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解析磁悬浮高速旋转机械三要素

   引言

  能源是人类进化和社会发展过程重要的因素,人类利用能源需要实现能量形式的转化,如把热能转化为机械能,机械能转化为电能,电能转化为机械能等。机械旋转是能量转化的重要手段,通常转速越高能量转化的效率越高,转化机械的能量密度越大,因而高速旋转机械应运而生。
  高速旋转机械大体可分为三类:高速电动机械、高速发电机械、高速非电机械。1)高速电动机械是指由高速电机驱动的机械,实现电能到机械能再到更具体的能量形式的转化,如鼓风机、压缩机等;2)高速发电机械是指由热能、水能、风能能转化为机械旋转带动高速发电机发电的机械,实现能源到机械能再到电能的转换,如汽轮发电机、燃气轮发电机等;3)高速非电机械是指不经过电动机或发电机,直接以机械能作为中间载体的能量转换机械,例如由膨胀机直接带动压缩机做功。
  高速旋转机械由高速轴承、高速动力源、高速能量转化装置三个要素部分组成。高速旋转对轴承带来了巨大挑战,高速带来轴承线速度上升,对于接触轴承来讲机械摩擦引起的磨损和发热都快速增加,润滑代价增加,寿命极大降低,甚至根本无法运行,磁悬浮轴承从根本上解决了高速带来的一系列支撑难题、无机械摩擦引起的磨损和发热问题,不需要润滑,可以说磁悬浮轴承为高速旋转机械打开了一扇大门。
  在第1)类高速电动机械中,高速动力源是高速电机,高速能量转化是流体机械等转化装置;第2)类高速发电机械是第1)类高速电动机械的逆操作;第3)类旋转机械则是前两类的结合,中间省略了发电和电动机的转化。一个典型的高速旋转机械可以进一步定义其组成包括:高速轴承、高速电动机/发电机、高速能量转化装置,其中高速电动机/发电机可统称为高速电机,下面分别进行论述。
 
  1 高速轴承
  轴承是旋转机械中支承转子的关键部件,常规的轴承包括滚动轴承、滑动轴承、悬浮轴承,滚动轴承和滑动轴承都属于接触式轴承,虽然定转子可能通过油膜不直接接触,但本质上油膜也不能承受过高的线速度,因而极大地限制了高速应用。悬浮轴承真正意义上不产生机械接触,因而是高速轴承的主要解决方案,悬浮轴承包括磁悬浮轴承和空气悬浮轴承,空气悬浮轴承又分为静压轴承和动压轴承,由于空气承载力较小,因而只限制在小功率转子较轻的应用上;磁悬浮轴承有比非常宽的适应范围,承载能力强,对工作介质没有特殊,真空中也可以运行,因而是最适合高速旋转机械的轴承。
  磁悬浮轴承技术萌芽于20世纪三十年代,德国和美国相继有人成功的进行了主动磁悬浮系统的设计和实现,欧美发达国家在六七十年代开始工程应用,最早以NASA等研究机构为主,之后欧洲较多学者和工程人员开始研究,尤其以瑞士、德国、法国、芬兰等较为集中。中国的系统性研究大概开始于20世纪90年代,以清华大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学为代表。磁悬浮技术的产业化始于欧洲,法国S2M公司1976年成立,开始将研究转化为工业应用,中国的产业化则整整晚了30年,代表性的企业有:飞旋科技成立于2006年,是国内首家从事磁悬浮轴承产品研发和推广的专业公司;磁谷科技是第二家主要从事磁悬浮轴承技术研究、开发和产业化的公司[1]。
  磁悬浮轴承是利用磁力使转子悬浮于定子中心,从而获得无接触支承的一种电磁装置。英国数学家Earnshaw从理论上证明了单纯依靠永磁不能实现静态下的全悬浮,因而采用主动控制方法的主动磁悬浮轴承(active magnetic bearing)是工业领域应用的主要悬浮形式[2]。主动磁悬浮轴承由位移传感器、轴承本体、控制器和辅助轴承等部分组成,轴承本体又分为两组径向轴承和一组轴向轴承,如图1所示。主动磁悬浮轴承本质上是一套带有闭环控制的电磁装置,传感器采集转子的位移,控制器进行控制算法实现,输出控制电流控制轴承本体产生电磁场悬浮转子。辅助轴承的作用是在转子未悬浮状态提供备用支承,或在紧急情况下提供保护。
解析磁悬浮高速旋转机械三要素
  磁悬浮轴承定转子不接触,不需要润滑油或润滑脂,没有机械摩擦,可以支承转子达到很高的线速度,打破了常规轴承的诸多限制,尤其在高速应用的场合,拥有无可比拟的优势,是一种革命性的轴承。
 
  2 高速电机
  高速电机在工业领域有广泛的应用前景,既可以以电动机的方式驱动压缩机等负载,也可以作为发电机配合汽轮机、燃气轮机等工作。由于直连负载或原动机,取消了变速箱和油润滑系统,体积重量都大大减小。永磁电机相比电励磁同步电机和异步电机,转子没有导条,不需要采用硅钢片,因此具有极为简单和结实的转子结构,非常适合高速运行。同时永磁电机转子损耗非常小,具有天然的高效率优势,因此目前国内外的主流大功率高速电机多采用永磁电机方案[3]。
  高速电机按照功率划分,可以分为以下四个等级:1)小功率高速电机:功率在数十瓦至数千瓦范围,转速一般超过10万转/分钟;2)中小功率高速电机:功率为数十千瓦,转速范围一般在5~10万转/分钟;3)中等功率高速电机:功率为数百千瓦,转速范围一般在1~6万转/分钟;4)大功率高速电机:功率为数兆瓦,转速范围一般在0.6~2万转/分钟。第1)、2)类高速电机主要可以用在惯性导航装置、牙科磨头、离心机、雕刻机、微型或小型电辅助涡轮增压器、制冷压缩机、微型或小型燃气轮发电机系统、高速电主轴等。这两类的高速电机,国内外已取得了不少成果,许多相关技术基本成熟,其应用也日益广泛。第3)类高速电机可以应用在大型高速鼓风机、大型空气压缩机和制冷压缩机、大型储能装置等,这一类高速电机近10年在工业领域得到了快速发展,涌现出一批国内外企业,鼓风机、制冷压缩机等都大量装机。第4)类高速电机的研究和应用在国际上很少,所见的报道仅有美国麻省理工学院研制的1.5万r/min、5MW高速感应发电机,以及美国Calnetix公司研制的1.9~2.25万r/min、2兆瓦高速永磁发电机。
  高速电机取消了变速箱,直接驱动负载,没有传动损失,是一种革命性的电机。
 
  3 高速能量转化装置
  高速能量转化装置,是一种高速旋转机械,是“高速”和“旋转”两个概念的复合,以高速旋转为主要特征点,典型应用包括汽轮机、燃气轮机、压缩机、风机、泵、水轮机、机床、航空发动机等广泛应用于电力、石化、冶金、环保、航空航天等领域。除机床、储能飞轮等领域外,大多属于流体机械。
  流体机械是以流体为对象,进行能量转换的机械装置,按照工作原理、结构可以大体分为容积式和动力式两种。动力式流体机械通过叶片的高速旋转和流体之间传递能量,也称为透平机械。以往,高速的获得通过齿轮箱实现,随着磁悬浮轴承技术和高速电机技术的发展,高速直驱成为透平机械的首选解决方案。磁悬浮高速电机在处理空气的鼓风机、空压机,处理工艺气体的工艺压缩机,处理冷媒的制冷压缩机等领域都获得了大量成功的应用。
  三元流技术是我国科学家吴仲华首先提出的基础理论[4],目前已经成为国际流体机械高效气动设计的通用性技术,通过把叶轮内部三元立体空间无限地分割,对叶轮流道各工作点进行分析,建立完整的流动数学模型,效率明显提高,通常叶轮效率可以高达95%以上。
 
  通常速度越高,能量转换装置的体积越小,能量密度越大,因而高速化是能量转换装置的发展趋势。
 
  4 磁悬浮高速旋转机械及其市场分析
  采用磁悬浮轴承支承,高速电机直接驱动高速能量转化装置工作,就产生了高速旋转机械这一革命性的机械形式。磁悬浮高速旋转机械结合了磁悬浮轴承无摩擦、无需润滑的优点,高速电机传动效率高的优点,以及高速能量转化装置转化效率高的优点于一身,体积远小于传统机械,节约制造材料;效率高,节约能源;不需要润滑油机械维护简单,节约使用成本;寿命更长,节约设备投资。从整个生命周期来看,能够减少大量二氧化碳的排放。随着国家对产业升级和节能减排的大力推动,高速化成为旋转机械的大势所趋,其市场空间广阔。
  轴承方面,2020年,全国轴承行业营业收入达到1930亿元[5],随着旋转机械高速化的进程推动,磁悬浮轴承将会占据越来越多的份额,即使按照1/10的份额计算,也将达到100亿规模。
  电机方面,2020年全国工业电机产量为32334.1万千瓦,销售收入达到3291.4亿元[6]。平均单位千瓦售价约1000元/千瓦,目前磁悬浮高速电机的售价大概在1500元/千瓦高于该平均值,但随着批量生产带来的规模效应,当磁悬浮高速电机年产量达到200万千瓦时(即年产20000台100千瓦电机),即可达到1000元/千瓦的平均线,对应销售收入20亿元。加之高速化附带的对增速齿轮箱的替代,磁悬浮高速电机的发展空间巨大,至少应达到500亿市场规模。
  按照国民经济分类,能量转化装置可以归属于通用设备制造领域,涵盖内燃机、汽轮机、泵及真空设备、气体压缩机械、风机、制冷、空调设备等众多领域,2020年通用设备制造业销售收入40065.7亿元[7],其中磁悬浮高速旋转机械可以覆盖的范围在1000亿规模。
 
  5 结论
  磁悬浮高速旋转机械是磁悬浮轴承、高速电机、高速能量转换装置的有机结合体,是一种动力的革命,是我国实现装备制造业升级和换道超车的重要机遇。
 
  参考文献
  [1] 张维煜, 朱熀秋, 袁野. 磁悬浮轴承应用发展及关键技术综述[J]. 电工技术学报, 2015, 30(012):12-20.
  [2] CHWEITZER. 主动磁轴承基础、性能及应用[M]. 虞烈,袁崇军译,北京:新时代出版社,1997
  [3] 张凤阁,杜光辉,王天等. 高速电机发展与设计综述[J].电工技术学报,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] 中商情报网
  [6] 前瞻产业研究院《中国工业电机行业发展前景预测与投资战略规划分析报告》
  [7] 国家统计局
解析磁悬浮高速旋转机械三要素

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