CN112253493A - 一种氢燃料电池用空压机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池用空压机，包括：机壳，其两端开口，机壳包括内壳以及套设于内壳外的外壳；端盖，盖设于机壳的两端；电机主轴，其两端通过轴承转动设于端盖上，且穿出至端盖外侧，电机主轴上设置有磁钢；电机线圈定子，设于内壳的内壁，且围绕电机主轴设置；叶轮，设于电机主轴的两端；蜗壳，盖设于叶轮上；内壳与外壳之间设置有冷却介质槽，外壳上设置有与冷却介质槽连通的冷却介质入口和冷却介质出口，端盖上设置有与冷却介质槽连通的冷却介质通道，以使冷却介质流入端盖中以冷却轴承。本发明在端盖上设置了冷却介质通道，可以冷却端盖与电机主轴之间的轴承，避免因温升造成轴承润滑脂挥发而混入压缩空气中。

Description

一种氢燃料电池用空压机
技术领域
本发明涉及空压机技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池用空压机。
背景技术
随着节能减排、绿色环保政策的出台，市场对高效、清洁能源需求日益增加，氢能具有零二氧化碳排放、无污染、储量充足、可循环再生、易储及易运输等特点，其应用越来越广。氢燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应转换成电能的装置，排出的废弃物只有水和热量，没有碳的排放，因此被认为是目前最有发展前途的一种电池。
空压机在氢燃料电池系统中起着重要的作用，是氢燃料电池的关键零部件。氢燃料电池对空压机输出的空气具有较高的清洁度要求，要求排气无油，以避免油分使电堆“中毒”，目前的空压机的轴承以油轴承为主，轴承在空压机工作过程中会升温，造成轴承润滑脂挥发而混入压缩空气中，缩短了电堆的寿命。虽然使用空气轴承可以解决上述问题，但空气轴承造价高，且技术不成熟。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氢燃料电池用空压机，以解决现有技术中氢燃料电池用空压机的轴承润滑脂挥发混入压缩空气中，导致电堆的寿命变短的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种氢燃料电池用空压机，包括：
机壳，其两端开口，所述机壳包括内壳以及套设于所述内壳外的外壳；
端盖，盖设于所述机壳的两端；
电机主轴，其两端通过轴承转动设于所述端盖上，且穿出至所述端盖外侧，所述电机主轴上设置有磁钢；
电机线圈定子，设于所述内壳的内壁，且围绕所述电机主轴设置；
叶轮，设于所述电机主轴的两端；
蜗壳，盖设于所述叶轮上；
其中，所述内壳与所述外壳之间设置有冷却介质槽，所述外壳上设置有与所述冷却介质槽连通的冷却介质入口和冷却介质出口，所述端盖上设置有与所述冷却介质槽连通的冷却介质通道，以使冷却介质流入所述端盖中以冷却所述轴承。
可选的，所述冷却介质槽设于所述内壳的外周，所述端盖与所述内壳及所述外壳均抵接，以使所述冷却介质通道与所述冷却介质槽直接连通。
可选的，所述内壳的两端设置有挡边，所述挡边上设置有连通通道，所述连通通道用于连通所述冷却介质槽与所述冷却介质通道。
可选的，所述轴承为角接触球轴承。
可选的，所述冷却介质通道沿所述端盖的径向延伸，且其末端延伸至所述轴承处。
可选的，所述电机主轴包括设于所述机壳内的主体部分，以及设于所述机壳外部的连接部，所述连接部用于连接所述叶轮，所述连接部与所述主体部分一体成型。
可选的，所述磁钢的表面设置有碳纤维保护层。
可选的，所述电机线圈定子包括定子铁芯以及设于所述定子铁芯上的线圈绕组，所述定子铁芯上设置有安装槽，所述线圈绕组嵌设于所述安装槽内。
可选的，所述端盖上设置有用于避让所述线圈绕组的避让槽。
可选的，所述轴承与所述端盖之间设置有轴承座。
本发明的有益之处在于：在端盖上设置了冷却介质通道，可以冷却端盖与电机主轴之间的轴承，避免因温升造成轴承润滑脂挥发而混入压缩空气中；电机主轴的两端均设置有叶轮和蜗壳，形成两级压缩，提高了空压机的压升，且能够有效的平衡空压机两侧的轴向推力，提高电机主轴的动力学稳定性，提高整机的可靠性，采用两级增压的方式还使得空压机最大压比可达到3，适用于50-120kW大功率车载氢燃料电池对于压缩空气的需求；将端盖同时作为电机端盖和蜗壳的后端盖，能够有效降低整机轴向长度，有利于提高电机主轴的动力学稳定性。
附图说明
图1是本发明中氢燃料电池用空压机的外部结构示意图；
图2是本发明中氢燃料电池用空压机的剖视结构示意图。
图中：
10、机壳；11、内壳；111、冷却介质槽；112、挡边；113、连通通道；12、外壳；13、电缆；14、低压信号接插件；121、冷却介质入口；122、冷却介质出口；20、端盖；21、冷却介质通道；22、避让槽；30、电机主轴；31、磁钢；32、碳纤维保护层；33、挡板；40、电机线圈定子；41、定子铁芯；42、线圈绕组；50、叶轮；60、蜗壳；61、口部；70、轴承；80、轴承座；90、底座。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明提供了一种氢燃料电池用空压机，图1是本发明中氢燃料电池用空压机的外部结构示意图，图2是本发明中氢燃料电池用空压机的剖视结构示意图，如图1及图2所示，空压机包括机壳10、端盖20、电机主轴30、电机线圈定子40、叶轮50以及蜗壳60。
机壳10的两端开口，如图2所示，机壳10包括内壳11以及套设于内壳11外的外壳12，将机壳10设置为内外壳的结构便于在内外壳之间通冷却水。
端盖20盖设于机壳10的两端以封闭机壳10，形成内部封闭空间来安装电机，端盖20与机壳10固定连接。电机主轴30的两端通过轴承70转动设置在端盖20上，且电机主轴30的两端穿出至端盖20的外侧，这样可以使叶轮50从端盖20的外侧安装在电机主轴30上。电机主轴30上设置有磁钢31，磁钢31与电机线圈定子40形成电机，电机线圈定子40通电后驱动磁钢31旋转，磁钢31带动电机主轴30转动。如图2所示，电机线圈定子40设置在内壳11的内壁，且围绕电机主轴30设置，使得电机线圈定子40与电机主轴30上的磁钢31相对，在电机线圈定子40通电后，能驱动磁钢31和电机主轴30转动。
如图2所示，叶轮50为两个，两个叶轮50分别设置在电机主轴30的两端，形成两级压缩，蜗壳60盖设在叶轮50上且蜗壳60固定连接在端盖20上，蜗壳60能引导气流的流动。如图1所示，蜗壳60上设置有两个口部61，两个口部61分别为进气口和出气口。如图1所示，空气从左右两侧的两个蜗壳60中的一个进入该蜗壳60中，经过一级压缩后，流入另外一个蜗壳60中，进一步压缩后流出。本发明采用两级压缩的结构，形成两级压缩，提高了空压机的压升，且能够有效的平衡空压机两侧的轴向推力，提高电机主轴30的动力学稳定性，提高整机的可靠性，采用两级增压的方式还使得空压机最大压比可达到3，适用于50-120kW大功率车载氢燃料电池对于压缩空气的需求，且整体结构精简。
如图2所示，内壳11与外壳12之间设置有冷却介质槽111，如图1所示，外壳12上设置有冷却介质入口121和冷却介质出口122，请结合图1及图2，冷却介质入口121及冷却介质出口122均与冷却介质槽111连通，冷却介质从冷却介质入口121流入冷却介质槽111中，并从冷却介质出口122流出，冷却介质能对电机进行冷却，以降低电机温度，抑制电机升温，提升整机的运行可靠性和稳定性。如图2所示，端盖20上设置有与冷却介质槽111连通的冷却介质通道21，以使冷却介质流入端盖20中以冷却轴承70，由于轴承70设置在端盖20与电机主轴30之间，将冷却介质通入端盖20中，能较好的对轴承70进行冷却，避免因温升造成轴承润滑脂挥发而混入压缩空气中，延长了电堆的寿命。另外，也无需使用价格较为昂贵的空气轴承来避免轴承润滑脂混入压缩空气中，降低了轴承70的成本，进而降低整机的成本。本发明中，轴承可以采用角接触球轴承，例如高速脂润滑角接触球轴承，高速脂润滑角接触球轴承技术成熟，且价格较空气轴承低，能降低整机成本。冷却介质例如可以采用水，水冷的方式成本较低，也易于实现，且能达到冷却需求。
如图2所示，本发明中，采用电机端盖与空压机蜗壳后端盖一体化设计，也就是说，如图2所示，将端盖20直接作为蜗壳60的后端盖，端盖20既起到封闭机壳10端部的作用，又起到封闭蜗壳60后端的作用，这样能够减小整机的轴向长度，满足空压机小型化和轻量化的要求。端盖20可通过螺栓固定在机壳10上。
在一种实施方式中，如图2所示，冷却介质槽111设置在内壳11的外周，端盖20与内壳11及外壳12均抵接，以使端盖20中的冷却介质通道21与内壳11上的冷却介质槽111直接连通，无需另外在端盖20和内壳11之间设置连接件，简化结构，也使冷却介质的流动路径更简单，使冷却介质直接从冷却介质槽111中流到冷却介质通道21中，提升冷却效果。在一种实施方式中，如图2所示，冷却介质槽111为盘旋在内壳11外周的螺旋形凹槽。
请参考图2，内壳11的两端设置有挡边112，挡边112上设置有连通通道113，连通通道113用于连通冷却介质槽111与冷却介质通道21。在内壳11上设置挡边112和连通通道113使得冷却介质槽111无需延伸到内壳11的末端，这样可以提升内壳11的强度，避免在内壳11上过度开槽导致强度降低的问题。
如图2所示，端盖20上的冷却介质通道21沿端盖20的径向延伸，冷却介质通道21的末端延伸至轴承70处，使得冷却介质通道21的末端较为接近轴承70，以使冷却介质能到达轴承70附近，提升冷却效果。
请参考图2，电机主轴30包括设于机壳10内的主体部分，以及设于机壳10外部的连接部，连接部用于连接叶轮50，电机主轴30的连接部与电机主轴30的主体部分一体成型，也就是说电机主轴30为一体式设计，且电机主轴30采用实心结构，叶轮50直接与电机主轴30端部相连，提高旋转部件的整体强度，提高电机主轴30的动力学稳定性。
如图2所示，磁钢31的表面设置有碳纤维保护层32，采用碳纤维保护层32缠绕在磁钢31外表面，在电机主轴30高速旋转时，能够保护磁钢层，避免因高速旋转下离心力作用而造成磁钢31破裂，提高电机主轴30运转安全性。
另外，如图2所示，电机主轴30上位于磁钢31两端处设置有挡板33，磁钢31的左右两端均设置有挡板33，布置挡板33的作用是为了隔磁。
请参考图2，电机线圈定子40包括定子铁芯41和设置在定子铁芯41上的线圈绕组42，定子铁芯41是由硅钢片叠压而成，定子铁芯41上设置有安装槽，线圈绕组42嵌设于安装槽内，定子铁芯41可作为线圈绕组42的安装基座和支撑件，将线圈绕组42镶嵌在定子铁芯41的安装槽内，并将定子铁芯41固定在内壳11的内壁上即可。
如图2所示，线圈绕组42的两端凸出定子铁芯41，在端盖20上设置有用于避让线圈绕组42的避让槽22，设置了避让槽22可以避免端盖20干涉到定子铁芯41的转动，可以缩短整机的轴向长度。
如图1所示，机壳10上设置有电缆13和低压信号接插件14，线圈绕组42与电缆13连接，电缆13还连接到变频控制器，通过变频控制器控制线圈绕组42产生磁场方向的改变速度来控制电机主轴30的转速，采用变频控制器进行转速调节，可以改变空压机的出口压力、流量，以满足车载运行时的工况变化。低压信号接插件14用于监测电机的线圈绕组42的温度，保证整机运行的安全性。
本发明中，电机为高速永磁电动机，空压机通过高速永磁电动机直接驱动旋转，在满足压比、流量需求下，能够减小叶轮50和蜗壳60的尺寸，从而减小整机尺寸，降低整机的重量，满足小型化、轻量化的需求。采用大功率高速永磁电机直接驱动叶轮50高速旋转，最高转速可达100000rpm。
叶轮50与端盖20配合的位置可布置密封结构，这样可以减小叶轮50背部的漏气量。
如图2所示，轴承70与端盖20之间设置有轴承座80，轴承70与轴承座80形成简支梁支撑结构对电机主轴30进行支撑。设置了轴承座80可以避免轴承70直接支撑在端盖20上，减轻端盖20的磨损。
如图2所示，机壳10底部设置有底座90，底座90用于安装和支撑空压机。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池用空压机，其特征在于，包括：
机壳(10)，其两端开口，所述机壳(10)包括内壳(11)以及套设于所述内壳(11)外的外壳(12)；
端盖(20)，盖设于所述机壳(10)的两端；
电机主轴(30)，其两端通过轴承(70)转动设于所述端盖(20)上，且穿出至所述端盖(20)外侧，所述电机主轴(30)上设置有磁钢(31)；
电机线圈定子(40)，设于所述内壳(11)的内壁，且围绕所述电机主轴(30)设置；
叶轮(50)，设于所述电机主轴(30)的两端；
蜗壳(60)，盖设于所述叶轮(50)上；
其中，所述内壳(11)与所述外壳(12)之间设置有冷却介质槽(111)，所述外壳(12)上设置有与所述冷却介质槽(111)连通的冷却介质入口(121)和冷却介质出口(122)，所述端盖(20)上设置有与所述冷却介质槽(111)连通的冷却介质通道(21)，以使冷却介质流入所述端盖(20)中以冷却所述轴承(70)。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池用空压机，其特征在于，所述冷却介质槽(111)设于所述内壳(11)的外周，所述端盖(20)与所述内壳(11)及所述外壳(12)均抵接，以使所述冷却介质通道(21)与所述冷却介质槽(111)直接连通。
3.根据权利要求2所述的氢燃料电池用空压机，其特征在于，所述内壳(11)的两端设置有挡边(112)，所述挡边(112)上设置有连通通道(113)，所述连通通道(113)用于连通所述冷却介质槽(111)与所述冷却介质通道(21)。
4.根据权利要求1所述的氢燃料电池用空压机，其特征在于，所述轴承(70)为角接触球轴承。
5.根据权利要求1所述的氢燃料电池用空压机，其特征在于，所述冷却介质通道(21)沿所述端盖(20)的径向延伸，且其末端延伸至所述轴承(70)处。
6.根据权利要求1所述的氢燃料电池用空压机，其特征在于，所述电机主轴(30)包括设于所述机壳(10)内的主体部分，以及设于所述机壳(10)外部的连接部，所述连接部用于连接所述叶轮(50)，所述连接部与所述主体部分一体成型。
7.根据权利要求1所述的氢燃料电池用空压机，其特征在于，所述磁钢(31)的表面设置有碳纤维保护层(32)。
8.根据权利要求1所述的氢燃料电池用空压机，其特征在于，所述电机线圈定子(40)包括定子铁芯(41)以及设于所述定子铁芯(41)上的线圈绕组(42)，所述定子铁芯(41)上设置有安装槽，所述线圈绕组(42)嵌设于所述安装槽内。
9.根据权利要求8所述的氢燃料电池用空压机，其特征在于，所述端盖(20)上设置有用于避让所述线圈绕组(42)的避让槽(22)。
10.根据权利要求1所述的氢燃料电池用空压机，其特征在于，所述轴承(70)与所述端盖(20)之间设置有轴承座(80)。
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