磁悬浮制冷压缩机的研究起源于20世纪90年代。磁悬浮压缩机是在磁悬浮轴承中通过控制电流大小进而控制电磁力，保证转子在工作过程中能够悬浮于定子中，没有接触摩擦。与传统制冷压缩机相比，磁悬浮压缩机具有运行效率高，能效比高，能实现单机冗余功能，运营成本低，噪声污染少等优点，在空调领域中的节能效果尤为明显。当机组处于部分负荷情况下，其优势主要来自两个方面，一是压缩机中制冷剂流量的减小而降低转速，二是由于蒸发温度的提高和冷凝温度的降低带来的压比下降而降低转速，从而取得良好的节能效果。另外，由于磁悬浮技术的逐渐成熟，使得磁悬浮制冷压缩机不仅用于商用压缩机，还能用于家用制冷压缩机，磁悬浮轴承的使用能够大幅提升机械效率，减小摩擦和耗能，明显降低噪声。
现阶段，国家对知识产权制度的不断完善，知识产权在专业技术方面的优势愈来愈明显，磁悬浮压缩机在专利申请量方面逐年增长，本文从专利角度出发，对磁悬浮制冷压缩机进行分析。
本文检索数据来源于中国专利文摘CNABS数据库和全文CNTXT数据库，为了使检索充分和统计准确，利用IPC（国际通用专利文献分类检索工具）分类号和关键词（磁悬浮、压缩机、制冷、轴承等），检索(检索时间为2020年12月14日—22日)和统计了磁悬浮压缩机的中国专利申请的类型分布、申请量年度变化、具体申请人及其类型以及核心技术内容等方面，进而分析该领域的核心技术和发展趋势。


1  磁悬浮制冷压缩机专利申请类型分布

不同类型的压缩机采用磁悬浮技术研究的重点、难点不同，因此，对磁悬浮压缩机专利申请中压缩机类型进行分析是必要的。磁悬浮制冷压缩机最早用于离心压缩机的研究，使用磁轴承取代传统机械轴承，王银艳通过研究发现磁悬浮离心压缩机能够在10%～100%负荷内实现大范围的制冷量连续调节，且能够实现35%～40%的能效节约。目前，随着磁悬浮轴承技术的不断成熟，磁悬浮技术也被用于往复式压缩机、涡旋压缩机、滚动转子压缩机等。龚俊等介绍了磁悬浮技术在往复式压缩机上的应用原理，利用模型给出了悬浮力的计算公式和控制方法，孙兴伟等从不同类型的电磁铁、不同气隙、不同转角等多个维度分析了磁悬浮驱动式涡旋压缩机中动涡盘的受力情况。图1中给出了不同种类的磁悬浮压缩机的专利申请数量分布。离心式压缩机占比67%，仍然是磁悬浮技术应用的重点领域。往复式压缩机和涡旋压缩机分别占比22%和8%，由此看出该两种类型的压缩机已经进入研究人员的视野，其中，往复式压缩机以线性压缩机为主。滚动转子压缩机和轴流压缩机分别占比2%和1%，由此可知磁悬浮技术用于该两种类型的压缩机比传统压缩机同样具有一定优势，逐渐成为研究的对象。

图1  磁悬浮制冷压缩机类型分布


2  磁悬浮制冷压缩机中国专利申请量时间分布


图2示出了1995—2019年间的磁悬浮压缩机方面专利申请量年度分布，从图中能够看出，整体稳步上升。磁悬浮压缩机技术在中国起步较晚，在1995—2003年间每年的专利申请量在1篇左右，仅围绕磁悬浮压缩机简单结构和控制的优化；在2005—2010年间磁悬浮压缩机专利申请量已经有小幅上升，在2008年存在较大波动，由此说明该时间段内磁悬浮压缩机技术在我国已经开始研究发展，专利改进内容较前一阶段就较大提升，涉及更深层次的结构改进；2011—2019年间申请量上升较快，到2019年已达152篇，改进涉及结构优化，系统控制优化，喘振控制，安装检修改进等，每一方面更加细化，内容更加深入，人们已经意识到磁悬浮压缩机与传统压缩机相比更具备技术优势，从数量上看已经成为研究的重点，加大投入研发。

图2  磁悬浮制冷压缩机中国专利申请量年度分布


3  磁悬浮制冷压缩机的国别分布和申请人分布

磁悬浮压缩机起源于国外，目前日本的磁悬浮轴承技术较为先进，但从图3中看出，这25年间的中国专利申请累计量只有3%来源于国外申请人，其余均来源于国内申请人。经分析，这主要是由于国人近些年已经意识到磁悬浮压缩机在制冷空调领域内的优势越来越明显，磁悬浮轴承技术在结构和控制方面不断成熟，成本逐步降低，在国内经济市场中逐渐凸显，同时对知识产权保护意识的增加，将技术研究成果转化为专利权的意识有较大提高，在申请量上已处于世界领先地位，但在发明核心改进之处与日本相比还有较大差距，申请质量还有较大的上升空间，形势依然严峻。

图3  磁悬浮制冷压缩机中国专利申请国别和申请人类型分布
经分析，国外申请人主要有株式会社岛津制作所、株式会社易威奇、株式会社荏原制作所、日本电产株式会社等多个日本企业。就国内申请人而言，企业、高校、个人分别占整体比重为73%、13%、11%，由此看出，除了企业外，高校、个人在磁悬浮制冷压缩机均进行了一定研究并取得了较大成绩。
在该申请量前24位的申请人中，除了一家日本企业（株式会社岛津制作所）上榜外，其余均来源于国内，涉及研究磁悬浮技术的企业、制冷空调厂商、高校及个人，如图4所示。从申请人类型入手分析，国内申请人有清华大学、沈阳工业大学、北京航空航天大学、兰州理工大学等多所高校。磁悬浮压缩机主要依赖其中的磁悬浮技术，科技含量较高，发展前景大，是将来的研究趋势，因此，其在高校中已经得到重视，被大力投入研发，将成果申请了专利。

图4  磁悬浮制冷压缩机中国专利申请排名前24的申请人
笔者将共同申请人且相关的公司列为同一研究对象，以便于梳理申请人的情况，例如珠海格力电器股份有限公司、珠海格力节能环保制冷技术研究中心，笔者将其统称为“珠海格力集团”；将北京中科科仪技术发展有限责任公司、北京中科科仪股份有限公司统称为“北京中科科仪集团”；将天津飞旋科技有限公司、天津飞旋科技研发有限公司统称为“天津飞旋科技集团”。此外，由于天津飞旋科技有限公司、天津飞旋科技研发有限公司与浙江飞旋科技有限公司之间在磁悬浮压缩机方面的申请没有交叉，将浙江飞旋科技有限公司作为单独企业进行分析。
国内申请人中，南京磁谷科技有限公司在25年间累计申请了69件，珠海格力集团申请了56件，位于第二位。北京中科科仪集团、清华大学、亿昇（天津）科技有限公司均以33件的申请量并列第三位。值得关注的是，在该申请量前24位的申请人中，以磁技术或磁悬浮技术为主的厂商较多，例如南京磁谷科技有限公司、佛山格尼斯磁悬浮技术有限公司、南京九舜磁悬浮科技有限公司、盾石磁能科技有限责任公司等，而以制冷空调为主要营业范围的厂商则较少，有珠海格力集团和苏州昆拓冷机有限公司，由此看出国内制冷空调厂商对磁悬浮压缩机还需要加大投入研发力度，提高对知识产权的认识，申请专利以做知识产权保护。


4  磁悬浮制冷压缩机专利申请核心技术

磁悬浮压缩机的关键核心技术在于磁悬浮轴承的结构和控制，在工作过程中没有摩擦和润滑油，达到节能效果，因此，围绕磁悬浮压缩机的核心技术一般都是围绕磁悬浮轴承进行的改进。图5显示了磁悬浮压缩机专利申请的核心技术：结构优化方面的创新占申请总量的74%；系统控制优化方面占比20%，喘振控制和安装、检修改进方面均占3%的申请量。由此可得，对磁悬浮轴承的结构优化是研究和改进的重点，其中，径向或轴向位移检测的优化的专利申请量占整体比重为24%。笔者认为，这是源于磁悬浮轴承在运转过程中发生位置偏移而带来的磨损是主要失效形式之一，因此在该偏移过程中径向或轴向位置的检测则显得尤为重要。间隙或气隙的调整占比21%，磁极结构的优化和不平衡振动控制的申请量均占比13%，辅助轴承优化和电磁线圈优化的申请量分别占比2%和1%，下面具体分析每个核心技术方面的内容。

图5  磁悬浮制冷压缩机发明点分布
4.1  结构优化
磁悬浮轴承的结构优化是磁悬浮压缩机发明创新的关键点之一。经过检索和分析发现，通过结构的改进，可提高磁感应强度和电磁力的可控性，提高承载能力，扩大轴承的应用范围，降低控制难度，减小摩擦和运行损耗，提高运行稳定性，降低成本。笔者总结归纳了主要技术分支。
1）通过以下几个方面对磁悬浮轴承磁极进行改进：
a.磁极形状和结构，例如离心制冷压缩机中设置锥形磁悬浮轴承；
b.磁极尺寸（例如体积）、个数、位置等；
c.线圈匝数；
d.在转轴内设置磁极；
e.定子铁芯的结构、位置；
f.在涡旋压缩机的动涡旋盘与支架之间设置磁环、磁环线圈等装置。
2）通过在压缩机内设置间隙调整环、在密封部件上设置定位部件等方式对下列间隙进行调整：
a.转子与定子的间隙；
b.定子铁芯与推力设备的间隙；
c.密封部件与平衡盘的通风间隙；
d.密封部件与旋转部件的间隙；
e.平衡盘与轴向位移传感器的间隙；
f.叶轮与蜗壳的间隙。
3）对磁悬浮轴承的径向或轴向的位置检测进行改进：
a.改进位移传感器的检测位置以提高测量精度；
b.取消压缩机内前后轴承壳体，提高位移传感器与电机定子的同轴度，降低成本。
4）优化径向电磁线圈的位置，降低径向电磁控制磁路与轴向电磁控制磁路的耦合性。
5）通过以下方式控制不平衡振动：
a.设置补偿装置；
b.自动平衡装置等进行；
c.向转子空腔内注入液滴方式。
6）优化辅助轴承，提高启停运行稳定性。
4.2  系统控制优化
磁悬浮压缩机的控制同样在于磁悬浮轴承的控制，需要解决悬浮力的线性化、位置偏移的精确控制等技术问题，在数字化、智能化和集成化等方面仍然需要进一步研究。对系统的控制或优化主要有以下的技术手段：
1）通过优化输入电流以满足预设间隙或位移；
2）通过改进控制电路提高对磁轴承的控制精度；
3）改进PID控制算法。
4.3  喘振控制
磁悬浮技术的应用可使得制冷系统的压缩机不需要润滑油，避免润滑油跟随制冷剂进入换热器而引起的换热效率损失。在离心式压缩机中，当制冷剂在运行工况发生变化时，特别是在低负荷、小流量情况下，极易发生喘振，最终导致压缩机和磁轴承的损坏。磁悬浮制冷压缩机在喘振控制方面的改进主要有以下几种情况：
1）通过对进气口形状、结构或位置等参数的改进，改变进气方向或进气量，从而影响压缩机进气道与叶轮叶片之间的间隙；
2）喘振时调整轴承悬浮精度，抑制喘振；
3）通过不断监测、采集、记录和分析多维运行数据，利用大数据进行喘振控制；
4）通过设置流量调节装置控制流量，稳定流量范围。
4.4  安装、检修改进
磁悬浮压缩机的安装、检修依然有别于传统压缩机，磁悬浮轴承结构比较特殊，因此在安装、维修时需要格外细致，保证较高的装配精度和不平衡性校准精度，工作时悬浮无接触摩擦。关于磁悬浮压缩机的安装、检修方面的专利申请主要涉及以下几类：
1）设置磁悬浮支撑组架和可更换的接线部，提高安装、检修效率；
2）在转子上设置某部件使转子质心朝向预设方向偏移，降低装配难度和不平衡性校准难度；
3）优化磁悬浮主轴与轴向检测环、传感器的装配关系，降低加工和拆装难度。


5  发展趋势及展望

磁悬浮制冷剂压缩机目前已经取得较大进展，在市场占有率逐渐增大，扩大知识产权布局，但在普及程度上还较低，没有较大地取代传统压缩机，笔者认为在以下几个方面还需要进行突破和创新：
1）由于磁悬浮轴承的零部件较多，而磁悬浮压缩机内空间有限，因此在减少磁悬浮轴承零部件上方面还需要进一步研究，优化整体体积；
2）电流的算法、磁路的控制还需要进一步精确；
3）自检测悬浮轴承通过测量电气回路内部信号或依赖精确模型间接获取转子位置，能够取代位置传感器，现已应运而生，但其在精确度和应用范围上还需要进一步研究，以降低成本。


6  结束语

本文分析和梳理了磁悬浮制冷压缩机中国专利申请概况。从类型上分析以离心压缩机和往复压缩机为主，专利申请量随年份不断增加，专利申请人则以国内的企业、高校和个人为主。核心技术方面，按申请量占比依次为结构优化、系统控制优化、喘振控制以及安装、检修优化，最后展望了磁悬浮制冷压缩机的发展趋势。磁悬浮制冷压缩机在领域内已经具备了较大优势，但还需要加大研究力度，降低成本，扩大应用范围，激活同类产品的转型升级,申请知识产权保护，在专利市场占据有利地位。