燃料电池用水润滑电动离心式空压机的研发

任天明，冯明，倪淮生

(1.北京科技大学 机械工程学院，北京 100083；2.上海燃料电池汽车动力系统有限公司，上海 201804)



燃料电池用水润滑电动离心式空压机的研发

任天明1，冯明1，倪淮生2

(1.北京科技大学 机械工程学院，北京 100083；2.上海燃料电池汽车动力系统有限公司，上海 201804)

提出了一种以水润滑动静压轴承为支撑、永磁同步电机驱动的高速离心式空气压缩机解决方案. 在结构上实现了水润滑与永磁电机的融合，满足了燃料电池系统对空压机无油、高效的要求. 在对空压机转子系统进行动力学优化的基础上，研究了不同结构浅腔动静压轴承的水膜稳定性，进而研发出空压机原理样机，空压机样机在6×104r/min时可提供350 kg/h，压力比为1.52的压缩空气，整体效率接近80%，实现了高速稳定运行，验证了设计方案的可行性.

燃料电池；电动离心式空压机；水润滑；动静压轴承；转子动力学

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. 离心式空压机已在微型涡轮发电机[1]、微型涡轮空压机[2]、汽车电动涡轮增压器[3]等领域得到了广泛应用，具有效率高、结构紧凑和质量轻的优点，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用，需要开发燃料电池汽车专用的高效、无油空压机[4]. 国外对燃料电池专用空压机的研究起步较早，瑞士Opcon、德国Liebherr、美国Honeywell以及MiTi等公司均已推出了可实际使用的产品[5-6]. 目前，国内相关技术的研究仍处于起步阶段，与国外差距明显[7-9].

现有燃料电池专用电动离心式空压机都采用气体动压箔片轴承作为支撑，以满足无油的要求，但因此面临着气体轴承承载性能低、抗冲击振动能力差和易磨损等问题的挑战. 水润滑动静压轴承能较好的避免这些问题，且在其它高速机械中已有成功应用的案例[1，10].

本文作者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初步探讨. 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，文中从压缩机结构、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

空压机结构设计如图1所示. 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.

空压机转子的Campbell图如图2所示，其一阶弯曲临界转速约1 400 Hz，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(如图1所示)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

2.1 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，如图3所示.

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. 由于水黏度低，密度大，水膜极易处于紊流状态，轴承稳定性分析时必须考虑紊流的影响. 考虑紊流的水润滑径向轴承的静态雷诺方程为

(1)

式中：Kθ=12+0.013 6Re0.9;KZ=12+0.004 3Re0.98;θ、Z分别为轴承圆周方向和轴向坐标；r为轴承半径；h为膜厚；P为压力；μ为水的动力黏度；ρ为水的密度；U为轴承线速度；Kθ、KZ为紊流修正因子(采用Ng-Pan模型)；Re为雷诺数.Re=Uρh/μ.

轴承量纲一的等效刚度Keq为

(2)

界限涡动比γ为

(3)

轴承的失稳角速度Ωst为

(4)

式中：l为轴承宽度；m为转子质量；ψ=h0/r；h0为轴承的半径间隙；Kij、cij(i，j=x，y)为轴承的刚度和阻尼系数.

为比较两种轴承的稳定性，在参数相同的条件下，计算得到轴承的量纲一的等效刚度、界限涡动比和失稳转速. 轴承的等效刚度和界限涡动比如图4所示. 小孔结构的等效刚度约为线式结构的2.7倍. 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.

在不同转速下计算轴承水膜的失稳转速，如图5所示. 由图可见，线式结构轴承的水膜失稳转速约5.2×104r/min，而小孔结构轴承的水膜失稳转速与等速线在20×104r/min以内无交点，表明小孔结构阶梯浅腔轴承的稳定性更好.

2.2 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，得到振动瀑布图，如图6所示.

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3 000 r/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.

3 空压机性能实验

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.

3.1 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.

图7给出了压缩机机械损耗与转速之间的理论和实验关系. 由图可见，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1.09 kW，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.

3.2 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.

图8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). 由图可知，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5.2 kW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[5].

压缩机工作特性曲线如图9所示. 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350 kg/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(见图1)，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. 图10所示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. 由图可知，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，开发出原型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对比研究. 实验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350 kg/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. 整体效率接近80%，高于既有报道的气体箔片轴承空压机的效率.

[1] Nakano S，Tadaharu K，Inoue T，et al. An advanced microturbine system with water-lubricated bearings [J]. International Journal of Rotating Machinery, 2009(1):1-12.

[2] Andres L S，Rivadeneira J C，Gjika K，et al. Rotordynamics of small turbochargers supported on floating ring bearings-highlights in bearing analysis and experimental validation[J]. Journal of Tribology，2007，129(2):391-397.

[3] Toshihiko N，Masaru K. Development of 150 000 r/min，1.5 kW permanent magnet motor for automotive supercharger[C]∥Proceedings of International Conference on Power Electronics and Drive Systems. Bangkok，Thailand: IEEE，2007：183-188.

[4] Nikola S，Ian K S，Ahmed K，et al. Development of water lubricated compressor-expender for fuel cell application[C]∥Proceedings of International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Vancouver. British Columbia，Canada: ASME，2010:875-881.

[5] Ivan A，Alfonso D D，Luca P，et al. Steady-state analysis and energetic comparison of air compressors for PEM fuel cell systems[C]∥Proceedings of the 4th International Conference on Fuel Cell Science，Engineering and Technology. Irvine，California，USA: ASME，2006:353-364.

[6] James F W，Michael J T，Crystal A H，et al. On the development of an oil-free electric turbocharger for fuel cells[C]∥Proceedings of ASME Turbo Expo. Barcelona，Spain: ASME，2006:395-400.

[7] 金杭海，束鹏程，邢子文.用于燃料电池系统中的喷水螺杆压缩机的研制[J].压缩机技术，2003(3):17-20.

Jin Hangmei，Shu Pengcheng，Xing Ziwen. Development of a water-injected twin screw compressor and its application in the fuel cell system[J]. Compressor Technology，2003(3):17-20. (in Chinese)

[8] 吴震宇，陶国良.燃料电池用高速单螺杆压缩机的仿真探究[J].浙江大学学报:工学版，2006，40(2):309-312.

Wu Zhenyu，Tao Guoliang. Simulation of high speed single screw compressor in fuel cell[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science，2006，40(2):309-312. (in Chinese)

[9] Zheng X，Zhang Y，He H，et al. Design of a centrifugal compressor with low specific speed for automotive fuel cell[C]∥Proceedings of ASME Turbo Expo. Berlin，Germany: ASME，2008:1531-1536.

[10] Yoshimoto S，Kume T，Shitara T. Axial load capacity of water-lubricated hydrostatic conical bearings with spiral grooves for high speed spindles[J]. Tribology International，1998，31(6):331-338.

(责任编辑：孙竹凤)

Development of the Motorized Centrifugal Air Compressor Using Water-Lubricated Bearings for Fuel Cells

REN Tian-ming1，FENG Ming1，NI Huai-sheng2

(1.School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology，Beijing 100083，China;2.Shanghai Fuel Cell Vehicle Power-Train Company Ltd，Shanghai 201804，China)

A design programming was presented for a high speed centrifugal air compressor supported with water lubricated bearings and driven by permanent magnet synchronous motor (PMSM).In order to satisfy the oil-free and high efficiency requirements of the fuel cell system, the compressor was designed structurally combining water lubricated bearing with PMSM. A dynamic optimization was first conducted on the compressor rotor, then the stability performances of different kinds of water lubricated sallow multi-pocket bearing were investigated. Finally, a prototype of the compressor was developed and tested. The results show that the air compressor prototype can proride compressed air with 350 kg/h, aressure ratio at 6×104r/min. Steady operations at high rotating speed were obtained, and the feasibility of the design was verified.

fuel cell; motorized centrifugal compressor; water lubrication; hydrodynamic and hydrostatic hybrid bearing; rotor dynamics

2015-01-30

国家“八六三”计划项目(SS2012AA110501)

任天明(1988—)，男，博士生，E-mail:ray_1107@163.com.

冯明(1967—)，男，教授，博士生导师，E-mail:mingfeng@me.ustb.edu.cn.

TH 452

A

1001-0645(2016)07-0679-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.07.004