CN105041685A - 具有双向液态冷却剂通路的电马达驱动压缩机 - Google Patents

Abstract

电马达驱动压缩机包括：马达，其在马达壳体中具有转子和定子；低压压缩机，其安装至马达壳体的一端；和高压压缩机，其安装至马达壳体的另一端，压缩机形成二级压缩机。马达壳体限定具有多个轴向间隔开的盘旋通道的盘旋液态冷却剂通路，所述多个轴向间隔开的盘旋通道布置成用于液态冷却剂从通路入口、然后依次通过盘旋通道中的每个盘旋通道、并最终从出口出来的串联流动。冷却剂通路还至少限定第一旁通通路，所述第一旁通通路与盘旋通道相交，并以非盘旋的方式延伸，以便与盘旋通道互连，并为液态冷却剂提供选择性流动路径。

Description

具有双向液态冷却剂通路的电马达驱动压缩机

相关申请的交叉引用

本申请涉及2014年2月19日提交的共同拥有的共同未决的申请号14/184,122和2014年3月26日提交的共同拥有的共同未决的申请号14/226,309，其全部公开内容在此通过参考引入本文。

技术领域

本公开涉及例如用于燃料电池的电马达驱动压缩机。

背景技术

空气压缩机能够用于通过将压缩空气提供至燃料电池的阴极侧来提高燃料电池的效率。二级压缩机可以用于需要比单压缩机级中可得到的高的压力的某些应用。在二级压缩机中，低压压缩机轮设置在轴上，并且高压压缩机轮设置在相同的轴上。轴由电马达驱动，使得压缩机轮旋转，并且空气进入低压压缩机轮并被压缩至第一压力。压缩空气然后被传递给用于压力的进一步提高的高压轮。来自高压压缩机轮的空气然后被输送至燃料电池，以促进燃料电池反应。

用于燃料电池的压缩机的电马达典型地是产生相当数量的热的高速、高输出马达。另外，空气压缩过程同样产生热。需要例如通过使液态冷却剂围绕马达部件循环来提供离开电马达驱动压缩机的有效热传递。

发明内容

本公开描述了例如可与燃料电池一起使用或可用于其他应用的电马达驱动压缩机的实施例。在一个实施例中，例如，电马达驱动压缩机包括壳体组件，所述壳体组件包括马达壳体和安装至马达壳体的压缩机壳体。马达壳体包含马达定子和马达转子，并限定由可转动的轴所穿过的孔。压缩机壳体包含安装在轴上的离心压缩机轮，用于绕轴心线的旋转。压缩机壳体还限定将空气引导到压缩机轮中的空气入口和收集已穿过压缩机轮的压缩空气的涡壳（volute）。

根据本公开，马达壳体限定用于使液态冷却剂循环的液态冷却剂通路。冷却剂通路的构造是本公开特别关注的问题，并且在本文描述的图示实施例中，冷却剂通路是盘旋液态冷却剂通路。冷却剂通路限定分别接近马达壳体的相对端而定位的入口和出口，并限定多个轴向间隔开的盘旋通道，所述多个轴向间隔开的盘旋通道布置成用于液态冷却剂从入口、然后依次通过盘旋通道中的每个盘旋通道、并最终从出口出来的串联流动。

在一个实施例中，冷却剂通路还至少限定第一旁通通路，所述第一旁通通道与盘旋通道相交，并以非盘旋的方式延伸，以便与盘旋通道互连，并为从入口到出口的液态冷却剂中的某些液态冷却剂提供选择性流动路径。

冷却剂通路还能够限定第二旁通通路，所述第二旁通通路与盘旋通道相交，并以非盘旋的方式延伸，以便与盘旋通道互连，第一与第二旁通通路彼此周向地间隔开。

本发明的特征能够适用于例如本文图示并描述的实施例的二级串联压缩机。在这样的二级压缩机的情况下，第二压缩机壳体安装至马达壳体的相对端，并且第二离心压缩机轮被包含在第二压缩机壳体中，并附连至轴的相对端。第二压缩机壳体限定第二压缩机流动路径，所述第二压缩机流动路径包括：第二空气入口，其将空气引导到第二压缩机轮中；和第二涡壳，其收集已穿过并被第二压缩机轮压缩的压缩空气。级间管道将第二涡壳连接至第一空气入口，使得被第二压缩机轮压缩的压缩空气由级间管道从第二涡壳引导到第一空气入口中，并被第一压缩机轮进一步压缩和输送到第一涡壳中。第二压缩机轮因而组成低压压缩机轮，并且第一压缩机轮组成高压压缩机轮。

冷却剂通路的入口有利地接近高压压缩机轮，并且冷却剂通路的出口接近低压压缩机轮。

在本文描述的实施例中，接近高压压缩机轮的盘旋通道具有比接近低压压缩机轮的盘旋通道大的横截面积。

电马达驱动压缩机还能够包括设置在马达壳体与第一压缩机壳体之间的热屏蔽，并且热屏蔽能够限定被接收（capture）在马达壳体与第一压缩机壳体之间的安装凸缘。安装凸缘与由冷却剂通路冷却的马达壳体的一部分接触，以便有助于从安装凸缘到马达壳体的所述部分的热传递。

在一个实施例中，在马达定子与马达壳体之间设置有导热材料，使得导热材料与马达定子和马达壳体接触，并用作从马达定子到马达壳体的导热路径。这增强离开定子并进入液态冷却剂的热传递。导热材料例如能够是导热环氧树脂（epoxy）。

附图说明

如此已概括地描述了本发明，现在将对不一定按比例绘制的附图作出参考，并且其中：

图1是根据本发明的一个实施例的包括具有串联（serial）的低压压缩机和高压压缩机的二级压缩机的电马达驱动压缩机的部分截面侧视图；

图2是用于图1中的马达壳体的铸造的冷却剂芯的立体视图，所述芯支配马达壳体中的液态冷却剂通路的构造；

图3是冷却剂芯的另一立体视图；以及

图4是冷却剂芯的又一立体视图。

具体实施方式

现在将在下文中参考其中示出本发明的某些但非所有实施例的附图更完全地描述本发明。实际上，本发明的方面可以许多不同的形式体现，并且不应被理解为限于本文陈述的实施例；相反，提供这些实施例，使得该公开满足适用的法律要求。相同的附图标记始终指的是相同的元件。

本发明可适用于各种类型的电马达驱动压缩机，包括单级以及多级电马达驱动压缩机。本文为了说明本发明的原理而描述的特定的实施例是具有串联布置的两个离心压缩机的串联二级压缩机，但本发明可适用于并联二级压缩机以及其他的类型。因此，在图1中示出了用于燃料电池(诸如质子交换膜(PEM)燃料电池)的串联二级电马达驱动压缩机10的简化横截面视图。二级压缩机10包括壳体组件，所述壳体组件包括：马达壳体20；低压压缩机壳体40，其安装至马达壳体的一端；和高压压缩机壳体60，其安装至马达壳体的另一端。马达壳体20包含马达定子22和马达转子24，所述马达转子24具有永磁体28绕其固定地安装的轴26。马达壳体20限定由马达转子24与轴26所穿过的孔30。在马达壳体20中设置有空气轴颈轴承32，用于可旋转地支撑转子24和轴26。低压侧轴颈空气轴承32被保持在设置于马达壳体20与低压压缩机壳体40之间的单独的轴承壳体39中。

低压压缩机壳体40包含安装在轴26的一端上用于与之一起旋转的离心低压压缩机轮42，低压压缩机壳体还限定低压压缩机流动路径，所述低压压缩机流动路径包括：空气入口44，其将空气引导到低压压缩机轮中；和低压涡壳46，其收集已穿过并被低压压缩机轮压缩的压缩空气。低压压缩机还包括扩散器45，所述扩散器45将压缩空气从低压压缩机轮42引导到低压涡壳46中，并用于降低速度和提高进入涡壳的空气的静态压力。

高压压缩机壳体60包含安装在轴26的相对端上用于与之一起旋转的离心高压压缩机轮62。高压压缩机壳体限定高压压缩机流动路径，所述高压压缩机流动路径包括：空气入口64，其将空气引导到高压压缩机轮中；和高压涡壳66，其收集已穿过并被高压压缩机轮压缩的压缩空气。高压压缩机还包括扩散器65，所述扩散器65将压缩空气从高压压缩机轮62引导到高压涡壳66中，并用于降低速度和提高进入涡壳的空气的静态压力。

压缩机还包括连接在低压涡壳46与高压压缩机的入口64之间的级间管道50，用于将压缩空气从低压涡壳46路由至用于在第二级压缩过程中进一步加压的高压压缩机。

冷却空气通路被限定在壳体组件中，用于将冷却空气供应至空气轴承32。尤其地，冷却空气被供应到限定在马达壳体20中的冷却空气供应入口(未示出)中。例如，在压缩机10用于车辆的燃料电池系统的情况下，其中来自高压涡壳66的压缩空气在其被供应至燃料电池之前穿过车辆热交换器，以使空气冷却，离开热交换器的空气的一部分能被分接并供应到冷却空气供应入口中。从那里，冷却空气进入由马达壳体20与轴承壳体39合作地限定的环形72。环形72中的冷却空气的一部分通过限定于壳体39中的通路73被径向地向内引导，并供给至用于低压侧空气止推轴承的止推板43的两侧。止推板43的内(马达)侧上的空气供给轴颈空气轴承32(还冷却转子磁体28)，并然后被排出到马达空腔中。止推板43的外侧上的空气通过通路47径向向外进入在压缩机壳体中限定的环形空间49，并且从那里，其通过通路51进入马达空腔。

环形72中的冷却空气的剩余部分被引导通过轴向延伸的冷却空气导管(未示出)，所述轴向延伸的冷却空气导管从环形72延伸通过马达壳体20，并与在高压压缩机附近的另一环形76连接。马达壳体20限定冷却空气通路78，所述冷却空气通路78在马达转子24的高压端从环形76大体上径向向内地通向大体上环形的空间80。供给到大体上环形的空间80中的冷却空气大体上轴向地(在图1中向左)通过并供给用于转子24的轴颈空气轴承32(还冷却转子磁体28)，并然后被排出到马达空腔中。

马达空腔中的冷却空气经由端口(未示出)从马达空腔排空。

高压压缩机包括大体上环形的热屏蔽100，所述大体上环形的热屏蔽100与高压压缩机壳体60和马达壳体20分开形成并设置在它们之间。尤其地，热屏蔽100在其径向外周具有凸缘102，并且凸缘102相对于径向方向设置在压缩机壳体60的凸缘68与马达壳体20的肩部21之间，并被夹在凸缘68与肩部21之间，以便径向地约束热屏蔽。热屏蔽凸缘102被接收在并轴向地约束在马达壳体凸缘23与HP压缩机壳体60上的肩部之间。V形带卡箍35将马达壳体凸缘23与HP压缩机壳体凸缘68夹紧到一起，并且设置在HP压缩机壳体肩部与热屏蔽凸缘102之间的密封环由此在这些部分之间被轴向地压缩，从而密封热屏蔽与压缩机壳体之间的界面。热屏蔽100包括径向定向的壁部104，所述径向定向的壁部104从凸缘102径向向内延伸并限定用于输送到HP涡壳66中的压缩空气的扩散器65的一个壁，扩散器的相对的壁由HP压缩机壳体60限定。

继续参考图1，先前描述的冷却空气环形76由热屏蔽100与马达壳体20合作地限定。马达壳体中的冷却空气通路78从环形76径向向内延伸，并将冷却空气供给到空间80中，空气从所述空间80如先前所描述地供给轴颈轴承。因此，热屏蔽100与壳体组件合作，以限定用于供应至空气轴承的冷却空气的冷却空气通路的一部分。

热屏蔽100还帮助使从热马达壳体20到穿过高压压缩机的空气的热传递最小。为此，马达壳体20几乎不与热屏蔽100接触。马达壳体20限定用于使液态冷却剂围绕定子22循环通过壳体的液态冷却剂通路25。被接收在马达壳体20与HP压缩机壳体60之间的热屏蔽的安装凸缘102与由液态冷却剂通路25中的液态冷却剂冷却的马达壳体的一部分接触(注意：在图1中凸缘102离冷却剂通路25很近)，以便有助于从安装凸缘到马达壳体的所述部分的热传递。在热屏蔽100与马达壳体20之间还存在空气间隙。来自环形76的空气对该死点空气间隙增压。所有这些特征有助于从马达壳体经由热屏蔽到在HP压缩机中被压缩的空气的热传递的最小化。

本公开尤其地涉及改善从马达定子22和转子24的热传递的多个特征，以便控制这些部件的温度。这些特征中的一个特征是马达壳体中的液态冷却剂通路25的构造。参考图1，马达壳体20限定：入口27，其进入冷却剂通路25；和出口29，液态冷却剂在从入口27并沿着冷却剂通路25进入出口29之后通过所述出口29离开马达壳体。入口27接近高压压缩机侧，并且出口接近低压压缩机侧。如图1所示并且如以下结合图2至4进一步描述地，冷却剂通路25沿着大体上与通路中的液态冷却流动的方向垂直的平面具有大体上C形的横截面。大体上C形的通路增大马达壳体与液态冷却剂接触的表面积，并从而增强从壳体进入冷却剂的热传递。从图1还应指出的是，由于HP压缩机具有比LP压缩机高的热负载，所以通路横截面的尺寸在通路的接近HP压缩机的部分中相对于通路的接近LP压缩机的尺寸较大。

参考图2，在立体视图中示出了用于铸造马达壳体20的冷却剂芯125。由于通路25冷却剂芯125的正像的负像，所以示出冷却剂芯125是描绘冷却剂通路25的构造的有用方式。重力浇注砂型铸造过程能够用于铸造马达壳体20。有利地，马达壳体能够由铝合金形成。冷却剂芯125由压实的砂制成，并且在金属固化并冷却之后容易地解体并从铸造马达壳体去除。铸造马达壳体中的冷却剂通路25包括具有芯125的形状的空腔。

如图2至4最清楚地看到地，冷却剂芯125产生具有多个轴向隔开的盘旋通道的冷却剂通路。也就是说，冷却剂通路25不是绕马达壳体盘绕的简单的螺旋通道。相反地，冷却剂通路分成两组盘旋通道，所述两组盘旋通道中的每组盘旋通道绕马达壳体轴线通过一系列流动方向的反转路由液态冷却剂。因此，芯125限定用于形成冷却剂通路的入口27的入口部分127，并且入口部分与盘旋部分130R和130L连接。通过入口27进入的冷却剂分成两部分，一个部分流过右手盘旋(由盘旋部分130R表示)，并且另一部分流过左手盘旋(由盘旋部分130L表示)。参考图2-4，示出了箭头，以指示由冷却剂芯的正像表示的沿着冷却剂通路的液态冷却剂流动的方向。冷却剂部分通过由出口部分129表示的出口返回和离开。

另外，冷却剂通路至少限定一个旁通通路，并且在图示的实施例中，有在冷却剂芯中由拉杆132和134表示的两个这样的旁通通路。除了入口和出口部分127、129之外在冷却剂芯125的顶部有第一组拉杆132，并且沿着芯的底部有第二组拉杆134。拉杆132和134连接在冷却剂芯125的相邻盘旋部分130之间，并用于稳定盘旋部分。另外，拉杆132共同地限定铸造马达壳体中的冷却剂旁通通路，并且同样地，拉杆134共同地限定第二旁通通路。旁通通路中的每个旁通通路与盘旋通道相交，并且以非盘旋的方式延伸，以便为在入口与出口之间流动的冷却剂提供选择性流动路径。在顶部的由拉杆132形成的旁通通路的特定优点在于，在通路的用液态冷却的填充期间，帮助从冷却剂通路25放出空气。

参考图1，为有助于离开马达定子22的热传递而包括另一特征是设置在定子22与马达壳体20之间的导热材料140，使得导热材料与定子和马达壳体接触。例如，导热材料140能够是导热环氧树脂等。导热材料140用作从定子22到马达壳体20的导热路径，其继而由流过冷却剂通路25的冷却剂而冷却。

尽管已参考电马达驱动的二级串联压缩机描述了本发明，但本发明还可适用于诸如单级压缩机的其他电马达驱动的压缩机。在所附的权利要求中，对“第一压缩机轮”的参考应被理解为适用于二级串联压缩机的HP压缩机轮(在“第二压缩机轮”是LP压缩机轮的情况下)，或适用于单级压缩机中的压缩机轮。

在此陈述的发明涉及的领域的技术人员将想到这些发明的许多变型及其他实施例，以具有在前述说明和相关附图中介绍的教导的益处。因此，应理解的是，本发明不限于所公开的特定的实施例，并且其他的实施例应被包括在所附权利要求的范围内。尽管在此采用了特定的术语，但它们仅在一般和描述的意义上使用，并且不用于限制的目的。

Claims (9)

1.一种电马达驱动压缩机，包括：

壳体组件，其包括马达壳体和安装至所述马达壳体的一端的第一压缩机壳体，所述马达壳体包含马达定子和具有轴的马达转子，所述马达壳体限定由所述马达转子和所述轴所穿过的孔；

所述第一压缩机壳体包含第一离心压缩机轮，所述第一离心压缩机轮安装在所述轴的一端上以随之一起旋转，所述第一压缩机壳体还限定第一压缩机流动路径，所述第一压缩机流动路径包括：第一空气入口，其将空气引导到所述第一压缩机轮中；和第一涡壳，其收集已穿过所述第一压缩机轮并被所述第一压缩机轮压缩的压缩空气；并且

所述马达壳体在其内限定盘旋液态冷却剂通路，所述冷却剂通路限定分别接近所述马达壳体的相对端而定位的入口和出口，所述冷却剂通路限定多个轴向间隔开的盘旋通道，所述多个轴向间隔开的盘旋通道布置成用于液态冷却剂从所述入口、然后依次通过所述盘旋通道中的每个、并最终从所述出口出来的串联流动。

2.根据权利要求1所述的电马达驱动压缩机，所述冷却剂通路还限定至少第一旁通通路，所述第一旁通通道与所述盘旋通道相交，并以非盘旋的方式延伸，以便与所述盘旋通道互连，并提供选择性流动路径以用于从所述入口到所述出口的液态冷却剂中的某些。

3.根据权利要求2所述的电马达驱动压缩机，其中，所述冷却剂通路还限定第二旁通通路，所述第二旁通通路与所述盘旋通道相交，并以非盘旋的方式延伸，以便与所述盘旋通道互连，所述第一与第二旁通通路彼此周向地间隔开。

4.根据权利要求1所述的电马达驱动压缩机，还包括安装至所述马达壳体的相对端的第二压缩机壳体和第二离心压缩机轮，所述第二离心压缩机轮包含在所述第二压缩机壳体中并附连至所述轴的相对端，所述第二压缩机壳体限定第二压缩机流动路径，所述第二压缩机流动路径包括：第二空气入口，其将空气引导到所述第二压缩机轮中；和第二涡壳，其收集已穿过并被所述第二压缩机轮压缩的压缩空气，并且还包括将所述第二涡壳连接至所述第一空气入口的级间管道，使得由所述第二压缩机轮压缩的空气由所述级间管道从所述第二涡壳引导到所述第一空气入口中，并被所述第一压缩机轮进一步压缩和输送到所述第一涡壳中，所述第二压缩机轮因而组成低压压缩机轮，并且所述第一压缩机轮组成高压压缩机轮。

5.根据权利要求4所述的电马达驱动压缩机，其中，所述冷却剂通路的所述入口接近所述高压压缩机轮，并且所述冷却剂通路的所述出口接近所述低压压缩机轮。

6.根据权利要求4所述的电马达驱动压缩机，其中，接近所述高压压缩机轮的所述盘旋通道具有比接近所述低压压缩机轮的所述盘旋通道大的横截面积。

7.根据权利要求4所述的电马达驱动压缩机，还包括设置在所述马达壳体与所述第一压缩机壳体之间的热屏蔽，其中，所述热屏蔽限定被接收在所述马达壳体与所述第一压缩机壳体之间的安装凸缘，所述安装凸缘与由所述冷却剂通路冷却的所述马达壳体的一部分接触，以便有助于从所述安装凸缘到所述马达壳体的所述部分的热传递。

8.根据权利要求1所述的电马达驱动压缩机，还包括设置在所述马达定子与所述马达壳体之间的导热材料，使得所述导热材料与所述马达定子和所述马达壳体二者接触，并用作从所述马达定子到所述马达壳体的导热路径。

9.根据权利要求8所述的电马达驱动压缩机，其中，所述导热材料是导热环氧树脂。