论文部分内容阅读
摘要：为了提高空气压缩机性能，本文通过一种改进水润滑改进后的离心式电动空压机进行实验测试，结果表明，改进后的空压机通过对电机磁钢处的密封设计，可以使搅水损耗相比轴承功耗小很多。在空载状况下，前轴和后轴的轴承工作良好，没有出现水膜失稳的情况。在带载状态下前轴承振动基本稳定，变化不大，后轴承在个别转速下有高频振动。整体振动较稳定，振动幅值较小。从空压机的工作特性可以看出，改进后的空压机压缩空气的质量流量及压力比随着转速升高而增大。涡壳和电机定子的温度都随转速而升高，但都远低于绕组的耐受温度。
Abstract： In order to improve the performance of the air compressor， this paper conducts experimental tests on an improved centrifugal electric air compressor with improved water lubrication. The results show that the improved air compressor can stir water by sealing the motor’s magnetic steel. The loss is much smaller than the power consumption of the bearing. Under no-load conditions， the bearings of the front and rear axles worked well， and there was no water film instability. In the loaded state， the front bearing vibration is basically stable with little change， and the rear bearing has high frequency vibration at individual speeds. The overall vibration is relatively stable， and the vibration amplitude is small. It can be seen from the working characteristics of the air compressor that the mass flow rate and pressure ratio of the compressed air of the improved air compressor increase with the increase in speed. The temperature of the volute and the stator of the motor both increase with the speed， but they are far lower than the withstand temperature of the windings.
關键词：离心式电动空气压缩机;实验测试;高频振动;质量流量
Key words： centrifugal electric air compressor;experimental test;high-frequency vibration;mass flow
中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）15-0089-04
0 引言
空气压缩机是气源装置中的主体，它是将原动机（通常是电动机）的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置，有着吹气产气、制冷与分离、驱动动力、合成及聚合、气体输送等作用，广泛应用于电子、汽车、钢铁等生产生活的各个领域。
空气压缩机的种类繁多，按照其工作原理可分为往复活塞式、旋转叶片或旋转螺杆式和电动离心式。离心式空压机相比于其他种类的空压机气量大，结构简单紧凑，重量轻，机组尺寸小，占地面积小。此外还有着运转平衡，操作可靠，运转率高，摩擦件少，因之备件需用量少，维护费用及人员少的优点，因此得到了广泛的运用[1-2]。
现阶段，许多学者对空压机做了相关研究。朱雷等[3]提出一种带有水冷定子机座和超短定子绕组端部长度的高密度无刷永磁电机，进行逆变器供电驱动电路和电机有限元耦合仿真的性能分析计算。辛强等[4]总结了车用燃料电池空气压缩机的类型及基本特征，对燃料电池空压机的现状及发展趋势作了进一步探究，并对其环境可靠性试验方法进行了详细解析，最后指出了未来燃料电池供气系统的主要技术研究方向，为燃料电池空压机的试验方法研究及研发改进提供参考。熊树生等[5]，经过均匀化传热计算得到涡旋盘循环平均温度场与气压场，提出指数分段温度公式作为替代方法简化温度场计算。
本文以一种改进后的离心式电动空压缩机为实验对象，通过测试功耗，轴承振动和压缩机特性，从而得到其具体的性能参数，从而对改进方案的效果进行验证，并为其进一步优化做好准备。 1 设计与方法
1.1 离心式空压机设计
本文改进的离心式空压机是利用水润滑轴承，为使系统具有较好的动力学特性，电机位于转子中间，两个水润滑动静压轴承分别位于电机两侧，止推轴承位于转子后端，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端部的空间。对于轴承润滑用水水路，应保证供水均匀适量，回水及时顺畅。润滑水经后端管接头从后端盖的进水孔泵入，在外壳上水路分为两路，分别供应前后径向轴承的润滑水，其中后径向轴承的水路又分为两路，一路供给后径向轴承，另一路进入止推配水盘，为止推轴承供水。前后径向轴承处堆积的润滑水则通过前后径向轴承下方的回水孔排出。前径向轴承处润滑水回水重新导入外壳，通过外壳上轴向的回水孔流到后端盖处;后径向轴承润滑水直接流入到后轴承预留的空腔中，与止推轴承回水汇在一起，并在后端盖处与前轴承回水汇集，一并由抽水泵泵出。
本设计方案中，采用水润滑轴承和内置电机的方式，所以对水的密封设计尤为重要。设计方案中采用多道O型圈密封，以确保润滑水和冷却水与电机定子部分完全隔离。另外，为调节涡轮轮后压力，在后端盖设计有调压孔。需要对空气在前端盖处密封，如图1所示。
1.2 测试系统设计与测试方法
压缩空气系统流量和压力动态变化非常快，在许多系统中大量的空气负荷随机运行，经常会导致压缩空气系统供气侧和需求侧之间的不平衡。为了客观反映压缩空气系统的动态变化过程，必须同时监测和记录系统流量、空压机功率、轴承振动和系统关键点压力等几个参数。
1.2.1 流量测量
测试压缩空气流量的方法有许多种，其中对管道中的流量直接进行测试是最为有效的方法，本测试系统选用了热式质量流量计，它根据热传导原理测试管道中气体平均速度，进而根据管道面积计算系统流量。热式质量流量计的最大好处是不需要对温度和压力进行修正。
1.2.2 功率/电流测量
空压机电机功率的变化可以采用功率传感器或者电流传感器来实现。功率传感器可以直接测试空压机组的输入功率，电流传感器可以测试空压机电机的运行电流，并通过测试空压机电机的供电电压后经过计算得出空压机运行功率数据。根据功率变化评估空压机在系统负荷发生变化时反应是否及时，同时可以估算压缩空气系统的能源消耗。
1.2.3 轴承振动测量
被测轴承的内圈端面紧靠芯轴轴肩，并以某一恒定的规定转速旋转，外圈不转并承受一定的径向或轴向载荷，用传感器测头摄取滚道中心截面与外圈外圆柱面相交线上的轴承外圈振动（速度）分量，将该径向振动（速度）分量转变成电信号并将该电信号输入到测量放大系统，对其进行信号处理。
1.2.4 压力测量
壓缩空气系统测试过程中的压力传感器和数据记录仪进行配合，可以同时记录多点的压力值，从而绘出整个系统的压力梯度曲线，依此判断系统的压降是否合理。另外，结合流量测试数据进行综合分析，可以给出系统负荷变化和压力变化之间的相互关系。压力传感器有几种类型和规格，通常选用的压力传感器精度为0.5% FS（全量程）。
2 结果与讨论
2.1 功耗测试
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）。如图2所示，轴承功耗与实验值趋势一致，数值相近，验证了在轴承功耗分析中考虑紊流影响的正确性。两者的差值反映了转子的搅水损耗，随着转速升高，搅水损耗先增大后平稳。在80000rpm时，压缩机机械损耗约1.28kW，其中轴承功耗1.08kW，转子搅水损耗0.2kW，可见电机磁钢处的密封设计，使搅水损耗相比轴承功耗小很多。
2.2 轴承测试
在室温24℃;供水压力0.08MPa;供水初始流量0.7 L·min-1。电机用西伯麦亚驱动器驱动，载荷情况为空载，即不装叶轮，电机空转，进行相关实验。轴承振动趋势图如图3所示，在前轴承在45000rpm处振动值较小，为0.12G，而后轴承在此处振动较大。随后前后振动趋同，在60000rpm以后，前轴承振动超过后轴承。后轴承在75000-80000rpm时振动有激增的现象，即振动幅值突然增加，但整体振动仍然较小，最大为0.5G。前轴承整体振动较为稳定。从图4看出轴承振动主要分布在基频，无半频振动，表明轴承工作良好，没有出现水膜失稳的情况。前轴承有小幅度的二倍频、四倍频振动。
在室温24℃;供水压力0.08MPa;供水初始流量0.8L·min-1下进行试验。电机带轮实验，使用西伯麦亚驱动器驱动。实验所用叶轮为外购，叶轮大端直径86mm。实验最大转速为60000rpm。由图5看出，在升速过程中前轴承振动基本稳定，变化不大，振动最大时为40000rpm时的0.25G，随转速增加，振动有减小趋势;后轴承振动则波动性较大37000rpm时振动达到峰值0.65G，37000-52000rpm振动呈下降趋势，超过55000rpm时振动幅值有回升趋势，但整体上振动小于1G。由图6看出，在带轮实验时，前后轴承均没有半频振动。前后轴承有小幅的二倍频振动，后轴承在个别转速下有高频振动。整体振动较稳定，振动幅值较小。
2.3 压缩机特性
在采用？准86叶轮进行的带载运转中，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，目前带载实验最高工作转速为6万转/分。图7（a）给出了压缩机做功及效率曲线。总功率为电机的实测输入总功率，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，压缩机效率逐渐升高，在6万转/分时，压缩机可输出约5.2kW的有效功，效率接近80%。图7（b）给出了压缩机工作特性曲线。压缩空气的质量流量及压力比随着转速升高而增大。在6万转/分时，压缩机可提供350kg/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。图8给出了温升曲线，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和定子叠片的涡流损耗。对所研制的空压机而言，在6万转/分下带载运行时电机定子的温度为72°C，远低于绕组的耐受温度。此外，按所做有关电机定转子温升的实验数据推算，对于有水冷的高速电机，转子温度会略高于此值5-10°C，说明此时磁钢的工作温度也远低于退磁温度（220°C）。
3 结论
本通过对改进后的离心式电动空气压缩机系统的性能测试系统、数据处理和分析的研究，可得出以下结论：改进后的空压机通过对电机磁钢处的密封设计，可以使搅水损耗相比轴承功耗小很多。在空载状况下，前轴和后轴的轴承工作良好，没有出现水膜失稳的情况。在带载状态下前轴承振动基本稳定，变化不大，后轴承在个别转速下有高频振动。整体振动较稳定，振动幅值较小。从空压机的工作特性可以看出，改进后的空压机压缩空气的质量流量及压力比随着转速升高而增大。涡壳和电机定子的温度都随转速而升高，但都远低于绕组的耐受温度。
参考文献：
[1]卫国爱，全书海，苏林，等.燃料电池空压机的建模及仿真[J].空军预警学院学报，2010，24（3）：200-202.
[2]王心坚，黄道锦，马瑞盛，等.高速燃料电池空压机无位置传感器控制[J].微特电机，2020，48（05）：45-47.
[3]朱雷，黄苏融，张琪，等.车用燃料电池空气压缩机用高密度无刷永磁电机[J].微特电机，2004，32（1）：3.
[4]辛强，陈侠.燃料电池空压机技术解析[J].汽车零部件，2020（12）：110-112.
[5]熊树生，江仁埔，吴占宽，等.燃料电池空压机涡旋盘均匀载荷应力变形仿真[J].同济大学学报（自然科学版），2019，047（0z1）：146-153.
Abstract： In order to improve the performance of the air compressor， this paper conducts experimental tests on an improved centrifugal electric air compressor with improved water lubrication. The results show that the improved air compressor can stir water by sealing the motor’s magnetic steel. The loss is much smaller than the power consumption of the bearing. Under no-load conditions， the bearings of the front and rear axles worked well， and there was no water film instability. In the loaded state， the front bearing vibration is basically stable with little change， and the rear bearing has high frequency vibration at individual speeds. The overall vibration is relatively stable， and the vibration amplitude is small. It can be seen from the working characteristics of the air compressor that the mass flow rate and pressure ratio of the compressed air of the improved air compressor increase with the increase in speed. The temperature of the volute and the stator of the motor both increase with the speed， but they are far lower than the withstand temperature of the windings.
關键词：离心式电动空气压缩机;实验测试;高频振动;质量流量
Key words： centrifugal electric air compressor;experimental test;high-frequency vibration;mass flow
中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）15-0089-04
0 引言
空气压缩机是气源装置中的主体，它是将原动机（通常是电动机）的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置，有着吹气产气、制冷与分离、驱动动力、合成及聚合、气体输送等作用，广泛应用于电子、汽车、钢铁等生产生活的各个领域。
空气压缩机的种类繁多，按照其工作原理可分为往复活塞式、旋转叶片或旋转螺杆式和电动离心式。离心式空压机相比于其他种类的空压机气量大，结构简单紧凑，重量轻，机组尺寸小，占地面积小。此外还有着运转平衡，操作可靠，运转率高，摩擦件少，因之备件需用量少，维护费用及人员少的优点，因此得到了广泛的运用[1-2]。
现阶段，许多学者对空压机做了相关研究。朱雷等[3]提出一种带有水冷定子机座和超短定子绕组端部长度的高密度无刷永磁电机，进行逆变器供电驱动电路和电机有限元耦合仿真的性能分析计算。辛强等[4]总结了车用燃料电池空气压缩机的类型及基本特征，对燃料电池空压机的现状及发展趋势作了进一步探究，并对其环境可靠性试验方法进行了详细解析，最后指出了未来燃料电池供气系统的主要技术研究方向，为燃料电池空压机的试验方法研究及研发改进提供参考。熊树生等[5]，经过均匀化传热计算得到涡旋盘循环平均温度场与气压场，提出指数分段温度公式作为替代方法简化温度场计算。
本文以一种改进后的离心式电动空压缩机为实验对象，通过测试功耗，轴承振动和压缩机特性，从而得到其具体的性能参数，从而对改进方案的效果进行验证，并为其进一步优化做好准备。 1 设计与方法
1.1 离心式空压机设计
本文改进的离心式空压机是利用水润滑轴承，为使系统具有较好的动力学特性，电机位于转子中间，两个水润滑动静压轴承分别位于电机两侧，止推轴承位于转子后端，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端部的空间。对于轴承润滑用水水路，应保证供水均匀适量，回水及时顺畅。润滑水经后端管接头从后端盖的进水孔泵入，在外壳上水路分为两路，分别供应前后径向轴承的润滑水，其中后径向轴承的水路又分为两路，一路供给后径向轴承，另一路进入止推配水盘，为止推轴承供水。前后径向轴承处堆积的润滑水则通过前后径向轴承下方的回水孔排出。前径向轴承处润滑水回水重新导入外壳，通过外壳上轴向的回水孔流到后端盖处;后径向轴承润滑水直接流入到后轴承预留的空腔中，与止推轴承回水汇在一起，并在后端盖处与前轴承回水汇集，一并由抽水泵泵出。
本设计方案中，采用水润滑轴承和内置电机的方式，所以对水的密封设计尤为重要。设计方案中采用多道O型圈密封，以确保润滑水和冷却水与电机定子部分完全隔离。另外，为调节涡轮轮后压力，在后端盖设计有调压孔。需要对空气在前端盖处密封，如图1所示。
1.2 测试系统设计与测试方法
压缩空气系统流量和压力动态变化非常快，在许多系统中大量的空气负荷随机运行，经常会导致压缩空气系统供气侧和需求侧之间的不平衡。为了客观反映压缩空气系统的动态变化过程，必须同时监测和记录系统流量、空压机功率、轴承振动和系统关键点压力等几个参数。
1.2.1 流量测量
测试压缩空气流量的方法有许多种，其中对管道中的流量直接进行测试是最为有效的方法，本测试系统选用了热式质量流量计，它根据热传导原理测试管道中气体平均速度，进而根据管道面积计算系统流量。热式质量流量计的最大好处是不需要对温度和压力进行修正。
1.2.2 功率/电流测量
空压机电机功率的变化可以采用功率传感器或者电流传感器来实现。功率传感器可以直接测试空压机组的输入功率，电流传感器可以测试空压机电机的运行电流，并通过测试空压机电机的供电电压后经过计算得出空压机运行功率数据。根据功率变化评估空压机在系统负荷发生变化时反应是否及时，同时可以估算压缩空气系统的能源消耗。
1.2.3 轴承振动测量
被测轴承的内圈端面紧靠芯轴轴肩，并以某一恒定的规定转速旋转，外圈不转并承受一定的径向或轴向载荷，用传感器测头摄取滚道中心截面与外圈外圆柱面相交线上的轴承外圈振动（速度）分量，将该径向振动（速度）分量转变成电信号并将该电信号输入到测量放大系统，对其进行信号处理。
1.2.4 压力测量
壓缩空气系统测试过程中的压力传感器和数据记录仪进行配合，可以同时记录多点的压力值，从而绘出整个系统的压力梯度曲线，依此判断系统的压降是否合理。另外，结合流量测试数据进行综合分析，可以给出系统负荷变化和压力变化之间的相互关系。压力传感器有几种类型和规格，通常选用的压力传感器精度为0.5% FS（全量程）。
2 结果与讨论
2.1 功耗测试
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）。如图2所示，轴承功耗与实验值趋势一致，数值相近，验证了在轴承功耗分析中考虑紊流影响的正确性。两者的差值反映了转子的搅水损耗，随着转速升高，搅水损耗先增大后平稳。在80000rpm时，压缩机机械损耗约1.28kW，其中轴承功耗1.08kW，转子搅水损耗0.2kW，可见电机磁钢处的密封设计，使搅水损耗相比轴承功耗小很多。
2.2 轴承测试
在室温24℃;供水压力0.08MPa;供水初始流量0.7 L·min-1。电机用西伯麦亚驱动器驱动，载荷情况为空载，即不装叶轮，电机空转，进行相关实验。轴承振动趋势图如图3所示，在前轴承在45000rpm处振动值较小，为0.12G，而后轴承在此处振动较大。随后前后振动趋同，在60000rpm以后，前轴承振动超过后轴承。后轴承在75000-80000rpm时振动有激增的现象，即振动幅值突然增加，但整体振动仍然较小，最大为0.5G。前轴承整体振动较为稳定。从图4看出轴承振动主要分布在基频，无半频振动，表明轴承工作良好，没有出现水膜失稳的情况。前轴承有小幅度的二倍频、四倍频振动。
在室温24℃;供水压力0.08MPa;供水初始流量0.8L·min-1下进行试验。电机带轮实验，使用西伯麦亚驱动器驱动。实验所用叶轮为外购，叶轮大端直径86mm。实验最大转速为60000rpm。由图5看出，在升速过程中前轴承振动基本稳定，变化不大，振动最大时为40000rpm时的0.25G，随转速增加，振动有减小趋势;后轴承振动则波动性较大37000rpm时振动达到峰值0.65G，37000-52000rpm振动呈下降趋势，超过55000rpm时振动幅值有回升趋势，但整体上振动小于1G。由图6看出，在带轮实验时，前后轴承均没有半频振动。前后轴承有小幅的二倍频振动，后轴承在个别转速下有高频振动。整体振动较稳定，振动幅值较小。
2.3 压缩机特性
在采用？准86叶轮进行的带载运转中，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，目前带载实验最高工作转速为6万转/分。图7（a）给出了压缩机做功及效率曲线。总功率为电机的实测输入总功率，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，压缩机效率逐渐升高，在6万转/分时，压缩机可输出约5.2kW的有效功，效率接近80%。图7（b）给出了压缩机工作特性曲线。压缩空气的质量流量及压力比随着转速升高而增大。在6万转/分时，压缩机可提供350kg/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。图8给出了温升曲线，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和定子叠片的涡流损耗。对所研制的空压机而言，在6万转/分下带载运行时电机定子的温度为72°C，远低于绕组的耐受温度。此外，按所做有关电机定转子温升的实验数据推算，对于有水冷的高速电机，转子温度会略高于此值5-10°C，说明此时磁钢的工作温度也远低于退磁温度（220°C）。
3 结论
本通过对改进后的离心式电动空气压缩机系统的性能测试系统、数据处理和分析的研究，可得出以下结论：改进后的空压机通过对电机磁钢处的密封设计，可以使搅水损耗相比轴承功耗小很多。在空载状况下，前轴和后轴的轴承工作良好，没有出现水膜失稳的情况。在带载状态下前轴承振动基本稳定，变化不大，后轴承在个别转速下有高频振动。整体振动较稳定，振动幅值较小。从空压机的工作特性可以看出，改进后的空压机压缩空气的质量流量及压力比随着转速升高而增大。涡壳和电机定子的温度都随转速而升高，但都远低于绕组的耐受温度。
参考文献：
[1]卫国爱，全书海，苏林，等.燃料电池空压机的建模及仿真[J].空军预警学院学报，2010，24（3）：200-202.
[2]王心坚，黄道锦，马瑞盛，等.高速燃料电池空压机无位置传感器控制[J].微特电机，2020，48（05）：45-47.
[3]朱雷，黄苏融，张琪，等.车用燃料电池空气压缩机用高密度无刷永磁电机[J].微特电机，2004，32（1）：3.
[4]辛强，陈侠.燃料电池空压机技术解析[J].汽车零部件，2020（12）：110-112.
[5]熊树生，江仁埔，吴占宽，等.燃料电池空压机涡旋盘均匀载荷应力变形仿真[J].同济大学学报（自然科学版），2019，047（0z1）：146-153.