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。
    一、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。
    空壓機的最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，葉輪位于最前端，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。
    空壓機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。
    二、水潤滑軸承

    1、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。

    2實驗驗證

    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(xiàn)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(xiàn)出水膜失穩(wěn)的特征。出現(xiàn)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最高轉速8×104r/min仍無半頻渦動現(xiàn)象出現(xiàn)，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。
    三、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1.28kW，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。

    四、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，帶載實驗最高工作轉速為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(chǎn)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(jù)此可以推算出轉子磁鋼的工作溫度。

    五、結論

    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6×104r/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%。