【壓縮機網(wǎng)】隨著(zhù)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也逐漸成為研究熱點(diǎn)。離心式空壓機在汽車(chē)行業(yè)的微型渦輪發(fā)電機、微型渦輪空壓機、汽車(chē)電動(dòng)渦輪增壓器等領(lǐng)域得到了廣泛應用，具有效率高、結構緊湊和質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，被認為是理想的燃料電池汽車(chē)空壓機解決方案。

 

　　但是，在燃料電池汽車(chē)中使用時(shí)，由于電堆中質(zhì)子交換膜對油污十分敏感，使得傳統空壓機中的油潤滑或油冷卻方法不再適合此工況應用，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。水潤滑動(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，且在其它高速機械中已有成功應用的案例。我公司提出了一種以汽車(chē)冷卻液(乙二醇)做介質(zhì)的水潤滑軸承電動(dòng)離心式空壓機技術(shù)方案，并對其在汽車(chē)燃料電池系統中應用的可行性進(jìn)行了測試。由于電動(dòng)離心式空壓機的研發(fā)涉及多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，如高速永磁同步電機及其驅動(dòng)控制技術(shù)、葉輪設計等，本文從壓縮機結構、轉子系統動(dòng)力學(xué)以及水潤滑動(dòng)靜壓軸承等方面進(jìn)行分析討論。

 

　　1 空壓機結構設計

 

 

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

 

　　為保證轉子在高速下的穩定性，電機位于轉子中間，兩個(gè)水潤滑動(dòng)靜壓徑向軸承分別位于電機兩側，兩個(gè)止推軸承位于轉子后端，葉輪位于z*前端，使得整個(gè)轉子的質(zhì)心盡量靠近中心。為縮短轉子支撐跨距，減輕質(zhì)量，兩個(gè)徑向軸承的一部分伸入到電機端部線(xiàn)圈內，有效地利用了電機兩側端部繞組的空間?？諌簷C轉子其一階彎曲臨界轉速約1400Hz，在8萬(wàn)r/min轉速以下工作時(shí)可認為是剛性轉子，具有較好的穩定性。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象。其中，磁鋼的直徑較大，線(xiàn)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，提高空壓機的效率。

 

　　2 水潤滑軸承

 

 

　　穩定性分析

 

　　在高速滑動(dòng)軸承中，線(xiàn)式供水階梯腔軸承和小孔供水階梯腔軸承是兩種常見(jiàn)的結構。兩種結構均采用階梯型腔。線(xiàn)式結構在軸承中間開(kāi)有較深的環(huán)槽，潤滑水由小孔供入后，由環(huán)槽向 兩側的階梯腔供給。在小孔結構中，潤滑水由小孔供入階梯腔中。水潤滑軸承不僅起支承作用，更是壓縮機轉子軸承系統的重要部分。軸承水膜的動(dòng)力特性對整個(gè)轉子系統有很大的影響，尤其是在壓縮機工作轉速很高的情況下，對軸承水膜穩定性的分析十分必要。這里使用失穩轉速法對軸承穩定性進(jìn)行分析。兩種結構的界限渦動(dòng)比相差不大，低轉速時(shí)線(xiàn)式結構較小，高轉速時(shí)小孔結構較小。

 

　　實(shí)驗驗證

 

　　為驗證理論分析的正確性，對兩種結構的軸承分別進(jìn)行了實(shí)驗研究。通過(guò)測量空壓機外部軸承處的振動(dòng)加速度，由圖可知，線(xiàn)式結構軸承在5。5×104r/min突然出現幅值遠大于基頻的半頻渦動(dòng)，此后隨轉速升高，半頻渦動(dòng)的幅值持續增大，顯現出水膜失穩的特征。出現水膜失穩的轉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(shí)驗z*高轉速8×104r/min仍無(wú)半頻渦動(dòng)現象出現，與預測結果保持一致，驗證了理論計算的可靠性。除具有良好的穩定性外，小孔供水階梯淺腔軸承還具有結構簡(jiǎn)單、易加工等特點(diǎn)，是高速水潤滑軸承結構的理想選擇。

 

 

　　對研發(fā)成功的空壓機樣機的功耗、效率及溫升等特性進(jìn)行了測試，結論如上圖。

 

　　3壓縮機功耗

 

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

 

　　為驗證磁鋼兩側非接觸密封的有效性，還進(jìn)行了有無(wú)密封的對比實(shí)驗。給出了壓縮機機械損耗與轉速之間的理論和實(shí)驗關(guān)系。在有密封條件下空壓機功耗大幅下降，這表明了磁鋼兩側非接觸密封設計的 有效性。此外，軸承功耗計算值與有密封條件下實(shí) 驗值相差不大。在8×104r/min時(shí)實(shí)測機械損耗約為1.28 kW，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(shí)沒(méi)有考慮轉子其它部位的攪水損耗造成的。

 

　　4空壓機特性

 

　　在采用?86葉輪進(jìn)行的帶載實(shí)驗中，測試了空壓機的工作特性。受限于電機驅動(dòng)器輸出電流的限制，帶載實(shí)驗z*高工作轉速為6×104r/min。給出了壓縮機在不同轉速下的做功及效率曲線(xiàn)?？偣β蕿閷?shí)測電機輸入功率，有效功用電機的電磁輸出功率近似(忽略了電機鐵損部分)。

 

　　隨著(zhù)轉速的升高，壓縮機工作效率逐漸升高，在6×104r/min時(shí)，壓縮機可輸出約5.2kW 的有效功率，總效率接近80%，高于國外同類(lèi)采用氣體箔片軸承空壓縮機60%的總效率。

 

 

　　可以看出，壓縮空氣質(zhì)量流量及壓力比隨著(zhù)轉速升高而增大。在6×104r/min時(shí)，壓縮機可提供350kg/h，壓力比1.52的壓縮空氣，可以滿(mǎn)足汽車(chē)燃料電池系統的需求。

 

　　空壓機在工作時(shí)，壓縮氣體和電機是兩個(gè)主要熱源。為降低空壓機的溫升，在結構上設計了水冷系統，主要用于冷卻電機定子?？諝庠趬嚎s過(guò)程中產(chǎn)生的熱使渦殼溫度升高，這部分熱量會(huì )傳到空壓機內部，因此，電機的工作溫度也受壓縮氣體溫度的影響。為實(shí)測渦殼和電機定子繞組內部溫度與轉速的關(guān)系。實(shí)驗環(huán)境溫度為24℃，在每個(gè)轉速下均長(cháng)時(shí)間運行到熱平衡。渦殼和電機定子的溫度都隨轉速而升高，但電機定子的溫升隨轉速的升高快于渦殼的溫升，表明轉速越高，電機定子的發(fā)熱主要來(lái)源于繞組銅損和定子，疊片的渦流損耗。此外，對于有水冷的高速電機，轉子磁鋼處的溫度會(huì )略高于定子繞組溫度5~10℃，據此可以推算出轉子磁鋼的工作溫度。

 

　　5 結論

 

　　本文提出了面向車(chē)用燃料電池系統的水潤滑動(dòng)靜壓軸承電動(dòng)離心式空氣壓縮機解決方案，實(shí)現了水潤滑與永磁電機的有機融合，開(kāi)發(fā)出十幾臺樣機并通過(guò)實(shí)驗驗證了設計方案的可行性。對線(xiàn)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)驗測試。測試結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定性?？諌簷C樣機在6×104 r/min工作時(shí)可提供350kg/h，壓力比為1.52的壓縮空氣，可滿(mǎn)足汽車(chē)燃料電池系統的需求。整體效率高于80%。
 

來(lái)源：賽特勒斯軸承科技（北京）有限公司