【壓縮機網(wǎng)】1 引言
目前我國經(jīng)濟快速發(fā)展，節(jié)能減排已成為當下熱點。隨著化石能源的不可再生性和環(huán)保壓力的日益增加，且燃油發(fā)動機排放物對環(huán)境和人類健康產(chǎn)生了不利影響，化石衍生產(chǎn)品的主要最終用戶是當前的汽車工業(yè)，盡管電動汽車的發(fā)展可能會改變未來十年的敘述，但今天的這個行業(yè)很大程度上是由化石能源驅(qū)動的，因此人們開始逐漸將目光聚焦在新能源汽車方向。氫燃料電池憑借其零排放、續(xù)駛里程長、燃料來源廣泛等優(yōu)點，成為新能源汽車發(fā)展的主要方向之一。最近的十幾年，大多數(shù)汽車公司和主要工業(yè)企業(yè)制造商已資助正在進行的燃料電池應(yīng)用研究在車輛的應(yīng)用，豐田、本田和現(xiàn)代作為領(lǐng)軍者，率先推出了氫燃料電池汽車。根據(jù)《2019年市場研究未來》（MRFR）報告，到2025年預(yù)計全球汽車氫和燃料電池市場將復(fù)合年增長率將達到25%；到2030年美國預(yù)測在加利福尼亞州將有100萬輛燃料電池汽車；中國、日本和韓國的目標是1、0.8和0.6百萬輛燃料電池電動汽車。預(yù)計未來車用燃料電池的市場前景廣闊。
氫燃料電池主要部件包括燃料電池堆、空氣供給系統(tǒng)、水管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)和氫氣供給系統(tǒng)組成，其中空氣供給系統(tǒng)的主要部件為空氣壓縮機。整體示意如圖1所示。圖2為某模擬燃料電池電動概念車，搭載了110kW的燃料電池。
空壓機是燃料電池陰極供氣系統(tǒng)的重要組成部分，通過增壓進堆的空氣，從而提高燃料電池的效率和功率密度。同時，氫燃料電池發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)對進入空氣的溫度、濕度、壓力和流量等參數(shù)有嚴格的要求，由圖4（a）可知，隨著進氣壓力的增大，燃料電池的電堆功率密度提高，圖4（b）反映了進氣壓力增大，系統(tǒng)成本顯著降低。
通過對比Snowman、Honeywell、FischerSpindlede等公司的車用空壓機產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)這些空壓機均具有高壓比、高功率、大流量、結(jié)構(gòu)緊湊等特點；另外根據(jù)車用燃料電池電堆對于空氣質(zhì)量的要求，這就使得適用于車用燃料電池專用空壓需要具有無油、體積小、噪聲低、高壓比和轉(zhuǎn)速高等特點。
2 空壓機的類型
空壓機是將原動（通常是電動機或柴油機）的機械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的裝置。根據(jù)其工作原理，主要可以分位三大類：容積型、透平型和熱力型，詳細分類圖如圖3所示。其中，可以用于車載燃料電池的空壓機一般為離心式、渦旋式、螺桿式空氣壓縮機。
2.1 渦旋式空壓機
渦旋式空壓機由靜渦旋盤和動渦旋盤的嚙合形成了多個壓縮室，通過2個交錯的螺旋狀葉片壓縮空氣，從而實現(xiàn)氣體的吸入和壓縮。由于其獨特的結(jié)構(gòu)，渦旋空壓機具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲低和壽命長等特點，同時也存在密封要求高等缺陷。另外由于目前渦旋式的輸出壓力偏低，導(dǎo)致車用方向應(yīng)用較少。
2.2 螺桿式空壓機
目前，市場上使用的主要為雙螺桿空壓機。雙螺桿空壓機的運行主要通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，齒槽容積變大吸氣，通過陰陽轉(zhuǎn)子的相互嚙合將氣體壓向排氣端并加壓后，經(jīng)排氣口排出。由于可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、效率高的特點，螺桿空壓機是燃料電池專用空壓機的理想機械，但由于噪聲大，重量體積較大，且壽命較短，車用方向已逐步被其他空壓機所取代。
2.3 離心式空壓機
離心式空壓機屬于透平壓縮機，目前一般采用電機直驅(qū)方式，在電機轉(zhuǎn)子超高速旋轉(zhuǎn)下，葉輪帶動氣體高速旋轉(zhuǎn)，與蝸殼相互作用產(chǎn)生高壓、大流量的空氣，將機械能轉(zhuǎn)換為氣體動能。其由于結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、封閉性好、質(zhì)量輕且振動小、在額定工況效率較高等優(yōu)點，被視為未來最有前途的空氣壓縮方式之一。2019年6月中國科學(xué)技術(shù)部啟動的重點項目可再生能源和氫能技術(shù)中，125g/s，16kW，質(zhì)量15kg壓比達到2.5的壓縮機研發(fā)子項目，表明了在車用燃料電池領(lǐng)域，發(fā)展趨勢是質(zhì)量輕、壓比高、大流量，離心式空壓機正是具有這些特點，逐步成為車用燃料電池空壓機的理想選擇。
2.4 空壓機研究現(xiàn)狀
目前，全球眾多車企、研究機構(gòu)已花費大量經(jīng)費進行氫燃料電池車的專用空氣壓縮機的研發(fā)和使用。全球各大燃料電池汽車生產(chǎn)商為空氣供應(yīng)系統(tǒng)選擇的空壓機類型也不盡相同，主要的燃料電池汽車生產(chǎn)商選擇的空壓機類型如表1所示。
目前國內(nèi)燃料電池車用壓縮機的相關(guān)研究中，北京科技大學(xué)、同濟大學(xué)等多家機構(gòu)對相關(guān)技術(shù)進行了研究，但都只局限于實驗室研究。北京科技大學(xué)的任天明研制出了水潤滑軸承支承的高速離心式空壓機，其轉(zhuǎn)速達到了100000r/min，功率達到10kW，并在實驗中轉(zhuǎn)速保持98000r/min時，質(zhì)量流量達到73g/s、壓比2.22，電機效率達到68%，驗證符合50kW級燃料電池的應(yīng)用。同濟大學(xué)研究離心式空壓機也成果顯著，張智明等研制了一種可以滿足60～80kW大功率燃料電池發(fā)動機的兩級串聯(lián)增壓直驅(qū)離心式空壓機，解決了所需進氣壓力大、流量范圍寬的需求，具有超高轉(zhuǎn)速、高效率、長壽命、無潤滑油等特點；展慶等通過研究優(yōu)化了空壓機葉片進口直徑、出口寬度以及擴壓器長度的關(guān)鍵參數(shù)，使得優(yōu)化后的葉輪流到內(nèi)流動更加穩(wěn)定，流動損失降低，效率提高了4%；左曙光等采用Kriging模型針對離心葉輪進行了參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化后在設(shè)計點壓縮比提高3.56%，等熵效率提高1.02%。國內(nèi)的勢加透博公司聯(lián)合清華大學(xué)汽車系成功研發(fā)了雙極增壓設(shè)計的XT-FCC系列氣懸浮空壓機，最高轉(zhuǎn)速11000r/min，流量達到108g/s，壓比達到2.5；濰坊的康躍設(shè)計研制了燃料電池用的雙極增壓離心式空壓機，額定轉(zhuǎn)速80000r/min；毅合捷汽車研制了能作為60kW燃料電池進氣系統(tǒng)的離心式空壓機，最大轉(zhuǎn)速達到12000r/min，最大壓比達到2.3，最大流量為68g/s，還設(shè)計發(fā)明了一種燃料電池發(fā)動機的單級增壓直驅(qū)離心式空壓機，相比于雙極增壓，大大減小了體積，降低功耗，提高了穩(wěn)定性。圖5為勢加透博的XC-FCC空壓機。
國際上，由于投入較早，車用燃料電池專用空壓機的技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化并在多款汽車上經(jīng)歷長時間的運行。目前在韓國、美國、日本等國際汽車公司都普遍認為離心式壓縮機為未來主流方向，前景廣闊。美國Honeywell公司自1997年便開始了燃料電池專用離心式空壓機的研發(fā)工作，2003更是與美國能源部DOE研發(fā)出110000r/min的高速離心式空壓機，該空壓機采用空氣軸承，最大質(zhì)量流量100g/s，最大壓力約3.2，且空壓機重量僅8.2kg；2016年韓國現(xiàn)代汽車公司采用箔片式空氣軸承研發(fā)了第三代車載燃料電池用的離心式壓縮機，功率從第一代的8kW提升到了10kW，大大減少了空壓機的體積和質(zhì)量；日本本田公司為了彌補第一代Lysholm空壓機噪聲較大的缺陷，于2017年和蓋瑞特聯(lián)合開發(fā)了一款采用空氣軸承的雙級混流式空壓機，空氣壓力提高了1.7倍，總體積噪聲明顯減小。
總的來說，國內(nèi)車用燃料電池專用空壓機的研發(fā)還處于起步階段，與發(fā)達國家技術(shù)差距較大，在高速電機性能、軸承的穩(wěn)定性方面還有很大的研究上升空間。另外，通過分析對比國內(nèi)外研發(fā)的空壓機，高速永磁電機已成為目前空壓機的主流驅(qū)動電機，實用效果顯著；同時空氣軸承也逐步替代傳統(tǒng)軸承應(yīng)用于車用燃料電池專用空壓機領(lǐng)域。
3 永磁電機
隨著越來越多的研究投入到空壓機中，作為空壓機的驅(qū)動電機，近年來對于高速電機性能的研究越來越深入，且隨著電力技術(shù)和稀土永磁材料的廣泛運用，高速永磁電機因能直接驅(qū)動負載、氣隙較大、功率密度高等優(yōu)點已成為主流的驅(qū)動電機。
高速永磁電機作為空壓機的驅(qū)動電機，其本質(zhì)是將電能轉(zhuǎn)化為機械能從而驅(qū)動空壓機葉片旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)化過程中存在不可避免的熱損耗，從而導(dǎo)致電機各部位溫度升高，有的甚至?xí)绊戨姍C的性能。高速永磁電機轉(zhuǎn)速較高，對應(yīng)的電磁交變頻率很高，電機繞組和定子鐵芯中產(chǎn)生大量的銅耗和鐵耗，這些損耗占到電機總發(fā)熱量的90%左右，使得電機發(fā)熱嚴重從而導(dǎo)致永磁體過熱永久退磁。針對電機能量損耗和溫升的研究，一般從高速電機的設(shè)計、工藝和材料等方面研究設(shè)計。
Ma Jie等人在電機設(shè)計時優(yōu)化轉(zhuǎn)子永磁體尺寸和添加輔助槽，大大降低了電子轉(zhuǎn)子的渦流損耗；北京科技大學(xué)的陳奪分析了電機極弧系數(shù)、定子槽數(shù)和定子槽口寬度等參數(shù)對點金轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響[24]；日本的Okamoto S為了降低電機的鐵損，使用非晶磁性材料代替硅鋼片，使得定子鐵心的鐵耗降低了約50%；另外，轉(zhuǎn)子由于高速旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生較大的離心力，因此對電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度要求很高。針對高速電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度的研究，早在20世紀80年代，瑞典的皇家工學(xué)院就采用轉(zhuǎn)子保護套保護轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；Kim S根據(jù)傳統(tǒng)的表貼式永磁電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，設(shè)計了新型轉(zhuǎn)子設(shè)計，提高了電機的整體效率；國內(nèi)天津大學(xué)的Shu Wang提出設(shè)計了一種帶有輔助磁通屏障的改進轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，有效降低了電磁力產(chǎn)生的振動和噪聲，保證了轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強度；中車的黃紹枝設(shè)計了一種“U+1”拓撲結(jié)構(gòu)的電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[29]，有效提高了詞組轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩，大大提高了轉(zhuǎn)子的機械強度。同時針對空壓機、高速永磁電機的散熱結(jié)構(gòu)，也是提高電機、空壓機使用壽命的有效途徑。
總的來說，目前永磁電機的研發(fā)與優(yōu)化設(shè)計，是提高車用燃料電池專用空壓機性能的有效途徑。在電機高速運轉(zhuǎn)下，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和電機的相關(guān)工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇等，降低了電機的能量損耗，提高了空壓機驅(qū)動電機的性能和穩(wěn)定性，是當下的主流研究方向之一。
4 軸承
高速電機的安全和穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于軸承，軸承的性能直接決定電機的使用壽命。目前，車用燃料電池專用離心式空壓機的轉(zhuǎn)速普遍超過100000r/min，且要求無油潤滑，對此，傳統(tǒng)的滾珠軸承已經(jīng)不再適合，水軸承和空氣軸承成為了主要研究對象，其中空氣軸承更是由于整體復(fù)雜度小，寄生功率小等更加適用于車載離心空壓機。國外對于空氣軸承的研究相對較早，更為完善，且已投入實際應(yīng)用。早在1854年，法國的G.Hur教授就提出了空氣軸承的設(shè)想，1928年英國的Thomson Houton公司就研發(fā)了氣體箔片軸承，2019年美國的Tribology Group利用氣墊效應(yīng)來優(yōu)化空氣軸承，大大減少了摩擦和磨損，提高了氣體的密封性；對比國內(nèi)起步相對較晚，20世紀60年代開始進行空氣軸承的理論與實驗研究。隨著離心式空壓機轉(zhuǎn)速的提高，越來越多的人開始關(guān)注氣體軸承的研究，2019年湖南大學(xué)的郭志陽通過實驗研究了靜載荷和不平衡載荷對氣體箔片軸承支承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的影響，并設(shè)計了氣體軸承的靜載荷和不平衡載荷的加載裝置，增加了氣體軸承的剛度。
5 結(jié)論
本文闡述了國內(nèi)外車用燃料電池專用空壓機的發(fā)展現(xiàn)狀，同時通過分析、對比各種類的空壓機，發(fā)現(xiàn)作為目前車用燃料電池專用的主流空壓機，離心式空壓機會成為以后的主要研究和實用的對象。同時對比國內(nèi)外研制的新型離心式空壓機，永磁電機作為空壓機的驅(qū)動電機，實際運用較多；空氣軸承也因更適合高轉(zhuǎn)速運行，逐步取代傳統(tǒng)的滾珠軸承。因此，針對車用燃料電池專用離心式空壓機，當下研究和攻堅的主流方向就是提高空壓機內(nèi)永磁電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度的同時降低電機的能量損耗；提高軸承的壽命和穩(wěn)定性，同時空壓機結(jié)構(gòu)上的散熱優(yōu)化與設(shè)計也會是未來主要研究方向。
來源：本站原創(chuàng)
【壓縮機網(wǎng)】1 引言
目前我國經(jīng)濟快速發(fā)展，節(jié)能減排已成為當下熱點。隨著化石能源的不可再生性和環(huán)保壓力的日益增加，且燃油發(fā)動機排放物對環(huán)境和人類健康產(chǎn)生了不利影響，化石衍生產(chǎn)品的主要最終用戶是當前的汽車工業(yè)，盡管電動汽車的發(fā)展可能會改變未來十年的敘述，但今天的這個行業(yè)很大程度上是由化石能源驅(qū)動的，因此人們開始逐漸將目光聚焦在新能源汽車方向。氫燃料電池憑借其零排放、續(xù)駛里程長、燃料來源廣泛等優(yōu)點，成為新能源汽車發(fā)展的主要方向之一。最近的十幾年，大多數(shù)汽車公司和主要工業(yè)企業(yè)制造商已資助正在進行的燃料電池應(yīng)用研究在車輛的應(yīng)用，豐田、本田和現(xiàn)代作為領(lǐng)軍者，率先推出了氫燃料電池汽車。根據(jù)《2019年市場研究未來》（MRFR）報告，到2025年預(yù)計全球汽車氫和燃料電池市場將復(fù)合年增長率將達到25%；到2030年美國預(yù)測在加利福尼亞州將有100萬輛燃料電池汽車；中國、日本和韓國的目標是1、0.8和0.6百萬輛燃料電池電動汽車。預(yù)計未來車用燃料電池的市場前景廣闊。
氫燃料電池主要部件包括燃料電池堆、空氣供給系統(tǒng)、水管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)和氫氣供給系統(tǒng)組成，其中空氣供給系統(tǒng)的主要部件為空氣壓縮機。整體示意如圖1所示。圖2為某模擬燃料電池電動概念車，搭載了110kW的燃料電池。
空壓機是燃料電池陰極供氣系統(tǒng)的重要組成部分，通過增壓進堆的空氣，從而提高燃料電池的效率和功率密度。同時，氫燃料電池發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)對進入空氣的溫度、濕度、壓力和流量等參數(shù)有嚴格的要求，由圖4（a）可知，隨著進氣壓力的增大，燃料電池的電堆功率密度提高，圖4（b）反映了進氣壓力增大，系統(tǒng)成本顯著降低。
通過對比Snowman、Honeywell、FischerSpindlede等公司的車用空壓機產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)這些空壓機均具有高壓比、高功率、大流量、結(jié)構(gòu)緊湊等特點；另外根據(jù)車用燃料電池電堆對于空氣質(zhì)量的要求，這就使得適用于車用燃料電池專用空壓需要具有無油、體積小、噪聲低、高壓比和轉(zhuǎn)速高等特點。
2 空壓機的類型
空壓機是將原動（通常是電動機或柴油機）的機械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的裝置。根據(jù)其工作原理，主要可以分位三大類：容積型、透平型和熱力型，詳細分類圖如圖3所示。其中，可以用于車載燃料電池的空壓機一般為離心式、渦旋式、螺桿式空氣壓縮機。
2.1 渦旋式空壓機
渦旋式空壓機由靜渦旋盤和動渦旋盤的嚙合形成了多個壓縮室，通過2個交錯的螺旋狀葉片壓縮空氣，從而實現(xiàn)氣體的吸入和壓縮。由于其獨特的結(jié)構(gòu)，渦旋空壓機具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲低和壽命長等特點，同時也存在密封要求高等缺陷。另外由于目前渦旋式的輸出壓力偏低，導(dǎo)致車用方向應(yīng)用較少。
2.2 螺桿式空壓機
目前，市場上使用的主要為雙螺桿空壓機。雙螺桿空壓機的運行主要通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，齒槽容積變大吸氣，通過陰陽轉(zhuǎn)子的相互嚙合將氣體壓向排氣端并加壓后，經(jīng)排氣口排出。由于可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、效率高的特點，螺桿空壓機是燃料電池專用空壓機的理想機械，但由于噪聲大，重量體積較大，且壽命較短，車用方向已逐步被其他空壓機所取代。
2.3 離心式空壓機
離心式空壓機屬于透平壓縮機，目前一般采用電機直驅(qū)方式，在電機轉(zhuǎn)子超高速旋轉(zhuǎn)下，葉輪帶動氣體高速旋轉(zhuǎn)，與蝸殼相互作用產(chǎn)生高壓、大流量的空氣，將機械能轉(zhuǎn)換為氣體動能。其由于結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、封閉性好、質(zhì)量輕且振動小、在額定工況效率較高等優(yōu)點，被視為未來最有前途的空氣壓縮方式之一。2019年6月中國科學(xué)技術(shù)部啟動的重點項目可再生能源和氫能技術(shù)中，125g/s，16kW，質(zhì)量15kg壓比達到2.5的壓縮機研發(fā)子項目，表明了在車用燃料電池領(lǐng)域，發(fā)展趨勢是質(zhì)量輕、壓比高、大流量，離心式空壓機正是具有這些特點，逐步成為車用燃料電池空壓機的理想選擇。
2.4 空壓機研究現(xiàn)狀
目前，全球眾多車企、研究機構(gòu)已花費大量經(jīng)費進行氫燃料電池車的專用空氣壓縮機的研發(fā)和使用。全球各大燃料電池汽車生產(chǎn)商為空氣供應(yīng)系統(tǒng)選擇的空壓機類型也不盡相同，主要的燃料電池汽車生產(chǎn)商選擇的空壓機類型如表1所示。
目前國內(nèi)燃料電池車用壓縮機的相關(guān)研究中，北京科技大學(xué)、同濟大學(xué)等多家機構(gòu)對相關(guān)技術(shù)進行了研究，但都只局限于實驗室研究。北京科技大學(xué)的任天明研制出了水潤滑軸承支承的高速離心式空壓機，其轉(zhuǎn)速達到了100000r/min，功率達到10kW，并在實驗中轉(zhuǎn)速保持98000r/min時，質(zhì)量流量達到73g/s、壓比2.22，電機效率達到68%，驗證符合50kW級燃料電池的應(yīng)用。同濟大學(xué)研究離心式空壓機也成果顯著，張智明等研制了一種可以滿足60～80kW大功率燃料電池發(fā)動機的兩級串聯(lián)增壓直驅(qū)離心式空壓機，解決了所需進氣壓力大、流量范圍寬的需求，具有超高轉(zhuǎn)速、高效率、長壽命、無潤滑油等特點；展慶等通過研究優(yōu)化了空壓機葉片進口直徑、出口寬度以及擴壓器長度的關(guān)鍵參數(shù)，使得優(yōu)化后的葉輪流到內(nèi)流動更加穩(wěn)定，流動損失降低，效率提高了4%；左曙光等采用Kriging模型針對離心葉輪進行了參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化后在設(shè)計點壓縮比提高3.56%，等熵效率提高1.02%。國內(nèi)的勢加透博公司聯(lián)合清華大學(xué)汽車系成功研發(fā)了雙極增壓設(shè)計的XT-FCC系列氣懸浮空壓機，最高轉(zhuǎn)速11000r/min，流量達到108g/s，壓比達到2.5；濰坊的康躍設(shè)計研制了燃料電池用的雙極增壓離心式空壓機，額定轉(zhuǎn)速80000r/min；毅合捷汽車研制了能作為60kW燃料電池進氣系統(tǒng)的離心式空壓機，最大轉(zhuǎn)速達到12000r/min，最大壓比達到2.3，最大流量為68g/s，還設(shè)計發(fā)明了一種燃料電池發(fā)動機的單級增壓直驅(qū)離心式空壓機，相比于雙極增壓，大大減小了體積，降低功耗，提高了穩(wěn)定性。圖5為勢加透博的XC-FCC空壓機。
國際上，由于投入較早，車用燃料電池專用空壓機的技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化并在多款汽車上經(jīng)歷長時間的運行。目前在韓國、美國、日本等國際汽車公司都普遍認為離心式壓縮機為未來主流方向，前景廣闊。美國Honeywell公司自1997年便開始了燃料電池專用離心式空壓機的研發(fā)工作，2003更是與美國能源部DOE研發(fā)出110000r/min的高速離心式空壓機，該空壓機采用空氣軸承，最大質(zhì)量流量100g/s，最大壓力約3.2，且空壓機重量僅8.2kg；2016年韓國現(xiàn)代汽車公司采用箔片式空氣軸承研發(fā)了第三代車載燃料電池用的離心式壓縮機，功率從第一代的8kW提升到了10kW，大大減少了空壓機的體積和質(zhì)量；日本本田公司為了彌補第一代Lysholm空壓機噪聲較大的缺陷，于2017年和蓋瑞特聯(lián)合開發(fā)了一款采用空氣軸承的雙級混流式空壓機，空氣壓力提高了1.7倍，總體積噪聲明顯減小。
總的來說，國內(nèi)車用燃料電池專用空壓機的研發(fā)還處于起步階段，與發(fā)達國家技術(shù)差距較大，在高速電機性能、軸承的穩(wěn)定性方面還有很大的研究上升空間。另外，通過分析對比國內(nèi)外研發(fā)的空壓機，高速永磁電機已成為目前空壓機的主流驅(qū)動電機，實用效果顯著；同時空氣軸承也逐步替代傳統(tǒng)軸承應(yīng)用于車用燃料電池專用空壓機領(lǐng)域。
3 永磁電機
隨著越來越多的研究投入到空壓機中，作為空壓機的驅(qū)動電機，近年來對于高速電機性能的研究越來越深入，且隨著電力技術(shù)和稀土永磁材料的廣泛運用，高速永磁電機因能直接驅(qū)動負載、氣隙較大、功率密度高等優(yōu)點已成為主流的驅(qū)動電機。
高速永磁電機作為空壓機的驅(qū)動電機，其本質(zhì)是將電能轉(zhuǎn)化為機械能從而驅(qū)動空壓機葉片旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)化過程中存在不可避免的熱損耗，從而導(dǎo)致電機各部位溫度升高，有的甚至?xí)绊戨姍C的性能。高速永磁電機轉(zhuǎn)速較高，對應(yīng)的電磁交變頻率很高，電機繞組和定子鐵芯中產(chǎn)生大量的銅耗和鐵耗，這些損耗占到電機總發(fā)熱量的90%左右，使得電機發(fā)熱嚴重從而導(dǎo)致永磁體過熱永久退磁。針對電機能量損耗和溫升的研究，一般從高速電機的設(shè)計、工藝和材料等方面研究設(shè)計。
Ma Jie等人在電機設(shè)計時優(yōu)化轉(zhuǎn)子永磁體尺寸和添加輔助槽，大大降低了電子轉(zhuǎn)子的渦流損耗；北京科技大學(xué)的陳奪分析了電機極弧系數(shù)、定子槽數(shù)和定子槽口寬度等參數(shù)對點金轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響[24]；日本的Okamoto S為了降低電機的鐵損，使用非晶磁性材料代替硅鋼片，使得定子鐵心的鐵耗降低了約50%；另外，轉(zhuǎn)子由于高速旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生較大的離心力，因此對電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度要求很高。針對高速電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度的研究，早在20世紀80年代，瑞典的皇家工學(xué)院就采用轉(zhuǎn)子保護套保護轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；Kim S根據(jù)傳統(tǒng)的表貼式永磁電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，設(shè)計了新型轉(zhuǎn)子設(shè)計，提高了電機的整體效率；國內(nèi)天津大學(xué)的Shu Wang提出設(shè)計了一種帶有輔助磁通屏障的改進轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，有效降低了電磁力產(chǎn)生的振動和噪聲，保證了轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強度；中車的黃紹枝設(shè)計了一種“U+1”拓撲結(jié)構(gòu)的電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[29]，有效提高了詞組轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩，大大提高了轉(zhuǎn)子的機械強度。同時針對空壓機、高速永磁電機的散熱結(jié)構(gòu)，也是提高電機、空壓機使用壽命的有效途徑。
總的來說，目前永磁電機的研發(fā)與優(yōu)化設(shè)計，是提高車用燃料電池專用空壓機性能的有效途徑。在電機高速運轉(zhuǎn)下，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和電機的相關(guān)工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇等，降低了電機的能量損耗，提高了空壓機驅(qū)動電機的性能和穩(wěn)定性，是當下的主流研究方向之一。
4 軸承
高速電機的安全和穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于軸承，軸承的性能直接決定電機的使用壽命。目前，車用燃料電池專用離心式空壓機的轉(zhuǎn)速普遍超過100000r/min，且要求無油潤滑，對此，傳統(tǒng)的滾珠軸承已經(jīng)不再適合，水軸承和空氣軸承成為了主要研究對象，其中空氣軸承更是由于整體復(fù)雜度小，寄生功率小等更加適用于車載離心空壓機。國外對于空氣軸承的研究相對較早，更為完善，且已投入實際應(yīng)用。早在1854年，法國的G.Hur教授就提出了空氣軸承的設(shè)想，1928年英國的Thomson Houton公司就研發(fā)了氣體箔片軸承，2019年美國的Tribology Group利用氣墊效應(yīng)來優(yōu)化空氣軸承，大大減少了摩擦和磨損，提高了氣體的密封性；對比國內(nèi)起步相對較晚，20世紀60年代開始進行空氣軸承的理論與實驗研究。隨著離心式空壓機轉(zhuǎn)速的提高，越來越多的人開始關(guān)注氣體軸承的研究，2019年湖南大學(xué)的郭志陽通過實驗研究了靜載荷和不平衡載荷對氣體箔片軸承支承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的影響，并設(shè)計了氣體軸承的靜載荷和不平衡載荷的加載裝置，增加了氣體軸承的剛度。
5 結(jié)論
本文闡述了國內(nèi)外車用燃料電池專用空壓機的發(fā)展現(xiàn)狀，同時通過分析、對比各種類的空壓機，發(fā)現(xiàn)作為目前車用燃料電池專用的主流空壓機，離心式空壓機會成為以后的主要研究和實用的對象。同時對比國內(nèi)外研制的新型離心式空壓機，永磁電機作為空壓機的驅(qū)動電機，實際運用較多；空氣軸承也因更適合高轉(zhuǎn)速運行，逐步取代傳統(tǒng)的滾珠軸承。因此，針對車用燃料電池專用離心式空壓機，當下研究和攻堅的主流方向就是提高空壓機內(nèi)永磁電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度的同時降低電機的能量損耗；提高軸承的壽命和穩(wěn)定性，同時空壓機結(jié)構(gòu)上的散熱優(yōu)化與設(shè)計也會是未來主要研究方向。
來源：本站原創(chuàng)
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