CN108591084B - 一种燃料电池用高速直连离心鼓风机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池用高速直连离心鼓风机，电机壳体周侧均布有齿形散热片，两端面分别安装有右轴承端盖和左轴承端盖；电机壳体周侧开有轴向水道、进气孔和排气孔，轴向水道沿轴向设置，进气孔和排气孔沿径向设置，轴向水道与右轴承端盖、左轴承端盖的连接面均安装有密封圈；右轴承端盖和左轴承端盖之间贯穿安装有转子，左轴承端盖表面开有风冷孔道；转子一侧固定有风冷叶轮并安装有固定机构，定子安装于电机壳体内；本发明公开的离心鼓风机使用纯净空气提供清洁能源，具有非凡的系统效率、优良的压缩比、紧凑轻量化设计的独到优势，同时离心鼓风机纯净空气，无油工作，噪音低，无磨损，免维护，超长使用寿命。

Description

一种燃料电池用高速直连离心鼓风机
技术领域
本发明属于离心鼓风机技术领域，具体是涉及一种燃料电池用高速直连离心鼓风机。
背景技术
燃料电池专用鼓风机的作用很简单，为电堆提供一定温度、一定压力和一定流量的压缩空气。但是燃料电池有一个特殊要求，就是要实现空气中无油，传统鼓风机和压缩机受其结构限制是很难实现这一要求的。
由于燃料电池反应堆只是消耗压缩空气中的部分氧气，因此在空气中80％的氮气以及剩余的氧气和各种惰性气体作为尾气排出，这些气体在排出反应堆时仍然具有相当的压力和热量，通常为输入时的70-80％，将这部分气体所包含的热能、动能和压力有效利用起来，可以节省能源，提高燃料电池发动机的效率。
目前用于能量回收的装置主要有两类，机械增压器和涡轮增压器，其作用是将废气中包含的能量以机械能的形式释放出来。涡轮式增压器作为一种空气压缩机，利用排出的废气压力及惯性冲击力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮带动同轴的叶轮，叶轮压送由管道送来的空气，使之增压后输送到燃料电池。作为高速永磁电机的辅助动力，能明显提高燃料电池发动机的总效率。
CN201720190654公开了一种径向箔片动压空气轴承，只是把普通的箔片式动压空气轴承箔片分成了三段，实际使用过程中，因为轴承顶箔和转子之间具有很大的间隙，转子因为重力和电磁拉力的作用，轴心偏心始终在下部位置，因此转子与轴承上部始终保持大间隙配合，而动压空气轴承产生有效厚度的承载气膜需要一定的动压效应，过大的径向间隙不能形成承载，因此该结构与普通箔片式动压空气轴承无异。
CN201710244569公开了一种燃料电池车排气系统能量回收结构，利用燃料电池排气系统排出的高压气体驱动另外一套涡轮直连发电机进行发电的方法来达到回收排气能量的目的，或涡轮增压器和发电机之间通过增速箱增速。因为增加了涡轮装置和增速箱以及发电机，该装置结构复杂，整体重量和投资巨大，现有的结构不能避免产生润滑油污染，不适合在车用燃料电池上采用。
CN201480004028公开了一种用于燃料电池车辆的鼓风机，该鼓风机采用的是滚动轴承支撑，选用了比转速为28-41的气动设计方案，在风机设计原则中，比转速大于18时为轴流风机，而轴流风机的特点是大流量、低压力输出，与其高压力低流量的设计参数相悖。
CN201010580586公开了一种用于燃料电池车辆的鼓风机，其中公开了一种电机冷却结构，水冷管路采用铸造的方法，水冷管与电机壳体为一体结构，工艺实现较为困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池用高速直连离心鼓风机，压缩机提供纯净空气，具有非凡的系统效率、优良的压缩比、紧凑轻量化设计的独到优势。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种燃料电池用高速直连离心鼓风机，包括电机壳体、固定机构、定子、转子、右轴承端盖、左轴承端盖、进气孔、密封圈、风冷叶轮、轴向水道、排气孔、齿形散热片、风冷孔道；
所述电机壳体两端面分别安装有右轴承端盖和左轴承端盖；
所述电机壳体周侧开有轴向水道、进气孔和排气孔；
所述右轴承端盖和左轴承端盖之间贯穿安装有转子；
所述转子一侧固定有风冷叶轮并安装有固定机构，所述定子安装于电机壳体内，所述固定机构安装于风冷叶轮一侧。
进一步地，所述电机壳体周侧均布有齿形散热片，所述左轴承端盖表面开有风冷孔道。
进一步地，所述轴向水道沿轴向设置，所述进气孔和排气孔沿径向设置，所述轴向水道与右轴承端盖、左轴承端盖的连接面均安装有密封圈。
进一步地，所述固定机构包括壳体、底板、挡板、第一齿轮、第二齿轮、螺纹轴、滑块、转动轴；
所述壳体表面开有方形槽和第二圆形通孔；
所述第一齿轮安装于第二圆形通孔内，所述第二齿轮安装于方形槽内，所述第一齿轮和第二齿轮啮合，所述第一齿轮底面开有转动通孔；
所述第二齿轮底面固定有螺纹轴，所述滑块安装于壳体表面；
所述底板一表面固定有转动轴；
所述挡板表面沿圆周方向均布有四个螺纹孔，所述螺纹孔与螺纹轴配合。
进一步地，所述方形槽位于相邻两个滑块安装座之间。
进一步地，所述方形槽底面开有第一圆形通孔，所述螺纹轴穿过第一圆形通孔。
进一步地，所述壳体端面沿圆周方向均布有滑块安装座。
进一步地，所述转动通孔周侧沿圆周方向均布有五个螺旋状凹槽，所述转动轴周侧沿圆周方向均布有五个螺旋状突起，所述转动轴与转动通孔配合。
进一步地，所述滑块底面车有蜗形槽，所述第一齿轮表面固定有蜗形突起，所述滑块与第一齿轮啮合，所述滑块一端开有扇形槽。
进一步地，所述挡板与底板通过弹簧连接。
本发明的有益效果：
本发明公开了一种燃料电池用高速直连离心鼓风机，离心鼓风机提供纯净空气，具有非凡的系统效率、优良的压缩比、紧凑轻量化设计的独到优势，同时离心鼓风机提供的纯净空气不含任何润滑油，具有噪音低、无磨损、免维护，寿命长等优点，其中
1、新型弹性箔片动压空气轴承具有良好的稳定性、运转性能和启停性能。轴承-转子系统运转平稳，轴心轨迹清晰，无明显变化，振幅小，轴向振动波形具有很好的周期性，在转子轴向振动的频谱分量中，主要是一倍频、二倍频，其中占主要地位的是与电机电磁频率相对应的二倍频分量，它无明显的低频涡动分量；
2、弹性箔片动压空气轴承具有良好的稳定性、耐振动冲击、对转子的不同心度不敏感、不需要外部气源、不需要油润滑和密封、结构简单、加工制造容易的优点；
3、主动式风冷机构可以实现对电机转子的降温，传统水冷降温方式基本为定子降温，对转子效果甚微，这就导致了转子的温度偏高，电机效率下降，而该结构从根本上缓解了转子温度偏高这一现象，遏制了电机效率的下降。
4、本发明采用的箔片式动压空气轴承的优势在于可以在超高速下稳定运行，并且为半永久寿命，比转速选择在4.5-6之间，采用高效率的后弯式叶轮设计，实现更宽的喘震裕度和更高的气动效率及整机效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
图1是本发明剖视图。
图2是本发明拉杆转子结构示意图。
图3是本发明固定机构结构示意图。
图4是本发明壳体结构示意图。
图5是本发明固定机构局部示意图。
具体实施方式
一种燃料电池用高速直连离心鼓风机，包括超高速永磁电机、弹性箔片动压空气轴承、反动式涡轮增压器、主动式风冷结构，其中，超高速永磁电机的转速范围为120000-150000rpm，可以有效提高启动效率和风量调节范围，确保在极端工况为燃料电池提供足够而稳定的气源；
较优的，所述超高速永磁电机功率范围涵盖5-15Kw，鼓风机压比2-2.5，流量范围50-120g/s，同时降低了风机的整机重量，30kW燃料电池堆用5kW鼓风机能提供80kpa、140m3/h气量的前提下，整机重量不超过5Kg，高速永磁电机具有高转速、高功率密度、结构简单、体积小以及运行可靠等优点，对提高整机系统可靠性和节能具有显著的效果；
较优的，超高速永磁电机中采用拉杆式永磁转子结构，转子主体由高能密度稀土永磁体、高强度钛合金护套或碳纤维结构、左右轴头和拉杆以及锁紧螺母组成，高能密度稀土永磁体和高强度钛合金护套或碳纤维结构为过盈配合，提高整体刚性；
转子和轴头为小间隙配合，转子和拉杆为螺纹连接，推力盘和叶轮安装于轴头上，推力盘和叶轮为小间隙配合，锁紧螺母通过大预紧力将叶轮、推力盘、轴头等转子附件形成一个整体；
拉杆转子结构具有重量轻、强度高、刚度大、拆装便捷、维修方便的特点，如图2所示；
所述弹性箔片动压空气轴承为动压气体轴承结构，其轴承顶箔表面是刚性的，底层弹性箔片元件为柔性的，所述弹性箔片动压空气轴承包括顶层瓦块和底层弹性箔片元件；
其中，所述顶层瓦块截面为扇形，并带有预楔角，顶层瓦块表面涂覆有固体润滑薄膜，可提供充分的润滑，减少启停时的摩擦力、磨耗和消除磨擦损伤；
底层弹性箔片元件具有良好的弹性、阻尼和耐高温性能，当转子运转时，在轴承和止推盘之间形成楔形空间，气体因其自身的黏性作用而被带动，并通过楔形空间被压缩，从而产生动压效应支承载荷；
弹性箔片动压空气轴承顶层还安装有开口套，较优的，所述开口套厚度为2㎜，采用厚度2㎜以上的开口套作为顶层，既改善顶层箔片的刚度，避免了因为箔片太薄造成的受载变形造成的端部泄露问题，比U型杆调整结构相比，简化了结构，同时这种厚壁开口套经过了热处理，弹性很好，相当于一根弹簧杆，在受到载荷的时候，开口度增大，开口套背面与底层弹性箔片接触面积增加，阻尼性能得到改善，有利于消除振动，轴系更加稳定；
较优的，顶层箔片的厚度小于0.2mm时会在气体动压的作用下发生变形，引起顶层箔片的形状改变，并在轴承宽度方向上出现侧漏，降低轴承的承载能力；
底层弹性箔片元件底面安装有弹性支撑不锈钢，较优的，所述弹性支撑不锈钢为0.05-0.2㎜，提高了弹性底层箔片的阻尼特性，有效地抑制了转子振动和限制涡动振幅，转子稳定性明显提高；
箔片动压空气轴承通过键式安装方式安装于轴承座内，顶层开口套与轴承套采用大间隙配合，有利于气膜的形成并有效降低起飞转速，增加偏心率，提高承载性能；
所述反动式涡轮增压器将燃料电池排气系统排出的高压高温空气，利用透平涡轮膨胀做功，直接转化成动能，作为电机驱动的辅助动力，直接减小驱动电机的功耗，达到能量回收和节能的目的，能量回收更加直接，整体结构更加紧凑；
所述主动式风冷机构包括电机壳体1、固定机构2、定子3、转子4、右轴承端盖5、左轴承端盖6、进气孔7、密封圈8、风冷叶轮9、轴向水道10、排气孔11、齿形散热片12、风冷孔道13，如图1所示；
所述电机壳体1为圆柱形壳体，电机壳体1周侧均布有齿形散热片12，电机壳体1两端面分别安装有右轴承端盖5和左轴承端盖6；
较优的，齿型散热片12在车辆行驶过程可形成自然风冷却电机壳体，带走部分热量，起到了辅助冷却的作用；
电机壳体1周侧开有轴向水道10、进气孔7和排气孔11，其中，所述轴向水道10沿轴向设置，所述进气孔7和排气孔11沿径向设置，所述轴向水道10与右轴承端盖5、左轴承端盖6的连接面均安装有密封圈8；
较优的，电机壳体1内部轴向水道10为铝型材拉拔工艺加工而成，轴向水道10两端通过轴承座端盖加密封圈形成蛇形回路，可大大提升电机壳体内的冷却水容量，降温效果略优于传统结构上的周向水道，同时具有壳体强度大、加工效率高、废品率低的特点；
所述右轴承端盖5和左轴承端盖6之间贯穿安装有转子4，左轴承端盖6表面开有风冷孔道13；
较优的进气孔7和排气孔11位于转子4两侧；
所述转子4一侧固定有风冷叶轮9并安装有固定机构2，所述定子3安装于电机壳体1内；
较优的，所述风冷叶轮9为二元离心叶轮，通过低压比、大流量的设计理念来降低排气温度，风冷叶轮9通过电机壳体1左侧的进气孔7吸入外部冷空气，做功后经过左轴承端盖6表面的风冷孔道13、定子3与转子4的间隙到达右轴承端盖5，通过电机壳体1右侧的排气孔11排到外界，实现电机壳体1内部风冷降温的一个循环；
所述固定机构2包括壳体21、底板22、挡板23、第一齿轮24、第二齿轮25、螺纹轴26、滑块27、转动轴28，如图3、5所示；
所述壳体21为圆柱形壳体，壳体21端面沿圆周方向均布有滑块安装座211，相邻两个滑块安装座211之间开有方形槽212，所述方形槽212底面开有第一圆形通孔，壳体21圆心处开有第二圆形通孔213，如图4所示；
所述第一齿轮24安装于第二圆形通孔213内，第二齿轮25安装于方形槽212内，第一齿轮24和第二齿轮25啮合，所述第一齿轮24底面开有转动通孔，所述转动通孔周侧沿圆周方向均布有五个螺旋状凹槽，第一齿轮24表面固定有蜗形突起；
所述第二齿轮25底面固定有螺纹轴26，所述螺纹轴26穿过第一圆形通孔；
所述滑块27安装于滑块安装座211内，滑块27底面车有蜗形槽，滑块27与第一齿轮24啮合，滑块27为方形，一端开有扇形槽；
所述底板22一表面开有固定槽221，所述固定槽221用于固定风冷叶轮9，另一表面固定有转动轴28，所述转动轴28周侧沿圆周方向均布有五个螺旋状突起，转动轴28与转动通孔配合；
所述挡板23与底板22通过弹簧连接，挡板23表面沿圆周方向均布有四个螺纹孔，所述螺纹孔与螺纹轴26配合。
本发明的一个具体实施方式如下：
挡板23向底板22方向压动，转动轴28带动第一齿轮24转动，第一齿轮24和第二齿轮25啮合，带动螺纹轴26转动，底板22向挡板23反方向移动，同时第一齿轮24转动，滑块27向中心移动。
以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所述本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种燃料电池用高速直连离心鼓风机，其特征在于，包括电机壳体(1)、固定机构(2)、定子(3)、转子(4)、右轴承端盖(5)、左轴承端盖(6)、进气孔(7)、密封圈(8)、风冷叶轮(9)、轴向水道(10)、排气孔(11)、齿形散热片(12)、风冷孔道(13)；
所述电机壳体(1)两端面分别安装有右轴承端盖(5)和左轴承端盖(6)；
所述电机壳体(1)周侧开有轴向水道(10)、进气孔(7)和排气孔(11)；
所述右轴承端盖(5)和左轴承端盖(6)之间贯穿安装有转子(4)；
所述转子(4)一侧固定有风冷叶轮(9)并安装有固定机构(2)，所述定子(3)安装于电机壳体(1)内，所述固定机构(2)安装于风冷叶轮(9)一侧；
所述固定机构(2)包括壳体(21)、底板(22)、挡板(23)、第一齿轮(24)、第二齿轮(25)、螺纹轴(26)、滑块(27)、转动轴(28)；
所述壳体(21)表面开有方形槽(212)和第二圆形通孔(213)；
所述第一齿轮(24)安装于第二圆形通孔(213)内，所述第二齿轮(25)安装于方形槽(212)内，所述第一齿轮(24)和第二齿轮(25)啮合，所述第一齿轮(24)底面开有转动通孔；
所述第二齿轮(25)底面固定有螺纹轴(26)，所述滑块(27)安装于壳体(21)表面；
所述底板(22)一表面固定有转动轴(28)；
所述挡板(23)表面沿圆周方向均布有四个螺纹孔，所述螺纹孔与螺纹轴(26)配合。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池用高速直连离心鼓风机，其特征在于：所述电机壳体(1)周侧均布有齿形散热片(12)，所述左轴承端盖(6)表面开有风冷孔道(13)。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池用高速直连离心鼓风机，其特征在于：所述轴向水道(10)沿轴向设置，所述进气孔(7)和排气孔(11)沿径向设置，所述轴向水道(10)与右轴承端盖(5)、左轴承端盖(6)的连接面均安装有密封圈(8)。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池用高速直连离心鼓风机，其特征在于：所述方形槽(212)位于相邻两个滑块安装座(211)之间，方形槽(212)底面开有第一圆形通孔，螺纹轴(26)穿过第一圆形通孔。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池用高速直连离心鼓风机，其特征在于：所述壳体(21)端面沿圆周方向均布有滑块安装座(211)，所述挡板(23)与底板(22)通过弹簧连接。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池用高速直连离心鼓风机，其特征在于：所述转动通孔周侧沿圆周方向均布有五个螺旋状凹槽，所述转动轴(28)周侧沿圆周方向均布有五个螺旋状突起，所述转动轴(28)与转动通孔配合。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池用高速直连离心鼓风机，其特征在于：所述滑块(27)底面车有蜗形槽，所述第一齿轮(24)表面固定有蜗形突起，所述滑块(27)与第一齿轮(24)啮合，所述滑块(27)一端开有扇形槽。
8.一种根据权利要求1所述的燃料电池用高速直连离心鼓风机，其特征在于，包括如下步骤：所述挡板(23)向底板(22)方向压动后，所述转动轴(28)带动第一齿轮(24)转动，所述第一齿轮(24)和第二齿轮(25)啮合，带动螺纹轴(26)转动，所述底板(22)向挡板(23)反方向移动，同时第一齿轮(24)转动，所述滑块(27)向中心移动。
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