燃料电池汽车用离心压缩机测试报告

随着燃料电池汽车行业的不断发展,作为其核心部件之一的空压机也逐渐成为研究热点.离心式空压机在汽车行业的微型涡轮发电机、微型涡轮空压机、 汽车电动涡轮增压器等领域得到了广泛应用,具有效率高、结构紧凑和质量轻等优点,被认为是理想的燃料电池汽车空压机解决方案.但在燃料电池汽车中使用时,由于电堆中质子交换膜对油污十分敏感,使得传统空压机中的油润滑或油冷却方法不再适合此工况应用,需要开发燃料电池汽车专用的高效、无油空压机. 水润滑动静压轴承能较好的避免承载性能低、抗冲击振动能力差 和易磨损等问题,且在其它高速机械中已有成功应用的案例.我公司提出了一种以汽车冷却液(乙二醇)做介质的水润滑轴承电动离心式空压机技术方案,并对其在汽车燃料电池系统中应用的可行性进行了测试.由于电动离心式空压机的研发涉及多个技术领域,如高速永磁同步电机及其驱动控制技术、叶轮设计等,我公司技术人员从压缩机结构、转子系统动力学以及 水润滑动静压轴承等方面进行分析讨论.

1空压机结构设计



主要由叶轮、主轴、水润滑轴承、永磁同步电机、电机冷却水套及壳体等部分组成.空压机的最大特点是使用水作为轴承润滑剂,不仅满足无油的使用要求,还提高了轴承的承载力、抗冲击能力和稳定性,离心式空压机的工作转速越高,其效率越高. 为保证转子在高速下的稳定性,电机位于转子中间, 两个水润滑动静压径向轴承分别位于电机两侧,两 个止推轴承位于转子后端,叶轮位于最前端,使得整 个转子的质心尽量靠近中心.为缩短转子支撑跨 距,减轻质量,两个径向轴承的一部分伸入到电机端部线圈内,有效地利用了电机两侧端部绕组的空间. 空压机转子其一阶 弯曲临界转速约1400Hz,在8万r/min转速以下工作时可认为是刚性转子,具有较好的稳定性.由于采用水或乙二醇作为润滑剂,在磁钢、止推 轴承外圆等处不可避免地存在搅水现象.其中磁钢的直径较大,线速度高,搅水损耗势必较大.为降低这一损耗,在前后径向轴承与磁钢之间设计了特殊 的非接触式密封环和回水通路,以尽量减少轴承润滑回水向磁钢处的泄漏,降低搅水损 耗,提高空压机的效率

2水润滑轴承



1.稳定性分析在高速滑动轴承中,线式供水阶梯腔轴承和小孔供水阶梯腔轴承是两种常见的结构,两种结构均采用阶梯型腔.线式结构在轴承中间开有较深的环槽,润滑水由小孔供入后,由环槽向 两侧的阶梯腔供给.在小孔结构中,润滑水由小孔供入阶梯腔中. 水润滑轴承不仅起支承作用,更是压缩机转子轴承系统的重要部分.轴承水膜的动力特性对整个 转子系统有很大的影响,尤其是在压缩机工作转速 很高的情况下,对轴承水膜稳定性的分析十分必要. 这里使用失稳转速法对轴承稳定性进行分析 .两种结构的界限涡动比相差不大,低转速 时线式结构较小,高转速时小孔结构较小.

2 实验验证 为验证理论分析的正确性,对两种结构的轴承 分别进行了实验研究.通过测量空压机外部轴承处 的振动加速度,由图可知,线式结构轴承在5.5×104r/min突 然出现幅值远大于基频的半频涡动,此后随转速升高,半频涡动的幅值持续增大,显现出水膜失稳的特 征.出 现 水 膜 失 稳 的 转 速 与 理论计算值仅相差 681 3000r/min左右(误差5.8%);而小孔供水阶梯浅腔轴承到实验最高转速8×104r/min仍无半频涡动现象出现,与预测结果保持一致,验证了理论计算的可靠性. 除具有良好的稳定性外,小孔供水阶梯浅腔轴承还具有结构简单、易加工等特点,是高速水润滑轴 承结构的理想选择.



对研发成功的空压机样机的功耗、效率及温升 等特性进行了测试.

压缩机功耗 在不安装叶轮的情况下进行空载实验,此时空压机对外不做功,通过测量电流和反生电动势大小可以计算出电机的电磁功率.电磁功率主要被轴承 摩擦和转子搅水所消耗(极小部分为电机铁损). 为验证磁钢两侧非接触密封的有效性,还进行了有无密封的对比实验.给出了压缩机机械损耗与转速之间的理论和实验关系.,在有密封条件下空压机功耗大幅下降,这表明了磁钢两侧非接触密封设计的 有效性.此外,轴承功耗计算值与有密封条件下实 验值相差不大.在8×104r/min时实测机械损耗约 为 1.28 kW,轴 承 功 耗 计算 所 得 轴 承 功 耗 为 1.09kW,相差17%.差值主要是因为计算时没有考虑转子其它部位的搅水损耗造成的.

空压机特性 在采用ϕ86叶轮进行的带载实验中,测试了空压机的工作特性.受限于电机驱动器输出电流的限制,带载实验最高工作转速为6×104r/min. 给出了压缩机在不同转速下的做功及效率曲线.总功率为实测电机输入功率,有效功用电机的电磁输出功率近似(忽略了电机铁损部分).
,随着转速的升高,压缩机工作效率逐渐升高, 在6×104r/min时,压缩机可输出约5.2kW 的有效功率,总效率接近80%,高于国外同类采用气体箔片轴承空压缩机60%的总效率.





可以看出, 压缩空气质量流量及压力比随着转速升高而增大. 在6×104r/min时,压缩机可提供350kg/h,压力 比1.52的压缩空气,可以满足汽车燃料电池系统的需求.

空压机在工作时,压缩气体和电机是两个主要 热源.为降低空压机的温升,在结构上设计了水冷系统,主要用于冷却电机定子.空气在压缩 过程中产生的热使涡壳温度升高,这部分热量会传到空压机内部,因此,电机的工作温度也受压缩气体 温度的影响.为实测涡壳和电机定子绕组内部温度与转速的关系.实验环境温度为24℃, 在每个转速下均长时间运行到热平衡.,涡壳和电机定子的温度都随转速而升高,但电机定子的温升随转速的升高快于涡壳的温升,表明转速越高,电机定子的发热主要来源于绕组铜损和定子，叠片的涡流损耗.此外,对于有水冷的高速电机,转子磁钢处的温度会略高于定子绕组温度5~10℃, 据此可以推算出转子磁钢的工作温度。

4 结 论 提出了面向车用燃料电池系统的水润滑动静压 轴承电动离心式空气压缩机解决方案,实现了水润 滑与永磁电机的有机融合,开发出十几台样机并通过实 验验证了设计方案的可行性. 对线式和小孔供水两种阶梯浅腔动静压轴承进 行了理论分析和实验测试.测试结果与理论分析相吻合,表明小孔供水阶梯浅腔轴承具有更好的 稳定性. 空压 机 样 机 在 6×104 r/min 工 作 时 可 提 供 350kg/h,压力比为1.52的压缩空气,可满足汽车 燃料电池系统的需求.整体效率高于80%。