CN111379711A - 电动压缩机 - Google Patents

Abstract

提供一种使具有至少一对叶轮的旋转轴的离心方向上的回转振动最小化的电动压缩机。电动压缩机包括：旋转轴；成对的叶轮，安装到旋转轴；电动马达，布置在成对的叶轮的各个叶轮之间并且构造为使旋转轴旋转；主轴承，主轴承中的一个布置在成对的叶轮中的一个叶轮和电动马达之间，并且主轴承的另一个布置在成对叶轮中的另一个叶轮和电动马达之间，主轴承构造为可旋转地支撑旋转轴；以及辅助轴承，其相对于主轴承布置在旋转轴的端侧上，处于辅助轴承相对于旋转轴的周向表面具有间隙的状态，并且所述辅助轴承构造为在旋转振动发生在旋转轴中时与旋转轴接触并且旋转地支撑旋转轴。

Description

电动压缩机

技术领域

本发明涉及一种电动压缩机。

背景技术

常规地，离心式电动压缩机被称为增压器，所述增压器有效地供给压缩的空气，所述压缩的空气是通过电动马达经由旋转轴使叶轮旋转进行压缩的。电动压缩机具有旋转轴、安装到旋转轴一端的叶轮、使旋转轴旋转的电动马达以及可旋转地支撑旋转轴的轴承。在电动压缩机中，电动马达设置在壳体中(例如，参考日本专利申请公开2011-214523号)。

尽管能够通过在旋转轴上提供成对的叶轮实现供给空气的高压力和高流速，但这使旋转轴的总长度变长。由于旋转轴变长，在电动压缩机的操作期间，相对于旋转轴的轴承，旋转轴的端侧可能在旋转轴的离心方向上发生回转振动。为了阻止由于旋转轴在离心方向上的回转振动引起的叶轮与电动压缩机的壳体接触，需要实施诸如增大旋转轴的直径的对策，并且存在对减小设备尺寸和减少设备成本的改进空间。

本公开涉及提供一种电动压缩机，所述压缩机使具有至少一对叶轮的旋转轴在离心方向上的回转振动最小化。

发明内容

根据本公开的一方面，根据本公开的一种电动压缩机包括：旋转轴；成对的叶轮，所述成对的叶轮安装到旋转轴；电动马达，布置在成对的叶轮的各个叶轮之间并且构造为使旋转轴旋转；主轴承，主轴承中的一个布置在成对的叶轮中的一个叶轮和电动马达之间，并且主轴承的另一个布置在成对叶轮中的另一个叶轮和电动马达之间，主轴承构造为可旋转地支撑旋转轴；以及辅助轴承，相对于主轴承布置在旋转轴的端侧上，处于与旋转轴的周向表面具有间隙的状态，并且辅助轴承构造为在旋转轴中发生回转振动时与旋转轴接触并且可旋转地支撑旋转轴。根据该方面，在电动压缩机的操作期间，在具有至少一对叶轮的旋转轴达到其固有振动范围的情况下，能够有效地抑制旋转轴在相对于主轴承的旋转轴的端侧的回转振动。此外，在超出旋转轴的固有振动的范围的情况下，辅助轴承能够减少对旋转轴的旋转的影响。

此外，前述辅助轴承可以相对于前述成对的叶轮布置在前述旋转轴的端侧上。根据该方面，在电动压缩机的操作期间，在具有至少一对叶轮的旋转轴达到其固有振动范围的情况下，能够有效地抑制旋转轴在相对于叶轮的旋转轴的端侧的回转振动。由于以上原因，能够阻止叶轮与电动压缩机的任何其他构成部件的接触，能够抑制旋转轴的直径，并且减少设备的尺寸以及实现成本的缩减。

此外，可以设置两对或更多对叶轮，将其布置在前述旋转轴的两端处，使得彼此间隔开。根据该方面，由于设置两对或更多对叶轮，能够在实现更高的空气压缩和更高的流速的同时，抑制旋转轴的回转振动，即使在旋转轴处的惯量增加并且离心方向上的回转振动变得显著的时候。

此外，前述辅助轴承可以设置在两对或更多对叶轮中的任何两个相邻成对的叶轮之间。根据该方面，能够抑制旋转轴的回转振动引起的所述两对叶轮中的设置在旋转轴的端侧上的成对的叶轮的震荡。

此外，前述辅助轴承可以是干轴承。根据该方面，因为不需要设置润滑油，能够实现提高电动压缩机的使用寿命并且能够消除与维护润滑相关联的复杂任务，此外能够阻止油组分从辅助轴承扩散到电动压缩机中。

此外，根据本公开的电动压缩机可以是将空气供给到安装到汽车上的燃料电池堆的空气压缩机。近年来，已经根据二氧化碳排放法规和燃料法规开发了燃料电池驱动的汽车。在燃料电池驱动的汽车中，电动压缩机用于吸入含氧的空气，将其压缩并为燃料电池堆增压。在这种电动压缩机中，可以发现一种空气压缩机，其中成对的叶轮同轴地布置在电动马达的旋转轴的两端。根据该方面，能够稳定地执行向燃料电池堆的压缩氧气的供给，并且能够避免对电动压缩机的破损以及汽车行驶的与电动压缩机的破坏相关联的误停车。

(发明效果)

根据本公开，能够使具有至少一对叶轮的旋转轴的在离心方向上的回转振动最小化。

附图说明

图1是沿旋转轴的线截取的根据本发明的电动压缩机的剖面图；以及

图2是示出根据本公开的电动压缩机的旋转轴线的一个端侧的放大视角的放大图。

具体实施方式

将参考附图描述本公开的优选实施例。

根据本公开的电动压缩机用作空气压缩机，所述空气压缩机是安装在燃料电池驱动的汽车上的燃料电池堆的辅助设备。空气压缩机将用作氧化剂的空气供给至燃料电池堆(增压目标)。图1是沿旋转轴线x截取的根据本公开的电动压缩机1的剖面图。图2是示出电动压缩机1的旋转轴40的一个端侧的放大视角的放大图。

根据本公开的电动压缩机1包括两组成对的叶轮10：20、电动马达(电动马达)30，旋转轴40，成对的主轴承50，以及成对的辅助轴承60。两组成对的叶轮10:20安装到旋转轴40，使得它们相对彼此不旋转。电动马达30布置在成对的叶轮10:20之间。电动马达30构造为使旋转轴40旋转。主轴承50分别布置在成对的叶轮10:20的各个叶轮和电动马达30之间。主轴承50构造为旋转地支撑旋转轴40。辅助轴承60相对于主轴承50布置在旋转轴40的端侧上，所述辅助轴承处于与旋转轴40的圆周表面间隔开的状态。辅助轴承60构造为在旋转轴40中发生回转振动时与旋转轴40接触，以旋转地支撑旋转轴40。在下文中，将具体描述电动压缩机1。

根据本公开的电动压缩机1是具有两级式叶轮结构的离心式压缩机，在旋转轴40的两端具有两对叶轮10:20。电动压缩机1的叶轮10、20，电动马达30，旋转轴40，主轴承50和辅助轴承60容纳在壳体中。壳体具有成对的压缩机壳体110和马达壳体130。

成对的压缩机壳体110分别沿电动马达30的旋转轴线x设置在马达壳体130的两端。马达壳体130位于成对的压缩机壳体110之间，并且形成为大致圆柱形。马达壳体130具有马达室131。在压缩机壳体110和马达壳体130之间，分别设置有盘状的端板150。压缩机壳体110和马达壳体130通过多个螺栓B经由端板150彼此耦接。

成对的压缩机壳体110分别具有进气口111、第一腔室112和第二腔室113。第一腔室112相对于第二腔室113设置在进气口111侧。进气口111设置在压缩机壳体110的端面处，其中所述端面是沿旋转轴线x向外定向的端面。进气口111是用于将空气从外部引入电动压缩机1的入口。进气口111形成为沿旋转轴线x从压缩机壳体110突出的圆柱部。

第一腔室112具有供给流道114和贯穿凹部115。供给流道114将由叶轮10加压的空气压缩至所需压力，并将其引导至第二腔室113。供给流道114形成在叶轮10的外周侧。贯穿凹部115与旋转轴线x同轴地形成。贯穿凹部115形成从端板150面向进气口111的一侧凹向电动马达30的一侧。旋转轴40插入贯穿凹部115。贯穿凹部115在面向电动马达30的一侧的开口构造为比贯穿凹部115在面向进气口111的一侧中的开口小。辅助轴承60容纳在贯穿凹部115中并且支撑在电动马达30的侧面上。

第二腔室113具有环形扩散器部分116和涡旋部分117。扩散器部分116和涡旋部分117绕旋转轴线x设置在压缩机壳体110中的第二腔室113附近。扩散器部分116是从叶轮20的外周部分延伸并且到达涡旋部分117的流路。扩散器部分116构造为无叶片型扩散器，形成有与旋转轴40的旋转轴线x相交的两个平行壁表面。

每个压缩机壳体110在与旋转轴线x相交的平面中连接到出口管118。各个出口管118在供给至增压目标的压缩的空气的流动方向的下游侧合并，并分别与排出口119连通。

端板150具有贯穿凹部151。贯穿凹部151与旋转轴线x同轴地形成。贯穿凹部151形成为从端板150面向进气口111的一侧朝着电动马达30的一侧凹陷。旋转轴40插入贯穿凹部151。贯穿凹部151的面向电动马达30的开口比贯穿凹部151的面向进气口111的一侧的开口小。主轴承50容纳在贯穿凹部151中并且支撑在电动马达30的一侧。

叶轮10设置在压缩机壳体110的第一腔室112中。叶轮10对称地安装到旋转轴40，使得叶轮彼此相反地定向。叶轮20设置在压缩机壳体110的第二腔室113中。叶轮20对称地安装到旋转轴40上，使得叶轮彼此相反地定向。叶轮10:20压缩从外部吸入的空气。

成对的叶轮10是第一叶轮(第一级空气压缩机)，其将从外部吸入的空气压缩至约所需压力的一半。成对的叶轮20是第二叶轮(第二级空气压缩机)，其将已经由第一叶轮10压缩的空气压缩至所需压力。第二叶轮20相对于第一叶轮10位于空气流入方向的下游侧。

第一叶轮10分别位于旋转轴40的两端。第一叶轮10延伸到达进气口111的圆柱部。第一叶轮10具有多个叶片。叶片将经由吸入口111沿旋转轴线x吸入的空气压缩至约所需压力的一半并且将其向径向方向上的外周侧供给。叶片以螺旋形扭转。因为旋转主的形状由叶片的外部边缘限定，所以第一叶轮10限定大体的截头圆锥形状。

第二叶轮20相对于第一叶轮10位于电动马达30的一侧的旋转轴40中。第二叶轮20容纳在第二腔室113内。第二叶轮20具有多个叶片。叶片进一步压缩由第一叶轮10压缩并供给的空气并将其供给增压对象。叶片以螺旋形扭转。因为旋转主体的形状由叶片的外部边缘限定，所以第二叶轮20限定大体的截头圆锥形状。

电动马达30设置在马达壳体130的马达室131中。电动马达30使旋转轴40旋转以使旋转轴40上安装的第一叶轮10和第二叶轮20高速旋转。电动马达30具有定子31和永磁体32。定子31设置为使得其以与马达壳体130的内周装配配合的方式放置。定子31具有定子线圈(未示出)。永磁体32是安装在旋转轴40的外周表面上的转子。永磁体32的外周表面和定子31的内周表面31以两者之间的微小的间隙(气隙)彼此面对。

旋转轴40将第一叶轮10、第二叶轮20和电动马达30彼此耦接。旋转轴40分别经由主轴承50由成对的端板150旋转地支撑。旋转轴40从中央部分到两端逐渐变细。外螺纹(未示出)形成在旋转轴40的两端。由于螺母N紧固到外螺纹，因此第一叶轮10不从旋转轴40脱落。

旋转轴40具有成对的轴承台阶部分41和成对的叶轮台阶部分42。轴承台阶部分41相对于叶轮台阶部分42位于电动马达30的一侧。轴承台阶部分41是比离开轴承台阶部分41的旋转轴40的端侧上的直径稍微大的部分。轴承台阶部分41从电动马达30的一侧支撑主轴承50。叶轮台阶部分42是比离开叶轮台阶部分42的旋转轴40的端侧上的直径稍微大的部分。叶轮台阶部分42从电动马达30的一侧支撑第二叶轮20。

主轴承50形成为滚珠轴承并且可以由轴承钢或马氏体不锈钢形成。主轴承50具有外环51、内环52和多个滚动元件53。旋转轴40插入内环52。内环52的中心线与旋转轴40的旋转轴线x一致。旋转轴40设置为与内环52的内周表面可旋转地接触。凹面轨道表面形成在内环52的外周表面中。滚动元件53具有球形。滚动元件53与外环51和内环52的轨道表面接触。主轴承50以外环51与端板150的贯穿凹部151的内周表面装配配合。贯穿凹部151由覆盖构件170封闭。

覆盖构件170具有圆柱部分171和凸缘部分172。圆柱部分171插入端板150的贯穿凹部151，与旋转轴40形成有间隙。关于圆柱部分171，其外周表面与贯穿凹部151的内周表面接触。迷宫式密封件173设置在圆柱部分171和旋转轴40之间。迷宫式密封件173设置在主轴承50附近的一侧。迷宫式密封件173阻止主轴承50的润滑油向第一叶轮10和第二叶轮20侧移动。凸缘部分172设置在圆柱部分171的与主轴承50相反的一端。凸缘部分172以环形方式从圆柱部分171沿径向方向向外延伸。覆盖构件170在凸缘部分172处夹在端板150和压缩机壳体110之间。

为了将具有更高压力的压缩空气供给至增压对象，电动压缩机1具有两对叶轮10:20。在电动压缩机1中，与仅存在单级的情况相比，由于到达各个成对的叶轮10:20的流体数量能够减半，因此能够实现叶轮10:20的尺寸(直径)的减小。由此，叶轮10:20的转动惯量能够减小，并且在电动压缩机1中能够获得出色的响应能力。

然而，旋转轴40响应于叶轮10:20的级的增加而需要加长。当延伸旋转轴40的总长度时，在电动压缩机1操作期间以预定旋转速度或在旋转速度的预定范围内操作时，旋转轴40可能引起严重的横向振动。该现象是旋转轴40的回转振动，其中，旋转轴40在离心方向上的震荡变得显著。

已经发现，在电动压缩机1的操作期间，旋转轴40的固有振动范围处于低旋转范围内。由于电动压缩机1在通常情况下在高旋转范围中使用，因此旋转轴40在低旋转范围中使用的时间段非常短。然而，电动压缩机1在电动压缩机1的开始和停止时间应该总是经历低旋转范围。

旋转轴40总是由第二叶轮20和电动马达30之间的主轴承50旋转支撑。因此，即使在达到旋转轴40的固有振动范围的情况下，也能够抑制旋转轴40在第二叶轮20和电动马达30之间的回转振动。

相反，第一叶轮10相对于第二叶轮20设置在旋转轴40的端侧上。由于旋转轴40相对于主轴承50的端侧是自由端，特别地，当电动压缩机1经历低旋转范围时，第一叶轮10经历大的回转振动。可以考虑通过增大旋转轴40的直径以增强其刚性来抑制旋转轴40的回转振动(改变固有振动范围)。然而，响应于旋转轴40的直径的增加，也将增加旋转轴40的转动惯量。在可能的情况下，轴承相对于两对叶轮10:20布置在旋转轴40的端侧，则用于支撑轴承的构件需要布置在进气口111处。然而，将空气引入到第一叶轮10中可能受到这个构件的影响。鉴于此，通过本公开的发明人的深入研究，已经发现，在抑制旋转轴40的回转振动方面，在第一叶轮10和第二叶轮20之间的旋转轴40上提供辅助轴承60是重要的。根据该方面，使得能够在抑制对将空气引入到叶轮中的影响时，合适地布置辅助轴承60。

辅助轴承60构造为保护轴承。旋转轴40插入辅助轴承60。辅助轴承60的中心线与旋转轴线x一致。辅助轴承60具有外环61、内环62和多个滚动元件63。

外环61压配到压缩机壳体110的贯穿凹部115的内周表面中。凹面轨道表面形成在外环61的内周表面中。

旋转轴40插入内环62。内环62的中心线与旋转轴40的旋转轴线x一致。在电动压缩机1的正常操作期间(其中旋转轴40中不发生回转振动)，在内环62的内周表面和旋转轴40的外周表面之间产生径向方向上的间隙。内环62和旋转轴40的外周表面之间的间隙为20μm至50μm。凹面轨道表面形成在内环62的外周表面中。

滚动元件63具有球形。滚动元件63与外环61和内环62的轨道表面接触。

根据前述电动压缩机1，在在操作期间已经达到旋转轴40的固有振动范围并且在第一叶轮10的一侧的旋转轴40中发生回转振动(见图2，由虚线表示)的情况下，旋转轴40构造为与辅助轴承60的内环62接触。由此，旋转轴40通过辅助轴承60可旋转地支撑，并且由此抑制回转振动。由于抑制了回转振动，压缩氧气(压缩空气)能够稳定供给至燃料电池堆。

此外，在已经超过旋转轴40的固有振动范围之后，辅助轴承60设置为与旋转轴40形成间隙。辅助轴承60和旋转轴40之间的接触的时间段被限制在电动压缩机1的操作时间段内，并且在正常操作期间，旋转轴40和副主轴承60彼此不接触。因此，辅助轴承60构造为不需要润滑油的干轴承。因此，不发生辅助轴承60泄漏出油成分，也不需要担心油成分可能进入燃料电池堆，这是在使用润滑剂封闭型的常规轴承时常见的情况。

<其它>

尽管以上已经描述了本公开的优选实施例，但是本公开不限于上述实施例，并且涵盖了可以包括在本公开的概念以及权利要求的范围中的所有方面。而且，可以适当地选择性地组合各个特征，以实现前面已经讨论的技术方面和/或效果的至少一部分。另外，例如，可以根据本公开的特定使用模式来适当地修改上述实施例中的每个构成特征的形状、材料、布置、尺寸等。

在上述实施例中，电动压缩机1是具有两级式叶轮结构的离心式压缩机，但是双叶轮的结构不仅限于此，他们可以具有单级构造或三级或四级的任何构造。

此外，在上述实施例中，电动压缩机1具有双叶轮结构，但动压缩机还可以具有仅在旋转轴40的一端包括叶轮的结构。在这种情况下，叶轮可以设置为单级或多级。

附图标记

1 电动压缩机

10 第一叶轮(叶轮)

20 第二叶轮(叶轮)

30 电动马达(电马达)

40 旋转轴线

50 主轴承

60 辅助轴承

Claims (6)

1.一种电动压缩机包括：

旋转轴；

成对的叶轮，其安装到所述旋转轴；

电动马达，其布置在所述成对的叶轮的各个叶轮之间并且构造为使所述旋转轴旋转；

主轴承，所述主轴承中的一个布置在所述成对的叶轮中的一个叶轮与所述电动马达之间，并且所述主轴承的另一个布置在所述成对的叶轮中的另一个叶轮与所述电动马达之间，所述主轴承构造为能够旋转地支撑所述旋转轴；以及

辅助轴承，其相对于所述主轴承布置在所述旋转轴的端侧上，处于所述辅助轴承与所述旋转轴的周向表面具有间隙的状态，并且构造为在所述旋转轴发生回转振动时与所述旋转轴接触并且能够旋转地支撑所述旋转轴。

2.根据权利要求1所述的电动压缩机，其中，所述辅助轴承相对于所述成对的叶轮布置在所述旋转轴的端侧上。

3.根据权利要求1或2所述的电动压缩机，其中，在所述旋转轴的两端处设置有两对或更多对叶轮，所述两对或更多对叶轮布置为彼此间隔。

4.根据权利要求3所述的电动压缩机，其中，所述辅助轴承设置在所述两对或更多对叶轮中的任何相邻的两对叶轮之间。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电动压缩机，其中，所述辅助轴承是干轴承。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电动压缩机，其中，所述压缩机是将用作氧化剂的空气供给至安装在汽车上的燃料电池堆的空气压缩机。

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