CN115189496A - 一种超高速转子及超高速氢气循环泵 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超高速转子及超高速氢气循环泵，涉及氢燃料电池发动机技术领域。其中，超高速转子包括转轴、套在所述转轴外并与所述转轴固定的磁环及套在所述磁环外部并与所述磁环固定的保护套，所述磁环包括多个磁瓣，每个磁瓣均自所述磁环的一端延伸至另一端，所述磁瓣具有两个侧壁、一第一弧形面和与第一圆弧相对的一第二弧形面，所有磁瓣的第一弧形面共同构成磁环的外圆周面，所有磁瓣的第二弧形面共同构成磁环的内圆周面，相邻的磁瓣的侧壁通过第一粘接胶粘接在一起。本发明的超高速转子可以克服现有的转子产生涡流损耗或者易损坏的缺点。超高速氢气循环泵中的转子采用上述超高速转子，应用于氢燃料电池发动机。
Description
技术领域
本发明涉及氢燃料电池发动机技术领域，特别是一种超高速转子及超高速氢气循环泵。
背景技术
氢气循环泵是氢燃料电池发动机的关键零部件，发挥着提高燃料利用率、确保氢安全(氢气溢出在外界环境中引起不安全因素)等重要作用。随着60kW及以上电堆的大流量氢气循环泵的需求的不断增加，离心式氢气循环泵成了氢气循环泵的发展趋势。不同于爪式、涡旋、罗茨等容积泵，离心式氢气循环泵具有体积小、功耗低、效率更高，主动控制流量的优点；并同时具备超高速额定运行转速的特性。不同于高速电机和一般转速电机，超高速运行的电机的额定转速一般在10万转每分左右，其磁环容易在周向产生环流导致涡流损耗。另外，离心式氢气循环泵的体积小，转速高，而磁环的强度低于转轴和磁环保护套，在高速旋转时易因离心力和局部应力而发生碎裂，多采用表贴式磁钢结构（磁环），即在转子本体的表面贴设磁体，这种结构的磁体会承受很大的离心力，常规的操作是在磁环外径侧套一个保护套，但在高温超高速的运行状态下，磁环受到径向的离心力及碳纤维套施加的作用力，磁环内部也会有周向的应力，磁环的强度远远低于转轴和保护套，在上述各种力的作用下，磁环容易发生局部碎裂。同时，现有的保护套有的采用不锈钢套，而这种金属环形套会产生环流从而产生涡流损耗，导致转子在运行过程中持续发热，甚至导致定子绕组绝缘的高温失效和转子磁钢退磁失效的结果。有的保护套选用碳纤维套，碳纤维套可以解决掉不锈钢套产生大量涡流损耗发热的问题，但是碳纤维套在转子超高速运行的过程中，与定转子气隙中的空气摩擦，存在个别运行过程中碳纤维层剥落的问题。
有的转子则在金属本体的内部嵌设磁体，但这种结构需要在转子本体内开槽，导致转子的结构复杂、电机功率密度降低，而且，即使如此，也仍无法避免转子在告诉旋转部时转子本体对磁体产生的作用力对磁体造成损坏。
发明内容
本发明提供一种超高速转子，可以克服现有的转子产生涡流损耗或者易损坏的缺点。
本发明的超高速转子，包括转轴、套在所述转轴外并与所述转轴固定的磁环及套在所述磁环外部并与所述磁环固定的保护套，所述磁环包括多个磁瓣，每个磁瓣均自所述磁环的一端延伸至另一端，所述磁瓣具有两个侧壁、一第一弧形面和与第一圆弧相对的一第二弧形面，所有磁瓣的第一弧形面共同构成磁环的外圆周面，所有磁瓣的第二弧形面共同构成磁环的内圆周面，相邻的磁瓣的侧壁通过第一粘接胶粘接在一起。
作为优选，所述磁环包括两个所述磁瓣，在所述磁环的同一端两个所述磁瓣的极性相反。
作为优选，所述磁环包括四个所述磁瓣，在所述磁环的同一端，每个磁瓣的磁极和与其相邻的磁瓣的磁极的极性相反。
作为优选，所有磁瓣的形状相同、尺寸相同且重量相同，所述磁瓣的两个侧壁均沿所述磁环的径向延伸。
作为优选，所述第一粘接胶为环氧绝缘胶。
作为优选，所述磁环与所述转轴通过第二粘接胶粘接在一起，所述第二粘接胶为混合有弹性定位颗粒的绝缘环氧胶。
作为优选，所述转轴的长度和直径的比值不高于2.5，所述转轴采用陶瓷转轴。
作为另一种优选，所述转轴的长度和直径的比值高于2.5，所述转轴采用表面经防氢处理的硬度大于或等于56HRC的材料，所述转轴的轴承采用混合陶瓷轴承。
作为优选，所述保护套包括套在所述转轴外的碳纤维套和套在所述碳纤维套外并与所述碳纤维套固定的金属套。作为进一步优选，所述金属套的厚度为0.1~0.3mm。
作为优选，所述转子还包括两个隔磁挡，两个隔磁挡一一对应地位于所述磁环两端，两个所述隔磁挡的重量相同、形状相同、体积相同，所述隔磁挡为环形，所述隔磁挡的一个侧壁与所述磁环之间、所述隔磁挡的外圆周壁与保护套的内壁之间和所述隔磁挡的内圆周壁与转轴的外壁之间密封粘接。作为进一步的优选，所述隔磁挡的侧壁与所述磁环之间、所述隔磁挡的外圆周壁与保护套的内壁之间和所述隔磁挡的内圆周壁与转轴的外壁之间通过硅酮密封胶密封粘接。
本发明还提供一种超高速氢气循环泵，包括壳体、固定于壳体内的筒形的定子及可相对于定子旋转的转子，所述转子位于所述定子的筒形内，其特征在于，所述转子为权利要求1-12中任一项所述的转子，所述转子的两端与所述定子的两端对齐或者转子的长度大于所述定子的长度且转子的两端相对于所述定子对称。
本发明的超高速转子及超高速氢气循环泵与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明的超高速转子的磁环由多个磁瓣粘接构成，相邻的磁瓣之间通过第一粘接胶粘接，可避免现有的整个一体成形的磁环在周向产生环流而导致涡流损耗的问题。同时，在高速旋转时，磁环受到的离心力、保护套的作用和周向的局部应力会被磁瓣之间的粘接胶吸收，因而磁环不容易发生局部碎裂的情况。
2、转子的磁环与转轴通过第二粘接胶粘接在一起，第二粘接胶为混合有弹性定位颗粒的环氧胶。在磁环装配时，该弹性颗粒可以保证转子磁环的径向同轴度；在转子高速旋转时，转轴对磁环施加的力通过第二粘接胶吸收，弹性定位颗粒具有弹性可进一步缓冲和吸收径向的作用力，因此，可减少磁环的内圆周面及内圆周面附近局部碎裂的风险。
3、转子的保护套包括套在转轴外的碳纤维套和套在碳纤维套外并与碳纤维套固定的金属套。碳纤维套可解决掉不锈钢套产生大量涡流损耗发热的问题，金属套可防止碳纤维套在转子超高速运行的过程中，与定转子气隙中的空气摩擦进而发生碳纤维层剥落的问题。
附图说明
图1为本发明一实施例的超高速转子的左视方向的结构示意图。
图2为本发明一实施例的超高速转子图1中的A-A线剖开后的结构示意图。
图3为图2中B部分的放大结构示意图。
图4为本发明一实施例的超高速转子的磁环的结构示意图。
附图标记
1转轴，2磁环，21磁瓣,22第一粘接胶,3第二粘接胶,4保护套,41碳纤维套,42金属套，5隔磁挡，6硅酮密封胶。
具体实施方式
本发明提供一种超高速转子，在本实施例中用于超高速氢气循环泵，其电机的额定转速一般在10万转每分左右。如图1和图2所示，超高速转子包括转轴1、套在转轴1外并与转轴1固定的磁环2及套在磁环2外部并与所述磁环2固定的保护套4，如图4所示，所述磁环2包括多个磁瓣，每个磁瓣均自所述磁环2的一端延伸至另一端，所述磁瓣21具有两个侧壁、一第一弧形面和与第一圆弧对应的一第二弧形面，所有磁瓣21的第一弧形面共同构成磁环2的外圆周面，所有磁瓣21的第二弧形面共同构成磁环2的内圆周面，相邻的磁瓣21的侧壁通过第一粘接胶22粘接在一起。
本发明的超高速转子的磁环2由多个磁瓣21构成，相邻的磁瓣21之间通过第一粘接胶22粘接，可避免现有的整个一体成形的磁环2在周向产生环流而导致涡流损耗的问题。同时，在高速旋转时，磁环2受到的离心力、保护套4的作用力和周向（与第一粘接胶垂直）的局部应力会被磁瓣21之间的第一粘接胶吸收，因而磁环2不容易发生局部碎裂的情况。
在本实施例中，如图4所述磁环2包括四个磁瓣21，在磁环2的同一端，每个磁瓣21的磁极和与其相邻的磁瓣21的磁极的极性相反。在本实施例中，所有磁瓣21的形状相同、尺寸相同且重量相同，每个磁瓣21的两个侧壁均沿磁环的径向延伸，在本实施例中，采用毫克精度等级的称对磁瓣21的质量逐个测量，保证每个瓷瓣21的质量的精度，从而保证所有瓷瓣21的质量保持高精度地相同。所述第一粘接胶22为环氧绝缘胶，即在本实施例中，相邻的磁瓣21之间通过环氧绝缘胶粘接在一起，可以通过不同颜色的环氧绝缘胶来对磁瓣21的极性进行标记。在本实施例中，磁瓣由模压钕铁硼或烧结钕铁硼制成。在另一个实施例中（图中未示出），所述磁环包括两个磁瓣，在磁环的同一端两个磁瓣的极性相反，两个磁瓣大小和形状均相同，磁瓣的两个侧壁均沿磁环的径向延伸。
在本实施例中，所述磁环2与转轴1通过第二粘接胶3粘接在一起。具体的，所述第二粘接胶3为混合有弹性定位颗粒的绝缘环氧胶，弹性定位颗粒一方面可以弥补转轴1与磁瓣21之间的间隙，保证磁瓣21的径向定位。在转子高速旋转时，转轴1对磁环2施加的力通过第二粘接胶3吸收，弹性定位颗粒具有弹性可进一步缓冲和吸收径向的作用力，因此可减少磁环2发生局部碎裂的风险。弹性定位颗粒在本实施例中为弹性定位珠。
在本实施例中，转轴1采用陶瓷材料或表面经防氢处理的高硬度材料制成，挡所述转轴的长度和直径的比值不高于2.5时，所述高硬度是指其洛氏硬度达到56HRC及以上，优选为56-60HRC。当转轴1的长度和直径的比值不高于2.5时，优选采用陶瓷转轴1，既绝缘又不导磁，可以防止轴电流，使轴承避免了因轴电流而产生的点蚀，同时陶瓷转轴1也不会产生涡流损耗，陶瓷的热膨胀系数小，转子不会因为温度的影响而伸长过多，对泵的叶轮与轮背的密封和转子磁中心的对中产生有利的影响。当转轴的长度和直径的比值高于2.5时，所述转轴采用表面经防氢处理的洛氏硬度大于或等于56HRC的材料，所述转轴的轴承采用混合陶瓷轴承，混合陶瓷轴承是现有的轴承。
如图3所示，在本实施例中，所述保护套4包括套在所述转轴1外的碳纤维套41和套在所述碳纤维套41外并与所述碳纤维套41固定的金属套42。碳纤维套41可解决掉不锈钢套产生大量涡流损耗发热的问题，金属套42可防止碳纤维套41在转子超高速运行的过程中，与定转子气隙中的空气摩擦进而发生碳纤维套41剥落的问题。与现有方案的磁环2外固定的不绣钢是用来对磁环2进行保护的作用不同，本发明中的金属套42的作用是对碳纤维套41进行保护。在本实施例中，金属套42先被加热，然后套在碳纤维套41外，冷却后，金属套42与碳纤维套41之间形成过盈配合。
所述金属套42的厚度优选为0.1~0.3mm，为现有方案中的金属套42的厚度的十分之一，不容易产生产生涡流损耗，或者说产生的涡流损耗非常小。在本实施例中金属套42选用不绣钢套。
如图2所示，所述转子还包括两个隔磁挡5，两个隔磁挡5一一对应地位于所述磁环2两端，所述隔磁挡5为环形，在本实施例中，隔磁挡5为环形的片状，采用不导磁金属材料制成。所述隔磁挡5的一个侧壁与所述磁环2之间、所述隔磁挡5的外圆周壁与保护套4的内壁之间、所述隔磁挡5的内圆周壁与转轴1的外壁之间及磁环2的外壁与保护套4的内壁之间均通过密封粘接。隔磁挡5与保护套4一起将磁环2与氢气隔开，防止氢气对磁环2产生腐蚀。在本实施例中，所述隔磁挡5的侧壁与所述磁环2之间、所述隔磁挡5的外圆周壁与保护套4的碳纤维套41内壁之间和所述隔磁挡5的内圆周壁与转轴1的外壁之间通过硅酮密封胶6密封粘接。
本发明还提供一种超高速氢气循环泵（图中未示出），为离心式泵，用于氢燃料电池发动机，超高速氢气循环泵包括壳体、固定于壳体内的筒形的定子及可相对于定子旋转的转子，其中的转子的结构如上所述。所述转子位于所述定子的筒形内，所述转子的两端与所述定子的两端对齐或者转子的长度大于所述定子的长度且转子的两端相对于所述定子对称。转轴1一端通过固定轴承与壳体安装，另一端通过浮动轴承与壳体安装，超高速氢气循环泵运行时，转轴1会受热轴向伸长，从而会带动转子发生小幅位移，为了防止定子的一端没有转子与其相对，因此可使得转子的长度大于定子的长度，且转子的两端相对于所述定子对称。如此，即使转子的一端发生轴向位移，仍可保证定子在该端与转子相对。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出的各种修改或等同替换也落在本发明的保护范围内。
Claims (13)
1.一种超高速转子，其特征在于，包括转轴、套在所述转轴外并与所述转轴固定的磁环及套在所述磁环外部并与所述磁环固定的保护套，所述磁环包括多个磁瓣，每个磁瓣均自所述磁环的一端延伸至另一端，所述磁瓣具有两个侧壁、一第一弧形面和与第一圆弧相对的一第二弧形面，所有磁瓣的第一弧形面共同构成磁环的外圆周面，所有磁瓣的第二弧形面共同构成磁环的内圆周面，相邻的磁瓣的侧壁通过第一粘接胶粘接在一起。
2.根据权利要求1所述的超高速转子，其特征在于，所述磁环包括两个所述磁瓣，在所述磁环的同一端两个所述磁瓣的极性相反。
3.根据权利要求1所述的超高速转子，其特征在于，所述磁环包括四个所述磁瓣，在所述磁环的同一端，每个磁瓣的磁极和与其相邻的磁瓣的磁极的极性相反。
4.根据权利要求1所述的超高速转子，其特征在于，所有磁瓣的形状相同、尺寸相同且重量相同，所述磁瓣的两个侧壁均沿所述磁环的径向延伸。
5.根据权利要求1所述的超高速转子，其特征在于，所述第一粘接胶为环氧绝缘胶。
6.根据权利要求1所述的超高速转子，其特征在于，所述磁环与所述转轴通过第二粘接胶粘接在一起，所述第二粘接胶为混合有弹性定位颗粒的绝缘环氧胶。
7.根据权利要求1所述的超高速转子，其特征在于，所述转轴的长度和直径的比值不高于2.5，所述转轴采用陶瓷转轴。
8.根据权利要求1所述的超高速转子，其特征在于，所述转轴的长度和直径的比值高于2.5，所述转轴采用表面经防氢处理的硬度大于或等于56HRC的材料，所述转轴的轴承采用混合陶瓷轴承。
9.根据权利要求1所述的超高速转子，其特征在于，所述保护套包括套在所述转轴外的碳纤维套和套在所述碳纤维套外并与所述碳纤维套固定的金属套。
10.根据权利要求9所述的超高速转子，其特征在于，所述金属套的厚度为0.1~0.3mm。
11.根据权利要求1所述的超高速转子，其特征在于，所述转子还包括两个隔磁挡，两个隔磁挡一一对应地位于所述磁环两端，两个所述隔磁挡的重量相同、形状相同、体积相同，所述隔磁挡为环形，所述隔磁挡的一个侧壁与所述磁环之间、所述隔磁挡的外圆周壁与保护套的内壁之间和所述隔磁挡的内圆周壁与转轴的外壁之间密封粘接。
12.根据权利要求11所述的超高速转子，其特征在于，所述隔磁挡的侧壁与所述磁环之间、所述隔磁挡的外圆周壁与保护套的内壁之间和所述隔磁挡的内圆周壁与转轴的外壁之间通过硅酮密封胶密封粘接。
13.一种超高速氢气循环泵，包括壳体、固定于壳体内的筒形的定子及可相对于定子旋转的转子，所述转子位于所述定子的筒形内，其特征在于，所述转子为权利要求1-12中任一项所述的转子，所述转子的两端与所述定子的两端对齐或者转子的长度大于所述定子的长度且转子的两端相对于所述定子对称。
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