【壓縮機網】引言
能源是人類進化和社會發展過程重要的因素，人類利用能源需要實現能量形式的轉化，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：高速電動機械、高速發電機械、高速非電機械。1）高速電動機械是指由高速電機驅動的機械，實現電能到機械能再到更具體的能量形式的轉化，如鼓風機、壓縮機等；2）高速發電機械是指由熱能、水能、風能能轉化為機械旋轉帶動高速發電機發電的機械，實現能源到機械能再到電能的轉換，如汽輪發電機、燃氣輪發電機等；3）高速非電機械是指不經過電動機或發電機，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壓縮機做功。
高速旋轉機械由高速軸承、高速動力源、高速能量轉化裝置三個要素部分組成。高速旋轉對軸承帶來了巨大挑戰，高速帶來軸承線速度上升，對于接觸軸承來講機械摩擦引起的磨損和發熱都快速增加，潤滑代價增加，壽命極大降低，甚至根本無法運行，磁懸浮軸承從根本上解決了高速帶來的一系列支撐難題、無機械摩擦引起的磨損和發熱問題，不需要潤滑，可以說磁懸浮軸承為高速旋轉機械打開了一扇大門。
在第1）類高速電動機械中，高速動力源是高速電機，高速能量轉化是流體機械等轉化裝置；第2）類高速發電機械是第1）類高速電動機械的逆操作；第3）類旋轉機械則是前兩類的結合，中間省略了發電和電動機的轉化。一個典型的高速旋轉機械可以進一步定義其組成包括：高速軸承、高速電動機/發電機、高速能量轉化裝置，其中高速電動機/發電機可統稱為高速電機，下面分別進行論述。
1 高速軸承
軸承是旋轉機械中支承轉子的關鍵部件，常規的軸承包括滾動軸承、滑動軸承、懸浮軸承，滾動軸承和滑動軸承都屬于接觸式軸承，雖然定轉子可能通過油膜不直接接觸，但本質上油膜也不能承受過高的線速度，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，對工作介質沒有特殊，真空中也可以運行，因而是最適合高速旋轉機械的軸承。
磁懸浮軸承技術萌芽于20世紀三十年代，德國和美國相繼有人成功的進行了主動磁懸浮系統的設計和實現，歐美發達國家在六七十年代開始工程應用，最早以NASA等研究機構為主，之后歐洲較多學者和工程人員開始研究，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始于20世紀90年代，以清華大學、哈爾濱工業大學、西安交通大學為代表。磁懸浮技術的產業化始于歐洲，法國S2M公司1976年成立，開始將研究轉化為工業應用，中國的產業化則整整晚了30年，代表性的企業有：飛旋科技成立于2006年，是國內首家從事磁懸浮軸承產品研發和推廣的專業公司；磁谷科技是第二家主要從事磁懸浮軸承技術研究、開發和產業化的公司[1]。
磁懸浮軸承是利用磁力使轉子懸浮于定子中心，從而獲得無接觸支承的一種電磁裝置。英國數學家Earnshaw從理論上證明了單純依靠永磁不能實現靜態下的全懸浮，因而采用主動控制方法的主動磁懸浮軸承(active magnetic bearing)是工業領域應用的主要懸浮形式[2]。主動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。主動磁懸浮軸承本質上是一套帶有閉環控制的電磁裝置，傳感器采集轉子的位移，控制器進行控制算法實現，輸出控制電流控制軸承本體產生電磁場懸浮轉子。輔助軸承的作用是在轉子未懸浮狀態提供備用支承，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，沒有機械摩擦，可以支承轉子達到很高的線速度，打破了常規軸承的諸多限制，尤其在高速應用的場合，擁有無可比擬的優勢，是一種革命性的軸承。
2 高速電機
高速電機在工業領域有廣泛的應用前景，既可以以電動機的方式驅動壓縮機等負載，也可以作為發電機配合汽輪機、燃氣輪機等工作。由于直連負載或原動機，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，轉子沒有導條，不需要采用硅鋼片，因此具有極為簡單和結實的轉子結構，非常適合高速運行。同時永磁電機轉子損耗非常小，具有天然的高效率優勢，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10萬轉/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0.6～2萬轉/分鐘。第1）、2）類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電機系統、高速電主軸等。這兩類的高速電機，國內外已取得了不少成果，許多相關技術基本成熟，其應用也日益廣泛。第3）類高速電機可以應用在大型高速鼓風機、大型空氣壓縮機和制冷壓縮機、大型儲能裝置等，這一類高速電機近10年在工業領域得到了快速發展，涌現出一批國內外企業，鼓風機、制冷壓縮機等都大量裝機。第4）類高速電機的研究和應用在國際上很少，所見的報道僅有美國麻省理工學院研制的1.5萬r/min、5MW高速感應發電機，以及美國Calnetix公司研制的1.9～2.25萬r/min、2兆瓦高速永磁發電機。
高速電機取消了變速箱，直接驅動負載，沒有傳動損失，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”兩個概念的復合，以高速旋轉為主要特征點，典型應用包括汽輪機、燃氣輪機、壓縮機、風機、泵、水輪機、機床、航空發動機等廣泛應用于電力、石化、冶金、環保、航空航天等領域。除機床、儲能飛輪等領域外，大多屬于流體機械。
流體機械是以流體為對象，進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力式兩種。動力式流體機械通過葉片的高速旋轉和流體之間傳遞能量，也稱為透平機械。以往，高速的獲得通過齒輪箱實現，隨著磁懸浮軸承技術和高速電機技術的發展，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域都獲得了大量成功的應用。
三元流技術是我國科學家吳仲華首先提出的基礎理論[4]，目前已經成為國際流體機械高效氣動設計的通用性技術，通過把葉輪內部三元立體空間無限地分割，對葉輪流道各工作點進行分析，建立完整的流動數學模型，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展趨勢。
4 磁懸浮高速旋轉機械及其市場分析
采用磁懸浮軸承支承，高速電機直接驅動高速能量轉化裝置工作，就產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摩擦、無需潤滑的優點，高速電機傳動效率高的優點，以及高速能量轉化裝置轉化效率高的優點于一身，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單，節約使用成本；壽命更長，節約設備投資。從整個生命周期來看，能夠減少大量二氧化碳的排放。隨著國家對產業升級和節能減排的大力推動，高速化成為旋轉機械的大勢所趨，其市場空間廣闊。
軸承方面，2020年，全國軸承行業營業收入達到1930億元[5]，隨著旋轉機械高速化的進程推動，磁懸浮軸承將會占據越來越多的份額，即使按照1/10的份額計算，也將達到100億規模。
電機方面，2020年全國工業電機產量為32334.1萬千瓦，銷售收入達到3291.4億元[6]。平均單位千瓦售價約1000元/千瓦，目前磁懸浮高速電機的售價大概在1500元/千瓦高于該平均值，但隨著批量生產帶來的規模效應，當磁懸浮高速電機年產量達到200萬千瓦時（即年產20000臺100千瓦電機），即可達到1000元/千瓦的平均線，對應銷售收入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展空間巨大，至少應達到500億市場規模。
按照國民經濟分類，能量轉化裝置可以歸屬于通用設備制造領域，涵蓋內燃機、汽輪機、泵及真空設備、氣體壓縮機械、風機、制冷、空調設備等眾多領域，2020年通用設備制造業銷售收入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，是一種動力的革命，是我國實現裝備制造業升級和換道超車的重要機遇。
參考文獻
[1] 張維煜, 朱熀秋, 袁野. 磁懸浮軸承應用發展及關鍵技術綜述[J]. 電工技術學報, 2015, 30(012):12-20.
[2] CHWEITZER. 主動磁軸承基礎、性能及應用[M]. 虞烈，袁崇軍譯，北京:新時代出版社，1997
[3] 張鳳閣，杜光輝，王天等. 高速電機發展與設計綜述[J].電工技術學報，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
[6] 前瞻產業研究院《中國工業電機行業發展前景預測與投資戰略規劃分析報告》
[7] 國家統計局
來源：本站原創
能源是人類進化和社會發展過程重要的因素，人類利用能源需要實現能量形式的轉化，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：高速電動機械、高速發電機械、高速非電機械。1）高速電動機械是指由高速電機驅動的機械，實現電能到機械能再到更具體的能量形式的轉化，如鼓風機、壓縮機等；2）高速發電機械是指由熱能、水能、風能能轉化為機械旋轉帶動高速發電機發電的機械，實現能源到機械能再到電能的轉換，如汽輪發電機、燃氣輪發電機等；3）高速非電機械是指不經過電動機或發電機，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壓縮機做功。
高速旋轉機械由高速軸承、高速動力源、高速能量轉化裝置三個要素部分組成。高速旋轉對軸承帶來了巨大挑戰，高速帶來軸承線速度上升，對于接觸軸承來講機械摩擦引起的磨損和發熱都快速增加，潤滑代價增加，壽命極大降低，甚至根本無法運行，磁懸浮軸承從根本上解決了高速帶來的一系列支撐難題、無機械摩擦引起的磨損和發熱問題，不需要潤滑，可以說磁懸浮軸承為高速旋轉機械打開了一扇大門。
在第1）類高速電動機械中，高速動力源是高速電機，高速能量轉化是流體機械等轉化裝置；第2）類高速發電機械是第1）類高速電動機械的逆操作；第3）類旋轉機械則是前兩類的結合，中間省略了發電和電動機的轉化。一個典型的高速旋轉機械可以進一步定義其組成包括：高速軸承、高速電動機/發電機、高速能量轉化裝置，其中高速電動機/發電機可統稱為高速電機，下面分別進行論述。
1 高速軸承
軸承是旋轉機械中支承轉子的關鍵部件，常規的軸承包括滾動軸承、滑動軸承、懸浮軸承，滾動軸承和滑動軸承都屬于接觸式軸承，雖然定轉子可能通過油膜不直接接觸，但本質上油膜也不能承受過高的線速度，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，對工作介質沒有特殊，真空中也可以運行，因而是最適合高速旋轉機械的軸承。
磁懸浮軸承技術萌芽于20世紀三十年代，德國和美國相繼有人成功的進行了主動磁懸浮系統的設計和實現，歐美發達國家在六七十年代開始工程應用，最早以NASA等研究機構為主，之后歐洲較多學者和工程人員開始研究，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始于20世紀90年代，以清華大學、哈爾濱工業大學、西安交通大學為代表。磁懸浮技術的產業化始于歐洲，法國S2M公司1976年成立，開始將研究轉化為工業應用，中國的產業化則整整晚了30年，代表性的企業有：飛旋科技成立于2006年，是國內首家從事磁懸浮軸承產品研發和推廣的專業公司；磁谷科技是第二家主要從事磁懸浮軸承技術研究、開發和產業化的公司[1]。
磁懸浮軸承是利用磁力使轉子懸浮于定子中心，從而獲得無接觸支承的一種電磁裝置。英國數學家Earnshaw從理論上證明了單純依靠永磁不能實現靜態下的全懸浮，因而采用主動控制方法的主動磁懸浮軸承(active magnetic bearing)是工業領域應用的主要懸浮形式[2]。主動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。主動磁懸浮軸承本質上是一套帶有閉環控制的電磁裝置，傳感器采集轉子的位移，控制器進行控制算法實現，輸出控制電流控制軸承本體產生電磁場懸浮轉子。輔助軸承的作用是在轉子未懸浮狀態提供備用支承，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，沒有機械摩擦，可以支承轉子達到很高的線速度，打破了常規軸承的諸多限制，尤其在高速應用的場合，擁有無可比擬的優勢，是一種革命性的軸承。
2 高速電機
高速電機在工業領域有廣泛的應用前景，既可以以電動機的方式驅動壓縮機等負載，也可以作為發電機配合汽輪機、燃氣輪機等工作。由于直連負載或原動機，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，轉子沒有導條，不需要采用硅鋼片，因此具有極為簡單和結實的轉子結構，非常適合高速運行。同時永磁電機轉子損耗非常小，具有天然的高效率優勢，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10萬轉/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0.6～2萬轉/分鐘。第1）、2）類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電機系統、高速電主軸等。這兩類的高速電機，國內外已取得了不少成果，許多相關技術基本成熟，其應用也日益廣泛。第3）類高速電機可以應用在大型高速鼓風機、大型空氣壓縮機和制冷壓縮機、大型儲能裝置等，這一類高速電機近10年在工業領域得到了快速發展，涌現出一批國內外企業，鼓風機、制冷壓縮機等都大量裝機。第4）類高速電機的研究和應用在國際上很少，所見的報道僅有美國麻省理工學院研制的1.5萬r/min、5MW高速感應發電機，以及美國Calnetix公司研制的1.9～2.25萬r/min、2兆瓦高速永磁發電機。
高速電機取消了變速箱，直接驅動負載，沒有傳動損失，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”兩個概念的復合，以高速旋轉為主要特征點，典型應用包括汽輪機、燃氣輪機、壓縮機、風機、泵、水輪機、機床、航空發動機等廣泛應用于電力、石化、冶金、環保、航空航天等領域。除機床、儲能飛輪等領域外，大多屬于流體機械。
流體機械是以流體為對象，進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力式兩種。動力式流體機械通過葉片的高速旋轉和流體之間傳遞能量，也稱為透平機械。以往，高速的獲得通過齒輪箱實現，隨著磁懸浮軸承技術和高速電機技術的發展，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域都獲得了大量成功的應用。
三元流技術是我國科學家吳仲華首先提出的基礎理論[4]，目前已經成為國際流體機械高效氣動設計的通用性技術，通過把葉輪內部三元立體空間無限地分割，對葉輪流道各工作點進行分析，建立完整的流動數學模型，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展趨勢。
4 磁懸浮高速旋轉機械及其市場分析
采用磁懸浮軸承支承，高速電機直接驅動高速能量轉化裝置工作，就產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摩擦、無需潤滑的優點，高速電機傳動效率高的優點，以及高速能量轉化裝置轉化效率高的優點于一身，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單，節約使用成本；壽命更長，節約設備投資。從整個生命周期來看，能夠減少大量二氧化碳的排放。隨著國家對產業升級和節能減排的大力推動，高速化成為旋轉機械的大勢所趨，其市場空間廣闊。
軸承方面，2020年，全國軸承行業營業收入達到1930億元[5]，隨著旋轉機械高速化的進程推動，磁懸浮軸承將會占據越來越多的份額，即使按照1/10的份額計算，也將達到100億規模。
電機方面，2020年全國工業電機產量為32334.1萬千瓦，銷售收入達到3291.4億元[6]。平均單位千瓦售價約1000元/千瓦，目前磁懸浮高速電機的售價大概在1500元/千瓦高于該平均值，但隨著批量生產帶來的規模效應，當磁懸浮高速電機年產量達到200萬千瓦時（即年產20000臺100千瓦電機），即可達到1000元/千瓦的平均線，對應銷售收入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展空間巨大，至少應達到500億市場規模。
按照國民經濟分類，能量轉化裝置可以歸屬于通用設備制造領域，涵蓋內燃機、汽輪機、泵及真空設備、氣體壓縮機械、風機、制冷、空調設備等眾多領域，2020年通用設備制造業銷售收入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，是一種動力的革命，是我國實現裝備制造業升級和換道超車的重要機遇。
參考文獻
[1] 張維煜, 朱熀秋, 袁野. 磁懸浮軸承應用發展及關鍵技術綜述[J]. 電工技術學報, 2015, 30(012):12-20.
[2] CHWEITZER. 主動磁軸承基礎、性能及應用[M]. 虞烈，袁崇軍譯，北京:新時代出版社，1997
[3] 張鳳閣，杜光輝，王天等. 高速電機發展與設計綜述[J].電工技術學報，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
[6] 前瞻產業研究院《中國工業電機行業發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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