CN112727927B - 一种用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承 - Google Patents

一种用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承，其中，包括支撑环，所述支撑环为圆环形，且所述支撑环的中心线位于水平面内；所述支撑环内设有气腔，所述气腔为半环形结构，且所述气腔位于过所述支撑环的中心线的水平面的下方向；所述气腔由位于所述支撑环上的内支撑部和外支撑部构成；所述外支撑部上设有进气孔，所述进气孔被设置为用于连接高压气源，所述内支撑部上设有多个喷气孔，所述喷气孔朝向所述支撑环的中心线；所述支撑环上还设有出气孔，所述出气孔位于过所述支撑环中心线的水平面的上方。本发明能够适用于氢燃料电池汽车空气压缩机。

Description

一种用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承
技术领域
本发明涉及氢燃料电池汽车技术领域，特别是一种用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承。
背景技术
用于氢燃料电池汽车的空气压缩机技术是氢燃料电池汽车应用于实际的重要技术之一，相比于应用在空调上的普通空气压缩机，应用于氢燃料电池汽车的空气压缩机需要不间断地供应大量的空气，这就需要应用于氢燃料电池汽车的空气压缩机的转速比空调上的普通空气压缩机快几倍乃至几十倍，普通的空气压缩机转速在3000-5000转每分钟，而应用于氢燃料电池汽车上的空气压缩机的转速高达5-8万转每分钟。而普通空气压缩机上的旋转支撑件无法满足5-8万转每分钟的要求，主要是由于普通的旋转支撑件无法满足润滑和冷却的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承，以解决现有技术中的不足，它能够减小旋转轴与支撑件之间的摩擦力以及产生的热量，满足氢燃料电池汽车空气压缩机对于旋转支撑件的要求。
本发明提供了一种用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承，其中，包括支撑环，所述支撑环为圆环形，且所述支撑环的中心线位于水平面内；
所述支撑环内设有气腔，所述气腔为半环形结构，且所述气腔位于过所述支撑环的中心线的水平面的下方向；所述气腔由位于所述支撑环上的内支撑部和外支撑部构成；
所述外支撑部上设有进气孔，所述进气孔被设置为用于连接高压气源，所述内支撑部上设有多个喷气孔，所述喷气孔朝向所述支撑环的中心线；
所述支撑环上还设有出气孔，所述出气孔位于过所述支撑环中心线的水平面的上方；所述出气孔上设有流量控制阀，所述流量控制阀用于控制所述出气孔的开度大小，以实现对于所述出气孔的出气速度的调节；
所述流量控制阀还用于在插入所述支撑环内的旋转轴处于与所述支撑环同轴的位置后，关闭所述流量控制阀；以使所述气腔内的高压空气从所述支撑环与所述旋转轴之间缝隙流出，以产生的气膜。
如上所述的用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承，其中，可选的是，所述支撑环用于套设在旋转轴上，且所述支撑环内表面与所述旋转轴之间设有第一间隙，所述支撑环的内边沿处设有向内的翻边，所述翻边的内边沿与所述旋转轴之间设有第二间隙，所述第二间隙的大小为第一间隙的0.2倍。
如上所述的用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承，其中，可选的是，所述支撑环的内壁上嵌设有多个永磁体，所述永磁体的一磁极朝向所述旋转轴的中心线；多个所述永磁体均位于过所述支撑环中心线的水平面的上方；
所述旋转轴正对所述支撑环处由内到外依次设有铁质层和防护层。
如上所述的用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承，其中，可选的是，多个所述永磁体沿所述过所述支撑环中心线的竖直面对称分布。
如上所述的用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承，其中，可选的是，所述出气孔与所述永磁体间隔分布。
如上所述的用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承，其中，可选的是，多个所述喷气孔沿关于过所述支撑环中心线的竖直面对称分布。
如上所述的用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承，其中，可选的是，所述内支撑部的两端分别设有与所述气腔连通的第一调位孔和第二调位孔，所述第一调位孔的中心线与所述第二调位孔的中心线位于同一直线上，且所述第一调位孔的中心线的延长线和所述第二调位孔的中心线的延长线均与所述支撑环的中心线垂直相交；
所述第一调位孔处设有第一调位阀，所述第一调位阀用于控制所述第一调位孔的开闭；所述第二调位孔处设有第二调位阀，所述第二调位阀用于控制所述第二调位孔的开闭；
所述第一调位孔位于所述支撑环的中心线的正左方，所述第二调位孔位于所述支撑环的中心线的正右方。
如上所述的用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承，其中，可选的是，还包括检测安装板，所述检测安装板套设在所述支撑环一端的外周处，所述旋转轴突出于所述检测安装板，且所述旋转轴的端部设有检测圆盘，所述检测圆盘与所述旋转轴同轴设置；
所述检测安装板上设有第一距离传感器、第二距离传感器、第三距离传感器和第四距离传感器，所述第一距离传感器、所述第二距离传感器、所述第三距离传感器和第四距离传感器以所述支撑环的中心线为中心圆周阵列分布；所述第一距离传感器位于所述支撑环的中心线的正上方，所述第二距离传感器位于所述支撑环的中心线的正下方；所述第三距离传感器位于所述支撑环的中心线的正左方，所述第四距离传感器位于所述支撑环的中心线的正右方；
所述第一距离传感器用于检测到所述检测圆盘的距离L1，所述第二距离传感器用于检测到所述检测圆盘的距离L2，所述第三距离传感器用于检测到所述检测圆盘的距离L3，所述第四距离传感器用于检测到所述检测圆盘的距离L4。
如上所述的用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承，其中，可选的是，还包括调压阀，所述调压阀安装在所述进气孔处，所述调压阀被设置为用于调节进入所述气腔的空气压力。
如上所述的用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承，其中，可选的是，还包括控制器，所述第一调位阀、所述第二调位阀、所述第一距离传感器、所述第二距离传感器、所述第三距离传感器、所述第四距离传感器、所述调压阀均与所述控制器电连接；
所述控制器根据所述第一距离传感器、所述第二距离传感器、所述第三距离传感器和所述第四距离传感器的检测结果控制所述第一调压阀、所述第二调压阀、所述第三调压阀和所述第四调压阀；
所述控制器用于在L1大于L2时，控制所述调压阀提高进入所述气腔的空气的压力；在L1小于L2时，控制所述调压阀降低进入所述气腔的压力；
所述控制器还用于在所述L3大于L4时，控制所述第一调位阀关闭，所述第二调位阀打开；在所述L3小于L4时，控制所述第一调位阀打开，所述第二调位阀关闭；在所述L3等于L4时，控制所述第一调位阀和所述第二调位阀均关闭。
与现有技术相比，本发明通过在支撑环上设置气腔，利用气腔朝向旋转轴喷向的高压空气，以在支撑环与旋转轴之间形成气膜，从而使旋转轴和支撑环之间不直接接触，有利于减小所述支撑环与所述旋转轴之间的摩擦阻力，能够适用于5-8万转每分钟的使用环境，能够适用于氢燃料汽车的空气压缩机。
附图说明
图1是本发明公开的结构示意图；
图2是本发明的局部剖视图；
图3是图2的右视图。
附图标记说明：
1-支撑环，2-旋转轴，3-第一间隙，4-第二间隙，5-永磁体，6-检测安装板，7-检测圆盘，8-调压阀；
11-气腔，12-出气孔，
111-内支撑部，112-外支撑部，113-进气孔，114-喷气孔，115-第一调位孔，116-第二调位孔，117-第一调位阀，118-第二调位阀，
21-铁质层，22-防护层，
61-第一距离传感器，62-第二距离传感器，63-第三距离传感器，64-第四距离传感器。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
请参照图1到图3，本发明提出了一种用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承，其中，包括支撑环1，所述支撑环1为圆环形，且所述支撑环1的中心线位于水平面内。所述支撑环1用于对氢燃料电池汽车空气压缩机的旋转轴2提供支撑，并限制所述旋转轴2的位置，以便于实现对于空气压缩机的旋转轴2的支撑。
所述支撑环1内设有气腔11，所述气腔11为半环形结构，具体地，可以在所述支撑环1的下半环的内部开设气腔11。如此，使得所述气腔11位于过所述支撑环1的中心线的水平面的下方向；所述气腔11由位于所述支撑环1上的内支撑部111和外支撑部112构成。具体实施时，可以将支撑环1的下半部分设置为由内支撑部111和外支撑部112组成，且所述内支撑部111与所述外支撑部112的两则边密封连接，在所述内支撑部111和所述外支撑部112之间形成气腔11。将气腔11设置于所述支撑环1的下部，便于通过气腔11向上排气，以在有旋转轴2的下表面处形成气膜，使旋转轴2在转动的过程中不会与支撑环1的内表面接触，从而能够极大地降低旋转轴2在转动过程中产生的阻力以及热量。使得支撑环1能够满足旋转轴2的5-8万转每分钟的高速转动需求。
所述外支撑部112上设有进气孔113，所述进气孔113被设置为用于连接高压气源，所述内支撑部111上设有多个喷气孔114，所述喷气孔114朝向所述支撑环1的中心线。具体地，所述进气孔113可以直接引自空气压缩机出口处的高压气源，即，将空气压缩机所产生的高压空气的一小部分作为充入气腔的高压空气。如此，能够减少对于外部高压空气的需求，能够降低氢燃料汽车自身的质量。
所述支撑环1上还设有出气孔12，所述出气孔12位于过所述支撑环1中心线的水平面的上方。作为一种较佳的实施方式，将所述出气孔12设置在的支撑环1的中心线的上方，便于部分气体由下至上流通，一方面使气体将旋转轴2向上的顶起，另一方面，由于出气孔12与外部空气连通，其气压要小于喷气孔114处的压力，从而便于利用压差将克服重力将所述旋转轴2抬起，以使旋转轴2在旋转的同时，不与所述支撑环1接触，一方面减小了旋转轴2在转动过程中的阻力，另一方面支撑环1与旋转轴2之间不接触，能够减少热量的产生。所述出气孔12上设有流量控制阀(图中未示出)，所述流量控制阀用于控制所述出气孔12的开度大小，以实现对于所述出气孔12的出气速度的调节；所述流量控制阀还用于在插入所述支撑环1内的旋转轴2处于与所述支撑环1同轴的位置后，关闭所述流量控制阀；以使所述气腔11内的高压空气从所述支撑环1与所述旋转轴2之间缝隙流出，以产生的气膜。在具体使用时，通过控制流量控制阀，能够提高进气孔113与出气孔12之间的压力差，利用这种压力差，能够先将所述旋转轴2抬起，以便于在旋转轴2的周围形成气膜。在气膜形成后，通过控制减小流量控制阀的开度，使得气腔11内气体分成从所述出气孔12及支撑环1与所述旋转轴2之间的间隙流出，从而保证在转动的过程中能够快速形成气膜。
作为一种较佳的实施方式，所述支撑环1用于套设在旋转轴2上，且所述支撑环1内表面与所述旋转轴2之间设有第一间隙3，所述支撑环1的内边沿处设有向内的翻边，所述翻边的内边沿与所述旋转轴2之间设有第二间隙4，所述第二间隙4的大小为第一间隙3的0.2倍。具体地，所述第一间隙3大小为1-5毫米，第二间隙4的大小为0.2-1毫米。如此，能够保证进入到第一间隙4内空气不断地从第二间隙4排出，使得旋转轴2与支撑环1之间不断有气流排出，使得旋转轴2与支撑环1之间不直接接触，从而降低了旋转轴2在转动过程中的阻力，同时减少了热量的产生。为了更好地保证空气能够不断地从第二间隙4排出，所述出气孔12的直径小于所述进气孔113的直径。
作为一种较佳的实施方式，所述支撑环1的内壁上嵌设有多个永磁体5，所述永磁体5的一磁极朝向所述旋转轴2的中心线；多个所述永磁体5均位于过所述支撑环1中心线的水平面的上方。所述旋转轴2正对所述支撑环1处由内到外依次设有铁质层21和防护层22。具体实施时，所述铁质层21和所述防护层22嵌设在所述旋转轴2对应所述支撑环1处。如此，通过设置永磁体5，能够对铁质层21产生向上的吸力，能够抵消旋转轴2的一部分重力，有利于减小对于进入到气腔的空气的压力的要求。
作为一种较佳的实施方式，多个所述永磁体5沿所述过所述支撑环1中心线的竖直面对称分布。如此，能够使得永磁体5对所述铁质层21产生的磁力的合力竖直向上，以避免所述旋转轴2产生偏斜。
作为一种较佳的实施方式，所述出气孔12与所述永磁体5间隔分布。如此，在利用永磁体5产生吸附力的同时，在出气孔12处形成低压区，从而能够对旋转轴2产生向上的压力，进而利用永磁体5的引力和空气压力从而能够实现旋转轴2的悬浮。
作为一种较佳的实施方式，多个所述喷气孔114沿关于过所述支撑环1中心线的竖直面对称分布。如此，利用各不同角度对旋转轴2施加朝向上方的力，能够保证旋转轴2的稳定性。
作为一种较佳的实施方式，所述内支撑部111的两端分别设有与所述气腔11连通的第一调位孔115和第二调位孔116，所述第一调位孔115的中心线与所述第二调位孔116的中心线位于同一直线上，且所述第一调位孔115的中心线的延长线和所述第二调位孔116的中心线的延长线均与所述支撑环1的中心线垂直相交。如此，能够通过所述第一调位孔115和所述第二调位孔116对所述旋转轴2在左右方向上进行调节以控制所述旋转轴2在水平方向上的位置。为了进一步精确地对旋转轴2的水平方向进行调整，所述第一调位孔115处设有第一调位阀117，所述第一调位阀117用于控制所述第一调位孔115的开闭；所述第二调位孔116处设有第二调位阀118，所述第二调位阀118用于控制所述第二调位孔116的开闭。所述第一调位孔115位于所述支撑环1的中心线的正左方，所述第二调位孔116位于所述支撑环1的中心线的正右方。
作为一种较佳的实施方式，还包括检测安装板6，所述检测安装板6套设在所述支撑环1一端的外周处，所述旋转轴2突出于所述检测安装板6，且所述旋转轴2的端部设有检测圆盘7，所述检测圆盘7与所述旋转轴2同轴设置。具体实施时，通过所述检测安装板6便于检测所述旋转轴2在使用过程的位置，有利于保证所述旋转轴2在转动的过程中，始终于所述支撑环1同轴设置。进一步地，所述检测安装板6上设有第一距离传感器61、第二距离传感器62、第三距离传感器63和第四距离传感器64，所述第一距离传感器61、所述第二距离传感器62、所述第三距离传感器63和第四距离传感器64以所述支撑环1的中心线为中心圆周阵列分布；所述第一距离传感器61位于所述支撑环1的中心线的正上方，所述第二距离传感器62位于所述支撑环1的中心线的正下方；所述第三距离传感器63位于所述支撑环1的中心线的正左方，所述第四距离传感器64位于所述支撑环1的中心线的正右方。具体实施时，此处所指的正左方和正右方，是指与所述支撑环1的中心线位于同一水平面的位置。
所述第一距离传感器61用于检测到所述检测圆盘7的距离L1，所述第二距离传感器62用于检测到所述检测圆盘7的距离L2，所述第三距离传感器63用于检测到所述检测圆盘7的距离L3，所述第四距离传感器64用于检测到所述检测圆盘7的距离L4。如此，方便通过L1、L2、L3和L4来检测所述旋转轴2的中心线的位置，便于根据L1、L2、L3和L4的大小来控制所述旋转轴2的位置，以使所述旋转轴2在旋转的过程中具有较为准确的位置。
作为一种较佳的实施方式，本发明还包括调压阀8，所述调压阀8安装在所述进气孔113处，所述调压阀8被设置为用于调节进入所述气腔11的空气压力。当然所述调压阀8也可以是连接在进气孔113与高压气源的管道上。通过设置调压阀8，可以通过所述调压阀8来调节进入气腔内的压力，从而实现对于旋转轴2在竖直方向的调节。
作为一种较佳的实施方式，本发明还包括控制器，所述第一调位阀117、所述第二调位阀118、所述第一距离传感器61、所述第二距离传感器62、所述第三距离传感器63、所述第四距离传感器64、所述调压阀8均与所述控制器电连接。
所述控制器根据所述第一距离传感器61、所述第二距离传感器62、所述第三距离传感器63和所述第四距离传感器64的检测结果控制所述第一调压阀8、所述第二调压阀8、所述第三调压阀8和所述第四调压阀8。
所述控制器用于在L1大于L2时，控制所述调压阀8提高进入所述气腔11的空气的压力；在L1小于L2时，控制所述调压阀8降低进入所述气腔11的压力；
所述控制器还用于在所述L3大于L4时，控制所述第一调位阀117关闭，所述第二调位阀118打开；在所述L3小于L4时，控制所述第一调位阀117打开，所述第二调位阀118关闭；在所述L3等于L4时，控制所述第一调位阀117和所述第二调位阀118均关闭。如此，便于精确所述旋转轴2的位置。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承，包括支撑环（1），所述支撑环（1）为圆环形，且所述支撑环（1）的中心线位于水平面内；其特征在于，
所述支撑环（1）内设有气腔（11），所述气腔（11）为半环形结构，且所述气腔（11）位于过所述支撑环（1）的中心线的水平面的下方向；所述气腔（11）由位于所述支撑环（1）上的内支撑部（111）和外支撑部（112）构成；
所述外支撑部（112）上设有进气孔（113），所述进气孔（113）被设置为用于连接高压气源，所述内支撑部（111）上设有多个喷气孔（114），所述喷气孔（114）朝向所述支撑环（1）的中心线；
所述支撑环（1）上还设有出气孔（12），所述出气孔（12）位于过所述支撑环（1）中心线的水平面的上方；
所述出气孔（12）上设有流量控制阀，所述流量控制阀用于控制所述出气孔（12）的开度大小，以实现对于所述出气孔（12）的出气速度的调节；
所述流量控制阀还用于在插入所述支撑环（1）内的旋转轴（2）处于与所述支撑环（1）同轴的位置后，关闭所述流量控制阀；以使所述气腔（11）内的高压空气从所述支撑环（1）与所述旋转轴（2）之间缝隙流出，以产生的气膜。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承，其特征在于：所述支撑环（1）用于套设在所述旋转轴（2）上，且所述支撑环（1）内表面与所述旋转轴（2）之间设有第一间隙（3），所述支撑环（1）的内边沿处设有向内的翻边，所述翻边与所述旋转轴（2）之间设有第二间隙（4），所述第二间隙（4）的大小为第一间隙（3）的0.2倍。
3.根据权利要求2所述的用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承，其特征在于：所述支撑环（1）的内壁上嵌设有多个永磁体（5），所述永磁体（5）的一磁极朝向所述旋转轴（2）的中心线；多个所述永磁体（5）均位于过所述支撑环（1）中心线的水平面的上方；
所述旋转轴（2）正对所述支撑环（1）处由内到外依次设有铁质层（21）和防护层（22）。
4.根据权利要求3所述的用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承，其特征在于：多个所述永磁体（5）沿所述过所述支撑环（1）中心线的竖直面对称分布。
5.根据权利要求4所述的用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承，其特征在于：所述出气孔（12）与所述永磁体（5）间隔分布。
6.根据权利要求1-5任一项所述的用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承，其特征在于：多个所述喷气孔（114）沿关于过所述支撑环（1）中心线的竖直面对称分布。
7.根据权利要求2-5任一项所述的用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承，其特征在于：所述内支撑部（111）的两端分别设有与所述气腔（11）连通的第一调位孔（115）和第二调位孔（116），所述第一调位孔（115）的中心线与所述第二调位孔（116）的中心线位于同一直线上，且所述第一调位孔（115）的中心线和所述第二调位孔（116）的中心线的延长线与所述支撑环（1）的中心线垂直相交；
所述第一调位孔（115）处设有第一调位阀（117），所述第一调位阀（117）用于控制所述第一调位孔（115）的开闭；所述第二调位孔（116）处设有第二调位阀（118），所述第二调位阀（118）用于控制所述第二调位孔（116）的开闭；
所述第一调位孔（115）位于所述支撑环（1）的中心线的正左方，所述第二调位孔（116）位于所述支撑环（1）的中心线的正右方。
8.根据权利要求7所述的用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承，其特征在于：还包括检测安装板（6），所述检测安装板（6）套设在所述支撑环（1）一端的外周处，所述旋转轴（2）突出于所述检测安装板（6），且所述旋转轴的端部设有检测圆盘（7），所述检测圆盘（7）与所述旋转轴（2）同轴设置；
所述检测安装板（6）上设有第一距离传感器（61）、第二距离传感器（62）、第三距离传感器（63）和第四距离传感器（64），所述第一距离传感器（61）、所述第二距离传感器（62）、所述第三距离传感器（63）和第四距离传感器（64）以所述支撑环（1）的中心线为中心圆周阵列分布；所述第一距离传感器（61）位于所述支撑环（1）的中心线的正上方，所述第二距离传感器（62）位于所述支撑环（1）的中心线的正下方；所述第三距离传感器（63）位于所述支撑环（1）的中心线的正左方，所述第四距离传感器（64）位于所述支撑环（1）的中心线的正右方；
所述第一距离传感器（61）用于检测所述第一距离传感器（61）到所述检测圆盘（7）的距离L1，所述第二距离传感器（62）用于检测所述第二距离传感器（62）到所述检测圆盘（7）的距离L2，所述第三距离传感器（63）用于检测所述第三距离传感器（63）到所述检测圆盘（7）的距离L3，所述第四距离传感器（64）用于检测第四距离传感器（64）到所述检测圆盘（7）的距离L4。
9.根据权利要求8所述的用于燃料电池系统空气压缩机的空气轴承，其特征在于：还包括调压阀（8），所述调压阀（8）安装在所述进气孔（113）处，所述调压阀（8）被设置为用于调节进入所述气腔（11）的空气压力。
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