CN115596808B - 一种转子、空压机及燃料电池系统 - Google Patents

一种转子、空压机及燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种转子、空压机及燃料电池系统，涉及燃料电池领域。转子包括悬伸轴段、磁钢、磁钢护套和减振器；减振器嵌于磁钢护套内，及位于悬伸轴段与磁钢之间，减振器包括磁铁、导电件和第一弹性件；导电件位于磁铁沿磁钢护套径向的一侧，以形成电涡流阻尼结构；第一弹性件可沿磁钢护套的径向形变，导电件或磁铁与第一弹性件相连，以形成第一动力吸振结构，且第一动力吸振结构的固有频率与转子的第三阶临界转速相近。当转子的转速在第三阶临界转速附近时，第一动力吸振结构将发生显著的振动。此时，导电件与磁铁之间发生相对位移，从而通过电涡流效应将减振器获得的动能以热能的形式耗散掉，减弱转子的振动幅度，避免转子动力学指标超差。

Description

一种转子、空压机及燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种转子、空压机及燃料电池系统。
背景技术
氢燃料电池空压机是氢燃料电池系统的核心零部件之一。由于氢燃料电池系统的电堆要求参与反应的空气必须清洁无油，故空压机广泛采用箔片动压空气轴承来支撑高速旋转的转子。
现有的两级增压空压机的转子-轴承系统如图1所示，由叶轮20、推力盘40、悬伸轴段100、磁钢200、磁钢护套300、锁紧螺母30和箔片动压空气轴承50组成。其中，悬伸轴段100、磁钢200和磁钢护套300共同构成转子10，且磁钢200嵌于磁钢护套300中部，悬伸轴段100则成对嵌设在磁钢护套300两端，与磁钢护套300之间过盈配合或者焊接固定。
为了减少转子-轴承系统在运行过程中的振动幅值，现有的小功率空压机（15KW左右）均采用粗壮短小的转子结构，以此来提高转子-轴承系统的临界转速，使得转子-轴承系统除前两阶刚体模态之外对应的临界转速远远落在运行转速范围之外。但在实际应用过程中，转子-轴承系统第三阶模态（叶轮振动为主）对应的临界转速仅仅略高出空压机运行转速，在空压机超速运行的情况下仍然有发生共振的风险。
此外，对于额定功率30KW~40KW的大功率空压机而言，根据气动设计原理，其转速更高，则叶轮结构更加细长。此时，转子-轴承系统第三阶模态对应的临界转速将大概率落入空压机运行转速范围内，在空压机正常运行时也可能发生共振。
当空压机运行转速与转子-轴承系统第三阶临界转速相近或者一致而导致发生共振时，箔片动压空气轴承能够提供的阻尼较小，不能迅速消耗转子-轴承系统的动能，无法有效减振，导致空压机将遇到转子动力学指标超差的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的之一是提供一种转子。
本发明提供如下技术方案：
一种转子，包括悬伸轴段、磁钢、磁钢护套和减振器；
所述减振器嵌于所述磁钢护套内，及位于所述悬伸轴段与所述磁钢之间，所述减振器包括磁铁、导电件和第一弹性件；
所述磁铁设有至少两个，所述磁铁沿所述磁钢护套的周向或者轴向排列，所述磁铁的磁化方向为所述磁钢护套的径向，且相邻两个所述磁铁的磁化方向相反；
所述导电件位于所述磁铁沿所述磁钢护套径向的一侧，以形成电涡流阻尼结构；
所述第一弹性件可沿所述磁钢护套的径向形变，所述导电件或所述磁铁与所述第一弹性件相连，以形成第一动力吸振结构；
其中，记所述第一动力吸振结构的固有频率为aHz，记所述转子的第三阶临界转速为br/s，a与b的比值范围为75%~125%。
作为对所述转子的进一步可选的方案，所述磁铁与所述第一弹性件相连，以形成所述第一动力吸振结构；
所述减振器还包括第二弹性件，所述第二弹性件可沿所述磁钢护套的径向形变；
所述导电件与所述第二弹性件相连，以形成第二动力吸振结构；
其中，记所述第二动力吸振结构的固有频率为cHz，记所述转子的第四阶临界转速为dr/s，c与d的比值范围为75%~125%。
作为对所述转子的进一步可选的方案，所述第一弹性件包括支撑外环、导磁内环和连接部；
所述支撑外环和所述导磁内环均沿所述磁钢护套的周向设置，所述支撑外环的外壁与所述磁钢护套的内壁贴合，所述支撑外环的内壁通过所述连接部与所述导磁内环的外壁连接，所述连接部可沿所述磁钢护套的径向和周向形变；
所述磁铁固定于所述导磁内环的内壁。
作为对所述转子的进一步可选的方案，所述第二弹性件成对设置在所述第一弹性件沿所述磁钢护套轴向的两端，所述导电件穿过所述导磁内环，所述导电件的两端分别连接所述第二弹性件。
作为对所述转子的进一步可选的方案，所述导电件包括导磁柱和导体层，所述导磁柱的轴线与所述磁钢护套的轴线重合，所述导磁柱的两端分别连接所述第二弹性件，所述导体层套设于所述导磁柱。
作为对所述转子的进一步可选的方案，所述第二弹性件为隔磁板，所述隔磁板垂直于所述导磁柱设置，所述隔磁板具有弹性支撑部，所述弹性支撑部可沿所述磁钢护套的径向形变，所述弹性支撑部上设有可供所述导磁柱末端嵌入的安装槽。
作为对所述转子的进一步可选的方案，所述连接部包括交替设置的径向连接段和周向连接段，所述径向连接段沿所述磁钢护套的径向设置，所述周向连接段沿所述磁钢护套的周向设置。
作为对所述转子的进一步可选的方案，所述磁铁沿所述磁钢护套的周向排列。
本发明的另一目的是提供一种空压机。
本发明提供如下技术方案：
一种空压机，包括上述转子。
本发明的又一目的是提供一种燃料电池系统。
本发明提供如下技术方案：
一种燃料电池系统，包括上述空压机。
本发明的实施例具有如下有益效果：
减振器嵌于磁钢护套内，并位于悬伸轴段与磁钢之间，作为转子的一部分。由于第一动力吸振结构的固有频率与转子的第三阶临界转速相近，故当转子的转速在第三阶临界转速附近时，第一动力吸振结构将发生显著的振动。此时，导电件与磁铁之间发生相对位移，从而通过电涡流效应将减振器获得的动能以热能的形式耗散掉，减弱转子的振动幅度，避免转子动力学指标超差。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显和易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了现有的两级增压空压机的转子-轴承系统的结构示意图；
图2示出了本发明实施例提供的一种转子的整体结构示意图；
图3示出了本发明实施例提供的一种转子的内部结构示意图；
图4示出了本发明实施例提供的一种转子中减振器的爆炸示意图；
图5示出了本发明实施例提供的一种转子中减振器的内部结构示意图；
图6示出了本发明实施例提供的一种转子中部分磁铁的磁极排列关系示意图；
图7示出了本发明实施例提供的一种空压机的部分结构示意图。
主要元件符号说明：
10-转子；20-叶轮；30-锁紧螺母；40-推力盘；50-箔片动压空气轴承；
100-悬伸轴段；200-磁钢；300-磁钢护套；400-减振器；410-磁铁；420-导电件；421-导磁柱；422-导体层；430-第一弹性件；431-支撑外环；432-导磁内环；433-连接部；433a-径向连接段；433b-周向连接段；440-第二弹性件；441-弹性支撑部；442-安装槽。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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，而不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在模板的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例
请一并参阅图2和图3，本实施例提供一种转子10，具体为一种含二重动力减振器的燃料电池空压机转子，该转子10由悬伸轴段100、磁钢200、磁钢护套300和减振器400组成。
其中，磁钢护套300呈圆筒状。磁钢200和减振器400均嵌于磁钢护套300内，悬伸轴段100则成对嵌设在磁钢护套300两端，且减振器400位于悬伸轴段100与磁钢200之间。
在一些实施例中，减振器400成对设置在磁钢200沿磁钢护套300轴向的两端，即两个悬伸轴段100与磁钢200之间均设有减振器400。
在另一些实施例中，减振器400也可以仅设置在其中一个悬伸轴段100与磁钢200之间。
请一并参阅图4和图5，具体地，减振器400包括磁铁410、导电件420和第一弹性件430。
磁铁410设有至少两个，且各个磁铁410沿磁钢护套300（参阅图3）的周向或者轴向排列。此外，各个磁铁410的磁化方向均为磁钢护套300的径向，且相邻两个磁铁410的磁化方向相反。
请结合图6，其中，相邻两个磁铁410的磁化方向相反是指，当其中一个磁铁410指向磁钢护套300轴心的一端为S极时，与之相邻的磁铁410指向磁钢护套300轴心的一端为N极。
请再次参阅图4和图5，导电件420位于磁铁410沿磁钢护套300径向的一侧，配合磁铁410形成电涡流阻尼结构，具体为板式电涡流阻尼结构。
在一些实施例中，导电件420位于磁铁410沿磁钢护套300径向的内侧。
在另一些实施例中，导电件420也可以布置在磁铁410沿磁钢护套300径向的外侧。
第一弹性件430可沿磁钢护套300的径向形变，且第一弹性件430与导电件420或者磁铁410相连，以此形成第一动力吸振结构。
其中，与第一弹性件430连接的导电件420或者磁铁410用作第一动力吸振结构的质量元件。此外，记第一动力吸振结构的固有频率为aHz，记转子10的第三阶临界转速为br/s，a与b的比值范围为75%~125%。
转子10的第三阶临界转速为br/s，即转子10在一秒内发生了b次转动，也可以理解为转子10第三阶临界转速对应的转动频率为bHz。
在转子动力学领域，一般将靠近转子10临界转速上下25%的转速区间称为共振转速区间。在a与b的比值范围为75%~125%的前提下，第一动力吸振结构将在转子10第三阶临界转速对应的共振转速区间内发生共振。
可选地，a与b的比值范围可以是75%、100%和125%当中的任意一个。
当转子10旋转时，减振器400嵌于磁钢护套300内，作为转子10的一部分，其运动状态与整个转子10的运动状态一致。由于第一动力吸振结构的固有频率与转子10的第三阶临界转速相近，故当转子10的转速在第三阶临界转速附近时，第一动力吸振结构将发生显著的振动。此时，导电件420与磁铁410之间发生相对位移，从而通过电涡流效应将减振器400获得的动能以热能的形式耗散掉，减弱转子10的振动幅度，避免转子10动力学指标超差。
进一步地，减振器400还包括第二弹性件440，且第二弹性件440同样可以沿磁钢护套300的径向形变。
此外，磁铁410与第一弹性件430相连，形成第一动力吸振结构，且磁铁410用作第一动力吸振结构的质量元件。导电件420与第二弹性件440相连，形成第二动力吸振结构，且导电件420用作第二动力吸振结构的质量元件。
其中，记第二动力吸振结构的固有频率为cHz，记转子10的第四阶临界转速相近为dr/s，c与d的比值范围为75%~125%。
类似地，在c与d的比值范围为75%~125%的前提下，第二动力吸振结构将在转子10第四阶临界转速对应的共振转速区间内发生共振。
可选地，c与d的比值范围可以是75%、100%和125%当中的任意一个。
类似地，故当转子10的转速在第四阶临界转速附近时，第二动力吸振结构将发生显著的振动。此时，导电件420与磁铁410之间发生相对位移，从而通过电涡流效应将减振器400获得的动能以热能的形式耗散掉，同样能够减弱转子10的振动幅度，避免转子10动力学指标超差。
在本实施例中，第一弹性件430、磁铁410和导电件420沿磁钢护套300的径向由外至内依次排列，第二弹性件440则成对设置在第一弹性件430沿磁钢护套300轴向的两端，从而形成圆柱状的减振器400。
在一些实施例中，第一弹性件430由支撑外环431、导磁内环432和连接部433组成。
其中，支撑外环431和导磁内环432均为刚性结构，并沿磁钢护套300的周向设置。在不受力的情况下，支撑外环431的轴线、导磁内环432的轴线与磁钢护套300的轴线重合。
此外，支撑外环431的外壁与磁钢护套300的内壁贴合，支撑外环431的内壁通过连接部433与导磁内环432的外壁连接。
相应地，连接部433为弹性材质，用于调节第一动力吸振结构的系统刚度，并可沿磁钢护套300的径向和周向形变。
磁铁410固定设置在导磁内环432的内壁上，与导磁内环432一起沿磁钢护套300的径向相对于磁钢护套300振动。
在一些实施例中，连接部433由交替设置的径向连接段433a和周向连接段433b组成。其中，径向连接段433a沿磁钢护套300的径向设置，周向连接段433b则沿磁钢护套300的周向设置。
此外，连接部433的两端均为径向连接段433a，以分别连接支撑外环431的内壁和导磁内环432的外壁。
在一些实施例中，各个磁铁410沿磁钢护套300的周向排列。
在另一些实施例中，磁铁410也可以沿磁钢护套300的轴向排列，呈环形或者扇环形结构。
可选地，磁铁410的数量为12个。此外，各个磁铁410均为永磁体，其横截面呈瓦片状，在加工时沿自身径向充磁。
具体地，导电件420穿过导磁内环432，且导电件420沿磁钢护套300的一端与其中一个第二弹性件440连接，另一端则与另一个第二弹性件440连接，各个磁铁410环绕导电件420分布。
在一些实施例中，导电件420由导磁柱421和导体层422组成。
其中，导磁柱421呈圆柱状，其轴线与磁钢护套300的轴线重合，导磁柱421的两端分别连接第二弹性件440。导体层422采用铜或者其它电的良导体制成，并套设在导磁柱421上。
由于导磁柱421和导磁内环432均由导磁材料（如铁质材料）制成，故能够对磁铁410产生的磁场形成收束，起到引导磁路走向的作用。将上述导磁内环432、磁铁410、导体层422和导磁柱421沿磁钢护套300的周向展平，即为板式电涡流阻尼结构。
进一步地，第二弹性件440为隔磁板，采用隔磁材料（如不导磁的奥氏体不锈钢、钛合金等）制成。隔磁板垂直于导磁柱421设置，隔磁板的外周与支撑外环431卡接，并配合导磁内环432和导磁柱421将磁铁410产生的磁场约束在导体层422附近。
此外，隔磁板朝向导磁柱421的一侧中部凸设有弹性支撑部441。弹性支撑部441呈圆筒状设置，并与隔磁板一体成型，弹性支撑部441的内围形成可供导磁柱421末端嵌入的安装槽442。弹性支撑部441为薄壁结构，可沿磁钢护套300的径向形变。
在一些实施例中，还可以在弹性支撑部441上开孔，形成镂空结构，以增强弹性支撑部441的变形能力。
制作上述减振器400时，先将磁铁410固定在第一弹性件430中导磁内环432的内壁上，然后将其中一个第二弹性件440与第一弹性件430中支撑外环431的一端连接，再将导电件420插入各个磁铁410之间的空心区域，并使导电件420中导磁柱421的一端插入第二弹性件440上的安装槽442内，最后将另一个第二弹性件440的安装槽442与导磁柱421的另一端对齐压入，同时确保另一个第二弹性件440与第一弹性件430中支撑外环431的另一端连接。
此外，组装上述转子10时，需要将相邻的悬伸轴段100、减振器400和磁钢200压实贴紧，并使其与磁钢护套300牢固结合。
总之，当上述转子10的转速在第三阶临界转速或者第四阶临界转速附近时，其振动幅度显著减小。既能解决小功率的空压机超速运行时发生共振的问题，又能满足大功率、高转速的空压机的设计需求。减振效果更好，减振频域更宽。
此外，减振器400的结构紧凑，可以方便地安装在转子10内部，对安装空间的要求不高，并且不需要其它复杂的固定方式。
请参阅图7，本实施例还提供一种空压机，具体为一种燃料电池空压机，包括叶轮20、锁紧螺母30、推力盘40和上述转子10。
其中，叶轮20成对设置，分别套设在两个悬伸轴段100上，并通过锁紧螺母30锁紧。推力盘40套设在其中一个悬伸轴段100上，由叶轮20配合悬伸轴段100上的台阶面夹持固定。
本实施例还提供一种燃料电池系统，具体为一种氢燃料电池系统，包括上述空压机。
在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种转子，其特征在于，包括悬伸轴段、磁钢、磁钢护套和减振器；
所述减振器嵌于所述磁钢护套内，及位于所述悬伸轴段与所述磁钢之间，所述减振器包括磁铁、导电件和第一弹性件；
所述磁铁设有至少两个，所述磁铁沿所述磁钢护套的周向或者轴向排列，所述磁铁的磁化方向为所述磁钢护套的径向，且相邻两个所述磁铁的磁化方向相反；
所述导电件位于所述磁铁沿所述磁钢护套径向的一侧，以形成电涡流阻尼结构；
所述第一弹性件可沿所述磁钢护套的径向形变，所述导电件或所述磁铁与所述第一弹性件相连，以形成第一动力吸振结构；
其中，记所述第一动力吸振结构的固有频率为aHz，记所述转子的第三阶临界转速为br/s，a与b的比值范围为75%~125%。
2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述磁铁与所述第一弹性件相连，以形成所述第一动力吸振结构；
所述减振器还包括第二弹性件，所述第二弹性件可沿所述磁钢护套的径向形变；
所述导电件与所述第二弹性件相连，以形成第二动力吸振结构；
其中，记所述第二动力吸振结构的固有频率为cHz，记所述转子的第四阶临界转速为dr/s，c与d的比值范围为75%~125%。
3.根据权利要求2所述的转子，其特征在于，所述第一弹性件包括支撑外环、导磁内环和连接部；
所述支撑外环和所述导磁内环均沿所述磁钢护套的周向设置，所述支撑外环的外壁与所述磁钢护套的内壁贴合，所述支撑外环的内壁通过所述连接部与所述导磁内环的外壁连接，所述连接部可沿所述磁钢护套的径向和周向形变；
所述磁铁固定于所述导磁内环的内壁。
4.根据权利要求3所述的转子，其特征在于，所述第二弹性件成对设置在所述第一弹性件沿所述磁钢护套轴向的两端，所述导电件穿过所述导磁内环，所述导电件的两端分别连接所述第二弹性件。
5.根据权利要求4所述的转子，其特征在于，所述导电件包括导磁柱和导体层，所述导磁柱的轴线与所述磁钢护套的轴线重合，所述导磁柱的两端分别连接所述第二弹性件，所述导体层套设于所述导磁柱。
6.根据权利要求5所述的转子，其特征在于，所述第二弹性件为隔磁板，所述隔磁板垂直于所述导磁柱设置，所述隔磁板具有弹性支撑部，所述弹性支撑部可沿所述磁钢护套的径向形变，所述弹性支撑部上设有可供所述导磁柱末端嵌入的安装槽。
7.根据权利要求3所述的转子，其特征在于，所述连接部包括交替设置的径向连接段和周向连接段，所述径向连接段沿所述磁钢护套的径向设置，所述周向连接段沿所述磁钢护套的周向设置。
8.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述磁铁沿所述磁钢护套的周向排列。
9.一种空压机，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的转子。
10.一种燃料电池系统，其特征在于，包括如权利要求9所述的空压机。
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