CN104976146A - 一种燃料电池发动机用两级增压直驱空气压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池发动机用两级增压直驱空气压缩机，包括由外到内依次布置的壳体、电机定子、电机转子和电机主轴，以及电机端盖和电机驱动器，所述电机端盖设于壳体的两端，所述电机主轴的两端通过轴承连接电机端盖，所述电机驱动器连接电机定子，所述电机主轴的两端分别设有叶轮，所述叶轮上套设有蜗壳，所述蜗壳与电机端盖密封连接，并设有进气口与出气口，一端蜗壳的出气口连接另一端蜗壳的进气口。与现有技术相比，本发明采用两级增压方式，可以满足燃料电池发动机空气供应系统的压力、流量范围宽需求，具有效率高、体积小、重量轻、响应速度快、整体结构紧凑、转速高、机械强度高、损耗小、维护简单等优点。

Description

一种燃料电池发动机用两级增压直驱空气压缩机

技术领域

本发明涉及燃料电池发动机技术领域，尤其是涉及一种燃料电池发动机用两级增压直驱空气压缩机。

背景技术

空气压缩机(简称空压机)广泛应用于钢铁、电力、造船、轻工业、航空航天、汽车等领域，本发明设计到的空压机是新能源燃料电池汽车发动机辅助空气供气总成中的关键部件之一，其输出的压力和流量直接影响燃料电池发动机中的化学计量比和空气加湿特性，进而影响燃料电池堆的电压输出和燃料电池发动机的功率输出。由于全功率车用燃料电池发动机的功率在百千瓦级，高压比、大流量的适合燃料电池发动机全工况空气供给需求的大功率空压机成为设计的趋势之一。空压机采用电机驱动，消耗燃料电池汽车发动机功率。为提高发动机有效功率输出，降低空压机功耗，高速空压机技术引起广泛关注。由于空压机的高速运转，随转速提高，转子承受越来越大的离心力作用。转子中永磁体材料一般抗压强度1000Mpa左右，而抗拉强度80Mpa左右，具有抗压不抗拉的特性，在空压机转子设计上一般采用直径较小的转子，目的是降低高速离心力对永磁体的破坏，但为了满足高压比、大流量的输出要求，转子转速一般要达到100000Rpm以上的超高速状态运行，现有的传统轴承很难满足要求，即使特殊轴承可以满足要求，但也会带来转子动力学稳定性的问题，超高速问题是目前国内外转子动力学领域研究的热点和难点。其次也会造成轴承等支撑部件破损的危险，增加故障监测和诊断难度。此外，超高速的转子也会带来散热和冷却问题，这些问题都需要在具体空压机设计方案中得到综合考虑并加以解决。

中国专利CN104061175A公开了一种燃料电池用空气轴承压缩机，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。该专利主要适用于小功率燃料电池电堆，不适用于电堆在车用全工况下的空气供给，且该专利功能有限，目前实用性较差。

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燃料电池发动机用两级增压直驱空气压缩机，采用两级增压方式，可以满足燃料电池发动机空气供应系统的压力、流量范围宽需求，具有效率高、体积小、重量轻、响应速度快、整体结构紧凑、转速高、机械强度高、损耗小、维护简单等优点。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池发动机用两级增压直驱空气压缩机包括由外到内依次布置的壳体、电机定子、电机转子和电机主轴，以及电机端盖和电机驱动器，所述电机端盖设于壳体的两端，所述电机主轴的两端通过轴承连接电机端盖，所述电机驱动器连接电机定子，所述电机主轴的两端分别设有叶轮，所述叶轮上套设有蜗壳，所述蜗壳与电机端盖密封连接，并设有进气口与出气口，一端蜗壳的出气口连接另一端蜗壳的进气口。

所述电机转子包括由内到外依次同心绕组布置在电机主轴上的电工钢和永磁体。

所述永磁体外层裹覆钛合金保护套。

所述电机转子的两端设有用于隔磁的铜环。

所述电机主轴的两端采用预紧螺母通过预紧方式固定叶轮，并采用高强度胶粘接。

所述电机主轴一端的轴承与电机端盖固定连接，电机主轴另一端的轴承与电机端盖浮动连接。

与电机端盖浮动连接的轴承通过弹性预紧件与电机端盖连接。

所述电机主轴的两端在轴向上设有孔洞。

所述轴承采用两个O型面对面靠紧布置的角接触陶瓷球轴承。

所述壳体外层设有电机水冷套。

本发明整体结构上采用对称布置，即中间布置一个电机，包含定子和转子，左右两端各采用一个叶轮蜗壳结构，两个叶轮通过穿过转子的轴连接起来，转子的轴通过轴承及轴承座将轴、电机转子及双叶轮支撑起来。实现了单边双轴承的简支梁支撑结构和双叶轮蜗壳的两级增压方式，利用电机驱动器直接驱动电机定子的电机绕组，带动电机转子高速旋转，自然空气经一端蜗壳进气口引入，并经叶轮高速旋转一级压缩后，通过一端蜗壳出气口串联到另一端蜗壳进气口端，再经过另一端叶轮高速旋转二级压缩后，空气最终经出气口流出，实现两级增压的功能，同时通过控制电机驱动器，直接调节电机转子转速，根据燃料电池发动机需求、调节输出空气压力和流量的目的，改变燃料电池电堆空气的化学计量比，改善燃料电池膜电极上的氢气、氧气电化学反应，提高燃料电池发动机性能。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明采用大功率电机直驱叶轮高速旋转，实现离心式叶轮高速旋转压缩空气，最高可达50000rpm，避免使用增速器等额外机械增速机构，降低了体积和质量，避免的齿轮啮合振动噪声。

2)本发明通过电机驱动器可调节转速，进而改变空压机出口压力、流量，可满足车用工况频繁变化的需求。

3)本发明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，可达到大功率燃料电池发动机对空压机高压比、大流量的使用需求，改变燃料电池堆空气的化学计量比，改善燃料电池膜电极上的氢气、氧气电化学反应，提高燃料电池发动机性能，适用于目前60-80kW大功率车用燃料电池发动机在大范围内的高压比、大流量的空气总成供应需求，在不增大燃料电池发动机体积的情况下，提高燃料电池发动机的功率密度。

4)本发明采用传统角接触陶瓷球轴承，单边双轴承布置，增加产品的可靠性和安全性，避免高速条件下旋转部件的破坏危险；一边轴承支撑采用固定方式，另外一边轴承支撑采用浮动方式，采用弹性预紧以利于平衡旋转部件的轴向窜动。

5)本发明与传统双螺杆、涡旋空压机相比，体积小、功率大、重量轻、耗材少，通过简单快速的安装，即可提高燃料电池发动机的功率输出。

6)本发明两端电机端盖的轴承座与轴承均采用紧配合方式，并在电机端盖上采用密封件，充分满足车用IP67等级要求。

7)本发明电机转子表面采用高强度、质量轻的钛合金护套，在护套与永磁体间采用过盈配合方式，高速旋转时，永磁体会得到由钛合金护套以及过盈量提供的径向压紧力，用结构锁定的方式保证了转子高速旋转条件下的安全性，以利于保护永磁体材料。

8)本发明转子铜环的隔磁设计方式，不仅优化了高速转子的热膨胀变形，而且具有防止永磁体漏磁的作用。

9)本发明电机主轴打孔便于减轻旋转部件质量，提高转子动力学特性。

10)本发明电机主轴两端采用预紧螺母预紧方式固定叶轮，并采用高强度胶粘接，以提高高速叶轮运转安全性。

附图说明

图1为本发明总体结构的剖视示意图；

图2为本发明总体结构的外轮廓示意图；

图3为本发明中转动部分结构示意图。

图中：1、右端蜗壳，2、右端预紧螺母，3、右端叶轮，4、右端叶轮端盖，5、右端电机端盖，6、右端连接螺栓，7、12Pin低压信号接插件，8、壳体，9、电机水冷套外壳，10、电机绕组，11、电机定子，12、右端双轴承，13、三相高压输入防水接头，14、电机主轴，15、右端铜环挡块，16、右端铜环，17、钛合金保护套，18、永磁体，19、电工钢，20、左端铜环，21、左端铜环固定套，22、左端连接螺栓，23、左端电机端盖，24、左端蜗壳，25、左端叶轮端盖，26、左端叶轮，27、左端双轴承，28、左端预紧螺母，29、电机水冷套。

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、图2所示，一种燃料电池发动机用两级增压直驱空气压缩机包括壳体8、电机定子11、电机转子、不锈钢电机主轴14、左端电机端盖23、右端电机端盖5、电机驱动器、左端叶轮26、右端叶轮3、左端蜗壳24、右端蜗壳1、左端双轴承27、右端双轴承12、左端叶轮端盖25，具体连接方式：

如图3所示，电机转子采用不锈钢电机主轴14、电工钢19、永磁体18的三层同心绕组布置方式，永磁体18外层裹覆钛合金保护套17，电工钢19、永磁体18和钛合金保护套17的两端分别设有左端铜环20和右端铜环16，左端铜环20由左端铜环固定套21固定，右端铜环16有右端铜环挡块15固定。

电机定子11设于壳体8内，电机定子11内侧为电机绕组10，左端电机端盖23、右端电机端盖5分别设于壳体8的两端，电机转子置于电机绕组10内，电机主轴14的两端分别通过左端双轴承27、右端双轴承12连接电机端盖，单边双轴承支撑结构采用两个角接触陶瓷球轴承，O型面对面靠紧布置，坐落于轴承座内，O型位置属于角接触球轴承的滚珠开口方向，一边大一边小，O型面对面是指开口大的面对开口大的布置，左端双轴承27采用固定方式，右端双轴承12采用浮动方式，浮动端采用弹性预紧件以利于平衡旋转部件的轴向窜动。

电机主轴14的左端采用左端预紧螺母28通过预紧方式固定左端叶轮26，电机主轴14的右端采用右端预紧螺母2通过预紧方式固定右端叶轮3，并采用高强度胶粘接。

左端叶轮26与左端电机端盖23之间固定有左端叶轮端盖25，右端叶轮3与右端电机端盖5之间固定有右端叶轮端盖4。

左端蜗壳24套设在左端叶轮26上，并与左端电机端盖23通过左端连接螺栓22密封连接，右端蜗壳1套设在右端叶轮3上，并与右端电机端盖5通过右端连接螺栓6密封连接，形成用于压缩空气的封闭空间。两个蜗壳均设有进气口与出气口，左端蜗壳24的出气口连接右端蜗壳1的进气口。通过左端蜗壳24进气口引入空气，通过左端叶轮26高速旋转一级压缩空气，经左端蜗壳24出气口串联到右端蜗壳1进气口，再经右端叶轮3高速旋转二级压缩空气，最后经出气口流出，最终实现两级增压的功能。

电机主轴14的两端在轴向上设有孔洞，便于减轻旋转部件质量，提高转子动力学特性。

电机驱动器通过12Pin低压信号接插件7和三相高压输入防水接头13连接电机定子11的电机绕组10，12Pin低压信号接插件7和三相高压输入防水接头13安装在壳体8上。

壳体8外层设有电机水冷套29，电机水冷套29外层套设电机水冷套外壳9，实现电机的水冷。

综上，本发明空压机旋转轴采用单边双轴承的简支梁支撑结构，电机驱动器通过低压信号接插件和高压三相输入连接电机绕组10部件，通过电机驱动器控制驱动电机定子11、绕组使转子部件运行转速，当电机驱动器成功让电机运转起来，转动部件带动左右两端叶轮旋转，通过不同的转速实现离心式叶轮高速旋转压缩空气，通过左右两端蜗壳进出气口串联气体管道达到两级压缩的效果。同时通过控制电机驱动器，直接调节电机转子转速，调节输出空气压力和流量的目的，改变燃料电池电堆空气的化学计量比，改善燃料电池膜电极上的氢气、氧气电化学反应，提高燃料电池发动机性能。根据不同条件输入可满足60-80kW大功率车用燃料电池发动机大范围内的空气压力、流量供应需求。

Claims (10)

1.一种燃料电池发动机用两级增压直驱空气压缩机，包括由外到内依次布置的壳体、电机定子、电机转子和电机主轴，以及电机端盖和电机驱动器，所述电机端盖设于壳体的两端，所述电机主轴的两端通过轴承连接电机端盖，所述电机驱动器连接电机定子，其特征在于，所述电机主轴的两端分别设有叶轮，所述叶轮上套设有蜗壳，所述蜗壳与电机端盖密封连接，并设有进气口与出气口，一端蜗壳的出气口连接另一端蜗壳的进气口。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机用两级增压直驱空气压缩机，其特征在于，所述电机转子包括由内到外依次同心绕组布置在电机主轴上的电工钢和永磁体。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池发动机用两级增压直驱空气压缩机，其特征在于，所述永磁体外层裹覆钛合金保护套。

4.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池发动机用两级增压直驱空气压缩机，其特征在于，所述电机转子的两端设有用于隔磁的铜环。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机用两级增压直驱空气压缩机，其特征在于，所述电机主轴的两端采用预紧螺母通过预紧方式固定叶轮，并采用高强度胶粘接。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机用两级增压直驱空气压缩机，其特征在于，所述电机主轴一端的轴承与电机端盖固定连接，电机主轴另一端的轴承与电机端盖浮动连接。

7.根据权利要求6所述的一种燃料电池发动机用两级增压直驱空气压缩机，其特征在于，与电机端盖浮动连接的轴承通过弹性预紧件与电机端盖连接。

8.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机用两级增压直驱空气压缩机，其特征在于，所述电机主轴的两端在轴向上设有孔洞。

9.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机用两级增压直驱空气压缩机，其特征在于，所述轴承采用两个O型面对面靠紧布置的角接触陶瓷球轴承。

10.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机用两级增压直驱空气压缩机，其特征在于，所述壳体外层设有电机水冷套。