CN118128771A - 一种燃料电池空压机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池空压机，包括中空结构的转轴，固定在转轴两端且背对背设置的第一级叶轮和第二级叶轮，过盈装配在转轴上的表贴式永磁体结构的电机转子，及设置在电机转子上的电机定子；所述机壳两端的第一级排气蜗壳与第二级排气蜗壳通过级间连接管连通；所述第一级叶轮和第二级叶轮内侧的转轴上分别设置第一气浮径向轴承和第二气浮径向轴承；所述第一级叶轮和第二级叶轮分别通过第一拉杆和第二拉杆装配在转轴端部；所述第一级叶轮与第一气浮径向轴承之间的转轴设置气浮推力轴承；所述机壳上设置水冷系统和气冷系统。本发明提供的一种燃料电池空压机，整机尺寸和重量小、使用寿命长、能够安全稳定运行且运行工况范围广。

Description

一种燃料电池空压机

技术领域

本发明涉及空压机技术领域，特别涉及一种燃料电池空压机。

背景技术

目前，我国燃料电池产业整体处于市场初期，随着国家对氢能源产业重视的不断提高。

燃料电池空气压缩机负责向电堆提供最佳压力&流量的压缩空气，通过对进堆空气进行增压，可以提高燃料电池系统紧凑性，从而在燃料电池电堆反应时提升效率，因而燃料电池空压机的性能直接决定燃料电池系统转换效率，是燃料电池系统最核心的系统部件。

不同于普通空压机，因燃料电池整体容量有限加之主要应用于燃料电池汽车，所以适用于燃料电池的空压机需要满足绝对无油、低噪声、高可靠性、高效、小型化、轻量化、工作范围宽、良好的动态响应能力、良好的热管理等诸多严苛要求条件，这些特点也正是燃料电池空压机未来的发展方向和竞争优势体现的关键所在。

目前，市场上常见或应用较多的燃料电池空压机，多为实心永磁体转子结构形式，高速电机转子与空压机转轴一体化设计，轴端采用螺母将叶轮锁紧固定到轴上，这类转子轴系较长，精度要求高，加工难度大，而且转子重量相对较大，不利于气浮轴承的低转速起飞。

另外，空压机气浮轴承和电机转定子的冷却气源，大多采用在级间连接管开孔取气的方式，结构设计相对较为复杂，导致空压机结构设计的紧凑性相对较差，即功率密度相对较低，会占用较大的燃料电池电堆空间，缺乏更强的市场竞争力。

因此，当前亟需一种整机尺寸小和重量轻、使用寿命长、能够安全稳定运行且运行工况范围广的燃料电池空压机。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种整机尺寸和重量小、使用寿命长、能够安全稳定运行且运行工况范围广的燃料电池空压机。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种燃料电池空压机，包括

中空结构的转轴，固定在转轴两端且背对背设置的第一级叶轮和第二级叶轮，过盈装配在转轴上的表贴式永磁体结构的电机转子，及设置在电机转子上的电机定子；

所述电机定子过盈装配在水冷套内，所述水冷套装配在机壳内；

所述机壳两端的第一级排气蜗壳与第二级排气蜗壳通过级间连接管连通；

所述第一级叶轮和第二级叶轮内侧的转轴上分别设置第一气浮径向轴承和第二气浮径向轴承；

所述第一级叶轮和第二级叶轮分别通过第一拉杆和第二拉杆装配在转轴端部；

所述第一级叶轮与第一气浮径向轴承之间的转轴设置气浮推力轴承；

所述机壳上设置对气浮推力轴承、第一气浮径向轴承、电机转子、电机定子及第二气浮径向轴承冷却的水冷系统和气冷系统。

进一步地，所述第一气浮径向轴承设置在第一径向轴承座内，第二气浮径向轴承设置在第二径向轴承座内。

进一步地，所述第一级叶轮端的机壳端部固定设置第一机壳端盖，所述第二级叶轮端的机壳端部固定设置第二机壳端盖，所述第一径向轴承座与第一机壳端盖固定连接，第二径向轴承座与第二机壳端盖固定连接。

进一步地，所述第一气浮径向轴承背部设置第一背板，所述第二气浮径向轴承背部设置第二背板，所述第一背板与第一机壳端盖固定连接，所述第二背板与第二机壳端盖固定连接。

进一步地，所述第一背板与第一机壳端盖之间设置推力盘，所述推力盘上设置所述气浮推力轴承。

进一步地，所述第一级排气蜗壳与第一机壳端盖固定连接，第二级排气蜗壳与第二机壳端盖及机壳固定连接，所述第一级排气蜗壳出口与第二级排气蜗壳进口通过级间连接管连通。

进一步地，所述电机转子包括过盈装配在转轴上的转子铁芯，设置在转子铁芯上的永磁体及将永磁体固定在转子铁芯上的碳纤维护套。

进一步地，所述第一拉杆一端与转轴固定连接，另一端与第一级叶轮锁紧螺母连接将所述第一级叶轮装配在转轴端部；所述第二拉杆一端与转轴固定连接，另一端与第二级叶轮锁紧螺母连接将第二级叶轮装配在转轴端部。

进一步地，所述水冷系统包括设置在所述机壳上的冷却水进口接头和冷却水出口接头，所述冷却水进口接头和冷却水出口接头与设置在所述水冷套和机壳之间的水道连通；

所述气冷系统包括设置在所述机壳上的冷气出口接头，所述冷气出口接头连通到电机转子与电机定子之间的空间。

进一步地，所述机壳表面一体铸造成型多个散热片。

本发明提供的一种燃料电池空压机，其空压机转轴为空心结构设计，电机转子采用表贴式永磁体结构形式，而且其电机转子与转轴过盈装配，实现了电机转子与转轴的一体化设计。并且其电机定子与水冷套过盈装配后再装配到空压机机壳中，又实现了机壳、水冷套与高速电机定子的一体化设计。不仅使空压机整机结构设计更加合理，能够大大减小整机的尺寸，而且还可以实现空压机整个转子系重量的大幅降低，可以使其重量降低20％以上，可实现其气浮轴承更低转速的起飞，大大拓宽了空压机稳定运行的工况范围，在实现小流量高压比的同时，可实现20000-120000rpm的宽转速工况范围，适用范围更广，具有更强的市场竞争力。同时，空压机的两级叶轮与转轴通过拉杆锁紧装配连接，不仅可以减小转轴的长度，降低转轴的加工难度，而且还可以使叶轮安装简单可靠，同时保证叶轮与转轴装配的高精度，最终实现空压机的安全可靠稳定运行。

并且，本发明提供的一种燃料电池空压机，其两级叶轮采用背对背设计，第一级叶轮产生的轴向推力与第二级叶轮产生的轴向推力方向相反，因而轴向推力可实现相互抵消，从而减小了施加在推力轴承上的轴向力，可以提高轴承的使用寿命。而且，其两个径向轴承采用气浮径向轴承，推力轴承采用气浮推力轴承，具有承载力大、稳定性好等优点，能够保证空压机在最高转速120000r/min下稳定运行。同时，这些气浮轴承通过自身产生的高压气体形成气膜，可以减小轴承与转子摩擦，减小机械损失，从而提高空压机的使用寿命。

同时，本发明提供的一种燃料电池空压机，在空压机壳体内设计水冷系统和气冷系统，可以对电机转子、电机定子、两个气浮径向轴承及气浮推力轴承即时冷却，利用高压气流和水流带走各部件摩擦产生的热量，进而提高空压机内各零部件的使用寿命，从而可以进一步提高空压机的使用寿命。而且，其冷却气采用从空压机第一级叶轮出口取气的方式，无需第一级叶轮的梳齿密封结构设计，冷却气从叶轮背侧进入空压机气浮轴承和电机转定子之间，对其进行冷却，不仅实现了对空压机气浮轴承和高速电机转定子进行即时冷却的目的，而且还可使空压机整体结构更加简单紧凑，功率密度更大，因而具有更强的市场竞争力。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种燃料电池空压机的内部结构剖视图；

图2为本发明实施例提供的一种燃料电池空压机的外部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种燃料电池空压机的转子结构示意图。

图中：1、第一级叶轮；2、第一级叶轮锁紧螺母；3、第一拉杆；4、推力盘；5、推力轴承；6、第一背板；7、第一径向轴承座；8、第一机壳端盖；9、第一气浮径向轴承；10、转轴；11、电机转子；12、电机定子；13、水冷套；14、机壳；15、第二径向轴承座；16、第二气浮径向轴承；17、第二机壳端盖；18、第二背板；19、第二拉杆连接锁母；20、第二拉杆；21、第二级叶轮；22、第二级轴头螺母；23、第二级轴端防松螺钉；24、第二级叶轮锁紧螺母；25、固定支架；26、水道；27、第一级排气蜗壳；28、级间连接弯管；29、第二级排气蜗壳；30、冷气出口接头；31、冷却水出口接头；32、控制器插座；33、冷却水进口接头；34、控制器接线盒；35、散热片；111、转子铁芯；112、永磁体；113、碳纤维护套。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明实施例提供的一种燃料电池空压机，包括

中空结构的转轴10，固定在转轴10两端且背对背设置的第一级叶轮1和第二级叶轮21，过盈装配在转轴10上的表贴式永磁体结构的电机转子11，及设置在电机转子11上的电机定子12。

参见图3，电机转子11包括过盈装配在转轴10上的转子铁芯111，设置在转子铁芯111上的永磁体112及将永磁体112)固定在转子铁芯111上的碳纤维护套113。

其中，电机定子12过盈装配在水冷套13内，所述水冷套13装配在机壳14内。

由于转轴10为空心结构设计，且电机转子11采用表贴式永磁体结构形式，同时，电机转子11与转轴过盈装配，实现了电机转子11与转轴10的一体化设计，电机定子12与水冷套13过盈装配后再装配到空压机机壳14中，又实现了机壳14、水冷套13与电机定子12的一体化设计。这样不仅使空压机整机结构设计更加合理，能够大大减小整机的尺寸，而且还可以实现空压机整个转子系重量的大幅降低，可以使其重量降低20％以上，可实现其气浮轴承更低转速的起飞，大大拓宽了空压机稳定运行的工况范围，在实现小流量高压比的同时，可实现20000-120000rpm的宽转速工况范围，适用范围更广，具有更强的市场竞争力。

其中，第一级叶轮1和第二级叶轮21内侧的转轴10上分别设置第一气浮径向轴承9和第二气浮径向轴承16。第一气浮径向轴承9设置在第一径向轴承座7内，第二气浮径向轴承16设置在第二径向轴承座15内。

第一级叶轮1端的机壳14的端部固定设置第一机壳端盖8，第二级叶轮21端的机壳14的端部固定设置第二机壳端盖17，第一径向轴承座7与第一机壳端盖8固定连接，第二径向轴承座15与第二机壳端盖17固定连接。

第一气浮径向轴承9背部设置第一背板6，第二气浮径向轴承16背部设置第二背板18，所述第一背板6与第一机壳端盖8固定连接，所述第二背板18与第二机壳端盖17固定连接。

其中，第一背板6与第一机壳端盖8之间设置推力盘4，所述推力盘4上设置气浮推力轴承5。

具体地，在第一级叶轮1与第一气浮径向轴承9之间的转轴10上设置气浮推力轴承5。

由于第一级叶轮1和第二级叶轮21采用背对背设计，第一级叶轮1产生的轴向推力与第二级叶轮21产生的轴向推力方向相反，因而轴向推力可实现相互抵消，从而减小了施加在气浮推力轴承5上的轴向力，从而可以提高轴承的使用寿命。

并且，由于第一气浮径向轴承9和第二气浮径向轴承16采用气浮径向轴承，气浮推力轴承5采用气浮推力轴承，气浮轴承具有承载力大、稳定性好等优点，能够保证空压机在最高转速120000r/min下稳定运行。

同时，气浮推力轴承5、第一气浮径向轴承9和第二气浮径向轴承16通过自身产生的高压气体形成气膜，可以减小轴承与转子摩擦，减小机械损失，从而提高空压机的使用寿命。

其中，第一级叶轮1和第二级叶轮21分别通过第一拉杆3和第二拉杆20装配在转轴10端部。

具体地，第一拉杆3一端与转轴10一端固定连接，第一拉杆3另一端与第一级叶轮锁紧螺母2连接将第一级叶轮1装配在转轴10端部。第二拉杆20一端通过第二拉杆连接锁母19与转轴10另一端固定连接，第二拉杆20另一端与第二级叶轮锁紧螺母24连接将第二级叶轮21装配在转轴10另一端端部。

并且，作为本发明的一种具体实施方式，在第二拉杆20的端部设置第二级轴端防松螺钉23，用于防止第二级叶轮锁紧螺母24松动。同时在第二级轴端防松螺钉23与第二级叶轮锁紧螺母24之间的第二拉杆20上还设置第二级轴头螺母22，用作空压机的第二级进口导流，可以减小空压机的流动损失。

第一级叶轮1和第二级叶轮21分别通过第一拉杆3和第二拉杆20装配在转轴10端部，不仅可以减小转轴10的长度，降低转轴10的加工难度，而且还可以使第一级叶轮1和第二级叶轮21与转轴10的安装更简单可靠，同时还可以保证第一级叶轮1和第二级叶轮21与转轴10装配的高精度，最终实现空压机的安全可靠稳定运行。

其中，空压机机壳14两端设置第一级排气蜗壳27与第二级排气蜗壳29，第一级排气蜗壳27与第二级排气蜗壳29通过级间连接管28连通。

具体地，第一机壳端盖8通过螺钉固定连接在机壳14端部，第一级排气蜗壳27通过螺钉固定连接在第一机壳端盖8上。第二机壳端盖17通过螺钉固定连接在机壳14另一端端部，第二级排气蜗壳29通过止口装配在第二机壳端盖17上并通过螺钉固定在机壳14上。

其中，第一级排气蜗壳27出口与第二级排气蜗壳29进口通过级间连接管28连通，级间连接管28通过卡箍将第一级排气蜗壳27出口与第二级排气蜗壳29进口连通。

其中，机壳14上设置对气浮推力轴承5、第一气浮径向轴承9、电机转子11、电机定子12及第二气浮径向轴承16冷却的水冷系统和气冷系统。

具体地，水冷系统包括设置在机壳14上的冷却水进口接头33和冷却水出口接头31。在水冷套13和机壳14之间设置有水道26，冷却水进口接头33和冷却水出口接头31分别安装在机壳14上并与水冷套13与机壳14之间的水道26连通。冷却水进口接头33和冷却水出口接头31分别通过管道与外部的循环供水系统连接。循环供水系统中的冷却水经管道从冷却水进口接头33进入机壳14与水冷套13之间的水道26，对空压机的对气浮推力轴承5、第一气浮径向轴承9、电机转子11、电机定子12及第二气浮径向轴承16进行冷却，然后冷却水经水冷套13从冷却水出口接头31经管道流回循环供水系统。

具体地，气冷系统包括设置在机壳14上的冷气出口接头30，其中冷气出口接头30连通到电机转子11与电机定子12之间的空间。空压机的第一级叶轮1和第二级叶轮21通过级间连接管28串联，通过第一级叶轮1出口将一小部分压缩气体(约为第一级叶轮1进口进入的气体体积的5％)引入机壳14内的组件中，对气浮推力轴承5、第一气浮径向轴承9、电机转子11、电机定子12及第二气浮径向轴承16进行冷却，利用高压气流带走这些部件摩擦产生的热量，然后气体从冷气出口接头30排出，排入到环境中或排入燃料电池电堆系统中。

本燃料电池空压机，通过水冷系统和气冷系统，气浮推力轴承5、第一气浮径向轴承9、电机转子11、电机定子12及第二气浮径向轴承16进行即时冷却，利用高压气流和水流带走各部件间摩擦产生的热量，可以提高空压机内各零部件的使用寿命，从而可以进一步提高空压机的使用寿命。

并且，本燃料电池空压机采用从空压机第一级叶轮1出口取气的方式，无需第一级叶轮1的梳齿密封结构设计，冷却气从第一级叶轮1背侧进入空压机的各气浮轴承和电机转定子之间进行冷却，不仅实现了对空压机各气浮轴承和高速电机转定子进行即时冷却的目的，而且还可使空压机整体结构更加简单紧凑，功率密度更大，因而具有更强的市场竞争力。

同时，机壳14表面一体铸造成型有多个散热片25，散热片25均匀分布于机壳14的表面，也能够更好的帮助空压机散热，进一步提高空压机的使用寿命。

另外，本发明提供的一种燃料电池空压机的运行受控制控制，因此在机壳14侧部还设置有控制器插座32和控制器接线盒34，控制器插座32通过螺钉固定到控制器接线盒34上。

为了保证空压机运行时的稳定性，在机壳14底部设置固定支架25，通过固定支架25可以将空压机固定，防止空压机运行时抖动。

本发明提供的一种燃料电池空压机，当空压机的电机转子11高速运转时，空气通过第一级排气蜗壳27的进口进入，空气经第一级叶轮1压缩后流入到第一级排气蜗壳27内，然后从第一级排气蜗壳27出口经级间连接管28从第二级排气蜗壳29入口进入，再经第二级叶轮21压缩后进入第二级排气蜗壳29内，最终高压空气从第二级排气蜗壳29出口排入燃料电池系统。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种燃料电池空压机，其特征在于：包括

中空结构的转轴(10)，固定在转轴(10)两端且背对背设置的第一级叶轮(1)和第二级叶轮(21)，过盈装配在转轴(10)上的表贴式永磁体结构的电机转子(11)，及设置在电机转子(11)上的电机定子(12)；

所述电机定子(12)过盈装配在水冷套(13)内，所述水冷套(13)装配在机壳(14)内；

所述机壳(14)两端的第一级排气蜗壳(27)与第二级排气蜗壳(29)通过级间连接管(28)连通；

所述第一级叶轮(1)和第二级叶轮(21)内侧的转轴(10)上分别设置第一气浮径向轴承(9)和第二气浮径向轴承(16)；

所述第一级叶轮(1)和第二级叶轮(21)分别通过第一拉杆(3)和第二拉杆(20)装配在转轴(10)端部；

所述第一级叶轮(1)与第一气浮径向轴承(9)之间的转轴(10)设置气浮推力轴承(5)；

所述机壳(14)上设置对气浮推力轴承(5)、第一气浮径向轴承(9)、电机转子(11)、电机定子(12)及第二气浮径向轴承(16)冷却的水冷系统和气冷系统。

2.根据权利要求1所述的燃料电池空压机，其特征在于：所述第一气浮径向轴承(9)设置在第一径向轴承座(7)内，第二气浮径向轴承(16)设置在第二径向轴承座(15)内。

3.根据权利要求2所述的燃料电池空压机，其特征在于：所述第一级叶轮(1)端的机壳(14)端部固定设置第一机壳端盖(8)，所述第二级叶轮(21)端的机壳(14)端部固定设置第二机壳端盖(17)，所述第一径向轴承座(7)与第一机壳端盖(8)固定连接，第二径向轴承座(15)与第二机壳端盖(17)固定连接。

4.根据权利要求3所述的燃料电池空压机，其特征在于：所述第一气浮径向轴承(9)背部设置第一背板(6)，所述第二气浮径向轴承(16)背部设置第二背板(18)，所述第一背板(6)与第一机壳端盖(8)固定连接，所述第二背板(18)与第二机壳端盖(17)固定连接。

5.根据权利要求4所述的燃料电池空压机，其特征在于：所述第一背板(6)与第一机壳端盖(8)之间设置推力盘(4)，所述推力盘(4)上设置所述气浮推力轴承(5)。

6.根据权利要求3所述的燃料电池空压机，其特征在于：所述第一级排气蜗壳(27)与第一机壳端盖(8)固定连接，第二级排气蜗壳(29)与第二机壳端盖(17)及机壳(14)固定连接，所述第一级排气蜗壳(27)出口与第二级排气蜗壳(29)进口通过级间连接管(28)连通。

7.根据权利要求1所述的燃料电池空压机，其特征在于：所述电机转子(11)包括过盈装配在转轴(10)上的转子铁芯(111)，设置在转子铁芯(111)上的永磁体(112)及将永磁体(112)固定在转子铁芯(111)上的碳纤维护套(113)。

8.根据权利要求7所述的燃料电池空压机，其特征在于：所述第一拉杆(3)一端与转轴(10)固定连接，另一端与第一级叶轮锁紧螺母(2)连接将所述第一级叶轮(1)装配在转轴(10)端部；所述第二拉杆(20)一端与转轴(10)固定连接，另一端与第二级叶轮锁紧螺母(24)连接将第二级叶轮(21)装配在转轴(10)端部。

9.根据权利要求1所述的燃料电池空压机，其特征在于：所述水冷系统包括设置在所述机壳(14)上的冷却水进口接头(33)和冷却水出口接头(31)，所述冷却水进口接头(33)和冷却水出口接头(31)与设置在所述水冷套(13)和机壳(14)之间的水道(26)连通；

所述气冷系统包括设置在所述机壳(14)上的冷气出口接头(30)，所述冷气出口接头(30)连通到电机转子(11)与电机定子(12)之间的空间。

10.根据权利要求1所述的燃料电池空压机，其特征在于：所述机壳(14)表面一体铸造成型多个散热片(25)。