CN114483611A - 一种动压浮环和磁轴承支承燃料电池空压机主轴结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动压浮环和磁轴承支承燃料电池空压机主轴结构，包括H型动压气体轴承、左径向浮环、右径向浮环、动力磁轴承、涡轮机叶轮。浮环通过气体的粘滞性随着主轴转动产生第一层气膜，浮环与中间浮面产生第二层气膜，两层气膜的动压效应可以实现空压机转子在超高速下稳定支承，动力磁轴承起径向支承和提供转矩的作用，气体轴承和动力磁轴承组合支承避免了单独气体或者磁轴承支承强度不足的问题，避免了单独动压气体轴承无法进行精准控制调节的问题，避免了单独的气和电机、磁和电机组合带来的体积膨胀问题。

Description

一种动压浮环和磁轴承支承燃料电池空压机主轴结构

技术领域

本发明属于燃料电池系统中的空压机领域，特别是一种动压浮环和磁轴承支承燃料电池空压机主轴结构。

背景技术

随着新能源汽车技术的兴起，对动力的稳定性、零部件寿命、汽车轻量化的要求越来越高，燃料电池系统作为动力系统中的核心，要能满足在各个工况下的动力提供需求，并且在满足零部件寿命的前提下保证一定的轻量化、体小化。而空压机作为燃料电池系统的供气零部件，这些要求更为严格。空压机的转子系统与轴承之间产生的摩擦要小，而且在极高速工况下要避免长时间的高温使润滑失效，这些要求对于现有的机械式接触的轴承已经无法满足，磁轴承和气轴承的支承成为了设计首选项，但是单独的气轴承只能产生一层气膜来产生气膜对转子进行支承，这会使在超高速的持续工况下造成支承失效而出现碰撞现象。由于工况的多变，可能会使叶轮吸入的空气不足，现有的技术多采用电机来提供辅助转矩，但是电机的结构复杂，电机的控制也比较复杂，动力磁轴承作为一个新兴的零部件，既可以提供转矩又可以提供悬浮力，但是如果汽车整个行驶过程具有动力磁轴承来进行提供的话，会需要足量的绕组，这回使整个动力轴承结构变大，从而使空压机体积膨胀。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动压浮环和磁轴承支承燃料电池空压机主轴结构，以解决高速支承失效问题和单独采用动力磁轴承驱动支承刚度不足问题，以此来提高轴承高速支承的稳定性和保证整体的体积功率比。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种动压浮环和磁轴承支承燃料电池空压机主轴结构，包括中间壳体，分别固定在中间可以左、右两端的压气机壳体、涡轮机壳体，支撑在中间壳体内的主轴，分别固定在主轴两端的压缩机叶轮和涡轮机叶轮，

所述主轴靠近压气机壳体端通过H型动压气轴承支撑，靠近涡轮机叶轮端通过径向动压气轴承支撑；中间通过两个动力磁轴承支撑；

所述H型动压气轴承与主轴之间依次设有左浮环和径向浮面；H型动压气轴承上固定有推力盘；主轴转动时，径向浮面和推力盘之间、左浮环与主轴之间均产生气膜；

所述径向动压气轴承与主轴之间设有右浮环，主轴转动时，径向动压气轴承和右浮环之间、右浮环和主轴之间均产生气膜；

所述动力磁轴承用于启动状态时产生悬浮力，带动压缩机叶轮转动，并在变速状态下产生转矩辅助主轴旋转，将空气增压吸入燃料电池系统中；

所述H型动压气轴承和径向动压气轴承用于产生悬浮力以支撑轴承，并对对主轴的偏移进行调节；

H型动压气轴承的径向浮面配合左浮环、径向动压气轴承配合右浮环形成双层气膜产生径向推力辅助动力磁轴承进行径向调节。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

本发明通过产生两层气膜来支承主轴，解决了现有气体轴承支承刚度不足问题，使空压机可以在一个长期超高速的工况下稳定旋转工作。动力磁轴承提供转矩，使空压机在持续高速工况下可以吸入足量的空气保证汽车的动力性，同时提供径向悬浮力，并且通过传感器的信号可以及时的调节径向偏移，气磁组合支承驱动，解决了单独气体支承的控制调节问题，避免了单独使用时带来的支承刚度，体积膨胀的问题，保证了旋转中的转子在一条线上，减小了转子与轴承之间的振动。

附图说明

图1为本发明的整体结构剖视图；

图2为本发明局部A的结构示意图；

图3为本发明局部B的结构示意图；

图4为本发明转子的结构示意图；

图5为本发明传感器支架结构示意图；

图6为本发明H型动压轴承组成示意图；

图7为本发明径向动压气轴承示意图。

图中：压气机壳体1、压缩机叶轮2、左六角螺母3、进气道4、左定位板5、左封盖6、无叶式扩压管7，左壳体螺栓8、左封盖螺栓9、左浮面10、推力盘11、右浮面12、左隔套13、中间隔套14、中间壳体15、右隔套16、右壳体螺栓17、右封盖18、右封盖螺栓19、右定位板20、右六角螺母21、涡轮机叶轮22、出气道23、主轴24、右定位块25、右套筒26、右浮环27、涡轮机壳体28、径向动压气轴承29、支架安装座30、右动力磁轴承31、左动力磁轴承32、左浮环33、径向浮面34、左定位块35、左压紧套36、硅钢片转子37、转子保护套38、右压紧套39、传感器支架40、径向位移传感器41、径向传感器螺母42、左板43、右板44、支架螺栓45、楔形气腔46。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1-图6，本实施例的一种动压浮环和磁轴承支承燃料电池空压机主轴结构，包括压气机壳体1、压缩机叶轮2、左六角螺母3、进气道4、左定位板5、左封盖6、无叶式扩压管7，左壳体螺栓8、左封盖螺栓9、左浮面10、推力盘11、右浮面12、左隔套13、中间隔套14、中间壳体15、右隔套16、右壳体螺栓17、右封盖18、右封盖螺栓19、右定位板20、右六角螺母21、涡轮机叶轮22、出气道23、主轴24、右定位块25、右套筒26、右浮环27、涡轮机壳体28、径向动压气轴承29、支架安装座30、右动力磁轴承31、左动力磁轴承32、左浮环33、径向浮面34、左定位块35、左压紧套36、硅钢片转子37、转子保护套38、右压紧套39、传感器支架40、径向位移传感器41、径向传感器螺母42、左板43、右板44、支架螺栓45、楔形气腔46；

所述压气机壳体1与中间壳体15通过左壳体螺栓8连接，压缩机叶轮2穿过主轴24并与左定位板5固定，压缩机叶轮2左边与左六角螺母3固定，左定位板5轴向固定在主轴24上，左封盖6通过左封盖螺栓9与中间壳体15左侧连接，左定位块35轴向固定在左定位板5和左浮面10之间，左浮面10轴向固定在左定位块35与径向浮面34之间，推力盘11轴向固定在左封盖6与左隔套13之间，右浮面12轴向穿过主轴24固定在轴肩与径向浮面34之间，左浮环33轴向安装在左浮面10与右浮面12之间，径向套装在推力盘11与径向浮面34之间，左隔套13轴向固定在推力盘11与左动力磁轴承32之间，左动力磁轴承32轴向固定在左隔套13与中间隔套14中间，中间隔套14轴向固定在左动力磁轴承32与右动力磁轴承31之间，右动力磁轴承31轴向固定在中间隔套14与右隔套16之间，右隔套16轴向固定在右动力磁轴承31与支架安装座30之间，支架安装座30轴向固定在右隔套16与径向动压气轴承29之间，径向动压气轴承29轴向固定在支架安装座30与右封盖18之间，径向套装在右浮环27上，左板43固定在径向动压气轴承29左端，右板44固定在径向动压气轴承29右端，右浮环27轴向安装在左板43与右板44之间，径向套装在径向动压气轴承29与右套筒26之间，右封盖18通过右封盖螺栓19连接在中间壳体15右端，右定位板20轴向固定在主轴24上，涡轮机壳体28与中间壳体15通过右壳体螺栓17连接，涡轮机叶轮22穿过主轴24并与右定位板20固定，涡轮机叶轮22右边由右六角螺母21固定，右定位块25穿过主轴24固定在右定位板20与右套筒26之间，右套筒26穿过主轴24右端与右定位块25轴向固定，传感器支架40通过支架螺栓45固定在支架安装座30上，径向位移传感器41通过径向传感器螺母42固定在传感器支架40上，右压紧套39固定在主轴24中间段右侧，硅钢片转子37轴向固定在左压紧套36与右压紧套39之间，套在主轴24上并且径向固定在转子保护套38与主轴24之间，转子保护套38套在硅钢片转子37且固定在左压紧套36与右压紧套39之间。

如图4所示,压缩机叶轮2、左六角螺母3、左定位板5、左定位块35、左浮面10、径向浮面34、右浮面12、左压紧套36、硅钢片转子37、转子保护套38、右压紧套39、右套筒26、右定位块25、右定位板20、涡轮机叶轮22、右六角螺母21轴向定位在主轴24上，并且随着主轴24一起转动。

如图5所示，本发明的径向位移传感器41设有两个，并且两个相互垂直安装在传感器支架40上，用来检测主轴24在转动过程中的径向偏移，并由传感器信号转送给右动力磁轴承31、左动力磁轴承32，动力磁轴承通过改变悬浮绕组的电流大小来进行径向位移控制调节。

如图6、图7所示，气膜力由H型动压气体轴承和径向动压气轴承29通过动压效应共同产生支承作用，H型动压气体有H型动压气轴承由左浮面10、右浮面12，径向浮面34构成，并且左浮面10、右浮面12，径向浮面34、径向动压气轴承29表面均设有多个楔形气腔46，多个楔形气腔46等间隔螺旋布置，气体通过主轴24的转动将气体带入左浮面10、右浮面12的楔形气腔46中以此来通过气体动压效应形成一层完整的气膜作用在推力盘11进行轴向调节，气体通过主轴24的转动将气体带入径向浮面34和径向动压气轴承29的楔形气腔46中产生气膜作用在左浮环33、右浮环27之间形成第一层径向气膜力。

具体工作方式为：

H型动压气体轴承和径向动压气轴承29根据主轴的转动特性，不同转速自动产生不同的力，径向浮面34和推力盘11之间产生一层气膜，并且由于气体的粘滞性作用产生切向力会使左浮环33转动，随着左浮环33的转动，左浮环33和主轴24之间产生第二层气膜，径向动压气轴承29和右浮环27之间产生一层气膜，并且由于气体的粘滞性会使右浮环27转动，右浮环27和右套筒26之间产生第二层气膜，两层气膜增大了对主轴24的承载能力。右动力磁轴承31和左动力磁轴承32即提供转矩又提供悬浮力，起主要径向调节作用和径向支撑作用，径向动压气轴承29和右浮环27、H型动压气体轴承的径向浮面34和左浮环33的组合起径向辅助支撑作用，下面为各个工况的具体工作方式。

当处于刚启动状态时，燃料电池系统也刚启动，此时没有多余的热量产生，此时左浮环33、右浮环27及H型动压气轴承、径向动压气轴承29还未达到支承效应，右动力磁轴承31和左动力磁轴承32工作产生悬浮力，使主轴24悬浮起来，避免冷启动时产生机械碰撞摩擦现象，同时右动力磁轴承31和左动力磁轴承32工作产生转矩带动主轴24旋转，主轴24旋转带动压缩机叶轮2转动，将空气从无叶式扩压管7增压吸入燃料电池系统中，燃料电池系统工作产生热量，当速度到达一定时，气体动压轴承和左浮环33、右浮环27产生的悬浮力达到支承临界点，此时H型动压气轴承和径向动压气轴承29和左浮环33、右浮环27开始启动辅助支承工作。当处于稳速工况时，右动力磁轴承31和左动力磁轴承32仅起径向控制支承调节作用，不提供转矩，燃料电池系统正常工作产生热量进入涡轮机壳体28，热量从出气道23排出推动涡轮机叶轮22转动，涡轮机叶轮22带动主轴24转动，主轴24带动压缩机叶轮2转动，空气由压缩机叶轮2从进气道4吸入燃料电池系统里，H型动压气轴承和径向动压气轴承29配合左浮环33、右浮环27通过不同的转速产生不同的悬浮力对主轴的偏移自动调节。当处于急速或者加速的工况下，右动力磁轴承30和左动力磁轴承31工作产生转矩辅助主轴24旋转，以此来弥补主轴24转速不足，保证压缩机叶轮2可以吸入足量的空气到燃料电池系统中满足变速工况的需求，使空压机可以实现调节的时效性。H型动压气轴承和径向动压气轴承29配合左浮环33、右浮环27产生双层气膜在各个工况下起到超高速工况下稳定辅助支承的作用，H型动压气轴承的左浮面10和右浮面12产生轴向推力使主轴24在轴向稳定，H型动压气轴承的径向浮面34配合左浮环33和径向动压气轴承29配合右浮环27形成双层气膜产生径向推力辅助右动力磁轴承31、左动力磁轴承32控制在径向稳定。径向位移传感器41实时检测主轴24径向位移并反馈给右动力磁轴承31和左动力磁轴承32，通过控制动力磁轴承31和左动力磁轴承32的绕组电流的大小改改变悬浮力的大小使其对径向进行径向主要控制。

Claims (6)

1.一种动压浮环和磁轴承支承燃料电池空压机主轴结构，包括中间壳体，分别固定在中间可以左、右两端的压气机壳体、涡轮机壳体，支撑在中间壳体内的主轴，分别固定在主轴两端的压缩机叶轮和涡轮机叶轮，其特征在于，

所述主轴靠近压气机壳体端通过H型动压气轴承支撑，靠近涡轮机叶轮端通过径向动压气轴承支撑；中间通过两个动力磁轴承支撑；

所述H型动压气轴承与主轴之间依次设有左浮环和径向浮面；H型动压气轴承上固定有推力盘；主轴转动时，径向浮面和推力盘之间、左浮环与主轴之间均产生气膜；

所述径向动压气轴承与主轴之间设有右浮环，主轴转动时，径向动压气轴承和右浮环之间、右浮环和主轴之间均产生气膜；

所述动力磁轴承用于启动状态时产生悬浮力，带动压缩机叶轮转动，并在变速状态下产生转矩辅助主轴旋转，将空气增压吸入燃料电池系统中；

所述H型动压气轴承和径向动压气轴承用于产生悬浮力以支撑轴承，并对主轴的偏移进行调节；

H型动压气轴承的径向浮面配合左浮环、径向动压气轴承配合右浮环形成双层气膜产生径向推力辅助动力磁轴承进行径向调节。

2.根据权利要求1所述的动压浮环和磁轴承支承燃料电池空压机主轴结构，其特征在于，所述H型动压气轴承包括左浮面、径向浮面、右浮面；左径向浮面设置在左浮面和右浮面之间。

3.根据权利要求2所述的动压浮环和磁轴承支承燃料电池空压机主轴结构，其特征在于，左浮面、径向浮面、右浮面、径向动压气轴承表面设有均匀分布的多个楔形气腔，多个楔形气腔螺旋布置。

4.根据权利要求1所述的动压浮环和磁轴承支承燃料电池空压机主轴结构，其特征在于，所述中间壳体内设有检测模块，用以实时检测主轴的径向位移，并反馈给动力磁轴承进行径向调节。

5.根据权利要求4所述的动压浮环和磁轴承支承燃料电池空压机主轴结构，其特征在于，所述两个动力磁轴承之间、动力磁轴承与对应侧的推力盘之间、动力磁轴承与检测模块之间均设有隔套。

6.根据权利要求4所述的动压浮环和磁轴承支承燃料电池空压机主轴结构，其特征在于，所述检测模块包括支架安装座、传感器支架、位移传感器；所述支架安装座固定在隔套与径向动压气轴承之间，传感器支架固定在支架安装座上，径向位移传感器固定在传感器支架上，两个位移传感器相互垂直布置。

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