燃料电池用水润滑电动离心式空压机的研发-北京理工大学

收稿日期:20150130

基金项目:国家 八六三 计划项目(S S 2012A A 110501

)作者简介:任天明(1988 ),男,博士生,E -m a i l :r a y _1107@163.c o m.通信作者:冯明(1967 ),男,教授,博士生导师,E -m a i l :m i n g f e n g

@m e .u s t b .e d u .c n .第36卷 第7期2016年7月

北京理工大学学报

T r a n s a c t i o n s o fB e i j i n g I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y

V o l .36 N o .7J u l .2016

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)摘 要:提出了一种以水润滑动静压轴承为支撑㊁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㊁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

6ˑ104

r /m i n 时可提供350k g

/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.

关键词:燃料电池;电动离心式空压机;水润滑;动静压轴承;转子动力学中图分类号:T H452 文献标志码:A 文章编号:1001-0645(2016)07-0679-05

D O I :10.15918/j

.t b i t 1001-0645.2016.07.004D e v e l o p m e n t o f t h eM o t o r i z e dC e n t r i f u g a lA i rC o m p

r e s s o r U s i n g W a t e r -L u b r i c a t e dB e a r i n g

s f o rF u e l C e l l s R E N T i a n -m i n g 1, F E N G M i n g 1, N IH u a i -

s h e n g 2

(1.S c h o o l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,B e i j i n g 1

00083,C h i n a ;2.S h a n g h a i F u e l C e l lV e h i c l eP o w e r -T r a i nC o m p a n y L t d ,S h a n g h a i 201804,C h i n a )A b s t r a c t :A d e s i g n p r o g r a mm i n g w a s p r e s e n t e df o ra h i g hs p e e dc e n t r i f u g a la i rc o m p

r e s s o r s u p p o r t e dw i t h w a t e r l u b r i c a t e db e a r i n g sa n dd r i v e nb yp e r m a n e n t m a g n e ts y

n c h r o n o u s m o t o r (P M S M ).I no r d e r t o s a t i s f y t h e o i l -

f r e e a n dh i

g he f f i c i e n c y r e q u i r e m e n t s o f t

h e f u e l c e l l s y s t e m ,t h e c o m p r e s s o rw a sd e s

i g n e ds t r u c t u r a l l y c o m b i n i n g w a t e rl u b r i c a t e db e a r i n g w

i t h P M S M.A d y n a m i c o p t i m i z a t i o n w a s f i r s t c o n d u c t e d o n t h e c o m p r e s s o r r o t o r ,t h e n t h e s t a b i l i t y

p e r f o r m a n c e s o f d i f f e r e n t k i n d s o f w a t e r l u b r i c a t e d s a l l o w m u l t i -p o c k e t b e a r i n g w e r e i n v e s t i g a t e d .F i n a l l y ,a p r o t o t y p e o f t h e c o m p r e s s o rw a s d e v e l o p

e d a n d t e s t e d .T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e a i r c o m p r e s s o r p r o t o t y p e c a n p r o r i d e c o m p r e s s e d a i rw i t h 350k g

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r /m i n .S t e a d y o p e r a t i o n sa th i g hr o t a t i n g s p e e d w e r eo b t a i n e d ,a n dt h ef e a s i b i l i t y o

ft h e d e s i g

nw a s v e r i f i e d .K e y w

o r d s :f u e lc e l l ;m o t o r i z e dc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r ;w a t e rl u b r i c a t i o n ;h y d r o d y n a m i ca n d h y d r o s t a t i c h y b r i db e a r i n g ;r o t o r d y

n a m i c s 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]㊁微型涡轮空压机[

2]

㊁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㊁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