GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船2019年第5期（总第168期） 设计与研究船用磁悬浮制冷压缩机的发展及应用李徐嘉（海装驻广州地区第三军代表室，广州 510000）摘 要：舰船冷水机组普遍采用螺杆或活塞制冷压缩机，其不仅转速较低，而且转动频率及倍频振动加速度大。磁悬浮技术应用于制冷压缩机，工作过程中无任何摩擦，且主轴转速极高，可有效改善低频段振动和噪声。基于磁悬浮技术的特点和优势，希望能通过船用化研究实现舰船冷水机组振动和噪声的大幅度改善。关键词：磁悬浮；冷水机组；振动；船用化中图分类号：U6.5 文献标识码：ADevelopment and application of marine magnetic suspension refrigeration compressor LI Xujia( Guangzhou Office of Naval Equipment Department, Guangzhou 510250 )Abstract: Screw or piston refrigeration compressor is commonly used in marine water chillers, which has a low rotating speed and large vibration acceleration of rotation frequency and frequency multiplication. The measured vibration acceleration level of screw chillers ranges from10Hz to 315Hz, and it is difficult to reduce vibration in low frequency band. Little effect has been achieved by improving machining precision and assembly technology. Maglev technology is applied to refrigeration compressor, without any friction in the working process, and the rotating speed of the main shaft is extremely high, the rotating frequency is much higher than 315Hz, which can effectively improve low-frequency vibration and noise. Based on the characteristics and advantages of maglev technology, it is hoped that the vibration and noise of marine water chillers can be greatly improved through marinization research.Key words: Magnetic levitation; Water chilling unit; Vibration; Marinization1 引言冷水机组是舰船空调通风系统的核心设备，它向各个舱室及武备机柜提供冷源，以保障舰员工作生活环境的舒适性和设备运行的可靠性。近年来，随着我国海军由近海防御向远洋护卫的战略性转变，对舰船设备国产化、隐身性、可靠性等提出了更高的要求。振动指标关乎舰船隐身性能优劣，对舰船冷水机组振动指标的要求增加了1/3oct限值线的控制，从而更加贴合雷达探测技术的发展，尤其是对10Hz~315Hz低频段加大了控制力度。目前我国舰船冷水机组普遍采用螺杆式或活塞式制冷压缩机，转速低，在转频10Hz~315Hz内转频振动和多个倍频振动大，且低频段减振难度大，受限于压缩机运转时机械接触摩擦，通过改善加工精度、装配工艺等手段取得的减振成效甚微。基于海军对舰船冷水机组隐身性能要求的提升，结合当前行业现状，本文对磁悬浮技术船用化发展进行相关阐述。2 磁悬浮技术原理磁悬浮技术是集电磁、机械、传感、控制、以及转子动力学等多学科高度融合的交叉体。关键核心技术有高速电机、核心零件加工和控制技术。磁悬浮系统如图1所示：位移传感器将检测到的转子位移信号输送给数字控制器；数字控制器根据一定的控制算法产生相应的控制信号并输送给功率放大器；功率放大器将得到的控制信号转换成控制电流给到电磁铁；电磁铁产生相应的控制力，使转子回到平衡位置。作者简介：李徐嘉（1985-），男，工程师。主要从事舰船轮机专业的设计建造工作。收稿日期：2019-08-0151广东造船168期.indb 512019/11/9 14:10:35 广东造船2019年第5期（总第168期） 磁悬浮电机可实现变频调速、配置高效换热管和自动化控制设施等先进技术措施。据悉美国海军最新研制的磁悬浮冷水机组已完成了船用环境的考核验证，并于近两年开始装配于新建表1压缩机实测参数对比压缩机类型造的海军舰船。制冷量COP重量（kg）尺寸（mm）磁悬浮压缩机3.2 国内现状400kW4.8350775×650×480螺杆压缩机300kW目前国内在船用空调通风系统上尚未进行深入的3.9001670×705×958图1 磁悬浮系统磁悬浮轴承是利用电磁力将被支承件稳定悬浮在能效提升研究。在压缩机方面，早期选用的压缩机均叶轮位置传感器径向轴承电机驱动器后径向轴承轴向轴承空间、使支承件与被支承件之间没有机械接触的一种为进口品牌并以活塞压缩机为主，存在振动大、噪声高、电机转轴高性能轴承。磁悬浮轴承系统由转子、电磁铁、位移保障性差的问题；近些年自制螺杆式制冷压缩机逐步传感器、轴承控制器组成，如图图1磁悬浮系统磁悬浮轴承控制器2所示。替代了活塞压缩机，在一定程度上降低了机组的振动、噪声，保障性也得到提高。但是螺杆式压缩机也存在图2磁悬浮轴承布置图一定的缺点，其转频较低，在低频10 Hz~315 Hz范围叶轮位置传感器前径向轴承电机驱动器后径向轴承轴向轴承内的振动加速度级不能很好满足舰船隐身性的发展需电机求，同时在能效方面一直没有大幅的提升；目前现役转轴冷水机组的COP一般在3.5~4.0之间、全年综合能效NPLV在4.0~4.6之间、噪声在82 dB(A)左右、振动加速度（压缩机）约132~140 dB。磁悬浮轴承控制器近年来随着制冷压缩机技术的不断发展,小型离心图4图磁悬浮压缩机与螺杆压缩机振动2 磁悬浮轴承布置图式制冷压缩机成为研究热点，尤其是磁悬浮制冷压缩采用磁悬浮系统取消了传统齿轮传动系统，压缩性机以高可靠性、高能效、低噪声的特点成为中长期发机运行无机械接触和摩擦，压缩机振动小、噪声低、展方向。变频技术、磁悬浮技术在民用系统的应用，体积小、重量轻；完全取消掉了润滑系统，能效更高；大幅地提高了压缩机的能效，特别是在部分负荷运行混合式磁悬浮轴承、一体化高精度位置传感器，实现时的综合能效。了磁悬浮轴承的高精度控制，悬浮精度可达5μm，可目前国内开展磁悬浮技术研究的厂家众多，但能靠性更高。将磁悬浮技术成功应用于制冷压缩机的企业凤毛麟角，仅有一两家实力较为雄厚的企业投入研发力量进行磁图5磁悬浮压缩机噪声特性3 磁悬浮技术现状悬浮技术的船用化研究和应用。纵观舰船空调冷水机组发展现状和趋势，能耗和3.1 国外现状隐身性能是发展的重点。磁悬浮技术作为解决能耗和美国海军在高耗能装备大量上舰、全舰供冷能耗隐身性能的两大技术难点的重点技术方向之一，在欧日益紧张的背景下，对其已装和未来装备的空调通风美等发达国家的船用化研究和应用已趋于成熟，我国系统进行评估，同时规划了关键技术发展方向，于还处于初期研究阶段。2007年完成了“二十一世纪美国海军战斗舰艇空调通风系统发展报告”，对增强系统整体高效节能运行能力提出了明确要求。4 磁悬浮技术特点近十年来美国海军展开了第一阶段（2010~2017年）4.1 振动、噪声特性关键设备的研制工作，其中就包括了新一代舰用冷水磁悬浮离心式制冷压缩机采用磁悬浮技术，转轴机组。美国海托约克（YORK）公司开展新一代处于悬浮状态，无任何机械摩擦；同时主轴转速可以舰用冷水机组的研制，要求与现役机组相比能耗降低达到23 000~30 000转，转频远高于355 Hz，可以确保25％、制冷能力提高50％、可靠运行时间提高2倍、10Hz~315Hz频带振动更好。制冷剂泄露量减少90%。新一代冷水机组主要采用了磁悬浮制冷压缩机与螺杆式制冷压缩机的振动、噪声特性对比，如图3、图4所示。52广东造船168期.indb 522019/11/9 14:10:35磁悬浮轴承控制器图2磁悬浮轴承布置图轴承控制器磁悬浮图2磁悬浮轴承布置图GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船2019年第5期（总第168期） 设计与研究表1 压缩机实测参数对比表1压缩机实测参数对比压缩机类型磁悬浮压缩机螺杆压缩机制冷量400kW300kWCOP4.83.98重量（kg）350900尺寸（mm）775×650×4801670×705×958由表1可以看出：磁悬浮制冷压缩机比螺杆式叶轮位置传感器径向轴承电机驱动器后径向轴承轴向轴承压缩机制冷能力大30%、能效提高21%、重量减少61%、体积减小50%、全年综合能效比高达7.0，节能效果非常显著。电机转轴图4磁悬浮压缩机与螺杆压缩机振动性图3 磁悬浮压缩机与螺杆压缩机振动性磁悬浮轴承控制器图2磁悬浮轴承布置图5 磁悬浮技术船用化难题5.1 振动、冲击环境下的可靠性磁悬浮压缩机处于悬浮状态下高速运转，依靠电磁场力进行位置及平衡性控制。当面临外界强力冲击、振动应力时，如何确保主轴依然能够稳定运转、避免磕碰磁悬浮轴承从而造成损伤、甚至失效，是磁悬浮技术船用化最大的难题。5.2 大功率变频器电磁兼容磁悬浮离心式冷水机组为变频冷水机组，独创高图4磁悬浮压缩机与螺杆压缩机振动速永磁同步电机及驱动控制技术，通过四象限变频器性实现电机高转速下稳定运行和转速无级调节，以及实现制冷量的无级、宽范围调节。目前行业内还未有实船应用过如此大功率的变频器，电磁兼容性设计将是磁悬浮离心式冷水机组船用化的另一个难题。图4 磁悬浮压缩机噪声特性由图3、图4可以看出：采用磁悬浮技术的制冷压缩机在舰船隐身性重点控制的低频段10 Hz~315 Hz频带内振动和噪声特性极好；磁悬浮制冷压缩机转频振动和噪声峰值较高，这是因为磁悬浮压缩机转轴转速图5磁悬浮压缩机噪声特性极高，而目前国内处理如此高转速转轴动平衡的技术6 几点建议磁悬浮离心式制冷压缩机具有低振动、低噪声、高能效、体积小、重量轻等特点，是未来舰船用冷水机组发展的主要方向。根据军民融合的发展，各空调设备厂家需尽快启动舰用化研制工作，建议各设备厂结合舰船环境条件加大试验力度，充分验证磁悬浮技术船用化可靠性；在抗振动、抗冲击以及大功率变频器EMC等方面攻坚克难；同时对振动、噪声持续研究改善，努力将转频、高频振动和噪声降至最低。和工艺方法还有待改善；仅需在转频及载波上进行相关整改，将高频振动进行有效降低，即能实现冷水机组振动和噪声特性的大幅度提升。4.2 能效、体积特性磁悬浮离心式制冷压缩机高速电机直驱双级叶轮，电机效率、机械效率高；转速高、叶轮小、压缩机体积小、重量轻。表1为某型同冷量磁悬浮制冷压缩机与螺杆式压缩机数据对比：53广东造船168期.indb 532019/11/9 14:10:36
