類型：概述/圖文

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對於燃料電池系統來說，如果把燃料電池系統比作人體，電堆可以比擬為燃料電池的“心臟”，那麼空壓機可以稱之為燃料電池的“肺”。同樣，燃料電池系統的高性能輸出需要強大的“心-肺功能”。

空壓機在燃料電池系統中負責為電堆輸送特定壓力及流量的潔凈空氣，為電堆反應提供必需的氧氣，是燃料電池系統除電堆外最核心的零部件。那麼要讓燃料電池系統擁有強大的“心-肺功能”，對燃料電池系統的空壓機有什麼需求呢？

答案是：效率高，體積小，無油，工作流量及壓力范圍大，噪音小，耐振動沖擊、動態響應快等。針對這些需求，常見的空壓機類型有螺桿式、羅茨式、離心式壓縮機等。主要特點分別如下：

• 螺桿式空壓機通過電機驅動汽缸內一對互相嚙合的螺桿旋轉在螺桿之間形成壓縮腔，從而產生壓縮空氣。螺桿壓縮機的排氣量幾乎不受排氣壓力的影響，在寬廣范圍內能保證較高的效率，缺點是噪聲很大，體積大。

• 羅茨式空壓機的主要零件包括轉子、同步齒輪、機體、軸承密封件等。羅茨式空壓機工作過程為：由於轉子不斷旋轉，被抽氣體從進氣口吸入到轉子與泵殼之間的空間內，再經排氣口排出。羅茨式空壓機工作范圍寬廣，結構簡單、維修方便，使用壽命長、振動小，缺點是體積大，噪音很大，空氣出口需要配備專門的消音裝置。

• 離心式壓縮機又稱透平式壓縮機，其工作原理是，當葉輪高速旋轉時，在離心力作用下，氣體被甩到後面的擴壓器中去，而在葉輪處形成真空地帶，這時外界的新鮮氣體進入葉輪。葉輪不斷旋轉，氣體不斷地吸入並甩出，從而保持瞭氣體的連續流動。

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離心式空壓機在效率、噪音、體積、無油、功率密度等方面具有良好的綜合效果，被認為是最有前途的空氣機類型之一。目前，本田、通用、現代以及上汽在燃料電池系統中使用的空壓機類型都為離心式空壓機。

總體結構：

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典型的高速離心式空壓機主要特征有：

• 葉輪在蝸殼中高速旋轉，並通過擴壓器提升氣體壓力後輸出。常見的包括單級壓縮和雙級壓縮；
• 高速電機轉子直接驅動葉輪旋轉壓縮氣體；
• 高速電機轉子由空氣軸承進行支撐；
• 冷卻液流經電機定子外側的冷卻液流道對空壓機的本體進行冷卻。

離心式空壓機用高速電機轉子直接驅動葉輪，無機械傳動裝置，因此可做到系統噪音小、傳動效率高和整機體積小。

空氣軸承：燃料電池對空壓機輸出的空氣具有較高的清潔度要求，若使用滾動軸承或油滑動軸承，來自軸承中的潤滑油會污染電堆，引起其“中毒”。要想解決這個問題，最好的辦法就是不使用潤滑油，而空氣軸承使用空氣潤滑，正好滿足這個要求。

當轉子高速旋轉時，在轉子和空氣軸承內表面之間便會形成一層氣膜，氣膜的壓力隨著轉速的升高而增加，當氣膜壓力足夠大時便可將轉子抬離軸承表面，此時轉子便“起飛”瞭。

此時的轉速即為 “起飛”轉速。在低於“起飛”轉速時，轉子和軸承表面之間會存在接觸摩擦，因此，必須在軸承內表面鍍上一層固體潤滑材料，降低轉子啟停時轉子和軸承表面的磨損。轉子啟停時的磨損會對空壓機的耐久性產生重要影響。

電機轉子：

我們在玩摩天輪的時候，最擔心的就是是否會被甩出去，好在安全帶牢固，被甩出去的概率很小。同樣，空壓機在高速旋轉時，轉子的永磁材料不能承受巨大的離心力，因此必須對永磁體也加裝“安全帶”，常用的有碳纖維捆紮和安裝合金護套。同時電機轉子多設計為細長型，減小將其甩出去的離心力。

地球除瞭會自轉以外，還會繞太陽公轉，空壓機的轉子同樣如此。隻可惜地球繞太陽公轉產生瞭美妙的春夏秋冬，空壓機的轉子公轉隻會帶來不良的振動。轉子系統的振動量會對軸系的穩定性、可靠性以及NVH性能產生很大的影響，因此，必須盡可能地降低轉子振動。降低轉子的振動主要從以下三個方面考慮。

• 對轉子進行動平衡，使轉子的偏心盡可能小。
• 設計階段時準確計算轉子的臨界轉速，使空壓機的工作轉速避開轉子的臨界轉速。
• 對軸承的氣膜和彈性支撐結構進行耦合求解和優化，得到軸承最佳的剛度和阻尼，盡可能的降低轉子的次同步振動。

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冷卻系統：

離心式空壓機由於轉速高給自身帶來諸多好處的同時，也給自己惹來瞭不少麻煩。由於轉速高，定子繞組電流頻率高，電機的各項損耗與常速電機相比都有較大的增加，這會使電機的散熱非常困難。如果散熱不好，會縮短電機繞組壽命，使永磁體發生不可逆退磁，也會對空氣軸承的長期穩定運轉產生影響。

設計一個良好的冷卻系統，是空壓機長期穩定運行的關鍵。在燃料電池用離心式空壓機中，一般有水冷和空氣冷卻兩路冷卻。水冷卻路主要對電機的定子以及控制器進行冷卻，空氣冷卻路主要對空氣軸承以及轉子進行冷卻。

綜上，離心式空壓機在效率、噪音、體積、無油、功率密度等方面具有良好的綜合效果，被認為是最有前途的空氣機類型之一。

離心式空壓機在電機轉子強度、轉子系統動力學、高速軸承、冷卻系統與溫升設計以及控制器的研制等方面存在特殊關鍵問題，其設計是一個集計算流體力學、電磁場、轉子強度、轉子動力學、溫度場等多物理場多次迭代的綜合設計過程。

聲明：本文轉自“捷氫科技”微信公眾號，僅用於技術交流，商業傳播或原文引用請聯系原作者，見下。

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封面圖源：http://www.toyota-industries.com/products/automobile/compressor/miscellaneous/

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