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水润滑轴承离心式空压机技术助力燃料电池汽车更早上市

来源:高工氢燃料电池 浏览次数:1865 发布日期:2018-08-16
    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。
    但是,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。
    一、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。
    二、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

    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,结论如上图。
    三、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1.28kW,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。

    四、空压机特性
    在采用?86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。

    五、结论

    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6×104r/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%。
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