在當今能源與環境雙重危機下,以氫為原料的燃料電池汽車以其能量轉換效率高和環境友好等優點,受到國內外政府、企業和研究機構的格外關注。燃料電池汽車的研究涉及多個學科領域,其中空氣壓縮機為燃料電池提供必需的壓縮空氣,是其關鍵子系統之一。但國內尚未完全掌握燃料電池汽車用空壓機的關鍵技術,相關研究也較少,嚴重制約了我國燃料電池汽車產業的發展。

因此,本文對燃料電池汽車用空壓機及其機械結構、軸承等關鍵技術進行了研究。提出了水潤滑軸承支承、永磁同步電機驅動的離心式空壓機方案,并對空壓機結構設計中的關鍵技術進行了理論與實驗研究。充分利用電機氣隙較大的特點,設計密封套,解決了中置式電機的水密封難題;通過轉子動力學設計,大幅提高了系統臨界轉速;通過降損設計,有效減小了轉子攪水損耗。空壓機最終達到了 100000rpm、10kW的設計目標,并實現了穩定運行。在紊流條件下對空壓機中使用的水潤滑徑向軸承和止推軸承的靜態特性進行了研究,分析了軸承間隙、腔寬和腔長等結構參數,以及供水壓力、偏心和轉速等工作參數的影響,為高速水潤滑軸承的設計提供了參考。

潤滑膜穩定性是水軸承在高速空壓機中應用的關鍵問題,通過對腔的旋轉與固定、節流結構、腔數、腔形及其參數的理論與實驗研究,提出了具有良好穩定性的孔式環面節流阿基米德螺旋線腔軸承結構。此外,還研究了大Sommerfeld數條件下紊流對軸承穩定性的影響。針對車載使用時可能遇到的沖擊和振動載荷,建立了考慮粗糙接觸、部分膜潤滑和紊流全膜潤滑的理論模型,對孔式環面節流阿基米德螺旋線腔軸承沖擊和振動響應進行了分析。發現其具有較強的各向異性,腔深較大的上游區域是其抗沖擊、振動能力最差的方向,頻率為1000Hz的沖擊和振動對軸承威脅最大。所設計的軸承發生軸與軸瓦摩擦接觸的臨界沖擊為160G,振動幅值為100G,滿足車載使用的要求。此外,還發現軸承的抗沖擊、振動能力與穩定性相矛盾,抗沖擊、振動能力的提高會降低其穩定性。