CN108457872A - 一种带联接喉管的空心主轴两级压缩离心式空压机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车用燃料电池用两级增压直驱离心式空压机，包括永磁同步电机、第一级离心式空压机和第二级离心式空压机，所述第一级离心式空压机和第二级离心式空压机分别于所述永磁同步电机的两侧；所述第一级离心式空压机和第二级离心式空压机分别包含有第一级叶轮、第一级蜗壳和第二级叶轮、第二级蜗壳，所述第一级叶轮、第二级叶轮分别固连于主轴的两端，所述第一级蜗壳和第二级蜗壳分别固连于永磁同步电机两端，所述第一级蜗壳的第一级增压出口与第二蜗壳的第二级增压进口相连通，其可以满足燃料电池发动机空气供应系统的流量范围宽、供气压比高需求，具有结构紧凑、维护简单等特点。

Description

一种带联接喉管的空心主轴两级压缩离心式空压机

技术领域

本发明属于空压机设备技术领域，具体地说是涉及一种带联接喉管的空心主轴两级压缩离心式空压机。

背景技术

空压机广泛应用于钢铁、电力、造船、轻工业、航空航天、汽车等众多领域，本发明涉及到的空压机是新能源燃料电池汽车发动机辅助系统空气供应模块中的关键部件之一，其功能是为燃料电池系统电堆在不同工况工作时，提供满足电堆流量、压力、温度和湿度要求的空气，其输出的流量和压力直接影响燃料电池中阴极侧空气的化学计量比，进而影响燃料电池电堆的电压输出和燃料电池发动机的功率输出。

燃料电池汽车发动机用空压机采用电机驱动的方式工作，电机驱动的能量来源于燃料电池汽车发动机，必然消耗发动机部分功率，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。

在空压机高速运转时，转子与轴承系统的动力学分析对于高速电机运行的可靠性有着至关重要的作用，转子中永磁体材料抗压强度较大而抗拉强度较小，其抗拉强度一般低于抗压强度的十分之一，永磁体难以承受转子高速旋转在巨大离心力作用下产生的拉应力，因此为了减小电机在高速旋转时产生的离心力，转子外径须尽可能的小，但是转子还需要足够的刚度，还要考虑产生需求的电磁转矩和输出功率，导致转子外径也不能太小，所以在空压机转子设计上要综合考虑电磁和机械两方面的要求。

为了满足大流量、高压比的空气流量输出要求，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，即使特殊轴承能够满足要求，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；其次超高速转子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。

发明内容

本发明的目的是提供一种带联接喉管的空心主轴两级压缩离心式空压机，其可以满足燃料电池发动机空气供应系统的流量范围宽、供气压比高需求，具有结构紧凑、转速高、损耗小、运行稳定、噪声小、振动小、维护简单等特点。

为解决上述技术问题，本发明的目的是这样实现的：

一种车用燃料电池用两级增压直驱离心式空压机，包括永磁同步电机、第一级离心式空压机和第二级离心式空压机，其特征在于：所述第一级离心式空压机和第二级离心式空压机分别于所述永磁同步电机的两侧；

所述永磁同步电机包含定子、转子以及穿过所述转子的主轴；

所述第一级离心式空压机和第二级离心式空压机分别包含有第一级叶轮、第一级蜗壳和第二级叶轮、第二级蜗壳，所述第一级叶轮、第二级叶轮分别固连于主轴的两端，所述第一级蜗壳和第二级蜗壳分别固连于永磁同步电机两端，所述第一级蜗壳和第二级蜗壳设置有第一级增压进口、第一级增压出口和第二级增压进口、第二级增压出口，所述第一级增压出口与第二级增压进口相连通。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述转子包含主轴、分体式永磁体以及永磁体固定体，三者同心布置。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述分体式永磁体外层缠绕碳纤维保护套，所述转子在其两端配有隔磁铜环。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述主轴为空心主轴，主轴两端设置有左双高速球轴承和右双高速球轴承。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述左双高速球轴承和右双高速球轴承分别设置有左轴承座和右轴承座，所述左轴承座和右轴承座均设置有水冷却系统。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述主轴由前轴芯和后轴芯组成。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述左双高速球轴承和右双高速球轴承可选择性的设置为其一固定，另一为浮动式。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述第一级增压出口与第二级增压进口通过两级增压连接喉管连通，两级增压连接喉管的管径为逐渐增大的流线型渐变结构。

在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述永磁同步电机设置有电机水冷套外壳，所述电机水冷套外壳内设置有电机水冷套壳体，所述水冷套壳体内部设置有电机水冷套冷却流道。

本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：电机驱动器驱动电机转子部件运转，当驱动器驱动电机运转起来后，转动部件带动第一级叶轮、第二级叶轮高速旋转，与第一级蜗壳和第二级蜗壳一起压缩高速气体，通过不同的转速实现不同流量和压力气体输出，通过两级增压连接喉管将第一级蜗壳和第二级蜗壳进出气口串联后达到两级增压的效果；两级增压连接喉管在结构上采用增加管径的流线型渐变设计，增加管径会降低摩擦损失，这样在一定程度上减小了空气流动的局部阻力，有效的降低了气流压损，提高了空压机的工作效率；实现了在相对低转速下的气体输出压力倍增效果，可满足目前百千瓦级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。

附图说明

图1为本发明的外部结构示意图；

图2为本发明的内部剖视结构示意图；

图3为两级增压连接喉管的剖视结构示意图；

图4为空心主轴的剖视结构示意图；

图5为电机外壳水冷套冷却流道的结构示意图；

图6为电机外壳水冷套冷却流道的剖视结构示意图。

1为左端叶轮防松螺母，2为第一级增压进口，3为第一级蜗壳，4为第一级叶轮端盖，5为左端电机端盖，6为第一级蜗壳与左端电机端盖联接螺栓，7为第一级增压出口，8为第一级增压出口与两级增压联接喉管进口密封凹槽，9为两级增压联接喉管进口，10为第二级端蜗壳与右端电机端盖联接螺栓，11为右端电机端盖，12为第二级叶轮端盖，13为两级增压联接喉管，14为两级增压联接喉管出口与第二级增压进口金属卡箍联接端，15为两级增压联接喉管出口，16第二级增压进口，17为右端叶轮防松螺母，18为第二级蜗壳，19为右端空心主轴，20为第二级叶轮，21为第二级增压出口，22为右端高速双球轴承，23为电机水冷套外壳，24为电机水冷套冷却流道，25为电机水冷套壳体，26为电机三相高压输入防水接头，27为左端高速双球轴承，28为左端空心主轴，29为左端叶轮，30为空心主轴，31为前轴芯，32为后轴芯，34为隔磁铜环，35为碳纤维保护套，36为永磁体固定体，37为分体式永磁体。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于已给出的实施例，本领域普通技术人员在未做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

见图1-3，一种车用燃料电池用两级增压直驱离心式空压机，该空压机在结构上包括永磁同步电机、第一级离心式空压机和第二级离心式空压机，

所述永磁同步电机包含定子、转子、左端电机端盖5、右端电机端盖11以及穿过所述转子的空心主轴30；主轴加工为空心主轴，便于减轻旋转部件质量，提高主轴共振频率，降低空压机功耗。

所述第一级离心式空压机和第二级离心式空压机分别包含有第一级叶轮29、第一级蜗壳3、第一级叶轮端盖4和第二级叶轮20、第二级蜗壳18、第二级叶轮端盖12，所述第一级叶轮29、第二级叶轮20分别固连于左端空心主轴28和右端空心主轴19，通过控制电机驱动器的控制信号，调节永磁同步电机的转子转速，达到直接调节空压机输出空气压力和流量的目的，改变燃料电池发动机中电堆内部阴极侧空气的化学计量比，改善燃料电池膜电极上的氢气、氧气电化学反应，优化电堆性能。

作为优选的，其分别设置有左端叶轮防松螺母1和右端叶轮防松螺母17，空心主轴30两端采用左端叶轮防松螺母（1）和右端叶轮防松螺母（17）固定叶轮，以提高高速叶轮运转安全性。

所述第一级蜗壳3和第二级蜗壳18分别与左端电机端盖5、右端电机端盖11通过第一级端蜗壳与左端电机端盖联接螺栓6、第二级端蜗壳与右端电机端盖联接螺栓10，所述第一级蜗壳3和第二级蜗壳18设置有第一级增压进口2、第一级增压出口7和第二级增压进口16、第二级增压出口21，所述第一级增压出口7与第二级增压进口16相连通。

所述的空压机整体采用双叶轮蜗壳的两级增压方式，外界自然空气经空压机第一级离心式空压机压缩，第一级增压出口7与两级增压联接喉管进口9相连，再通过两级增压联接喉管13引入到第二级增压进口16，两级增压联接喉管出口15与第二级增压进口16在两级增压联接喉管出口与第二级增压进口金属卡箍联接端14处用金属卡箍固定，最后经过第二级离心式空压机压缩，空气经过第二级增压出口21后进入电堆进口，与同转速的单叶轮空压机相比，在相同空气流量下可达到更高压比，满足60-80KW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。

优选的，两级增压联接喉管进口9设置有两级增压联接喉管进口密封凹槽8，两级增压联接喉管进口密封凹槽8处布置密封圈。

进一步的，见图4，所述转子包含空心主轴30、分体式永磁体37以及永磁体固定体36，三者同心布置。

作为优选的，所述分体式永磁体外层缠绕碳纤维保护套35，所述转子在其两端配有隔磁铜环34，碳纤维保护套与分体式永磁体间采取过盈配合方式，以利于保护永磁体材料。

所述空心主轴30两端设置有左双高速球轴承27和右双高速球轴承22。

进一步的，所述左双高速球轴承27和右双高速球轴承22分别设置有左轴承座和右轴承座，所述左双高速球轴承27和右双高速球轴承22可选择性的设置为其一固定，另一为浮动式，每边轴承支撑结构采用两个高速球轴承，凹型面对面靠紧布置，坐落于轴承座内。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。

进一步的，所述左轴承座和右轴承座均设置有水冷却系统，在轴承高速旋转时有效控制高速球轴承的温升，有利于提高高速球轴承的寿命及空心主轴的稳定性。

进一步的，所述空心主轴30由前轴芯31和后轴芯32组成，前轴芯、后轴芯按照热处理、车、深孔钻、研、精车、热处理、发黑、研及精磨加工工艺处理后，通过热套、回火、焊、回火、研、粗磨、线切割后，将前轴芯、后轴芯组装形成空心主轴，有效的减少主轴不平衡量，减轻主轴的重量，提高主轴共振频率，降低空压机能耗。

作为优选的，两级增压连接喉管13的管径为逐渐增大的流线型渐变结构，增加管径会降低摩擦损失，这样在一定程度上减小了空气流动的局部阻力，有效的降低了气流压损，提高了空压机的工作效率。

进一步的，所述永磁同步电机设置有电机水冷套外壳23，所述电机水冷套外壳23内设置有电机水冷套壳体25，所述电机水冷套壳体25内部设置有电机水冷套冷却流道24（见图5-6），起到为电机提供冷却散热的作用。

优选的，永磁同步电机上设置有电机三相高压输入防水接头26。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种车用燃料电池用两级增压直驱离心式空压机，包括永磁同步电机、第一级离心式空压机和第二级离心式空压机，其特征在于：所述第一级离心式空压机和第二级离心式空压机分别于所述永磁同步电机的两侧；

所述永磁同步电机包含定子、转子以及穿过所述转子的主轴；

所述第一级离心式空压机和第二级离心式空压机分别包含有第一级叶轮、第一级蜗壳和第二级叶轮、第二级蜗壳，所述第一级叶轮、第二级叶轮分别固连于主轴的两端，所述第一级蜗壳和第二级蜗壳分别固连于永磁同步电机两端，所述第一级蜗壳和第二级蜗壳设置有第一级增压进口、第一级增压出口和第二级增压进口、第二级增压出口，所述第一级增压出口与第二级增压进口相连通。

2.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池用两级增压直驱离心式空压机，其特征在于：所述转子包含主轴、分体式永磁体以及永磁体固定体，三者同心布置。

3.根据权利要求2所述的一种车用燃料电池用两级增压直驱离心式空压机，其特征在于：所述分体式永磁体外层缠绕碳纤维保护套，所述转子在其两端配有隔磁铜环。

4.根据权利要求2所述的一种车用燃料电池用两级增压直驱离心式空压机，其特征在于：所述主轴为空心主轴，主轴两端设置有左双高速球轴承和右双高速球轴承。

5.根据权利要求4所述的一种车用燃料电池用两级增压直驱离心式空压机，其特征在于：所述左双高速球轴承和右双高速球轴承分别设置有左轴承座和右轴承座，所述左轴承座和右轴承座均设置有水冷却系统。

6.根据权利要求4所述的一种车用燃料电池用两级增压直驱离心式空压机，其特征在于：所述主轴由前轴芯和后轴芯组成。

7.根据权利要求4所述的一种车用燃料电池用两级增压直驱离心式空压机，其特征在于：所述左双高速球轴承和右双高速球轴承可选择性的设置为其一固定，另一为浮动式。

8.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池用两级增压直驱离心式空压机，其特征在于：所述第一级增压出口与第二级增压进口通过两级增压连接喉管连通，两级增压连接喉管的管径为逐渐增大的流线型渐变结构。

9.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池用两级增压直驱离心式空压机，其特征在于：所述永磁同步电机设置有电机水冷套外壳，所述电机水冷套外壳内设置有电机水冷套壳体，所述水冷套壳体内部设置有电机水冷套冷却流道。