磁悬浮技术原理、组成及优点，如高速电机等应用介绍
磁悬浮技术是一种利用磁力克服重力让物体悬浮的技术，它借助悬浮磁力使物体处于平衡状态，此平衡状态无摩擦、无接触 。磁悬浮系统一般由4部分组成，这4部分分别是转子、传感器、控制器和执行器，其中执行器又包括两部分，这两部分是电磁铁和功率放大器 。磁悬浮不存在机械接触，具有诸多优点。其一，它完全无磨损、无污染，能够在真空以及腐蚀性介质中长期使用。其二，它完全没有机械摩擦，功耗小、噪声低、效率高，不需要润滑和密封，可应用于高速工程，解决高速机械设计中的润滑和能耗问题 。
磁悬浮高速电机能借助磁悬浮轴承的电磁力，将高速电机的转子悬浮起来，使其可实现极高转速。在运转时，它不存在摩擦，无需维护，使用寿命更长，还具备高效节能、可靠性高的特点。
主动控制磁悬浮轴承是一种装置，它利用电磁铁线圈中的电流产生不接触的可控电磁力，以使转子运转于稳定悬浮状态，比如磁悬浮轴承。常用的磁悬浮轴承系统由径向磁轴承、轴向磁轴承、传感器、转子、控制器和执行器组成，它涉及转子动力学、机械学、电工电子学、控制工程、磁性材料、测试技术、数字信号处理等多学科技术。
与接触式机械轴承相比，磁悬浮轴承具有显著的性能优势：
没有机械接触，不存在摩擦，无需润滑，具备高效率，产生低噪音，转速能够高达十万转以上。
功耗仅仅是接触类轴承的二十分之一到五分之一，举例来说，4.5MW磁悬浮主氦风机的功耗只有10kW 。
·自动不平衡控制算法，可消除转子不平衡振动和噪声。
寿命长达几十年，这减少了后期维护成本，也减少了后期服务成本，并且内置检测功能，还内置诊断功能，这保证了系统的高性能，也保证了系统的可靠性。
支撑刚度可以主动控制，阻尼特性也可以主动控制，能够实现转子平稳跨临界转速，进而提高设备整体性能。
·可工作在高低温环境，高温轴承可在550℃长期连续运行。
一、磁悬浮在压缩机及相近领域的产品种类
1.磁悬浮空气压缩机
磁悬浮空气压缩机运用了磁悬浮轴承、变频、高速永磁同步电机和高速叶轮等核心技术，其主要功能是压缩空气。磁悬浮空气压缩机的主动式磁悬浮轴承能让空气压缩机转子处于最佳位置，变频技术可达成压缩机的低电流启动以及全工况智能调节，高速电机与高速叶轮的应用致使整机效率高，且体积小、重量轻 。磁悬浮空气压缩机能够被广泛应用，应用的行业包括纺织行业，包括冶金行业，包括化工行业，包括发酵行业，包括玻璃行业，包括制药行业，还包括造纸行业。
2.磁悬浮离心式鼓风机
磁悬浮离心式鼓风机是流体机械设备，采用了磁悬浮轴承技术。其主要作用是提供气体动力，通过排送气体来实现。随转轴一同做高速旋转的叶轮，带动空气从蜗壳的进气口进入。空气在蜗壳的导向与增压作用下，成为具有一定流速与压力的气体。最后，该气体从蜗壳的出气口对外排送，进而实现风机的物理功能。产品的外部被机柜壳体包裹着，其内部由两部分组成，一部分是流体系统，另一部分是控制系统。
磁悬浮离心式鼓风机主要由三部分组成，一部分是磁悬浮轴承系统，一部分是电机系统，还有一部分是流体部件 。磁悬浮轴承控制器借助位移传感器，实时监测转子振动信号，把经计算的调节信号转换为控制电流，输入磁轴承线圈以产生电磁力，从而控制转轴维持悬浮状态；变频器运用空间矢量算法，能够产生高质量的高频输出电流，控制高速永磁同步电机产生旋转磁场，驱动转轴实现高速旋转；高速旋转的叶轮对气体做功，致使气流持续被吸入，压缩后的气体压力上升，经蜗壳收集后通过扩压管排入用户的终端管道 。磁悬浮轴承能让转子在没有机械接触的状况下实现高速旋转，降低了机械损失，减少了维护工作，进而能够大幅提升鼓风机的综合能效。磁悬浮离心式鼓风机可应用的细分领域涵盖污水处理、印染、化工、食品、制药、造纸等行业，其节能效果十分显著。
3.磁悬浮冷水机组
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磁悬浮冷水机组是一种新型冷水机组，它用磁悬浮制冷压缩机替代了传统的螺杆压缩机或定频离心压缩机。因为采用了磁悬浮技术，所以压缩机运转时没有机械接触，也无需润滑油。这使得系统的压缩效率和换热效率都得到了极大提高。并且由于系统无油，还减少了大量的维保费用。磁悬浮冷水机组可用于办公大楼，这些办公大楼对舒适性有要求，它也可用于酒店，酒店同样对舒适性有要求，还能用于医院，医院对舒适性也有要求，也可用于商场，商场对舒适性有要求，也可用于学校，学校对舒适性有要求，它还可用于工业制造场所，这些场所对工艺和环境温度有要求，也可用于数据中心，数据中心对工艺和环境温度有要求，也可用于实验室，实验室对工艺和环境温度有要求，也可用于食品行业场所，食品行业场所对工艺和环境温度有要求，也可用于农业场所，农业场所对工艺和环境温度有要求。
4.磁悬浮真空泵
磁悬浮真空泵是一种新型透平真空泵，它主要采用多项核心技术，包括磁悬浮轴承，高速大功率永磁同步电机，高频输出变频器，高强度三元流钛合金叶轮等。叶轮高速旋转，持续进行抽气，进而形成负压环境，以此满足工艺生产的需求。磁悬浮真空泵运转时不存在机械接触和摩擦，这降低了机械损失，还减少了维护保养的工作量，同时三元流叶轮的使用让气动效率得到大幅提升，节能效果显著，目前它已在造纸、氧化铝、变压吸附制氧等多个领域被广泛使用。
二、磁浮技术在压缩机及相近领域的发展阶段
1.空气压缩机行业
空气压缩机在我国大致经历了以下几个发展阶段。
八十年代起，我国市场上主要的压缩机产品是活塞式压缩机，下游企业对螺杆式压缩机认识欠缺，需求量不多。在这个阶段，阿特拉斯·科普柯、英格索兰以及美国寿力等国外品牌陆续进入中国市场，国产品牌尚不成熟，因此进口品牌在螺杆空气压缩机市场处于主导地位 。
2000年之后，我国经济进入高速增长期，螺杆式压缩机下游行业飞速发展，带动国内螺杆式空气压缩机市场需求快速增长，市场上一时间出现大量螺杆式压缩机生产企业，这些企业进入高速发展期。螺杆式逐渐替代活塞式，我国活塞式空气压缩机的市场需求渐渐下降，不过因为活塞式空气压缩机价格较为低廉，所以其市场需求仍维持在一定水平 。
目前，我国空气压缩机行业经历了起步阶段，又经历了成长阶段，现已进入稳定发展阶段。同时，随着用气品质要求的提升，随着节能降耗要求的提升，随着技术的进步，现代空气压缩机产品正朝着小型化的方向发展，正朝着轻量化的方向发展，正朝着机电一体化的方向发展，各种低能耗的产品逐渐成为亮点，各种无油化的产品逐渐成为亮点。在前期发展进程里注重技术积累的企业，其在竞争中的优势渐渐显现出来，永磁变频螺杆式空气压缩机、两级压缩螺杆式空气压缩机、无油螺杆式空气压缩机、磁悬浮离心式空气压缩机等倡导节能减耗、绿色环保的机型，于市场竞争中崭露头角。
2.鼓风机行业
我国鼓风机制造起始于20世纪50年代，经历了若干发展阶段 。
20世纪50年代，该阶段主要以单纯仿造国外产品为主。20世纪80年代，我国主要鼓风机生产厂家开始施行标准化、系列化、通用化联合设计，这大幅提高了整体设计制造水平，还开发了适合当时需求的鼓风机产品。20世纪90年代，国外学者创造性地把三元流理论应用于离心鼓风机，部分生产厂商据此设计制造出了单级离心鼓风机产品，也初步具备了离心鼓风机的设计和制造能力。2000年以后，鼓风机行业整体技术水平快速提升，国产鼓风机基本能满足我国工业生产的需求，我国鼓风机行业产量整体呈上升趋势，且开始逐步替代进口。
磁悬浮概念在19世纪中叶被提出来，欧洲、美国、日本等国家于20世纪60年代开始大力开展磁悬浮轴承的研究工作，2000年以前，国内鼓风机市场主要被罗茨鼓风机和传统离心鼓风机生产厂商占据，其经历了技术引进、消化吸收、自主创新以及进口替代的发展历程。国外磁悬浮技术成熟后，国内开始引进国外的磁悬浮离心式鼓风机，然而国内尚不具备自主研发生产的能力。
自20世纪90年代中期起，国外着手研究高速磁悬浮电机，此后相继涌现出永磁同步型磁悬浮电机、开关磁阻型磁悬浮电机、感应型磁悬浮电机等各类电机，这些电机主要应用于离心压缩机。进入21世纪，伴随制造工艺技术取得进步，以及控制理论与智能信息技术不断发展，磁悬浮轴承技术渐趋成熟，产品性能也得以优化和提升。
3.真空泵行业
真空泵是用于获取真空环境的系统，主要是产生、改善以及维持真空环境的装置，它是半导体、科学仪器、化工、制药行业、造纸、冶金领域重要的生产设备，还是真空系统关键的组成部分，被广泛运用于制药、化工、食品、电子、造纸、冶金、半导体、光伏等下游行业，其需求量大且范围广，国产真空设备正加快替代进口真空泵以及传统真空泵（罗茨真空泵、液环真空泵）。国内高速电机技术不断发展并取得技术突破，行业内出现了高速磁悬浮电机直驱透平真空泵。此类真空泵产品经市场验证，单机功率密度高，整机效率高，可应用于造纸行业、冶金行业、铸造、食品包装等中低真空工艺，还可替代传统水环泵、液环泵、多级低速离心泵、单级高速透平泵。
三、磁浮产品行业基本特点
1.空气压缩机行业
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我国空气压缩机行业历经多年发展，品牌众多，型号多样，各类空气压缩机都有自身的优势，也都存在各自的劣势 。螺杆机性能稳定，易损件少，高能效，环境污染小，噪音少，在大型工业领域有逐步替代活塞机的趋势；微型活塞机体积小，价格低，将应用于家用作业、汽车维修等领域，在北美、欧洲、日本等区域市场需求增量显著；离心式空气压缩机是无油压缩机，在安全、卫生性能方面都具有优势，可运用于食品、制药以及采矿、空气分离等对作业环境要求较高的行业。
2.鼓风机行业
鼓风机是一种风机，其在设计条件下风压在30kPa以内，它是工业生产里提供气体动力的重要工艺设备，在国民经济以及日常生活中占据重要地位。鼓风机主要分为容积式和速度式这两类，速度式又分为低速和高速两种，目前行业主要的鼓风机类型有罗茨鼓风机，有多级离心鼓风机，有齿轮增速单级高速离心鼓风机，有空气悬浮离心鼓风机，还有磁悬浮离心鼓风机等产品。
节能、环保行业快速发展，磁悬浮离心式鼓风机凭借高效、节能等性能优势，在国内快速推广，受到越来越多用户青睐。目前整个行业呈现如下特点：一些科技型企业通过自主研发进入磁悬浮鼓风机行业，传统的鼓风机制造企业通过核心部件外购、整机贴牌等形式进入本行业。众多竞争者出现，这让行业竞争加剧，磁悬浮离心式鼓风机涉及变频器技术、磁悬浮轴承技术、高速永磁同步电机技术、高效率流体技术以及现场工艺相关的应用技术，全面掌握各项技术的厂家数量少，除污水处理环节外，磁悬浮鼓风机已逐步应用于物料输送、金属氧化、生物发酵、养殖等行业，还针对不同行业要求、工艺特点逐步研制专机，以更好匹配用户现场使用要求 。
3.真空泵行业
真空泵是一种器件或设备，它利用机械、物理、化学或物理化学的方法，对被抽容器进行抽气，从而获得真空。通俗来讲，真空泵是一种装置，它用各种方法，在某一封闭空间中，改善、产生和维持真空。根据真空度和应用领域的不同，要匹配不同的真空泵产品。目前，高真空领域主要采用干式螺杆真空泵，还采用磁悬浮分子泵，也采用组合容积真空泵。中低真空领域主要采用罗茨泵，还采用液环泵，也采用多级低速离心透平真空泵，还采用齿轮增速透平真空泵，也采用磁悬浮高速透平真空泵。
随着工业4.0不断发展，中国真空泵市场发展迅速，受到国内外客户的喜爱。自2020年起，真空泵行业结构转型趋势显著，干式螺杆真空泵出现，它替代了大部分油螺杆真空泵，在制药行业有应用，在医疗器械行业有应用，在半导体行业也有应用。高速透平真空泵凭借节能高效的产品性能，可以替代传统罗茨泵，还能替代传统液环泵，从而得到快速推广与应用。
四、主要技术门槛
1.空气压缩机行业
活塞式压缩机的技术发展水准已趋向成熟，当下国内活塞式压缩机的技术发展主要聚焦于对活塞机的设计与生产予以优化，降低生产成本以及设备运行成本，减少恶性故障，提升设备运行的稳定性。螺杆式压缩机的技术已大体达到国际同类产品的水平，当前技术难点主要集中在螺杆转子型线设计及加工、轴承设计、润滑技术以及密封性能等方面。螺杆转子的型线设计很重要，螺杆转子的型线加工也很重要，其性能直接决定螺杆式压缩机的整体性能，其性能还直接决定螺杆式压缩机的使用寿命。特别是无油螺杆机型，在保护转子时，需要提升容积效率，长时间油、气的隔离是保证系统100%无油的前提 。
离心压缩机目前正朝着高效节能的方向发展，朝着个性化的方向发展，这里的个性化指的是针对工艺特点的专用压缩机，还朝着提高综合性能的方向发展，综合性能包括稳定性、可靠性、环保性等，不过在转子振动、系统喘振、叶轮效率方面仍有许多基础理论需要突破。
磁悬浮空气压缩机属于节能型离心式压缩机，它技术指标的达成，要综合运用电磁学、材料学、电子学、电机学、传动控制学、流体力学等跨学科理论与技术，其技术难度高于其他类型的空气压缩机，复杂度也高于其他类型的空气压缩机。
2.鼓风机行业
总体来说，罗茨鼓风机结构简单，技术门槛低，早些年在诸多需要供气的场合被广泛应用，不过此类风机运行能耗高，致使运营成本较高。之后离心叶轮技术出现了，然而在未能解决高速驱动问题的情况下，鼓风机厂商开始采用多级压缩的方式，以此提高风机的效率，这类风机在中等以上规模的污水处理厂被广泛应用。高速齿轮箱技术不断发展，在此情况下出现了齿轮增速单级离心鼓风机，它进一步提高了风机的效率，然而齿轮箱造价高昂，其结构复杂，维护成本也高，所以这类风机的应用并不普遍。
此后磁悬浮离心式鼓风机出现了，它彻底解决了高速驱动问题，解决了传动问题，解决了摩擦损耗问题，解决了流体效率优化等若干问题，实现了离心式鼓风机效率的最大化，同时磁悬浮离心式鼓风机调节范围广，这得益于高效流体部件，得益于高速永磁同步电机，也得益于高频变频器 。
3.真空泵行业
目前，传统真空泵包含罗茨真空泵和液环泵，多级低速离心透平真空泵的技术水平成熟稳定，其生产制造水平也成熟稳定，不过它们的能耗水平高 。干式螺杆真空泵对材料的要求高，对涂层工艺的要求高，对加工装配制造水平的要求也高，目前市场被进口品牌占据，磁悬浮分子泵是集合磁悬浮轴承技术、高速永磁同步电机技术、高频矢量变频技术、高效流体机械技术等技术的耦合产品，高速磁悬浮透平真空泵也是集合这些技术的耦合产品。
高速磁悬浮透平真空泵在造纸、化工、冶金等行业被广泛应用，此后陆续有企业进入磁悬浮透平真空泵的生产制造行业，然而高速磁悬浮真空泵技术门槛高，能独立掌握磁悬浮轴承技术的企业少，能独立掌握高速永磁同步电机技术的企业少，能独立掌握高频矢量变频技术的企业少，能独立掌握高效流体机械技术的企业也少 。
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