CN104061175A - 一种燃料电池用空气轴承压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池用空气轴承压缩机，其特征在于，它包括旋变电机、驱动电机和叶轮锅壳，叶轮锅壳内设置有叶轮，驱动电机内设置有与其径向耦合的空气轴承。本发明空气轴承压缩机设计有电机速度控制、温度控制及流量压力控制等多物理量状态控制系统，可对电机转速进行全面、实时反馈控制。本发明的燃料电池用空气轴承压缩机，一体化的集成设计思想及多物理量状态控制系统使其具有体积小、成本低、结构简单、能耗低、寿命长等特点，可以满足新能源电车、高速风机等对燃料电池的要求，进一步拓宽了空气轴承压缩机的应用领域和适用范围。

Description

一种燃料电池用空气轴承压缩机

技术领域

本发明涉及压缩机技术领域，更具体的是涉及一种燃料电池用空气轴承压缩机。

背景技术

在能源和环保的压力下，新能源汽车无疑将成为未来汽车的发展方向。氢燃料电池因其无污染、无噪声和高效率成为燃料电池汽车中名副其实的绿色燃料，而给氢燃料电池提供干净的压缩空气就显得尤为重要，因而压缩机在电池堆中起着重要作用，在燃料电池中是关键的技术，必须满足无油、小型、高压、低噪、耗功少和寿命长的要求。

常规的压缩机是用机械接触式滚动轴承来支撑主轴的，转速越高，对轴承精度、润滑等要求越高，使用寿命越短。空气轴承设法把电主轴在空气中悬浮起来，没有机械接触，使用清洁空气作为润滑剂，磨损程度降到了最低，因而其可以提供极高的径向和轴向旋转精度，转速可以超过300000转/分钟，在高速、低摩擦、高温、低温及有辐射性的场合，显示了独具的优越性。

目前的空气压缩机采用驱动电机、增速器、叶轮蜗壳级联式设计，结构复杂，体积庞大，控制简单，导致其实际效率较低，无法充分发挥空气轴承的优点。空气轴承的上述优点使其很快被应用到空气压缩机上。在保证排气量稳定的前提下，可以通过提高空气轴承压缩机转速来减小设备体积，从而满足燃料电池对压缩机的质量和体积要求。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术之不足而提供的一种结构简单，使用方便的燃料电池用空气轴承压缩机。

本发明是采用如下技术解决方案来实现上述目的：一种燃料电池用空气轴承压缩机，其特征在于，它包括旋变电机、驱动电机和叶轮锅壳，叶轮锅壳内设置有叶轮，驱动电机内设置有与其径向耦合的空气轴承，驱动电机的转子同时作为空气轴承的转子，驱动电子的定子同时作为空气轴承的定子，旋变电机、驱动电机和叶轮采用同一空气动压电主轴，使驱动电机主轴与叶轮主轴不再分离设计，设计为一体，保证叶轮旋转轴与驱动电机主轴同轴，在叶轮高速旋转时两者不会偏心，也减少了中间连接零部件，叶轮直接接至电机主轴，传动效率更高。

所述驱动电机的转子、定子和空气轴承由内到外依次非接触连接，驱动电机与空气轴承转子两端采用波箔型箔片径向轴承结构，从内到外依次为平箔层、波箔层和外支承结构。

所述叶轮外设置有与驱动电机壳体端面连接的外端板，驱动电机与空气轴承转子采用同一双向波箔型箔片推力轴承结构，双向波箔型箔片推力轴承结构包括驱动电机壳体和外端板之间设置的前、后止推板和固定在前、后止推板的箔片结构，通过前、后止推板的箔片结构活动轴向弹性支撑。

所述空气动压电主轴把叶轮、转子和旋变电机通过锁紧螺母、连接套、后支撑环、电机后端盖进行轴向固定为一个整体连接在驱动电机上，叶轮设置在锁紧螺母与连接套之间，连接套与转子的端部接驳为一体，连接套上设置有法兰，法兰设置在前、后止推板之间，连接套的左右侧分别开有进气斜孔和出气直孔，与连接套的中空内部构成气体流道；后支撑环设计成阶梯型中空结构，驱动电机后端设置有后盖板，后盖板上设有排气阀，用于通过调节排气量来控制整个气体流道内空气的压力。

所述驱动电机的壳体由内壳体与外壳体两部分组成，内壳体外表面设计成螺旋槽型流道，外壳体设计有进水、出水系统。

所述电机壳体的进出水系统有多个高精度温度传感器安装结构，进行多点测温，且传感器反馈信号线外接至压缩机中心控制器。

所述旋变电机设计有高精度、高效率位置、速度检测反馈系统，外接至压缩机中心控制器。

所述叶轮锅壳在进气口部分和出气口部分分别设计有温度、压力和流量传感器安装结构，且各物理量反馈信号线均接至压缩机中心控制器。

本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：

1、本发明实现了驱动电机与空气轴承耦合设计，空气轴承镶嵌在驱动电机内部，不再占据空间位置，极大地减小了压缩机的整体体积和质量；多处使用箔片式弹性支撑结构，提高了空气轴承的稳定性和耐振动、耐冲击特性。

2、实现了驱动电机主轴、叶轮旋转轴的整体式电主轴设计，叶轮与电机直接连接，减少了连接部件，即降低了整机大小，又提高了电机的传动效率；电主轴主要固定部件均采用中空通气设计，即作为高压空气流动通道，又减少了零件质量。

3、结合旋变电机，构建了压缩机的多物理量状态控制系统，可实现对压缩机工作过程中的各参数进行全方位、多角度检测，从而能够及时有效地监控压缩机的运行状态，提高压缩机工作效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的剖视结构示意图；

图3为本发明的电主轴局部结构及动压气流流动方向示意图；

图4为本发明的连接套动压气体流动示意图。

附图标记说明：1、旋变电机部分2、旋变电机部分3、叶轮蜗壳部分4、内壳体5、外壳体6、螺旋槽型冷却水流道7、定子8、转子9、固定轴10、叶轮11、旋变电机12、锁紧螺母13、连接套14、后支撑环15、电机后端盖16、箔片17、衬垫18、外端板19、前止推板20、后止推板21、进气斜孔22、出气直孔23、气体流道。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的具体实施方案作进一步的详述。

本发明主要分三部分，如图1所示，左端为旋变电机部分1，中间为驱动电机部分2，右端为叶轮蜗壳部分3。

具体实施方式如下：

如图2和图3所示，驱动电机的壳体由内壳体4与外壳体5两部分组成，两者过盈配合，电机内壳体4上开有螺旋槽型冷却水流道6，电机外壳体上有进水、出水系统，电机壳体的进出水系统有多个高精度温度传感器安装结构，进行多点测温，且传感器反馈信号线外接至压缩机中心控制器。旋变电机设计有高精度、高效率位置、速度检测反馈系统，外接至压缩机中心控制器。叶轮锅壳在进气口部分和出气口部分分别设计有温度、压力和流量传感器安装结构，且各物理量反馈信号线均接至压缩机中心控制器。

电机内部核心部件主要有定子7和转子8，驱动电机内设置有与其径向耦合的空气轴承，驱动电机的转子8同时作为空气轴承的转子，驱动电子的定子7同时作为空气轴承的定子。旋变电机、驱动电机和叶轮采用同一空气动压电主轴，使驱动电机主轴与叶轮主轴不再分离设计，设计为一体。本实施例是采用一根固定轴9把叶轮10、转子8和旋变电机11通过锁紧螺母12、连接套13、后支撑环14、电机后端盖15进行轴向固定为一个整体连接在电机上，而在径向则通过箔片16和衬垫17配合在电机内部。

径向空气轴承转子使用压缩空气作为润滑剂和悬浮动力，高速旋转带动固定轴转动，固定轴又带动叶轮高速旋转。空气轴承由于非机械接触而摩擦低，致使其温升幅度降到最低，但为了在各种恶劣工况下保证电机及空气轴承安全工作，仍需对电机进行冷却系统设计。电机内壳体外表面上独特的螺旋槽型流道设计，可对电机进行有效的冷却，加上温度控制系统的设计，可使电机壳体、定子和转子在稳定的温度范围内工作。

本实施例的空气动压电主轴的实施方式：连接套13与转子8的端部接驳为一体，连接套13采用法兰式中空设计，连接套的左端为法兰片，右端为圆筒体，左端的法兰片通过固定在电机壳体和外端板18上的前、后止推板19、20上的箔片结构获得轴向弹性支撑，右端的圆筒体则通过箔片结构获得径向弹性支撑，法兰片底部开有进气斜孔21，圆筒体的侧部开有出气直孔22，其中空内部构成气体流道23，如图4中的A、B所示；后支撑环14与连接套结构相似，也设计成阶梯型中空结构；电机的后盖板上设有排气阀，用于通过调节排气量来控制整个气体流道内空气的压力。

叶轮高速旋转产生的高压空气一大部分通过蜗壳出气口排出，一小部分经连接套左端的斜孔A被压缩至其中空气体流道，流道内的高压气体对连接板有一定的支撑浮力。从连接套右端出气口B出来的高压气体被压缩在转子与定子之间的间隙内，转子高速旋转时，高压空气既作为润滑剂，又因其粘性作用在定子与转子表面间形成较大的气模压力，由此形成动压力支撑整个电主轴；高压空气在支撑环的阶梯斜面上产生轴向推力，并经进气口被压进其内部中空气体流道，对支撑环形成一定的支撑浮力。支撑环和连接套的特殊中空结构设计，既减轻了电主轴重量，又在电主轴内外均形成一定的高压气体支撑浮力，使得空气轴承的寿命更长、稳定性更强。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种燃料电池用空气轴承压缩机，其特征在于，它包括旋变电机、驱动电机和叶轮锅壳，叶轮锅壳内设置有叶轮，驱动电机内设置有与其径向耦合的空气轴承。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池用空气轴承压缩机，其特征在于，旋变电机、驱动电机和叶轮采用同一空气动压电主轴，驱动电机的转子同时作为空气轴承的转子，驱动电子的定子同时作为空气轴承的定子。

3.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池用空气轴承压缩机，其特征在于，所述驱动电机的转子、定子和空气轴承由内到外依次非接触连接，驱动电机与空气轴承转子两端采用波箔型箔片径向轴承结构，从内到外依次为平箔层、波箔层和外支承结构。

4.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池用空气轴承压缩机，其特征在于，所述叶轮外设置有与驱动电机壳体端面连接的外端板，驱动电机与空气轴承转子采用同一双向波箔型箔片推力轴承结构，双向波箔型箔片推力轴承结构包括驱动电机壳体和外端板之间设置的前、后止推板和固定在前、后止推板的箔片结构，通过前、后止推板的箔片结构活动轴向弹性支撑。

5.根据权利要求2所述的一种燃料电池用空气轴承压缩机，其特征在于，所述空气动压电主轴把叶轮、转子和旋变电机通过锁紧螺母、连接套、后支撑环、电机后端盖进行轴向固定为一个整体连接在驱动电机上，叶轮设置在锁紧螺母与连接套之间，连接套与转子的端部接驳为一体，连接套上设置有法兰，法兰设置在前、后止推板之间，连接套的左右侧分别开有进气斜孔和出气直孔，与连接套的中空内部构成气体流道；后支撑环设计成阶梯型中空结构，驱动电机后端设置有后盖板，后盖板上设有排气阀。

6.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池用空气轴承压缩机，其特征在于，驱动电机的壳体由内壳体与外壳体两部分组成，内壳体外表面设计成螺旋槽型流道，外壳体设计有进水、出水系统。

7.根据权利要求6所述的一种燃料电池用空气轴承压缩机，其特征在于，所述电机壳体的进出水系统有多个高精度温度传感器安装结构，进行多点测温，传感器反馈信号线外接至压缩机中心控制器。

8.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池用空气轴承压缩机，其特征在于，所述旋变电机设计有精度、位置、速度检测反馈系统，外接至压缩机中心控制器。

9.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池用空气轴承压缩机，其特征在于，所述叶轮锅壳在进气口部分和出气口部分分别设计有温度、压力和流量传感器安装结构，且所述的物理量反馈信号线均接至压缩机中心控制器。