CN105889096B - 燃料电池发动机的两级串联增压直驱离心式空压机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池发动机的两级串联增压直驱离心式空压机，包括端盖、主轴、涡壳、叶轮、转子、定子以及驱动器，主轴通过左侧的左端径向支撑空气箔片轴承和左端径向支撑空气箔片轴承轴套，以及设置在主轴右侧的空气箔片轴向止推轴承和右端径向支撑空气箔片轴承进行支撑，左端径向支撑空气箔片轴承轴套环绕在主轴的外侧，左端径向支撑空气箔片轴承固定在左端径向支撑空气箔片轴承轴套外侧，空气箔片轴向止推轴承采用轴套形式固定于主轴的外侧，右端径向支撑空气箔片轴承固定在空气箔片轴向止推轴承的外侧。与现有技术相比，本发明更适用于对无油进气要求高的燃料电池发动机的进气增压场景，可提高燃料电池发动机空气压缩机的耐久性和可靠性。

Description

燃料电池发动机的两级串联增压直驱离心式空压机

技术领域

本发明涉及燃料电池发动机技术领域，具体涉及一种燃料电池发动机的两级串联增压直驱离心式空压机。

背景技术

最近，我国多个城市频发雾霾重度污染天气，让人们再次认识到空气污染的严重性。越来越严峻的能源和环境挑战使交通能源动力转型成为全球共识，发展新能源燃料电池汽车被认为是交通能源动力转型的重要环节而备受重视。质子交换膜燃料电池是目前燃料电池家族中最为成熟的代表。它是以氢气和空气(空气中的氧气)做燃料发生电化学反应，将燃料的化学能直接转换成电能的装置，反应生成水。它兼备无污染、高效率、适用广、低噪声、室温快速启动、可快速补充能量和具有模块化结构等优点，很有可能成为继传统内燃机之后汽车的主要动力源之一。

为了保障燃料电池发动机正常工作，发动机一般需要氢气供应子系统、空气供应子系统和循环水冷却管理子系统等辅助系统。大量的研究表明，高压、大流量的空气供应对提高现有燃料电池发动机的功率输出具有明显的效果。因此，一般空气进入发动机之前，要对进气进行增压，空气压缩机就是实现该目标的一种能量转换装置，是燃料电池发动机空气供应系统的重要零部件之一，不同工况下燃料电池汽车发动机功率输出所需求的空气供应管理和调控主要靠空压机来实现。

目前离心式空压机设计一般采用电机直驱方式，电机转子和主轴做成一体化结构，主轴轴端固定联接离心式叶轮，叶轮内置于蜗壳内。电机转子超高速旋转下，叶轮带动气体高速旋转，与蜗壳相互作用产生高压、大流量空气，供给燃料电池发动机用于燃料电池电堆内部电化学反应的发生，其中轴承提供支撑转子-主轴-叶轮一体化旋转部件高速旋转。

直驱离心式空压机一般采用电机驱动，消耗燃料电池汽车发动机功率，约为燃料电池发动机总功率输出的15-20％。因此，为提高发动机有效功率输出，降低空压机功耗，高速高效空压机技术引起广泛关注。

随离心式空压机转速地提高，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。

此外，燃料电池电化学反应的发生是在一定的温度、湿度和气体压力下进行的，而反应发生也伴随一定的热量的释放，因此燃料电池发动机的空气供应系统中的空气具有高温、高湿、高压、大流量和无油的特征，油液的介入会降低燃料电池催化剂的催化作用，大大降低燃料电池发动机功率输出。

同时，离心式空压机为了提高输出空气的压力和流量，往往采用超高转速(50，000Rpm以上)的转速控制实现方式，现有的传统滚动和滑动油润滑轴承很难满足要求，一是不满足燃料电池发动机的无油工作环境要求，二是由于机械摩擦力的存在，使转子-主轴转速降低和摩擦损耗增大。即使特殊轴承可以满足要求，但也会带来转子热问题及转子动力学稳定性的问题。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，综上所述，这些问题都对支撑转子-主轴-叶轮超高速旋转的轴承提出了更好的使用要求，需要在具体离心式空压机设计方案中得到综合考虑并加以解决。

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可以满足60-80kW大功率燃料电池发动机的空气供应系统的压力大、流量范围宽的实际需求，具有超高转速、高效率、长寿命、无润滑油等优点的燃料电池发动机的两级串联增压直驱离心式空压机。

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的两级串联增压直驱离心式空压机，所述空压机通过电机带动转动，所述空压机包括端盖、主轴、涡壳、位于所述涡壳内部并设置在主轴上叶轮、固定在主轴中部的转子、设置在转子外部的定子以及一个驱动器，所述空压机通过驱动器驱动转子转动，其特征在于，所述主轴通过简支梁支撑结构进行支撑，所述的简支梁支撑结构包括设置在主轴上位于转子左侧的轴承单元a及设置在主轴上位于转子右侧的轴承单元b，所述的轴承单元a和轴承单元b均通过轴套形式固定在主轴上。

所述的轴承单元a包括左端径向支撑空气箔片轴承和左端径向支撑空气箔片轴承轴套，所述的左端径向支撑空气箔片轴承轴套环绕在所述主轴的外侧，所述左端径向支撑空气箔片轴承采用圆周均布螺钉固定在所述左端径向支撑空气箔片轴承轴套外侧；

所述的轴承单元b包括设置在主轴右侧的空气箔片轴向止推轴承和右端径向支撑空气箔片轴承，所述空气箔片轴向止推轴承采用轴套形式固定于所述主轴的外侧，所述右端径向支撑空气箔片轴承采用圆周均布螺钉固定在所述空气箔片轴向止推轴承的外侧。

支撑结构采用两端径向空气箔片动压轴承和单侧轴向空气箔片动压止推轴承的布置方式，空气箔片轴承由平箔片、波箔片和箔片支撑结构组成。两端轴向空气箔片轴承采用圆周均布螺钉固定，波箔片具有弹性，位于主轴与平箔片之间，平箔片固定于箔片支撑结构上，电机转子超高速旋转时压缩波箔片从而使转子-主轴悬浮于空气箔片轴承之间。相对一般空气轴承，弹性波箔片可以提供额外的刚度和阻尼，具有调节不同转速下轴承的承载力的作用。轴向空气箔片动压止推轴承与主轴端采用轴套形式装配，在转子-主轴-叶轮超高速旋转时，如空气箔片动压轴向止推轴承发生故障产生破损或需要更换时，该轴套能起到方便拆装的作用，且本发明中轴套上增加了拆卸槽，以防拆装时破坏轴承及主轴配合精度面，以保证拆装过程中各零部件的完整性。

所述的右端径向支撑空气箔片轴承的右端设有凸起，该凸起位于两个止推轴承箔片盘之间，且所述凸起与两个止推轴承箔片盘超高速旋转时压缩气体配合。

轴向空气箔片动压止推轴承的平箔片固定于箔片盘的左右两端面上，电机转子超高速旋转时，空气箔片轴承旋转盘与箔片盘之间产生高压空气膜，波箔片受压缩而变形，调整波箔片的形状可以改变高压空气膜的刚度和阻尼，以此来避免整个转子-主轴-叶轮的轴向不平衡窜动。

所述的叶轮包括左端叶轮和右端叶轮，所述涡壳包括左端蜗壳和右端蜗壳(1)，左端叶轮和右端叶轮分别位于左端蜗壳和右端蜗壳内部并分别与所述主轴的左端和右端连接。

所述的主轴采用中空主轴，所述主轴的两端均内置螺杆，所述螺杆分别与左端叶轮和右端叶轮通过预紧螺母进行固定，并采用高强度胶水进行粘接。转子-主轴采用一体化结构，与叶轮采用预紧螺母拧紧，保证空气机旋转部件形成一体。主轴中空，可有效减轻旋转部件质量。

所述的左端叶轮和右端叶轮的背面均采用凸台形式与所述主轴形成紧配合，有效地减轻了整个转子-主轴等转动部件的质量，该设计将有利于提高转子动力学特性和便于两端叶轮的安装固定。

所述的端盖包括左端蜗壳端盖、右端蜗壳端盖、左端电机端盖和右端电机端盖，所述的左端蜗壳端盖和右端蜗壳端盖分别通过连接螺栓与所述的左端电机端盖和右端电机端盖连接。

所述的转子采用不锈钢主轴、电工钢、永磁体的3层同心绕组布置方式，并在所述的永磁体外层裹覆钛合金保护套，所述转子的两端设置铜环，并通过铜环固定套与所述转子固定。永磁体外裹覆钛合金保护套是防止永磁体在高速旋转下由于离心力作用而破裂，铜环的作用是隔磁。

所述的驱动器包括低压信号接插件和三相电缆，电机通过驱动器控制所述电机定子产生磁场方向的改变速度，从而控制所述主轴的转速。通过控制驱动器，直接调节电机转子转速，根据燃料电池发动机对外功率输出需求，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。

所述的空压机还包括一个水冷却系统，所述的水冷却系统包括外壳和水冷套，所述的水冷套设置在所述电机定子的外侧，所述外壳设置在水冷套外侧，在空压机运行时，在外壳和水冷套之间通水，起到散热的作用。

所述的左端蜗壳和右端蜗壳采用串联连接方式，即所述左端蜗壳的出口连接右端蜗壳的进口。自然空气经左端蜗壳进气口引入，并经左端叶轮高速旋转实现一级压缩后，通过左端蜗壳出气口串联到右端蜗壳进气口端，再经过右端叶轮高速旋转压缩空气，最终经右端蜗壳出气口流出，实现两级增压的功能。与同转速的单向叶轮空压机相比，其性能指标可达到高压比，满足30-80kW大功率车用燃料电池发动机大范围内的空气流量供应需求。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：

(1)采用双级叶轮串联逐级压缩空气的增压方式，在燃料电池发动机对空压机同样压比和流量的使用需求情况下，转速可降低一半，提高产品的可靠性；同时满足全工况燃料电池发动机进气压力和流量要求，采用大功率(10kW)电机直驱两端叶轮高速旋转，最高可达50,000rpm，避免使用增速器等额外机械增速机构，体积小，结构紧凑，避免的齿轮啮合振动噪声；因其可调节转速，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；

(2)本发明两端轴承座与空气箔片轴承均采用紧配合方式，并采用周向均布螺钉固定方式，波箔片固定于轴承内壁顶箔片上，主轴高速旋转时悬浮于波箔片中心，有效的减轻了摩擦带来的损耗，而轴向空气箔片止推轴承采用轴套形式与主轴采用过盈配合方式，而波箔片固定于箔片盘上，整机运行时，空气箔片轴向止推轴承有效的抑制了轴向窜动的产生。并且轴承与主轴之间增加了轴套方式的装配，并在轴套上增加拆卸槽结构，由此可在拆卸与更换轴承或其他零部件时避免轴承箔片及轴的精度变化。综上，空气箔片动压轴承可充分满足车用强度等级要求；另外，无油液润滑，杜绝了油液对燃料电池催化剂的污染，

(3)采用两端径向空气箔片轴承与一端轴向空气箔片动压止推轴承的结构形式，空气箔片轴承由顶箔片、波箔片和箔片支撑结构组成，当电机转动时，位于波箔片当中的主轴由于高速旋转而使波箔片压缩，当转速稳定时，形成高压空气膜，主轴稳定悬浮于波箔片上。相比传统的滚珠轴承而言，空气箔片轴承存在开放式的空气流动，有效的提高了散热途径和耐热等级，并提高了转子临界转速和避免了共振的产生。相对一般空气轴承而言，空气箔片轴承有效的减轻空气相对转轴的磨损，由于旋转时轴承内部空气自然加速流动而改善了热流量的散热流通，以及对转子动力学的明显改善；

(4)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；转子永磁体两侧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；

(5)主轴采用掏空形式结构，在满足整个主轴强度的要求下，有效的减轻主轴重量，优化了整个转子动力学特性和避免因临界转速引起的共振问题；

(6)两端叶轮通过螺杆螺纹拉紧形式与主轴连接，叶轮背面采用凸台形式，在轴向方向通过与主轴端面拉紧配合，而在径向通过与主轴掏空内壁面紧配合的固定方式。有效减轻了主轴的整体重量，改善了转子动力学特性；在两端通过螺杆预紧螺母拉紧形式，优化了整个转动部件的刚度特性，且有效防止了运行时叶轮及预紧螺母的松动隐患。

附图说明

图1为本发明的外部结构示意图；

图2为本发明的总体结构示意图；

图3为图2中转子-主轴-叶轮一体化结构示意图；

图4为径向空气箔片动压轴承结构示意图；

图5为空气箔片推力止推轴承结构示意图。

其中，1为右端蜗壳，2为右端叶轮预紧螺母，3为右端叶轮，4为右端叶轮螺杆，5为右端蜗壳端盖，6为右端电机端盖，7为空气箔片轴向止推轴承箔片盘A，8为空气箔片轴向止推轴承，9为空气箔片轴向止推轴承箔片盘B，10为右端径向支撑空气箔片轴承，11为三相电缆，12为铜环固定套，13为铜环A，14为定子，15为钛合金保护套，16为永磁体，17为转子，18为主轴，19为电机绕组，20为左端径向支撑空气箔片轴承轴套，21为左端径向支撑空气箔片轴承，22为右端连接螺栓，23为低压信号接插件，24为右端径向支撑空气箔片轴承座，25为水冷套，16为外壳，27为铜环B，28为左端电机端盖，29为左端连接螺栓，30为左端蜗壳端盖，31为左端叶轮，32为左端叶轮螺杆，33为左端叶轮预紧螺母，34为左端蜗壳，35为防水接头，36为气膜，37为顶箔A，38为波箔A，39为轴承壳，40为波箔B，41为顶箔B。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，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。

实施例

一种符合全工况车用燃料电池发动机的大功率(10kW)高速(50000rpm)高速两级串联增压直驱离心式空压机，其结构如图1和图2所示，空压机通过电机带动转动，空压机设有左端涡壳34和右端蜗壳1，左端蜗壳34上设有进风口、出风口以及左端蜗壳端盖30，右端蜗壳1上设有进风口、出风口以及右端蜗壳端盖5，在工作时，左端蜗壳34的出风口连接右端蜗壳1的进风口。空压机的左右两侧还设有左端电机端盖28和右端电机端盖6，左端蜗壳端盖30和左端电机端盖28通过左端连接螺栓29连接固定，右端蜗壳端盖5和右端电机端盖6通过右端连接螺栓22连接固定。右端电机端盖6的内侧抵住右端径向支撑空气箔片轴承座24。在空压机的中部设有主轴18，主轴18为中空主轴，主轴18的左端内置左端叶轮螺杆32，主轴18的右端内置右端叶轮螺杆4，左端叶轮螺杆32和右端叶轮螺杆4采用高强度胶水与主轴18进行粘接，以保证叶轮高速旋转的安全性。左端叶轮31通过左端叶轮预紧螺母33与左端叶轮螺杆32固定，右端叶轮3通过右端叶轮预紧螺母2与右端叶轮螺杆4进行固定，左端叶轮31位于左端蜗壳34内部，右端叶轮3位于右端蜗壳1内部。左端叶轮31和右端叶轮3的背面均采用凸台形式与主轴18形成紧配合，有效地减轻了整个转子-主轴等转动部件的质量，该设计将有利于提高转子动力学特性和便于两端叶轮的安装固定。

定子14的外侧设有电机绕组19，该电机绕组19通过三相电缆11和低压信号接插件23连接电机，且三相电缆11上设有金属防水接头35。该空压机还包括外壳26和水冷套25，水冷套25设置在主轴18的外侧，外壳26设置在水冷套25外侧，在空压机运行时，在外壳25和水冷套26之间通以冷水，起到散热的作用。

主轴18的两端通过简支梁支撑结构进行支撑，其中，转子-主轴-叶轮一体化结构如图3所示，简支梁支撑结构包括设置在主轴18左侧的左端径向支撑空气箔片轴承21和左端径向支撑空气箔片轴承轴套20，以及设置在主轴18右侧的空气箔片轴向止推轴承8和右端径向支撑空气箔片轴承10，左端径向支撑空气箔片轴承轴套20套设在主轴18的外侧，左端径向支撑空气箔片轴承21采用圆周均布螺钉固定在所述左端径向支撑空气箔片轴承轴套20外侧，空气箔片轴向止推轴承8采用轴套形式固定于主轴18的外侧，右端径向支撑空气箔片轴承10采用圆周均布螺钉固定在所述空气箔片轴向止推轴承8的外侧。右端径向支撑空气箔片轴承10的右端设有凸起，该凸起位于空气箔片轴向止推轴承箔片盘A7和空气箔片轴向止推轴承箔片盘B9之间，且凸起与两个止推轴承箔片盘超高速旋转时压缩气体配合。

其中，左端径向支撑空气箔片轴承21和右端径向支撑空气箔片轴承10的结构相同，如图4所示，从内向外依次设置气膜36、顶箔A37、波箔A38和轴承壳39，当电机转动时，位于波箔A38当中的主轴18由于高速旋转而使波箔A38压缩，当转速稳定时，形成高压空气膜，主轴18稳定悬浮于波箔A38上。相比传统的滚珠轴承而言，空气箔片轴承存在开放式的空气流动，有效的提高了散热途径和耐热等级，并提高了转子临界转速和避免了共振的产生。

右端径向支撑空气箔片轴承10的结构如图5所示，右端径向支撑空气箔片轴承10的顶箔B41固定于空气箔片轴向止推轴承箔片盘B的左右两端面上，电机转子超高速旋转时，空气箔片轴承旋转盘与空气箔片轴向止推轴承箔片盘B之间产生高压空气膜，波箔B40受压缩而变形，调整波箔B40的形状可以改变高压空气膜的刚度和阻尼，以此来避免整个转子-主轴-叶轮的轴向不平衡窜动。

在主轴18的中部、定子14的内部还设有转子17，转子17采用不锈钢主轴、电工钢、永磁体的3层同心绕组布置方式，在永磁体16的外侧裹覆有钛合金保护套15，转子17的两端分别设置铜环A13和铜环B27，铜环A13和铜环B27通过铜环固定套12与转子17固定。永磁体外裹覆钛合金保护套是防止永磁体在高速旋转下由于离心力作用而破裂，铜环的作用是隔磁。其具体结构如图3所示。

电机通过低压信号接插件23和三相电缆11连接电机绕组19部件，通过电机控制驱动定子14、绕组磁力线磁场产生的切向力矩带动转子27件运行转速，进而转子-主轴带动叶轮一同高速旋转，电机通过转子17不同的转速控制实现离心式叶轮高速旋转压缩空气，达到高压比、大流量的气体载荷输出。根据不同条件输入可满足大功率车用燃料电池发动机大范围内的空气流量供应需求。

Claims (4)

1.一种燃料电池发动机的两级串联增压直驱离心式空压机，所述空压机通过电机带动转动，所述空压机包括端盖、主轴（18）、蜗壳、位于所述蜗壳内部并设置在主轴上叶轮、固定在主轴中部的转子（17）、设置在转子外部的定子（14）以及一个驱动器，所述空压机通过驱动器驱动转子（17）转动，其特征在于，所述主轴（18）通过简支梁支撑结构进行支撑，所述的简支梁支撑结构包括设置在主轴（18）上位于转子左侧的轴承单元a及设置在主轴（18）上位于转子右侧的轴承单元b，所述的轴承单元a和轴承单元b均通过轴套形式固定在主轴（18）上；

所述的轴承单元a包括左端径向支撑空气箔片轴承（21）和左端径向支撑空气箔片轴承轴套（20），所述的左端径向支撑空气箔片轴承轴套（20）环绕在所述主轴（18）的外侧，所述左端径向支撑空气箔片轴承（21）采用圆周均布螺钉固定在所述左端径向支撑空气箔片轴承轴套（20）外侧；

所述的轴承单元b包括设置在主轴（18）右侧的空气箔片轴向止推轴承（8）和右端径向支撑空气箔片轴承（10），所述空气箔片轴向止推轴承（8）采用轴套形式固定于所述主轴（18）的外侧，所述右端径向支撑空气箔片轴承（10）采用圆周均布螺钉固定在所述空气箔片轴向止推轴承（8）的外侧；

所述的右端径向支撑空气箔片轴承（10）的右端呈凸盘形式，该凸盘位于两个止推轴承箔片盘之间，且所述凸盘与两个止推轴承箔片盘在超高速旋转时压缩气体配合；

所述空气箔片轴承由平箔片、波箔片和箔片支撑结构组成，两端轴向空气箔片轴承采用圆周均布螺钉固定，波箔片具有弹性，位于主轴与平箔片之间，平箔片固定于箔片支撑结构上，电机转子超高速旋转时压缩波箔片从而使转子-主轴悬浮于空气箔片轴承之间；

所述的叶轮包括左端叶轮（31）和右端叶轮（3），所述蜗壳包括左端蜗壳（34）和右端蜗壳（1），左端叶轮（31）和右端叶轮（3）分别位于左端蜗壳（34）和右端蜗壳（1）内部并分别与所述主轴（18）的左端和右端连接；

所述的主轴（18）采用中空主轴，所述主轴（18）的两端均内置螺杆，所述螺杆分别与左端叶轮（31）和右端叶轮（3）通过预紧螺母进行固定，并采用高强度胶水进行粘接；

所述的左端叶轮（31）和右端叶轮（3）的背面均采用凸台形式与所述主轴（18）形成紧配合；

所述的端盖包括左端蜗壳端盖（30）、右端蜗壳端盖（5）、左端电机端盖（28）和右端电机端盖（6），所述的左端蜗壳端盖（30）和右端蜗壳端盖（5）分别通过连接螺栓与所述的左端电机端盖（28）和右端电机端盖（6）连接。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机的两级串联增压直驱离心式空压机，其特征在于，所述的左端蜗壳（34）和右端蜗壳（1）采用串联连接方式，即所述左端蜗壳（34）的出口连接右端蜗壳（1）的进口。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机的两级串联增压直驱离心式空压机，其特征在于，所述的转子（17）采用不锈钢主轴、电工钢、永磁体的3层同心绕组布置方式，并在所述的永磁体外层裹覆钛合金保护套，所述转子（17）的两端设置铜环，并通过铜环固定套（12）与所述转子（17）固定。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机的两级串联增压直驱离心式空压机，其特征在于，所述的驱动器包括低压信号接插件（23）和三相电缆（11），电机通过驱动器控制所述定子（14）产生磁场方向的改变速度，从而控制所述主轴（18）的转速。