【壓縮機(jī)網(wǎng)】隨著燃料電池汽車(chē)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(diǎn)。離心式空壓機(jī)在汽車(chē)行業(yè)的微型渦輪發(fā)電機(jī)、微型渦輪空壓機(jī)、汽車(chē)電動(dòng)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(diǎn)，被認(rèn)為是理想的燃料電池汽車(chē)空壓機(jī)解決方案。

 

　　但是，在燃料電池汽車(chē)中使用時(shí)，由于電堆中質(zhì)子交換膜對(duì)油污十分敏感，使得傳統(tǒng)空壓機(jī)中的油潤(rùn)滑或油冷卻方法不再適合此工況應(yīng)用，需要開(kāi)發(fā)燃料電池汽車(chē)專(zhuān)用的高效、無(wú)油空壓機(jī)。水潤(rùn)滑動(dòng)靜壓軸承能較好的避免承載性能低、抗沖擊振動(dòng)能力差和易磨損等問(wèn)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(chē)?yán)鋮s液(乙二醇)做介質(zhì)的水潤(rùn)滑軸承電動(dòng)離心式空壓機(jī)技術(shù)方案，并對(duì)其在汽車(chē)燃料電池系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性進(jìn)行了測(cè)試。由于電動(dòng)離心式空壓機(jī)的研發(fā)涉及多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，如高速永磁同步電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、葉輪設(shè)計(jì)等，本文從壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)以及水潤(rùn)滑動(dòng)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(jì)（見(jiàn)圖1）
 

 

　　主要由葉輪、主軸、水潤(rùn)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(diǎn)是使用水作為軸承潤(rùn)滑劑，不僅滿足無(wú)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(gè)水潤(rùn)滑動(dòng)靜壓徑向軸承分別位于電機(jī)兩側(cè)，兩個(gè)止推軸承位于轉(zhuǎn)子后端，葉輪位于z*前端，使得整個(gè)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(gè)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。空壓機(jī)轉(zhuǎn)子其一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速約1400Hz，在8萬(wàn)r/min轉(zhuǎn)速以下工作時(shí)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(rùn)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(shì)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(jì)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(rùn)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(rùn)滑軸承(見(jiàn)圖2)
 

 

　　穩(wěn)定性分析

 

　　在高速滑動(dòng)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(jiàn)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(kāi)有較深的環(huán)槽，潤(rùn)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(rùn)滑水由小孔供入階梯腔中。水潤(rùn)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(dòng)力特性對(duì)整個(gè)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(duì)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(duì)軸承穩(wěn)定性進(jìn)行分析。兩種結(jié)構(gòu)的界限渦動(dòng)比相差不大，低轉(zhuǎn)速時(shí)線式結(jié)構(gòu)較小，高轉(zhuǎn)速時(shí)小孔結(jié)構(gòu)較小。

 

　　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

 

　　為驗(yàn)證理論分析的正確性，對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的軸承分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)測(cè)量空壓機(jī)外部軸承處的振動(dòng)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(dòng)，此后隨轉(zhuǎn)速升高，半頻渦動(dòng)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(jì)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(shí)驗(yàn)z*高轉(zhuǎn)速8×10⁴r/min仍無(wú)半頻渦動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)，與預(yù)測(cè)結(jié)果保持一致，驗(yàn)證了理論計(jì)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(jiǎn)單、易加工等特點(diǎn)，是高速水潤(rùn)滑軸承結(jié)構(gòu)的理想選擇。

 

　　對(duì)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(cè)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(shí)驗(yàn)，此時(shí)空壓機(jī)對(duì)外不做功，通過(guò)測(cè)量電流和反生電動(dòng)勢(shì)大小可以計(jì)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(yàn)證磁鋼兩側(cè)非接觸密封的有效性，還進(jìn)行了有無(wú)密封的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。給出了壓縮機(jī)機(jī)械損耗與轉(zhuǎn)速之間的理論和實(shí)驗(yàn)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(jì)的有效性。此外，軸承功耗計(jì)算值與有密封條件下實(shí) 驗(yàn)值相差不大。在8×10⁴r/min時(shí)實(shí)測(cè)機(jī)械損耗約為1.28kW，軸承功耗計(jì)算所得軸承功耗為1.09kW，相差17%。差值主要是因?yàn)橛?jì)算時(shí)沒(méi)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(shí)驗(yàn)中，測(cè)試了空壓機(jī)的工作特性。受限于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出電流的限制，帶載實(shí)驗(yàn)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(shí)測(cè)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(shí)，壓縮機(jī)可輸出約5.2kW的有效功率，總效率接近80%，高于國(guó)外同類(lèi)采用氣體箔片軸承空壓縮機(jī)60%的總效率（見(jiàn)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(shí)，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(chē)燃料電池系統(tǒng)的需求。

 

　　空壓機(jī)在工作時(shí)，壓縮氣體和電機(jī)是兩個(gè)主要熱源。為降低空壓機(jī)的溫升，在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了水冷系統(tǒng)，主要用于冷卻電機(jī)定子。空氣在壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的熱使渦殼溫度升高，這部分熱量會(huì)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(shí)測(cè)渦殼和電機(jī)定子繞組內(nèi)部溫度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為24℃，在每個(gè)轉(zhuǎn)速下均長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)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(lái)源于繞組銅損和定子，疊片的渦流損耗。此外，對(duì)于有水冷的高速電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁鋼處的溫度會(huì)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(chē)用燃料電池系統(tǒng)的水潤(rùn)滑動(dòng)靜壓軸承電動(dòng)離心式空氣壓縮機(jī)解決方案，實(shí)現(xiàn)了水潤(rùn)滑與永磁電機(jī)的有機(jī)融合，開(kāi)發(fā)出十幾臺(tái)樣機(jī)并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。對(duì)線式和小孔供水兩種階梯淺腔動(dòng)靜壓軸承進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)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(shí)可提供350kg/h，壓力比為1.52的壓縮空氣，可滿足汽車(chē)燃料電池系統(tǒng)的需求，整體效率高于80%。