【壓縮機(jī)網(wǎng)】隨著燃料電池汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，作為其核心部件之一的空壓機(jī)也逐漸成為研究熱點。離心式空壓機(jī)在汽車行業(yè)的微型渦輪發(fā)電機(jī)、微型渦輪空壓機(jī)、汽車電動渦輪增壓器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊和質(zhì)量輕等優(yōu)點，被認(rèn)為是理想的燃料電池汽車空壓機(jī)解決方案。

 

　　但是，在燃料電池汽車中使用時，由于電堆中質(zhì)子交換膜對油污十分敏感，使得傳統(tǒng)空壓機(jī)中的油潤滑或油冷卻方法不再適合此工況應(yīng)用，需要開發(fā)燃料電池汽車專用的高效、無油空壓機(jī)。水潤滑動靜壓軸承能較好的避免承載性能低、抗沖擊振動能力差和易磨損等問題，且在其它高速機(jī)械中已有成功應(yīng)用的案例。我公司提出了一種以汽車?yán)鋮s液(乙二醇)做介質(zhì)的水潤滑軸承電動離心式空壓機(jī)技術(shù)方案，并對其在汽車燃料電池系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性進(jìn)行了測試。由于電動離心式空壓機(jī)的研發(fā)涉及多個技術(shù)領(lǐng)域，如高速永磁同步電機(jī)及其驅(qū)動控制技術(shù)、葉輪設(shè)計等，本文從壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)以及水潤滑動靜壓軸承等方面進(jìn)行分析討論。

 

　　1、空壓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計（見圖1）
 

 

　　主要由葉輪、主軸、水潤滑軸承、永磁同步電機(jī)、電機(jī)冷卻水套及殼體等部分組成。該空壓機(jī)的z*大特點是使用水作為軸承潤滑劑，不僅滿足無油的使用要求，還提高了軸承的承載力、抗沖擊能力和穩(wěn)定性，離心式空壓機(jī)的工作轉(zhuǎn)速越高，其效率越高。

 

　　為保證轉(zhuǎn)子在高速下的穩(wěn)定性，電機(jī)位于轉(zhuǎn)子中間，兩個水潤滑動靜壓徑向軸承分別位于電機(jī)兩側(cè)，兩個止推軸承位于轉(zhuǎn)子后端，葉輪位于z*前端，使得整個轉(zhuǎn)子的質(zhì)心盡量靠近中心。為縮短轉(zhuǎn)子支撐跨距，減輕質(zhì)量，兩個徑向軸承的一部分伸入到電機(jī)端部線圈內(nèi)，有效地利用了電機(jī)兩側(cè)端部繞組的空間?？諌簷C(jī)轉(zhuǎn)子其一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速約1400Hz，在8萬r/min轉(zhuǎn)速以下工作時可認(rèn)為是剛性轉(zhuǎn)子，具有較好的穩(wěn)定性。由于采用水或乙二醇作為潤滑劑，在磁鋼、止推 軸承外圓等處不可避免地存在攪水現(xiàn)象。其中，磁鋼的直徑較大，線速度高，攪水損耗勢必較大。為降低這一損耗，在前后徑向軸承與磁鋼之間設(shè)計了特殊的非接觸式密封環(huán)和回水通路，以盡量減少軸承潤滑回水向磁鋼處的泄漏，降低攪水損耗，提高空壓機(jī)的效率。

 

　　2、水潤滑軸承(見圖2)
 

 

　　穩(wěn)定性分析

 

　　在高速滑動軸承中，線式供水階梯腔軸承和小孔供水階梯腔軸承是兩種常見的結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)均采用階梯型腔。線式結(jié)構(gòu)在軸承中間開有較深的環(huán)槽，潤滑水由小孔供入后，由環(huán)槽向 兩側(cè)的階梯腔供給。在小孔結(jié)構(gòu)中，潤滑水由小孔供入階梯腔中。水潤滑軸承不僅起支承作用，更是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的重要部分。軸承水膜的動力特性對整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有很大的影響，尤其是在壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速很高的情況下，對軸承水膜穩(wěn)定性的分析十分必要。這里使用失穩(wěn)轉(zhuǎn)速法對軸承穩(wěn)定性進(jìn)行分析。兩種結(jié)構(gòu)的界限渦動比相差不大，低轉(zhuǎn)速時線式結(jié)構(gòu)較小，高轉(zhuǎn)速時小孔結(jié)構(gòu)較小。

 

　　實驗驗證

 

　　為驗證理論分析的正確性，對兩種結(jié)構(gòu)的軸承分別進(jìn)行了實驗研究。通過測量空壓機(jī)外部軸承處的振動加速度，由圖可知，線式結(jié)構(gòu)軸承在5.5×10⁴r/min突然出現(xiàn)幅值遠(yuǎn)大于基頻的半頻渦動，此后隨轉(zhuǎn)速升高，半頻渦動的幅值持續(xù)增大，顯現(xiàn)出水膜失穩(wěn)的特征。出現(xiàn)水膜失穩(wěn)的轉(zhuǎn)速與理論計算值僅相差681-3000r/min左右(誤差5.8%)；而小孔供水階梯淺腔軸承到實驗z*高轉(zhuǎn)速8×10⁴r/min仍無半頻渦動現(xiàn)象出現(xiàn)，與預(yù)測結(jié)果保持一致，驗證了理論計算的可靠性。除具有良好的穩(wěn)定性外，小孔供水階梯淺腔軸承還具有結(jié)構(gòu)簡單、易加工等特點，是高速水潤滑軸承結(jié)構(gòu)的理想選擇。

 

　　對研發(fā)成功的空壓機(jī)樣機(jī)的功耗、效率及溫升等特性進(jìn)行了測試，結(jié)論如圖3。
 

 

 

 

　　3、壓縮機(jī)功耗

 

　　在不安裝葉輪的情況下進(jìn)行空載實驗，此時空壓機(jī)對外不做功，通過測量電流和反生電動勢大小可以計算出電機(jī)的電磁功率。電磁功率主要被軸承 摩擦和轉(zhuǎn)子攪水所消耗(極小部分為電機(jī)鐵損)。

 

　　驗證磁鋼兩側(cè)非接觸密封的有效性，還進(jìn)行了有無密封的對比實驗。給出了壓縮機(jī)機(jī)械損耗與轉(zhuǎn)速之間的理論和實驗關(guān)系。在有密封條件下空壓機(jī)功耗大幅下降，這表明了磁鋼兩側(cè)非接觸密封設(shè)計的有效性。此外，軸承功耗計算值與有密封條件下實 驗值相差不大。在8×10⁴r/min時實測機(jī)械損耗約為1.28kW，軸承功耗計算所得軸承功耗為1.09kW，相差17%。差值主要是因為計算時沒有考慮轉(zhuǎn)子其它部位的攪水損耗造成的。

 

　　4、空壓機(jī)特性

 

　　在采用Φ86葉輪進(jìn)行的帶載實驗中，測試了空壓機(jī)的工作特性。受限于電機(jī)驅(qū)動器輸出電流的限制，帶載實驗z*高工作轉(zhuǎn)速為6×10⁴r/min。給出了壓縮機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的做功及效率曲線。總功率為實測電機(jī)輸入功率，有效功用電機(jī)的電磁輸出功率近似(忽略了電機(jī)鐵損部分)。

 

　　隨著轉(zhuǎn)速的升高，壓縮機(jī)工作效率逐漸升高，在6×10⁴r/min時，壓縮機(jī)可輸出約5.2kW的有效功率，總效率接近80%，高于國外同類采用氣體箔片軸承空壓縮機(jī)60%的總效率（見圖4、5）。
 

 

　　可以看出，壓縮空氣質(zhì)量流量及壓力比隨著轉(zhuǎn)速升高而增大。在6×10⁴r/min時，壓縮機(jī)可提供350kg/h，壓力比1.52的壓縮空氣，可以滿足汽車燃料電池系統(tǒng)的需求。

 

　　空壓機(jī)在工作時，壓縮氣體和電機(jī)是兩個主要熱源。為降低空壓機(jī)的溫升，在結(jié)構(gòu)上設(shè)計了水冷系統(tǒng)，主要用于冷卻電機(jī)定子。空氣在壓縮過程中產(chǎn)生的熱使渦殼溫度升高，這部分熱量會傳到空壓機(jī)內(nèi)部，因此，電機(jī)的工作溫度也受壓縮氣體溫度的影響。為實測渦殼和電機(jī)定子繞組內(nèi)部溫度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。實驗環(huán)境溫度為24℃，在每個轉(zhuǎn)速下均長時間運行到熱平衡。渦殼和電機(jī)定子的溫度都隨轉(zhuǎn)速而升高，但電機(jī)定子的溫升隨轉(zhuǎn)速的升高快于渦殼的溫升，表明轉(zhuǎn)速越高，電機(jī)定子的發(fā)熱主要來源于繞組銅損和定子，疊片的渦流損耗。此外，對于有水冷的高速電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁鋼處的溫度會略高于定子繞組溫度5～10℃，據(jù)此可以推算出轉(zhuǎn)子磁鋼的工作溫度。

 

　　5、結(jié)論

 

　　本文提出了面向車用燃料電池系統(tǒng)的水潤滑動靜壓軸承電動離心式空氣壓縮機(jī)解決方案，實現(xiàn)了水潤滑與永磁電機(jī)的有機(jī)融合，開發(fā)出十幾臺樣機(jī)并通過實驗驗證了設(shè)計方案的可行性。對線式和小孔供水兩種階梯淺腔動靜壓軸承進(jìn)行了理論分析和實驗測試。測試結(jié)果與理論分析相吻合，表明小孔供水階梯淺腔軸承具有更好的穩(wěn)定性。空壓機(jī)樣機(jī)在6×10⁴r/min工作時可提供350kg/h，壓力比為1.52的壓縮空氣，可滿足汽車燃料電池系統(tǒng)的需求，整體效率高于80%。