【壓縮機網(wǎng)】1 引言
目前我國經(jīng)濟快速發(fā)展，節能減排已成為當下熱點(diǎn)。隨著(zhù)化石能源的不可再生性和環(huán)保壓力的日益增加，且燃油發(fā)動(dòng)機排放物對環(huán)境和人類(lèi)健康產(chǎn)生了不利影響，化石衍生產(chǎn)品的主要最終用戶(hù)是當前的汽車(chē)工業(yè)，盡管電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展可能會(huì )改變未來(lái)十年的敘述，但今天的這個(gè)行業(yè)很大程度上是由化石能源驅動(dòng)的，因此人們開(kāi)始逐漸將目光聚焦在新能源汽車(chē)方向。氫燃料電池憑借其零排放、續駛里程長(cháng)、燃料來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，成為新能源汽車(chē)發(fā)展的主要方向之一。最近的十幾年，大多數汽車(chē)公司和主要工業(yè)企業(yè)制造商已資助正在進(jìn)行的燃料電池應用研究在車(chē)輛的應用，豐田、本田和現代作為領(lǐng)軍者，率先推出了氫燃料電池汽車(chē)。根據《2019年市場(chǎng)研究未來(lái)》（MRFR）報告，到2025年預計全球汽車(chē)氫和燃料電池市場(chǎng)將復合年增長(cháng)率將達到25%；到2030年美國預測在加利福尼亞州將有100萬(wàn)輛燃料電池汽車(chē)；中國、日本和韓國的目標是1、0.8和0.6百萬(wàn)輛燃料電池電動(dòng)汽車(chē)。預計未來(lái)車(chē)用燃料電池的市場(chǎng)前景廣闊。
氫燃料電池主要部件包括燃料電池堆、空氣供給系統、水管理系統、熱管理系統和氫氣供給系統組成，其中空氣供給系統的主要部件為空氣壓縮機。整體示意如圖1所示。圖2為某模擬燃料電池電動(dòng)概念車(chē)，搭載了110kW的燃料電池。
空壓機是燃料電池陰極供氣系統的重要組成部分，通過(guò)增壓進(jìn)堆的空氣，從而提高燃料電池的效率和功率密度。同時(shí)，氫燃料電池發(fā)生的化學(xué)反應對進(jìn)入空氣的溫度、濕度、壓力和流量等參數有嚴格的要求，由圖4（a）可知，隨著(zhù)進(jìn)氣壓力的增大，燃料電池的電堆功率密度提高，圖4（b）反映了進(jìn)氣壓力增大，系統成本顯著(zhù)降低。
通過(guò)對比Snowman、Honeywell、FischerSpindlede等公司的車(chē)用空壓機產(chǎn)品，發(fā)現這些空壓機均具有高壓比、高功率、大流量、結構緊湊等特點(diǎn)；另外根據車(chē)用燃料電池電堆對于空氣質(zhì)量的要求，這就使得適用于車(chē)用燃料電池專(zhuān)用空壓需要具有無(wú)油、體積小、噪聲低、高壓比和轉速高等特點(diǎn)。
2 空壓機的類(lèi)型
空壓機是將原動(dòng)（通常是電動(dòng)機或柴油機）的機械能轉換成氣體壓力能的裝置。根據其工作原理，主要可以分位三大類(lèi)：容積型、透平型和熱力型，詳細分類(lèi)圖如圖3所示。其中，可以用于車(chē)載燃料電池的空壓機一般為離心式、渦旋式、螺桿式空氣壓縮機。
2.1 渦旋式空壓機
渦旋式空壓機由靜渦旋盤(pán)和動(dòng)渦旋盤(pán)的嚙合形成了多個(gè)壓縮室，通過(guò)2個(gè)交錯的螺旋狀葉片壓縮空氣，從而實(shí)現氣體的吸入和壓縮。由于其獨特的結構，渦旋空壓機具有結構簡(jiǎn)單、體積小、噪聲低和壽命長(cháng)等特點(diǎn)，同時(shí)也存在密封要求高等缺陷。另外由于目前渦旋式的輸出壓力偏低，導致車(chē)用方向應用較少。
2.2 螺桿式空壓機
目前，市場(chǎng)上使用的主要為雙螺桿空壓機。雙螺桿空壓機的運行主要通過(guò)轉子轉動(dòng)，齒槽容積變大吸氣，通過(guò)陰陽(yáng)轉子的相互嚙合將氣體壓向排氣端并加壓后，經(jīng)排氣口排出。由于可靠性高、結構簡(jiǎn)單、效率高的特點(diǎn)，螺桿空壓機是燃料電池專(zhuān)用空壓機的理想機械，但由于噪聲大，重量體積較大，且壽命較短，車(chē)用方向已逐步被其他空壓機所取代。
2.3 離心式空壓機
離心式空壓機屬于透平壓縮機，目前一般采用電機直驅方式，在電機轉子超高速旋轉下，葉輪帶動(dòng)氣體高速旋轉，與蝸殼相互作用產(chǎn)生高壓、大流量的空氣，將機械能轉換為氣體動(dòng)能。其由于結構緊湊、尺寸小、封閉性好、質(zhì)量輕且振動(dòng)小、在額定工況效率較高等優(yōu)點(diǎn)，被視為未來(lái)最有前途的空氣壓縮方式之一。2019年6月中國科學(xué)技術(shù)部啟動(dòng)的重點(diǎn)項目可再生能源和氫能技術(shù)中，125g/s，16kW，質(zhì)量15kg壓比達到2.5的壓縮機研發(fā)子項目，表明了在車(chē)用燃料電池領(lǐng)域，發(fā)展趨勢是質(zhì)量輕、壓比高、大流量，離心式空壓機正是具有這些特點(diǎn)，逐步成為車(chē)用燃料電池空壓機的理想選擇。
2.4 空壓機研究現狀
目前，全球眾多車(chē)企、研究機構已花費大量經(jīng)費進(jìn)行氫燃料電池車(chē)的專(zhuān)用空氣壓縮機的研發(fā)和使用。全球各大燃料電池汽車(chē)生產(chǎn)商為空氣供應系統選擇的空壓機類(lèi)型也不盡相同，主要的燃料電池汽車(chē)生產(chǎn)商選擇的空壓機類(lèi)型如表1所示。
目前國內燃料電池車(chē)用壓縮機的相關(guān)研究中，北京科技大學(xué)、同濟大學(xué)等多家機構對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究，但都只局限于實(shí)驗室研究。北京科技大學(xué)的任天明研制出了水潤滑軸承支承的高速離心式空壓機，其轉速達到了100000r/min，功率達到10kW，并在實(shí)驗中轉速保持98000r/min時(shí)，質(zhì)量流量達到73g/s、壓比2.22，電機效率達到68%，驗證符合50kW級燃料電池的應用。同濟大學(xué)研究離心式空壓機也成果顯著(zhù)，張智明等研制了一種可以滿(mǎn)足60～80kW大功率燃料電池發(fā)動(dòng)機的兩級串聯(lián)增壓直驅離心式空壓機，解決了所需進(jìn)氣壓力大、流量范圍寬的需求，具有超高轉速、高效率、長(cháng)壽命、無(wú)潤滑油等特點(diǎn)；展慶等通過(guò)研究?jì)?yōu)化了空壓機葉片進(jìn)口直徑、出口寬度以及擴壓器長(cháng)度的關(guān)鍵參數，使得優(yōu)化后的葉輪流到內流動(dòng)更加穩定，流動(dòng)損失降低，效率提高了4%；左曙光等采用Kriging模型針對離心葉輪進(jìn)行了參數優(yōu)化，優(yōu)化后在設計點(diǎn)壓縮比提高3.56%，等熵效率提高1.02%。國內的勢加透博公司聯(lián)合清華大學(xué)汽車(chē)系成功研發(fā)了雙極增壓設計的XT-FCC系列氣懸浮空壓機，最高轉速11000r/min，流量達到108g/s，壓比達到2.5；濰坊的康躍設計研制了燃料電池用的雙極增壓離心式空壓機，額定轉速80000r/min；毅合捷汽車(chē)研制了能作為60kW燃料電池進(jìn)氣系統的離心式空壓機，最大轉速達到12000r/min，最大壓比達到2.3，最大流量為68g/s，還設計發(fā)明了一種燃料電池發(fā)動(dòng)機的單級增壓直驅離心式空壓機，相比于雙極增壓，大大減小了體積，降低功耗，提高了穩定性。圖5為勢加透博的XC-FCC空壓機。
國際上，由于投入較早，車(chē)用燃料電池專(zhuān)用空壓機的技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化并在多款汽車(chē)上經(jīng)歷長(cháng)時(shí)間的運行。目前在韓國、美國、日本等國際汽車(chē)公司都普遍認為離心式壓縮機為未來(lái)主流方向，前景廣闊。美國Honeywell公司自1997年便開(kāi)始了燃料電池專(zhuān)用離心式空壓機的研發(fā)工作，2003更是與美國能源部DOE研發(fā)出110000r/min的高速離心式空壓機，該空壓機采用空氣軸承，最大質(zhì)量流量100g/s，最大壓力約3.2，且空壓機重量?jì)H8.2kg；2016年韓國現代汽車(chē)公司采用箔片式空氣軸承研發(fā)了第三代車(chē)載燃料電池用的離心式壓縮機，功率從第一代的8kW提升到了10kW，大大減少了空壓機的體積和質(zhì)量；日本本田公司為了彌補第一代Lysholm空壓機噪聲較大的缺陷，于2017年和蓋瑞特聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一款采用空氣軸承的雙級混流式空壓機，空氣壓力提高了1.7倍，總體積噪聲明顯減小。
總的來(lái)說(shuō)，國內車(chē)用燃料電池專(zhuān)用空壓機的研發(fā)還處于起步階段，與發(fā)達國家技術(shù)差距較大，在高速電機性能、軸承的穩定性方面還有很大的研究上升空間。另外，通過(guò)分析對比國內外研發(fā)的空壓機，高速永磁電機已成為目前空壓機的主流驅動(dòng)電機，實(shí)用效果顯著(zhù)；同時(shí)空氣軸承也逐步替代傳統軸承應用于車(chē)用燃料電池專(zhuān)用空壓機領(lǐng)域。
3 永磁電機
隨著(zhù)越來(lái)越多的研究投入到空壓機中，作為空壓機的驅動(dòng)電機，近年來(lái)對于高速電機性能的研究越來(lái)越深入，且隨著(zhù)電力技術(shù)和稀土永磁材料的廣泛運用，高速永磁電機因能直接驅動(dòng)負載、氣隙較大、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)已成為主流的驅動(dòng)電機。
高速永磁電機作為空壓機的驅動(dòng)電機，其本質(zhì)是將電能轉化為機械能從而驅動(dòng)空壓機葉片旋轉。在轉化過(guò)程中存在不可避免的熱損耗，從而導致電機各部位溫度升高，有的甚至會(huì )影響電機的性能。高速永磁電機轉速較高，對應的電磁交變頻率很高，電機繞組和定子鐵芯中產(chǎn)生大量的銅耗和鐵耗，這些損耗占到電機總發(fā)熱量的90%左右，使得電機發(fā)熱嚴重從而導致永磁體過(guò)熱永久退磁。針對電機能量損耗和溫升的研究，一般從高速電機的設計、工藝和材料等方面研究設計。
Ma Jie等人在電機設計時(shí)優(yōu)化轉子永磁體尺寸和添加輔助槽，大大降低了電子轉子的渦流損耗；北京科技大學(xué)的陳奪分析了電機極弧系數、定子槽數和定子槽口寬度等參數對點(diǎn)金轉子渦流損耗的影響[24]；日本的Okamoto S為了降低電機的鐵損，使用非晶磁性材料代替硅鋼片，使得定子鐵心的鐵耗降低了約50%；另外，轉子由于高速旋轉會(huì )產(chǎn)生較大的離心力，因此對電機內部的轉子結構強度要求很高。針對高速電機轉子結構強度的研究，早在20世紀80年代，瑞典的皇家工學(xué)院就采用轉子保護套保護轉子結構；Kim S根據傳統的表貼式永磁電機轉子結構，設計了新型轉子設計，提高了電機的整體效率；國內天津大學(xué)的Shu Wang提出設計了一種帶有輔助磁通屏障的改進(jìn)轉子結構，有效降低了電磁力產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲，保證了轉子的結構強度；中車(chē)的黃紹枝設計了一種“U+1”拓撲結構的電機轉子結構[29]，有效提高了詞組轉矩和永磁轉矩，大大提高了轉子的機械強度。同時(shí)針對空壓機、高速永磁電機的散熱結構，也是提高電機、空壓機使用壽命的有效途徑。
總的來(lái)說(shuō)，目前永磁電機的研發(fā)與優(yōu)化設計，是提高車(chē)用燃料電池專(zhuān)用空壓機性能的有效途徑。在電機高速運轉下，通過(guò)優(yōu)化轉子結構和電機的相關(guān)工藝、結構設計、材料選擇等，降低了電機的能量損耗，提高了空壓機驅動(dòng)電機的性能和穩定性，是當下的主流研究方向之一。
4 軸承
高速電機的安全和穩定性的關(guān)鍵在于軸承，軸承的性能直接決定電機的使用壽命。目前，車(chē)用燃料電池專(zhuān)用離心式空壓機的轉速普遍超過(guò)100000r/min，且要求無(wú)油潤滑，對此，傳統的滾珠軸承已經(jīng)不再適合，水軸承和空氣軸承成為了主要研究對象，其中空氣軸承更是由于整體復雜度小，寄生功率小等更加適用于車(chē)載離心空壓機。國外對于空氣軸承的研究相對較早，更為完善，且已投入實(shí)際應用。早在1854年，法國的G.Hur教授就提出了空氣軸承的設想，1928年英國的Thomson Houton公司就研發(fā)了氣體箔片軸承，2019年美國的Tribology Group利用氣墊效應來(lái)優(yōu)化空氣軸承，大大減少了摩擦和磨損，提高了氣體的密封性；對比國內起步相對較晚，20世紀60年代開(kāi)始進(jìn)行空氣軸承的理論與實(shí)驗研究。隨著(zhù)離心式空壓機轉速的提高，越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注氣體軸承的研究，2019年湖南大學(xué)的郭志陽(yáng)通過(guò)實(shí)驗研究了靜載荷和不平衡載荷對氣體箔片軸承支承轉子系統的影響，并設計了氣體軸承的靜載荷和不平衡載荷的加載裝置，增加了氣體軸承的剛度。
5 結論
本文闡述了國內外車(chē)用燃料電池專(zhuān)用空壓機的發(fā)展現狀，同時(shí)通過(guò)分析、對比各種類(lèi)的空壓機，發(fā)現作為目前車(chē)用燃料電池專(zhuān)用的主流空壓機，離心式空壓機會(huì )成為以后的主要研究和實(shí)用的對象。同時(shí)對比國內外研制的新型離心式空壓機，永磁電機作為空壓機的驅動(dòng)電機，實(shí)際運用較多；空氣軸承也因更適合高轉速運行，逐步取代傳統的滾珠軸承。因此，針對車(chē)用燃料電池專(zhuān)用離心式空壓機，當下研究和攻堅的主流方向就是提高空壓機內永磁電機的轉速和轉子結構強度的同時(shí)降低電機的能量損耗；提高軸承的壽命和穩定性，同時(shí)空壓機結構上的散熱優(yōu)化與設計也會(huì )是未來(lái)主要研究方向。
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【壓縮機網(wǎng)】1 引言
目前我國經(jīng)濟快速發(fā)展，節能減排已成為當下熱點(diǎn)。隨著(zhù)化石能源的不可再生性和環(huán)保壓力的日益增加，且燃油發(fā)動(dòng)機排放物對環(huán)境和人類(lèi)健康產(chǎn)生了不利影響，化石衍生產(chǎn)品的主要最終用戶(hù)是當前的汽車(chē)工業(yè)，盡管電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展可能會(huì )改變未來(lái)十年的敘述，但今天的這個(gè)行業(yè)很大程度上是由化石能源驅動(dòng)的，因此人們開(kāi)始逐漸將目光聚焦在新能源汽車(chē)方向。氫燃料電池憑借其零排放、續駛里程長(cháng)、燃料來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，成為新能源汽車(chē)發(fā)展的主要方向之一。最近的十幾年，大多數汽車(chē)公司和主要工業(yè)企業(yè)制造商已資助正在進(jìn)行的燃料電池應用研究在車(chē)輛的應用，豐田、本田和現代作為領(lǐng)軍者，率先推出了氫燃料電池汽車(chē)。根據《2019年市場(chǎng)研究未來(lái)》（MRFR）報告，到2025年預計全球汽車(chē)氫和燃料電池市場(chǎng)將復合年增長(cháng)率將達到25%；到2030年美國預測在加利福尼亞州將有100萬(wàn)輛燃料電池汽車(chē)；中國、日本和韓國的目標是1、0.8和0.6百萬(wàn)輛燃料電池電動(dòng)汽車(chē)。預計未來(lái)車(chē)用燃料電池的市場(chǎng)前景廣闊。
氫燃料電池主要部件包括燃料電池堆、空氣供給系統、水管理系統、熱管理系統和氫氣供給系統組成，其中空氣供給系統的主要部件為空氣壓縮機。整體示意如圖1所示。圖2為某模擬燃料電池電動(dòng)概念車(chē)，搭載了110kW的燃料電池。
空壓機是燃料電池陰極供氣系統的重要組成部分，通過(guò)增壓進(jìn)堆的空氣，從而提高燃料電池的效率和功率密度。同時(shí)，氫燃料電池發(fā)生的化學(xué)反應對進(jìn)入空氣的溫度、濕度、壓力和流量等參數有嚴格的要求，由圖4（a）可知，隨著(zhù)進(jìn)氣壓力的增大，燃料電池的電堆功率密度提高，圖4（b）反映了進(jìn)氣壓力增大，系統成本顯著(zhù)降低。
通過(guò)對比Snowman、Honeywell、FischerSpindlede等公司的車(chē)用空壓機產(chǎn)品，發(fā)現這些空壓機均具有高壓比、高功率、大流量、結構緊湊等特點(diǎn)；另外根據車(chē)用燃料電池電堆對于空氣質(zhì)量的要求，這就使得適用于車(chē)用燃料電池專(zhuān)用空壓需要具有無(wú)油、體積小、噪聲低、高壓比和轉速高等特點(diǎn)。
2 空壓機的類(lèi)型
空壓機是將原動(dòng)（通常是電動(dòng)機或柴油機）的機械能轉換成氣體壓力能的裝置。根據其工作原理，主要可以分位三大類(lèi)：容積型、透平型和熱力型，詳細分類(lèi)圖如圖3所示。其中，可以用于車(chē)載燃料電池的空壓機一般為離心式、渦旋式、螺桿式空氣壓縮機。
2.1 渦旋式空壓機
渦旋式空壓機由靜渦旋盤(pán)和動(dòng)渦旋盤(pán)的嚙合形成了多個(gè)壓縮室，通過(guò)2個(gè)交錯的螺旋狀葉片壓縮空氣，從而實(shí)現氣體的吸入和壓縮。由于其獨特的結構，渦旋空壓機具有結構簡(jiǎn)單、體積小、噪聲低和壽命長(cháng)等特點(diǎn)，同時(shí)也存在密封要求高等缺陷。另外由于目前渦旋式的輸出壓力偏低，導致車(chē)用方向應用較少。
2.2 螺桿式空壓機
目前，市場(chǎng)上使用的主要為雙螺桿空壓機。雙螺桿空壓機的運行主要通過(guò)轉子轉動(dòng)，齒槽容積變大吸氣，通過(guò)陰陽(yáng)轉子的相互嚙合將氣體壓向排氣端并加壓后，經(jīng)排氣口排出。由于可靠性高、結構簡(jiǎn)單、效率高的特點(diǎn)，螺桿空壓機是燃料電池專(zhuān)用空壓機的理想機械，但由于噪聲大，重量體積較大，且壽命較短，車(chē)用方向已逐步被其他空壓機所取代。
2.3 離心式空壓機
離心式空壓機屬于透平壓縮機，目前一般采用電機直驅方式，在電機轉子超高速旋轉下，葉輪帶動(dòng)氣體高速旋轉，與蝸殼相互作用產(chǎn)生高壓、大流量的空氣，將機械能轉換為氣體動(dòng)能。其由于結構緊湊、尺寸小、封閉性好、質(zhì)量輕且振動(dòng)小、在額定工況效率較高等優(yōu)點(diǎn)，被視為未來(lái)最有前途的空氣壓縮方式之一。2019年6月中國科學(xué)技術(shù)部啟動(dòng)的重點(diǎn)項目可再生能源和氫能技術(shù)中，125g/s，16kW，質(zhì)量15kg壓比達到2.5的壓縮機研發(fā)子項目，表明了在車(chē)用燃料電池領(lǐng)域，發(fā)展趨勢是質(zhì)量輕、壓比高、大流量，離心式空壓機正是具有這些特點(diǎn)，逐步成為車(chē)用燃料電池空壓機的理想選擇。
2.4 空壓機研究現狀
目前，全球眾多車(chē)企、研究機構已花費大量經(jīng)費進(jìn)行氫燃料電池車(chē)的專(zhuān)用空氣壓縮機的研發(fā)和使用。全球各大燃料電池汽車(chē)生產(chǎn)商為空氣供應系統選擇的空壓機類(lèi)型也不盡相同，主要的燃料電池汽車(chē)生產(chǎn)商選擇的空壓機類(lèi)型如表1所示。
目前國內燃料電池車(chē)用壓縮機的相關(guān)研究中，北京科技大學(xué)、同濟大學(xué)等多家機構對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究，但都只局限于實(shí)驗室研究。北京科技大學(xué)的任天明研制出了水潤滑軸承支承的高速離心式空壓機，其轉速達到了100000r/min，功率達到10kW，并在實(shí)驗中轉速保持98000r/min時(shí)，質(zhì)量流量達到73g/s、壓比2.22，電機效率達到68%，驗證符合50kW級燃料電池的應用。同濟大學(xué)研究離心式空壓機也成果顯著(zhù)，張智明等研制了一種可以滿(mǎn)足60～80kW大功率燃料電池發(fā)動(dòng)機的兩級串聯(lián)增壓直驅離心式空壓機，解決了所需進(jìn)氣壓力大、流量范圍寬的需求，具有超高轉速、高效率、長(cháng)壽命、無(wú)潤滑油等特點(diǎn)；展慶等通過(guò)研究?jì)?yōu)化了空壓機葉片進(jìn)口直徑、出口寬度以及擴壓器長(cháng)度的關(guān)鍵參數，使得優(yōu)化后的葉輪流到內流動(dòng)更加穩定，流動(dòng)損失降低，效率提高了4%；左曙光等采用Kriging模型針對離心葉輪進(jìn)行了參數優(yōu)化，優(yōu)化后在設計點(diǎn)壓縮比提高3.56%，等熵效率提高1.02%。國內的勢加透博公司聯(lián)合清華大學(xué)汽車(chē)系成功研發(fā)了雙極增壓設計的XT-FCC系列氣懸浮空壓機，最高轉速11000r/min，流量達到108g/s，壓比達到2.5；濰坊的康躍設計研制了燃料電池用的雙極增壓離心式空壓機，額定轉速80000r/min；毅合捷汽車(chē)研制了能作為60kW燃料電池進(jìn)氣系統的離心式空壓機，最大轉速達到12000r/min，最大壓比達到2.3，最大流量為68g/s，還設計發(fā)明了一種燃料電池發(fā)動(dòng)機的單級增壓直驅離心式空壓機，相比于雙極增壓，大大減小了體積，降低功耗，提高了穩定性。圖5為勢加透博的XC-FCC空壓機。
國際上，由于投入較早，車(chē)用燃料電池專(zhuān)用空壓機的技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化并在多款汽車(chē)上經(jīng)歷長(cháng)時(shí)間的運行。目前在韓國、美國、日本等國際汽車(chē)公司都普遍認為離心式壓縮機為未來(lái)主流方向，前景廣闊。美國Honeywell公司自1997年便開(kāi)始了燃料電池專(zhuān)用離心式空壓機的研發(fā)工作，2003更是與美國能源部DOE研發(fā)出110000r/min的高速離心式空壓機，該空壓機采用空氣軸承，最大質(zhì)量流量100g/s，最大壓力約3.2，且空壓機重量?jì)H8.2kg；2016年韓國現代汽車(chē)公司采用箔片式空氣軸承研發(fā)了第三代車(chē)載燃料電池用的離心式壓縮機，功率從第一代的8kW提升到了10kW，大大減少了空壓機的體積和質(zhì)量；日本本田公司為了彌補第一代Lysholm空壓機噪聲較大的缺陷，于2017年和蓋瑞特聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一款采用空氣軸承的雙級混流式空壓機，空氣壓力提高了1.7倍，總體積噪聲明顯減小。
總的來(lái)說(shuō)，國內車(chē)用燃料電池專(zhuān)用空壓機的研發(fā)還處于起步階段，與發(fā)達國家技術(shù)差距較大，在高速電機性能、軸承的穩定性方面還有很大的研究上升空間。另外，通過(guò)分析對比國內外研發(fā)的空壓機，高速永磁電機已成為目前空壓機的主流驅動(dòng)電機，實(shí)用效果顯著(zhù)；同時(shí)空氣軸承也逐步替代傳統軸承應用于車(chē)用燃料電池專(zhuān)用空壓機領(lǐng)域。
3 永磁電機
隨著(zhù)越來(lái)越多的研究投入到空壓機中，作為空壓機的驅動(dòng)電機，近年來(lái)對于高速電機性能的研究越來(lái)越深入，且隨著(zhù)電力技術(shù)和稀土永磁材料的廣泛運用，高速永磁電機因能直接驅動(dòng)負載、氣隙較大、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)已成為主流的驅動(dòng)電機。
高速永磁電機作為空壓機的驅動(dòng)電機，其本質(zhì)是將電能轉化為機械能從而驅動(dòng)空壓機葉片旋轉。在轉化過(guò)程中存在不可避免的熱損耗，從而導致電機各部位溫度升高，有的甚至會(huì )影響電機的性能。高速永磁電機轉速較高，對應的電磁交變頻率很高，電機繞組和定子鐵芯中產(chǎn)生大量的銅耗和鐵耗，這些損耗占到電機總發(fā)熱量的90%左右，使得電機發(fā)熱嚴重從而導致永磁體過(guò)熱永久退磁。針對電機能量損耗和溫升的研究，一般從高速電機的設計、工藝和材料等方面研究設計。
Ma Jie等人在電機設計時(shí)優(yōu)化轉子永磁體尺寸和添加輔助槽，大大降低了電子轉子的渦流損耗；北京科技大學(xué)的陳奪分析了電機極弧系數、定子槽數和定子槽口寬度等參數對點(diǎn)金轉子渦流損耗的影響[24]；日本的Okamoto S為了降低電機的鐵損，使用非晶磁性材料代替硅鋼片，使得定子鐵心的鐵耗降低了約50%；另外，轉子由于高速旋轉會(huì )產(chǎn)生較大的離心力，因此對電機內部的轉子結構強度要求很高。針對高速電機轉子結構強度的研究，早在20世紀80年代，瑞典的皇家工學(xué)院就采用轉子保護套保護轉子結構；Kim S根據傳統的表貼式永磁電機轉子結構，設計了新型轉子設計，提高了電機的整體效率；國內天津大學(xué)的Shu Wang提出設計了一種帶有輔助磁通屏障的改進(jìn)轉子結構，有效降低了電磁力產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲，保證了轉子的結構強度；中車(chē)的黃紹枝設計了一種“U+1”拓撲結構的電機轉子結構[29]，有效提高了詞組轉矩和永磁轉矩，大大提高了轉子的機械強度。同時(shí)針對空壓機、高速永磁電機的散熱結構，也是提高電機、空壓機使用壽命的有效途徑。
總的來(lái)說(shuō)，目前永磁電機的研發(fā)與優(yōu)化設計，是提高車(chē)用燃料電池專(zhuān)用空壓機性能的有效途徑。在電機高速運轉下，通過(guò)優(yōu)化轉子結構和電機的相關(guān)工藝、結構設計、材料選擇等，降低了電機的能量損耗，提高了空壓機驅動(dòng)電機的性能和穩定性，是當下的主流研究方向之一。
4 軸承
高速電機的安全和穩定性的關(guān)鍵在于軸承，軸承的性能直接決定電機的使用壽命。目前，車(chē)用燃料電池專(zhuān)用離心式空壓機的轉速普遍超過(guò)100000r/min，且要求無(wú)油潤滑，對此，傳統的滾珠軸承已經(jīng)不再適合，水軸承和空氣軸承成為了主要研究對象，其中空氣軸承更是由于整體復雜度小，寄生功率小等更加適用于車(chē)載離心空壓機。國外對于空氣軸承的研究相對較早，更為完善，且已投入實(shí)際應用。早在1854年，法國的G.Hur教授就提出了空氣軸承的設想，1928年英國的Thomson Houton公司就研發(fā)了氣體箔片軸承，2019年美國的Tribology Group利用氣墊效應來(lái)優(yōu)化空氣軸承，大大減少了摩擦和磨損，提高了氣體的密封性；對比國內起步相對較晚，20世紀60年代開(kāi)始進(jìn)行空氣軸承的理論與實(shí)驗研究。隨著(zhù)離心式空壓機轉速的提高，越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注氣體軸承的研究，2019年湖南大學(xué)的郭志陽(yáng)通過(guò)實(shí)驗研究了靜載荷和不平衡載荷對氣體箔片軸承支承轉子系統的影響，并設計了氣體軸承的靜載荷和不平衡載荷的加載裝置，增加了氣體軸承的剛度。
5 結論
本文闡述了國內外車(chē)用燃料電池專(zhuān)用空壓機的發(fā)展現狀，同時(shí)通過(guò)分析、對比各種類(lèi)的空壓機，發(fā)現作為目前車(chē)用燃料電池專(zhuān)用的主流空壓機，離心式空壓機會(huì )成為以后的主要研究和實(shí)用的對象。同時(shí)對比國內外研制的新型離心式空壓機，永磁電機作為空壓機的驅動(dòng)電機，實(shí)際運用較多；空氣軸承也因更適合高轉速運行，逐步取代傳統的滾珠軸承。因此，針對車(chē)用燃料電池專(zhuān)用離心式空壓機，當下研究和攻堅的主流方向就是提高空壓機內永磁電機的轉速和轉子結構強度的同時(shí)降低電機的能量損耗；提高軸承的壽命和穩定性，同時(shí)空壓機結構上的散熱優(yōu)化與設計也會(huì )是未來(lái)主要研究方向。
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