CN114370416A - 一种空压机和燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空压机和燃料电池系统，包括：电机组件，包括机壳、电机和转轴，电机的定子固定安装于机壳的内腔，电机的转子与转轴连接，转轴通过轴承组件安装于机壳的内腔，转轴在机壳的前端形成第一驱动端，转轴在机壳的后端形成第二驱动端；空气压缩机系统，设置于机壳的前端，并由转轴的第一驱动端驱动实现空气压缩；驱动器；风冷系统，包括冷却叶轮和风罩，冷却叶轮与转轴的第二驱动端连接，风罩与机壳连接，风罩罩在冷却叶轮外侧，风罩设有第一冷却进风口和冷却出风口，冷却出风口的冷却气体能够对机壳进行冷却，驱动器安装于第一冷却进风口的外侧。其将驱动器集成安装在空压机后端的风罩结构中，整机采用一体化设计，结构更加紧凑。

Description

一种空压机和燃料电池系统

技术领域

本发明用于燃料电池领域，特别是涉及一种空压机和燃料电池系统。

背景技术

空气压缩机为氢燃料电池提供化学反应所需要的高压空气，是氢燃料电池的“肺”。但同时，它也是氢燃料电池系统中最主要的耗能部件，其寄生功率约占燃料电池系统输出功率的15％～20％。目前，燃料电池空压机多采用离心式空压机或螺杆式空压机，离心式空压机具有体积小、风量大、无油等优点，但是在针对10kW以下的小功率燃料电池时，它在小流量工况范围内的适应性差。螺杆空压机的容积流量基本不受排气压力的影响，可在较广的工作范围内保持较高的效率，但是螺杆空压机在输送相同流量空气的情况下体积相对较大，重量较重，且很难实现无油的目标。

同时，现有的空气压缩机的驱动器大多独立于压缩机机体，而且需要独立于电机额外设置单独的冷却结构对其进行冷却，这种结构形式零散、复杂，给装配和使用带来诸多不便，而且驱动器的散热效果也无法得到充分保证。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种空压机和燃料电池系统，其将驱动器集成安装在空压机后端的风罩结构中，整机采用一体化设计，结构更加紧凑。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种空压机，包括：

电机组件，包括机壳、电机和转轴，所述电机的定子固定安装于所述机壳的内腔，所述电机的转子与所述转轴连接，所述转轴通过轴承组件安装于所述机壳的内腔，所述转轴在所述机壳的前端形成第一驱动端，所述转轴在所述机壳的后端形成第二驱动端；

空气压缩机系统，设置于所述机壳的前端，并由所述转轴的第一驱动端驱动实现空气压缩；

驱动器，与所述电机组件连接；

风冷系统，包括冷却叶轮和风罩，所述冷却叶轮与所述转轴的第二驱动端连接，所述风罩与所述机壳连接，所述风罩罩在所述冷却叶轮外侧，所述风罩设有第一冷却进风口和冷却出风口，所述冷却出风口的冷却气体能够对所述机壳进行冷却，所述驱动器安装于所述第一冷却进风口的外侧。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述风冷系统还包括：

冷却外壳，安装于所述机壳的外侧，所述冷却外壳的外表面设有多个散热翅片，所述散热翅片沿轴向延伸，所述散热翅片之间形成供冷却气体流通的轴向通道，所述风罩的冷却出风口用于将冷却气体导向所述轴向通道。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述风罩的中部位置设有所述第一冷却进风口，所述风罩的内环面与所述冷却叶轮叶顶形成间隙密封结构，所述风罩的外周边缘安装于所述冷却外壳上，并形成与所述轴向通道连通的冷却出风口。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述风罩的背侧于所述第一冷却进风口的周围设有连接座，所述驱动器垂直于所述转轴轴线安装于所述风罩背侧的所述连接座上。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述风冷系统还包括：

护罩，安装在所述风罩后端，并将所述驱动器防护在所述护罩的腔体内，所述护罩后端的中心位置设置有第二冷却进风口，当所述冷却叶轮随着所述转轴运转时，外部空气由护罩后端的第二冷却进风口进入所述护罩的腔体内，对安装于腔体内的所述驱动器进行冷却。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述轴承组件包括前轴承组件和后轴承组件，所述前轴承组件包括前轴承、第一锁紧螺母和轴承压盖，所述前轴承的内圈安装于所述转轴外圆，并通过所述第一锁紧螺母锁紧固定在转轴端面上，所述前轴承的外圈安装于所述机壳内孔中，并通过轴承压盖锁紧固定在机壳端面上，所述第一锁紧螺母的外圆设置有多圈环形齿，所述环形齿的齿尖与所述轴承压盖的内孔形成非接触式间隙密封结构。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述后轴承组件包括轴承座、后轴承、预紧弹簧组、第二锁紧螺母，所述轴承座安装于所述机壳内孔中，所述后轴承的内圈安装于所述转轴外圆，并通过第二锁紧螺母锁紧固定在转轴端面上，所述后轴承的外圈安装于轴承座内孔中，所述后轴承的外圈径向与所述轴承座内孔采用间隙配合，可在轴承座内孔内轴向浮动，所述预紧弹簧组安装于轴承座内孔端面与后轴承外圈端面之间。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述空气压缩机系统包括漩涡叶轮和叶轮壳，所述漩涡叶轮与所述转轴的第一驱动端连接，所述漩涡叶轮具有前叶片和后叶片，所述机壳端面设置有第一半圆型腔，所述叶轮壳上设置有第二半圆型腔和环形气腔，所述机壳上的第一半圆型腔和所述叶轮壳上的第二半圆型腔连接，构成所述叶轮壳的后气室，所述叶轮壳上的环形气腔构成叶轮壳的前气室，所述前气室和后气室由隔板进行隔离，分别对应所述漩涡叶轮的前叶片和后叶片，所述叶轮壳上设有与所述前气室和后气室连通的进气口和出气口。

结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述漩涡叶轮的前端面上设置有多道第一环形突起，所述叶轮壳端面上设置有多道第一环形凹槽，所述第一环形突起和第一环形凹槽镶嵌布置，形成前密封结构；所述漩涡叶轮的后端面上设置有多道第二环形突起，机壳端面上设置有多道第二环形凹槽，所述第二环形突起和第二环形凹槽镶嵌布置，形成后密封结构。

第二方面，一种燃料电池系统，包括第一方面中任一实现方式所述的空压机。

上述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：当冷却叶轮随着转轴运转时，在风罩的第一冷却进风口位置形成局部负压，冷却气体首先流经安装于第一冷却进风口外侧的驱动器，对驱动器进行冷却后，进入风罩，并进一步由冷却出风口对机壳进行冷却，以此带走驱动器和电机工作中产生的热量。

本发明的技术方案中，空压机的驱动器集成安装在空压机后端的风罩结构中，整机采用一体化设计，结构更加紧凑。同时，当冷却空气进入机壳后，首先对驱动器进行冷却，可保证驱动器的冷却效果。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明空压机的一个实施例结构示意图；

图2是图1所示的一个实施例结构剖视图；

图3是图1所示的一个实施例风冷系统的冷却气体流动方向示意图；

图4是图1所示的一个实施例第一锁紧螺母与轴承压盖之间的非接触式间隙密封结构示意图；

图5是图1所示的一个实施例漩涡叶轮结构示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本发明的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征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。

本发明中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”“小于”“超过”等理解为不包括本数；“以上”“以下”“以内”等理解为包括本数。在本发明的描述中，如果有描述到“第一”“第二”仅用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明中，除非另有明确的限定，“设置”“安装”“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

其中，图2给出了本发明实施例的参考方向坐标系，以下结合图2所示的方向，对本发明的实施例进行说明。

参见图1、图2，本发明的实施例提供了一种空压机，其可以用于为氢燃料电池提供化学反应所需要的高压空气，空压机包括电机组件1、空气压缩机系统2、驱动器3和风冷系统4。

其中，电机组件1包括机壳101、电机102和转轴103，电机102的定子固定安装于机壳101的内腔，电机102的转子与转轴103连接，转轴103通过轴承组件安装于机壳101的内腔，转轴103在机壳101的前端形成第一驱动端，转轴103在机壳101的后端形成第二驱动端，电机102定子和电机102转子相互配合，用于提供驱动转轴103转动的扭矩。

空气压缩机系统2设置于机壳101的前端，并由转轴103的第一驱动端驱动实现空气压缩，以不断向外提供压缩空气。

驱动器3与电机组件1连接，用于控制电机102的旋转角度和运转速度等。

风冷系统4包括冷却叶轮401和风罩403，冷却叶轮401与转轴103的第二驱动端连接，通过螺母402锁紧，风罩403与机壳101连接，风罩403罩在冷却叶轮401外侧，风罩403设有第一冷却进风口406和冷却出风口407，冷却出风口407的冷却气体能够对机壳101进行冷却，驱动器3安装于第一冷却进风口406的外侧。

参见图3，当冷却叶轮401随着转轴103运转时，在风罩403的第一冷却进风口406位置形成局部负压，冷却气体首先流经安装于第一冷却进风口406外侧的驱动器3，对驱动器3进行冷却后，进入风罩403，并进一步由冷却出风口407对机壳101进行冷却，以此带走驱动器3和电机102工作中产生的热量。

本发明的技术方案中，空压机的驱动器3集成安装在空压机后端的风罩403结构中，整机采用一体化设计，结构更加紧凑。同时，当冷却空气进入机壳101后，首先对驱动器3进行冷却，可保证驱动器3的冷却效果。

在一些实施例中，参见图1、图2，风冷系统4还包括冷却外壳404，冷却外壳404安装于机壳101的外侧，冷却外壳404的外表面设有多个散热翅片408，散热翅片408沿轴向延伸，散热翅片408之间形成供冷却气体流通的轴向通道，风罩403的冷却出风口407用于将冷却气体导向轴向通道。冷却气体经冷却叶轮401压缩后由风罩403导向，形成轴向气流对冷却机壳101上的散热翅片408进行冷却，改善机体的散热效果。

进一步的，在一些实施例中，参见图2，风罩403的中部位置设有第一冷却进风口406，风罩403的内环面与冷却叶轮401叶顶形成间隙密封结构，风罩403的外周边缘安装于冷却外壳404上，并形成与轴向通道连通的冷却出风口407。当冷却叶轮401随着转轴103运转时，风罩403中的气体在冷却叶轮401的作用下向下游流动，从而在风罩403的第一冷却进风口406位置形成局部负压，外部空气对驱动器3进行冷却后，由驱动器3与护罩间的气隙进入风罩403的第一冷却进风口406。冷却出风口407经过风罩403导向，形成沿轴向均布冷却外壳404外表面的环形出风口，从而将冷却气体均匀的导向冷却外壳404的外表面。

进一步的，在一些实施例中，参见图2、图3，风罩403的背侧于第一冷却进风口406的周围设有连接座409，连接座409凸起于风罩403背侧的第一冷却进风口406，驱动器3垂直于转轴103轴线安装于风罩403背侧的连接座上。驱动器3刚好遮挡在第一冷却进风口406对侧，使得冷却气体能够由驱动器3外圆与护罩间的气隙进入第一冷却进风口406，其间实现对于驱动器3更充分的冷却。

进一步的，在一些实施例中，参见图2、图3，风冷系统4还包括护罩405，护罩405安装在风罩403后端，并将驱动器3防护在护罩405的腔体内，护罩405后端的中心位置设置有第二冷却进风口410，当冷却叶轮401随着转轴103运转时，外部空气由护罩405后端的第二冷却进风口410进入护罩405的腔体内，对安装于腔体内的驱动器3进行冷却。本实施例中，护罩405一方面将驱动器3罩在内部，避免驱动器3在使用过程中碰撞受损；另一方面，护罩405通过限定出第二冷却进风口410和腔体控制冷却气体的流动路径，从而更好的引导冷却气体流经驱动器3，从而对驱动器3提供更充分的冷却。

在一些实施例中，参见图2、图4，轴承组件包括前轴承组件104和后轴承组件105，前轴承组件104包括前轴承106、第一锁紧螺母107和轴承压盖108，前轴承106的内圈安装于转轴103外圆，并通过第一锁紧螺母107锁紧固定在转轴103端面上，前轴承106的外圈安装于机壳101内孔中，并通过轴承压盖108锁紧固定在机壳101端面上，第一锁紧螺母107的外圆设置有多圈环形齿109，环形齿的齿尖与轴承压盖108的内孔形成非接触式间隙密封结构。该密封结构的作用是隔离轴承空腔与压缩系统气腔，防止轴承中的润滑脂进入压缩系统。

进一步的，参见图2，后轴承组件105包括轴承座110、后轴承111、预紧弹簧组112、第二锁紧螺母113，轴承座110安装于机壳101内孔中，后轴承111的内圈安装于转轴103外圆，并通过第二锁紧螺母113锁紧固定在转轴103端面上，后轴承111的外圈安装于轴承座110内孔中，后轴承111的外圈径向与轴承座110内孔采用间隙配合，轴向不固定，可在轴承座110内孔内轴向浮动，预紧弹簧组112安装于轴承座110内孔端面与后轴承111外圈端面之间。预紧弹簧组112安装于轴承座110内孔端面与后轴承111外圈端面之间，处于压缩状态，为轴承组提供预紧力。

空气压缩机系统2可采用离心式叶轮、漩涡叶轮等，例如在一些实施例中，参见图1、图5，空气压缩机系统2包括漩涡叶轮201和叶轮壳203，漩涡叶轮201与转轴103的第一驱动端连接，通过螺母202锁紧，漩涡叶轮201具有前叶片和后叶片，机壳101端面设置有第一半圆型腔208，叶轮壳203上设置有第二半圆型腔209和环形气腔210，机壳101上的第一半圆型腔208和叶轮壳203上的第二半圆型腔209连接，构成叶轮壳203的后气室，叶轮壳203上的环形气腔210构成叶轮壳203的前气室，前气室和后气室由隔板进行隔离，分别对应漩涡叶轮201的前叶片和后叶片，叶轮壳203上设有与前气室和后气室连通的进气口206和出气口207，进气口206和出气口207既可以径向布置，也可以轴向布置。漩涡叶轮201在转轴103的带动下旋转，不断将由进气口206吸入的空气压缩并由出气口207排出。本实施例中，漩涡叶轮201采用双侧叶片配合双气室的结构形式，保证能够在小流量工作范围内具有更高的压比和更好的效率。

进一步的，参见图2，漩涡叶轮201的前端面上设置有多道第一环形突起，叶轮壳203端面上设置有多道第一环形凹槽，第一环形突起和第一环形凹槽镶嵌布置，形成前密封结构204；漩涡叶轮201的后端面上设置有多道第二环形突起，机壳101端面上设置有多道第二环形凹槽，第二环形突起和第二环形凹槽镶嵌布置，形成后密封结构205。前密封结构204和后密封结构205用于防止叶轮壳203内的高压气体向电机102内部泄露。另一方面，空气压缩系统中的少量空气经密封结构和泄露到电机组件1腔体内，对电机102转子进行冷却。

本发明的实施例还提供了一种燃料电池系统，包括以上任一实施例中的空压机。燃料电池系统通过采用漩涡式叶轮对空气进行压缩，相较于离心式空压机或螺杆式空压机，漩涡式叶轮在小流量工作范围内具有更高的压比和更好的效率。

在本说明书的描述中，参考术语“示例”、“实施例”或“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种空压机，其特征在于，包括：

电机组件，包括机壳、电机和转轴，所述电机的定子固定安装于所述机壳的内腔，所述电机的转子与所述转轴连接，所述转轴通过轴承组件安装于所述机壳的内腔，所述转轴在所述机壳的前端形成第一驱动端，所述转轴在所述机壳的后端形成第二驱动端；

空气压缩机系统，设置于所述机壳的前端，并由所述转轴的第一驱动端驱动实现空气压缩；

驱动器，与所述电机组件连接；

风冷系统，包括冷却叶轮和风罩，所述冷却叶轮与所述转轴的第二驱动端连接，所述风罩与所述机壳连接，所述风罩罩在所述冷却叶轮外侧，所述风罩设有第一冷却进风口和冷却出风口，所述冷却出风口的冷却气体能够对所述机壳进行冷却，所述驱动器安装于所述第一冷却进风口的外侧。

2.根据权利要求1所述的空压机，其特征在于，所述风冷系统还包括：

冷却外壳，安装于所述机壳的外侧，所述冷却外壳的外表面设有多个散热翅片，所述散热翅片沿轴向延伸，所述散热翅片之间形成供冷却气体流通的轴向通道，所述风罩的冷却出风口用于将冷却气体导向所述轴向通道。

3.根据权利要求2所述的空压机，其特征在于，所述风罩的中部位置设有所述第一冷却进风口，所述风罩的内环面与所述冷却叶轮叶顶形成间隙密封结构，所述风罩的外周边缘安装于所述冷却外壳上，并形成与所述轴向通道连通的冷却出风口。

4.根据权利要求3所述的空压机，其特征在于，所述风罩的背侧于所述第一冷却进风口的周围设有连接座，所述驱动器垂直于所述转轴轴线安装于所述风罩背侧的所述连接座上。

5.根据权利要求4所述的空压机，其特征在于，所述风冷系统还包括：

护罩，安装在所述风罩后端，并将所述驱动器防护在所述护罩的腔体内，所述护罩后端的中心位置设置有第二冷却进风口，当所述冷却叶轮随着所述转轴运转时，外部空气由护罩后端的第二冷却进风口进入所述护罩的腔体内，对安装于腔体内的所述驱动器进行冷却。

6.根据权利要求1所述的空压机，其特征在于，所述轴承组件包括前轴承组件和后轴承组件，所述前轴承组件包括前轴承、第一锁紧螺母和轴承压盖，所述前轴承的内圈安装于所述转轴外圆，并通过所述第一锁紧螺母锁紧固定在转轴端面上，所述前轴承的外圈安装于所述机壳内孔中，并通过轴承压盖锁紧固定在机壳端面上，所述第一锁紧螺母的外圆设置有多圈环形齿，所述环形齿的齿尖与所述轴承压盖的内孔形成非接触式间隙密封结构。

7.根据权利要求6所述的空压机，其特征在于，所述后轴承组件包括轴承座、后轴承、预紧弹簧组、第二锁紧螺母，所述轴承座安装于所述机壳内孔中，所述后轴承的内圈安装于所述转轴外圆，并通过第二锁紧螺母锁紧固定在转轴端面上，所述后轴承的外圈安装于轴承座内孔中，所述后轴承的外圈径向与所述轴承座内孔采用间隙配合，可在轴承座内孔内轴向浮动，所述预紧弹簧组安装于轴承座内孔端面与后轴承外圈端面之间。

8.根据权利要求1所述的空压机，其特征在于，所述空气压缩机系统包括漩涡叶轮和叶轮壳，所述漩涡叶轮与所述转轴的第一驱动端连接，所述漩涡叶轮具有前叶片和后叶片，所述机壳端面设置有第一半圆型腔，所述叶轮壳上设置有第二半圆型腔和环形气腔，所述机壳上的第一半圆型腔和所述叶轮壳上的第二半圆型腔连接，构成所述叶轮壳的后气室，所述叶轮壳上的环形气腔构成叶轮壳的前气室，所述前气室和后气室由隔板进行隔离，分别对应所述漩涡叶轮的前叶片和后叶片，所述叶轮壳上设有与所述前气室和后气室连通的进气口和出气口。

9.根据权利要求8所述的空压机，其特征在于，所述漩涡叶轮的前端面上设置有多道第一环形突起，所述叶轮壳端面上设置有多道第一环形凹槽，所述第一环形突起和第一环形凹槽镶嵌布置，形成前密封结构；所述漩涡叶轮的后端面上设置有多道第二环形突起，机壳端面上设置有多道第二环形凹槽，所述第二环形突起和第二环形凹槽镶嵌布置，形成后密封结构。

10.一种燃料电池系统，其特征在于，包括权利要求1～9中任一项所述的空压机。

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