CN104895827A - 一种使用超声波轴承的空气压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用超声波轴承的空气压缩机，包括由外到内依次布置的壳体、电机定子、电机转子和转子轴，所述壳体两端设有轴承套，还包括超声波轴承和螺旋槽式推力轴承，所述转子轴的两端分别设有叶轮，所述叶轮上套设有叶轮壳，所述叶轮壳与轴承套密封连接，并设有进气口与出气口，一端叶轮壳的出气口连接另一端叶轮壳的进气口，所述超声波轴承设于两端的轴承套上，并与转子轴非接触连接，所述螺旋槽式推力轴承设于一端的轴承套与叶轮之间的转子轴上，螺旋槽式推力轴承与叶轮之间设有推力轴承盖。与现有技术相比，本发明具有转速高、效率高、寿命长、无润滑油等优点。

Description

一种使用超声波轴承的空气压缩机

技术领域

本发明涉及一种空气压缩机，尤其是涉及一种使用超声波轴承的空气压缩机。

背景技术

作为目前新能源发展的主要方向之一的燃料电池技术，是国家未来需重点发展的产业，其可应用在交通工具、备用发电等方面。燃料电池是一种将氢能转换为电能的装置，其能量转换效率能达到60％～80％，且无温室气体的产生。但燃料电池要想获得高的功率密度和好的性能，就必须在较高的压力下工作。提高空气的供气压力，可以增大燃料电池系统的能量密度，因此燃料电池需要专门的供气系统给燃料电池提供高压空气。

燃料电池的空气压缩机采用电机驱动转轴转动，带动叶轮产生增压作用于燃料电池的进气歧管，提高燃料电池的进气量和进气压力，提高燃料电池的效率，但是空气压缩机在工作过程也需要消耗功率，约为电池输出的20％，因此从考虑电池堆获得效率出发，为了获得整体性能，必须寻找最有效的压缩方式。

目前，空气压缩机轴承通常采用滚动轴承和滑动轴承，其存在了以下诸多问题：第一，由于采用润滑油，不可避免的将会出现漏油现象，会出现经油封泄漏润滑油和引起中冷器的工作面沾污的问题；第二，由于摩擦力的存在，使得转子转速较低与效率低下；并且由于存在磨损会使得轴承寿命变短。

超声波轴承在燃料电池、涡轮机械等领域具有广阔的应用前景，包括空气压缩机、空气循环机、高速电机。同时，超声波轴承技术也将是21世纪分布式能源系统微型燃气轮机核心技术之一。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种使用超声波轴承的空气压缩机，具有转速高、效率高、寿命长、无润滑油等优点，适用于作为燃料电池用空气压缩机。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种使用超声波轴承的空气压缩机包括由外到内依次布置的壳体、电机定子、电机转子和转子轴，所述壳体两端设有轴承套，还包括超声波轴承和螺旋槽式推力轴承，所述转子轴的两端分别设有叶轮，所述叶轮上套设有叶轮壳，所述叶轮壳与轴承套密封连接，并设有进气口与出气口，一端叶轮壳的出气口连接另一端叶轮壳的进气口，所述超声波轴承设于两端的轴承套上，并与转子轴非接触连接，所述螺旋槽式推力轴承设于一端的轴承套与叶轮之间的转子轴上，螺旋槽式推力轴承与叶轮之间设有推力轴承盖。

所述超声波轴承包括超声波换能器、超声波发生器、位移传感器和反馈控制器，所述超声波换能器和位移传感器分别设于轴承套的侧壁上，超声波换能器一端覆盖转子轴外表面并留有间隙，另一端连接超声波发生器，所述反馈控制器分别连接超声波发生器和位移传感器，所述超声波换能器和超声波发生器均为多个。

所述轴承套上设置有多个用于安装超声波换能器的孔。

多个超声波换能器均布在轴承套的侧壁上，超声波换能器覆盖转子轴外表面的一端为圆弧凹状。

四个超声波换能器均布在轴承套的侧壁上，每个超声波换能器的覆盖角度为80°～90°。

所述螺旋槽式推力轴承包括轴承转筒和螺旋槽转盘，所述轴承转筒套设于一端的转子轴上，所述螺旋槽转盘套设于轴承转筒上，螺旋槽转盘位于一端的轴承套与推力轴承盖之间。

所述螺旋槽转盘包括中间盘和位于中间盘两侧的圆盘，所述圆盘与中间盘相对的侧面上设有多条螺旋槽。

所述轴承转筒与螺旋槽转盘为一体式结构。

所述壳体上设有螺旋冷却水槽。

所述转子轴两端通过连接螺杆连接叶轮。

为了使空气压缩机更加适合现有的燃料电池系统高温、高压、高速等恶劣工作环境，同时解决轴承漏油、耐冲击差、效率瓶颈的技术难题，本发明对空气压缩机的结构进行重新设计，重点对轴承进行改进，采用超声波轴承与螺旋槽式推力轴承构成的径向-推力轴承来代替现有的滚动轴承和滑动轴承支撑转子轴，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)超声波悬浮空气轴承可以杜绝由空气压缩机漏油对燃料电池质子交换膜的影响，适用于燃料电池进气增压。

2)超声波悬浮空气轴承使得空气润滑的阻力小、产品转速高，适用于提高燃料电池能量转换率。

3)由于没有转子轴表面和超声波悬浮空气轴承内表面没有直接的物理接触，产品寿命长，无润滑油。

4)由于超声波悬浮空气轴承的承载介质是超声波，其耐高温性能也是突出的。

5)螺旋槽式推力轴承通过螺旋槽产生承载压力膜，可调节转子轴在轴向上的受力，相对于现有的空气轴承，弹性减震效果更好，并由此减少噪声、承载能力大大提高、能够大幅提高转速，从而进一步提高空气压力和氧气密度。

6)位移传感器可实时检测转子轴在径向上的位移，将信号传输给反馈控制器，反馈控制器经过处理可以实现控制超声换能器的功率大小，可以较好的控制气膜形成。

7)采用双级叶轮逐级压缩空气的增压方式，与同转速的单叶轮空压机相比，适用于燃料电池系统的进气增压。

8)转子轴两端通过连接螺杆固定连接叶轮，并可采用高强度胶粘接，以提高高速叶轮运转安全性。

9)为了更好地散去热量，更为优选地是在空气压缩机壳体上还加工有螺旋冷却水槽，这样可以通过水冷的方式冷却电机定子所产生的热量。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为超声波轴承结构示意图；

图3为超声波换能器结构示意图；

图4为螺旋槽式推力轴承中转盘与轴承转筒结构示意图；

图5为螺旋槽式推力轴承中转盘与圆盘安装示意图。

图中：1、第一叶轮壳，2、第一叶轮，3、第一轴承套，4、电机转子，5、电机定子，6、第二轴承套，7、连接螺杆，8、第二叶轮，9、第二叶轮壳，10、推力轴承盖，11、螺旋槽式推力轴承，12、转子轴，13、壳体，14、螺旋冷却水槽，15、超声波换能器，16、位移传感器，17、超声波发生器，18、螺旋槽转盘，19、轴承转筒，20、中间盘，21、圆盘。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种使用超声波轴承的空气压缩机由壳体13、电机定子5、电机转子4、转子轴12、超声波轴承、螺旋槽式推力轴承11、第一轴承套3、第二轴承套6、第一叶轮2、第二叶轮8、第一叶轮壳1、第二叶轮壳9和推力轴承盖10等组成，具体连接方式为：

壳体13、电机定子5、电机转子4与转子轴12依次由内到外依次布置，第一轴承套3和第二轴承套6分别与壳体13两端紧固连接，转子轴12的两端分别通过连接螺杆7连接第一叶轮2和第二叶轮8，第一叶轮2上套设有第一叶轮壳1，第一叶轮壳1与第一轴承套3紧固连接，第二叶轮8上套设有第二叶轮壳9，第二叶轮壳9与第二轴承套6紧固连接，超声波轴承为两组，分别对称设置在第一轴承套3和第二轴承套6上，超声波轴承与转子轴12非接触连接，螺旋槽式推力轴承11设于第二轴承套6与第二叶轮8之间的转子轴12上并过盈配合，且推力轴承盖10设于螺旋槽式推力轴承11与第二叶轮8之间，推力轴承盖10与第二轴承套6紧固连接，上述紧固连接的方式可以为本领域常用的螺栓紧固连接手段。第一叶轮壳1与第二叶轮壳9上均设有进气口与出气口，第一叶轮壳1的出气口连接第二叶轮壳9的进气口。该空气压缩机采用双级叶轮逐级压缩空气的增压方式，转子轴12带动叶轮高速运转，第一叶轮壳1的进气口进气，经过一级气体增压后由出气口进入第二叶轮壳9的进气口，进行二级气体增压后由出气口输出，供后续使用，高速运转的转子轴12由超声波轴承控制径向受力，由螺旋槽式推力轴承11控制轴向受力。

如图2所示，两组超声波轴承均分别包括多个超声波换能器15、多个超声波发生器17、位移传感器16和反馈控制器。多个超声波换能器15沿着轴承套的中心线具有一定长度，且以该中心线为中心、以一定间隔均匀地设置在轴承套的侧壁上，如图3所示，超声波换能器15的前端大体呈圆弧凹状，使得前端可以覆盖转子轴12并与转子轴12保持一定的间隙，超声波换能器15的末端以基本圆筒状的形式固定连接于轴承套上，同时末端连接超声波发生器17。位移传感器16也均布在轴承套的侧壁上，反馈控制器安装到轴承套的内表面，分别连接超声波发生器17和位移传感器16。位移传感器16可以实现实时测试转子轴12的径向移动位移，将信号传输给反馈控制器，反馈控制器经过处理可以实现控制超声换能器的功率大小，可以较好的控制气膜形成。

本实施例中采用四个盖板式的超声波压电换能器，均布在轴承套的侧壁上，每个超声波换能器15的覆盖角度为80多度，即80°～90°，例如采用85°。由此形成的气体轴承相对于现有的空气轴承，如波箔式、悬臂型、瓣片式、弯曲型等空气轴承，可以有效的主动控制转轴的位置，径向和轴向的旋转精度更高，并由此减少噪声，承载能力会大大提高并且能够大幅度提高转速从而进一步提高空气压力。

轴承套为圆筒状，其侧壁上以一定间隔且均匀地加工有多个用于安装超声波换能器15的孔，则超声波换能器15以嵌入方式分别安装于孔中且与孔呈过盈配合，超声波换能器15沿着孔深度方向的尺寸大于孔深度尺寸，由此在轴承套的内表面形成了多个凸起并在前端部分形成多个圆弧凹面。

如图4所示，螺旋槽式推力轴承11包括轴承转筒19和螺旋槽转盘18，轴承转筒19呈圆筒状，套设于一端的转子轴12上且位于第二轴承套6内腔中，螺旋槽转盘18的中央开设有通孔，通过通孔套设于轴承转筒19上，螺旋槽转盘18位于一端的轴承套与推力轴承盖10之间。其中，轴承转筒19与螺旋槽转盘18可采用一体式结构，如图5所示，螺旋槽转盘18包括中间盘20和位于中间盘20两侧的圆盘21，圆盘21与中间盘20相对的侧面上设有多条螺旋槽，即具有螺旋线状的浅槽，从而形成均匀的多个大小不同的螺旋形区域，相邻螺旋形区域之间具有一定间隙，该间隙能够保证在旋转过程中周围环境的气体被吸入气隙内，由于动压作用产生了承载压力膜。由于螺旋槽式推力轴承11的螺旋槽转盘18部分双面都能起作用，因此可以承受沿轴向双向的轴推力。由此形成的推力空气轴承相对于现有的空气轴承，弹性减震效果更好并由此减少噪声、承载能力大大提高、并且能够大幅提高转速从而进一步提高空气压力和氧气密度。

虽然本发明采用的超声波轴承和螺旋槽式推力轴承11能够解决空气压缩机经转子轴12传热的问题，但为了更好地散去热量，更为优选地是在空气压缩机壳体13上还加工有螺旋冷却水槽14，这样可以通过水冷的方式冷却电机定子5所产生的热量。

Claims (10)

1.一种使用超声波轴承的空气压缩机，包括由外到内依次布置的壳体、电机定子、电机转子和转子轴，所述壳体两端设有轴承套，其特征在于，还包括超声波轴承和螺旋槽式推力轴承，所述转子轴的两端分别设有叶轮，所述叶轮上套设有叶轮壳，所述叶轮壳与轴承套密封连接，并设有进气口与出气口，一端叶轮壳的出气口连接另一端叶轮壳的进气口，所述超声波轴承设于两端的轴承套上，并与转子轴非接触连接，所述螺旋槽式推力轴承设于一端的轴承套与叶轮之间的转子轴上，螺旋槽式推力轴承与叶轮之间设有推力轴承盖。

2.根据权利要求1所述的一种使用超声波轴承的空气压缩机，其特征在于，所述超声波轴承包括超声波换能器、超声波发生器、位移传感器和反馈控制器，所述超声波换能器和位移传感器分别设于轴承套的侧壁上，超声波换能器一端覆盖转子轴外表面并留有间隙，另一端连接超声波发生器，所述反馈控制器分别连接超声波发生器和位移传感器，所述超声波换能器和超声波发生器均为多个。

3.根据权利要求2所述的一种使用超声波轴承的空气压缩机，其特征在于，所述轴承套上设置有多个用于安装超声波换能器的孔。

4.根据权利要求2所述的一种使用超声波轴承的空气压缩机，其特征在于，多个超声波换能器均布在轴承套的侧壁上，超声波换能器覆盖转子轴外表面的一端为圆弧凹状。

5.根据权利要求4所述的一种使用超声波轴承的空气压缩机，其特征在于，四个超声波换能器均布在轴承套的侧壁上，每个超声波换能器的覆盖角度为80°～90°。

6.根据权利要求1所述的一种使用超声波轴承的空气压缩机，其特征在于，所述螺旋槽式推力轴承包括轴承转筒和螺旋槽转盘，所述轴承转筒套设于一端的转子轴上，所述螺旋槽转盘套设于轴承转筒上，螺旋槽转盘位于一端的轴承套与推力轴承盖之间。

7.根据权利要求6所述的一种使用超声波轴承的空气压缩机，其特征在于，所述螺旋槽转盘包括中间盘和位于中间盘两侧的圆盘，所述圆盘与中间盘相对的侧面上设有多条螺旋槽。

8.根据权利要求6所述的一种使用超声波轴承的空气压缩机，其特征在于，所述轴承转筒与螺旋槽转盘为一体式结构。

9.根据权利要求1所述的一种使用超声波轴承的空气压缩机，其特征在于，所述壳体上设有螺旋冷却水槽。

10.根据权利要求1所述的一种使用超声波轴承的空气压缩机，其特征在于，所述转子轴两端通过连接螺杆连接叶轮。