩擦力，達(dá)到節(jié)能效果。

圖2　磁懸浮系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

圖3　徑向軸承示意圖

圖4　推力軸承示意圖

磁懸浮軸承由徑向控制和軸向控制軸承組成。徑向軸承將承受壓

縮機(jī)重力、轉(zhuǎn)子離心力、電磁力作用，三力平衡使得轉(zhuǎn)子始終位于空間中心轉(zhuǎn)動。電磁繞組由八級線圈組成，分別控制X、Y、Z 向轉(zhuǎn)子力。繞組線圈通電根據(jù)電生磁原理產(chǎn)生磁場，帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)子離心力的改變導(dǎo)致合力變化，進(jìn)而引起電流變化從而調(diào)整電磁力大小，轉(zhuǎn)子恢復(fù)平衡位置。圖3前徑向軸承3和后徑向軸承7制約徑向兩個平動和轉(zhuǎn)動，軸向軸承4制約軸向運動。

3　性能分析

預(yù)估計，至2020年我國還要建設(shè)大約100億平方米的公共建筑。假定平均每年建設(shè)6-7億平方米，若采用磁懸浮技術(shù)的空調(diào)壓縮機(jī)，與現(xiàn)在的建筑能耗相比，每年可節(jié)省的電能總計為18億度，綜合經(jīng)濟(jì)效益可節(jié)約資金16億元，新增產(chǎn)值83億元。而如果將現(xiàn)有15％建筑的空調(diào)主機(jī)改造為磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組，那么可以節(jié)約電能14億度，綜合經(jīng)濟(jì)效益可節(jié)約資金13億元，新增產(chǎn)值64億元以上。

4　結(jié)論

磁懸浮技術(shù)應(yīng)用到家用低速空調(diào)壓縮機(jī)，并且改進(jìn)無油壓縮機(jī)，兩者有機(jī)融合，解決機(jī)械軸承摩擦耗能大、潤滑油造成熱阻增大的缺點，真正實現(xiàn)節(jié)能減排。對于國家節(jié)能減排工作具有深遠(yuǎn)意義。

參考文獻(xiàn)

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邱鋮鋮（1992—），男，山東人，大學(xué)本科，研究方向：機(jī)電技術(shù)，壓縮機(jī)制冷技術(shù)。

鄭衛(wèi)剛（1967—），男，湖北武漢人，大學(xué)本科，技師，主要研究方向：機(jī)電技術(shù)。

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