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(jī)也逐漸成為研究熱點(diǎn)。離心式空壓機(jī)在汽車行業(yè)的微型渦輪發(fā)電機(jī)、微型渦輪空壓機(jī)、汽車電動(dòng)渦輪增壓器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊和質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是理想的燃料電池汽車空壓機(jī)解決方案。
    但是，在燃料電池汽車中使用時(shí)，由于電堆中質(zhì)子交換膜對(duì)油污十分敏感，使得傳統(tǒng)空壓機(jī)中的油潤(rùn)滑或油冷卻方法不再適合此工況應(yīng)用，需要開發(fā)燃料電池汽車專用的高效、無油空壓機(jī)。
    水潤(rùn)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題，且在其它高速機(jī)械中已有成功應(yīng)用的案例。
    一、空壓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    主要由葉輪、主軸、水潤(rùn)滑軸承、永磁同步電機(jī)、電機(jī)冷卻水套及殼體等部分組成。
    空壓機(jī)的最大特點(diǎn)是使用水作為軸承潤(rùn)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(jī)的工作轉(zhuǎn)速越高，其效率越高。
    為保證轉(zhuǎn)子在高速下的穩(wěn)定性，電機(jī)位于轉(zhuǎn)子中間，兩個(gè)水潤(rùn)滑動(dòng)靜壓徑向軸承分別位于電機(jī)兩側(cè)，兩個(gè)止推軸承位于轉(zhuǎn)子后端，葉輪位于最前端，使得整個(gè)轉(zhuǎn)子的質(zhì)心盡量靠近中心。
    為縮短轉(zhuǎn)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(jī)端部線圈內(nèi)，有效地利用了電機(jī)兩側(cè)端部繞組的空間。
    空壓機(jī)轉(zhuǎn)子其一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速約1400Hz，在8萬r/min轉(zhuǎn)速以下工作時(shí)可認(rèn)為是剛性轉(zhuǎn)子，具有較好的穩(wěn)定性。
    二、水潤(rùn)滑軸承

    1、穩(wěn)定性分析

    在高速滑動(dòng)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(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)均采用階梯型腔。
    線式結(jié)構(gòu)在軸承中間開有較深的環(huán)槽，潤(rùn)滑水由小孔供入后，由環(huán)槽向兩側(cè)的階梯腔供給。
    在小孔結(jié)構(gòu)中，潤(rùn)滑水由小孔供入階梯腔中。水潤(rùn)滑軸承不僅起支承作用，更是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的重要部分。
    軸承水膜的動(dòng)力特性對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有很大的影響，尤其是在壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速很高的情況下，對(duì)軸承水膜穩(wěn)定性的分析十分必要。這里使用失穩(wěn)轉(zhuǎn)速法對(duì)軸承穩(wěn)定性進(jìn)行分析。兩種結(jié)構(gòu)的界限渦動(dòng)比相差不大，低轉(zhuǎn)速時(shí)線式結(jié)構(gòu)較小，高轉(zhuǎn)速時(shí)小孔結(jié)構(gòu)較小。

    2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    通過測(cè)量空壓機(jī)外部軸承處的振動(dòng)加速度，由圖可知，線式結(jié)構(gòu)軸承在5.5×104r/min突然出現(xiàn)幅值遠(yuǎn)大于基頻的半頻渦動(dòng)，此后隨轉(zhuǎn)速升高，半頻渦動(dòng)的幅值持續(xù)增大，顯現(xiàn)出水膜失穩(wěn)的特征。出現(xiàn)水膜失穩(wěn)的轉(zhuǎn)速與理論計(jì)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(yàn)最高轉(zhuǎn)速8×104r/min仍無半頻渦動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)，與預(yù)測(cè)結(jié)果保持一致，驗(yàn)證了理論計(jì)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工等特點(diǎn)，是高速水潤(rùn)滑軸承結(jié)構(gòu)的理想選擇。
    對(duì)研發(fā)成功的空壓機(jī)樣機(jī)的功耗、效率及溫升等特性進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)論如上圖。
    三、壓縮機(jī)功耗
    在不安裝葉輪的情況下進(jìn)行空載實(shí)驗(yàn)，此時(shí)空壓機(jī)對(duì)外不做功，通過測(cè)量電流和反生電動(dòng)勢(shì)大小可以計(jì)算出電機(jī)的電磁功率。電磁功率主要被軸承摩擦和轉(zhuǎn)子攪水所消耗（極小部分為電機(jī)鐵損）。
    為驗(yàn)證磁鋼兩側(cè)非接觸密封的有效性，還進(jìn)行了有無密封的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。給出了壓縮機(jī)機(jī)械損耗與轉(zhuǎn)速之間的理論和實(shí)驗(yàn)關(guān)系。在有密封條件下空壓機(jī)功耗大幅下降，這表明了磁鋼兩側(cè)非接觸密封設(shè)計(jì)的有效性。

    此外，軸承功耗計(jì)算值與有密封條件下實(shí)驗(yàn)值相差不大。在8×104r/min時(shí)實(shí)測(cè)機(jī)械損耗約為1.28kW，軸承功耗計(jì)算所得軸承功耗為1.09kW，相差17%。差值主要是因?yàn)橛?jì)算時(shí)沒有考慮轉(zhuǎn)子其它部位的攪水損耗造成的。

    四、空壓機(jī)特性
    在采用？86葉輪進(jìn)行的帶載實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試了空壓機(jī)的工作特性。
    受限于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出電流的限制，帶載實(shí)驗(yàn)最高工作轉(zhuǎn)速為6×104r/min。給出了壓縮機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的做功及效率曲線。總功率為實(shí)測(cè)電機(jī)輸入功率，有效功用電機(jī)的電磁輸出功率近似（忽略了電機(jī)鐵損部分）。

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

    可以看出，壓縮空氣質(zhì)量流量及壓力比隨著轉(zhuǎn)速升高而增大。在6×104r/min時(shí)，壓縮機(jī)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(jī)在工作時(shí)，壓縮氣體和電機(jī)是兩個(gè)主要熱源。
    為降低空壓機(jī)的溫升，在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了水冷系統(tǒng)，主要用于冷卻電機(jī)定子。空氣在壓縮過程中產(chǎn)生的熱使渦殼溫度升高，這部分熱量會(huì)傳到空壓機(jī)內(nèi)部，因此，電機(jī)的工作溫度也受壓縮氣體溫度的影響。
    為實(shí)測(cè)渦殼和電機(jī)定子繞組內(nèi)部溫度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為24℃，在每個(gè)轉(zhuǎn)速下均長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行到熱平衡。渦殼和電機(jī)定子的溫度都隨轉(zhuǎn)速而升高，但電機(jī)定子的溫升隨轉(zhuǎn)速的升高快于渦殼的溫升，表明轉(zhuǎn)速越高，電機(jī)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(duì)于有水冷的高速電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁鋼處的溫度會(huì)略高于定子繞組溫度5~10℃，據(jù)此可以推算出轉(zhuǎn)子磁鋼的工作溫度。

    五、結(jié)論

    測(cè)試結(jié)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(jī)樣機(jī)在6×104r/min工作時(shí)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%。