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

 

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

 

　　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，離心式空壓機的工作轉速越高，其效率越高。

 

　　為保證轉子在高速下的穩(wěn)定性，電機位于轉子中間，兩個水潤滑動靜壓徑向軸承分別位于電機兩側，兩個止推軸承位于轉子后端，葉輪位于z*前端，使得整個轉子的質心盡量靠近中心。為縮短轉子支撐跨距，減輕質量，兩個徑向軸承的一部分伸入到電機端部線圈內，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r/min轉速以下工作時可認為是剛性轉子，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(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構。兩種結構均采用階梯型腔。線式結構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(tǒng)的重要部分。軸承水膜的動力特性對整個轉子系統(tǒng)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(wěn)定性的分析十分必要。這里使用失穩(wěn)轉速法對軸承穩(wěn)定性進行分析。兩種結構的界限渦動比相差不大，低轉速時線式結構較小，高轉速時小孔結構較小。

 

　　實驗驗證

 

　　為驗證理論分析的正確性，對兩種結構的軸承分別進行了實驗研究。通過測量空壓機外部軸承處的振動加速度，由圖可知，線式結構軸承在5。5×104r/min突然出現幅值遠大于基頻的半頻渦動，此后隨轉速升高，半頻渦動的幅值持續(xù)增大，顯現出水膜失穩(wěn)的特征。出現水膜失穩(wěn)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驗z*高轉速8×104r/min仍無半頻渦動現象出現，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(wěn)定性外，小孔供水階梯淺腔軸承還具有結構簡單、易加工等特點，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行空載實驗，此時空壓機對外不做功，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，還進行了有無密封的對比實驗。給出了壓縮機機械損耗與轉速之間的理論和實驗關系。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 驗值相差不大。在8×104r/min時實測機械損耗約為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沒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葉輪進行的帶載實驗中，測試了空壓機的工作特性。受限于電機驅動器輸出電流的限制，帶載實驗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?？偣β蕿閷崪y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)。

 

　　隨著轉速的升高，壓縮機工作效率逐漸升高，在6×104r/min時，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，壓縮空氣質量流量及壓力比隨著轉速升高而增大。在6×104r/min時，壓縮機可提供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。

 

　　空壓機在工作時，壓縮氣體和電機是兩個主要熱源。為降低空壓機的溫升，在結構上設計了水冷系統(tǒng)，主要用于冷卻電機定子?？諝庠趬嚎s過程中產生的熱使渦殼溫度升高，這部分熱量會傳到空壓機內部，因此，電機的工作溫度也受壓縮氣體溫度的影響。為實測渦殼和電機定子繞組內部溫度與轉速的關系。實驗環(huán)境溫度為24℃，在每個轉速下均長時間運行到熱平衡。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解決方案，實現了水潤滑與永磁電機的有機融合，開發(fā)出十幾臺樣機并通過實驗驗證了設計方案的可行性。對線式和小孔供水兩種階梯淺腔動靜壓軸承進行了理論分析和實驗測試。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(wěn)定性。空壓機樣機在6×104 r/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%。
 

來源：賽特勒斯軸承科技（北京）有限公司