CN216086392U - 旁路式燃料电池用空气压缩机、燃料电池系统及车辆 - Google Patents

Abstract

旁路式燃料电池用空气压缩机、燃料电池系统及车辆，属于氢燃料电池电驱动空气压缩机技术领域。解决了现有空气压缩机冷却效果差的问题。要点：外壳体上设置有进液口和出液口，外壳体前端设置有冷却空气出口，外壳体上沿轴向开设有一个或多个冷却空气通道，外壳体上开设有冷却空气入口和冷却空气过孔，冷却空气通道通过冷却空气入口与外部蜗壳颈部旁路冷却空气口连通，冷却空气通道通过冷却空气过孔与壳体内部连通；推力盘安装在叶轮后侧，汽封体置于叶轮外缘后侧。本实用新型冷却液体流经冷却通道带走定子热量，转子采用蜗壳旁路高压空气，经过外壳体冷却通道后再流经定子和转子的间隙，对转子进行冷却，两种冷却方式配合，保证了电机的正常运行。

Description

旁路式燃料电池用空气压缩机、燃料电池系统及车辆

技术领域

本实用新型涉及一种燃料电池用压缩机、燃料电池系统及车辆，具体涉及一种旁路式燃料电池用空气压缩机、燃料电池系统及车辆，属于氢燃料电池电驱动空气压缩机技术领域。

背景技术

随着能源匮乏和环境破坏问题的日益凸显，燃料电池技术越来越受到人们的关注。空气压缩机是车用燃料电池阴极供气系统的重要部件，通过对进堆空气进行增压，可以提高燃料电池的功率密度和效率，减小燃料电池系统的尺寸。但空压机的寄生功耗很大，约占燃料电池辅助功耗的80％，其性能直接影响燃料电池系统的效率、紧凑性和水平衡特性。因此，各国的燃料电池项目对空压机的研究都非常重视。

空气压缩机在燃料电池中应用，由于汽车部件的尺寸和重量要求，空压机设计应以最大限度提升能量密度，减少自身体积和重量，故而电机设计紧凑，转速高(超过10万转/分钟)，定子和转子之间存在的间隙的风损高(跟转速成正比)，并带来电机过热的隐患；通常采用传统的水冷来冷却电机定子，其是在电机壳体布置冷却通道，通过金属传热带走定子的热量，这种冷却还有一个问题，定子的两侧不能得到很好的冷却效果。

需要说明的是，公开于本实用新型背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

实用新型内容

鉴于上述事实，本实用新型的目的是针对现有的压缩机冷却效果差的问题，进而设计了一种旁路式燃料电池用空气压缩机、燃料电池系统及车辆。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

旁路式燃料电池用空气压缩机，包括：

外壳体，外壳体上设置有进液口和出液口，外壳体前端加工有冷却空气出口，外壳体上沿其轴向水平开设有一个或多个冷却空气通道，外壳体前端开设有冷却空气入口，外壳体后端开设有冷却空气过孔，冷却空气通道通过冷却空气入口与蜗壳颈部旁路冷却空气口连通，冷却空气通道通过冷却空气过孔与壳体内部连通；

电机定子、电机转子，设置在所述外壳体内，电机转子穿插在电机定子内腔中自由转动，电机转子的前后两端通过空气悬浮轴承组件与外壳体建立连接；

冷却套管，过盈配合安装在电机定子外壁与外壳体内壁之间，冷却套管外壁上加工有冷却通道，冷却通道与进液口和出液口连通；

蜗壳、叶轮，叶轮置于蜗壳内，叶轮与推力盘紧密扣合，叶轮固定于所述电机转子前端；

汽封体、推力盘，推力盘设置于空气悬浮推力轴承组件的中间，固定在叶轮后侧的电机转子上，汽封体置于叶轮背板的外缘后侧。

进一步地：所述电机定子为封闭式定子，电机定子两侧采用树脂或金属帽封闭端部线圈。

进一步地：所述空气悬浮轴承组件包括前轴承座、后轴承座、后空气悬浮径向轴承、前空气悬浮径向轴承，所述前轴承座、后轴承座密封安装在外壳体的前后端，所述电机转子前端通过前空气悬浮径向轴承与前轴承座连接，电机转子后端通过后空气悬浮径向轴承与后轴承座连接，后轴承座的后端封装有电机后盖。

进一步地：空气悬浮推力轴承组件包括推力轴承座、外推力轴承、内推力轴承，推力轴承座与前轴承座连接，推力轴承座与前轴承座之间由前至后依次设置外推力轴承、推力盘、内推力轴承，汽封体设置在叶轮与推力轴承座之间。

进一步地：所述叶轮、推力盘、电机转子三者通过张紧螺栓同轴连接，经过压缩的空气流经汽封体对推力轴承进行冷却。

进一步地：冷却通道为螺旋型冷却通道。

进一步地：外壳体上沿其轴向水平开设有两个冷却空气通道，上下布置在外壳体上。

进一步地：外壳体上沿其轴向水平开设有四个冷却空气通道，周向90度间隔布置在外壳体上。

进一步地：外壳体上沿其轴向水平开设有八个冷却空气通道，周向45度间隔布置在外壳体上。

方案二：根据实用新型的另一个方面，还提供一种燃料电池系统，包括方案一所述的旁路式燃料电池用空气压缩机。

方案三：根据本实用新型的又一个方面，提供一种车辆，包括方案一所述的旁路式燃料电池用空气压缩机或方案二所述的燃料电池系统。

本实用新型所达到的效果为：

1、本实用新型的冷却液体流经冷却通道带走定子的热量，转子采用空气流经定子和转子之间的间隙进行冷却，冷却气体流经路径：由冷却空气入口进入，经冷却空气通道、冷却空气过孔进入壳体内部，再经定子和转子之间的间隙从冷却空气出口流出。

连通、两种冷却方式配合使用，效果明显，更好的保证电机在极端情况下的正常运行。

2、为了保证足够的冷却空气流经空气轴承和转子与定子的间隙，设计了叶轮背面的汽封体，使得部分压缩空气泄漏进入电机并冷却推力轴承和前径向轴承；同时从蜗壳颈部高压部位开设旁路阀，获取高压空气并流经外壳体内部空气冷却通道，经过冷却空气过孔进入电机内部，达到冷却远离叶轮侧的径向轴承和电机转子的效果。

3、采用新型定子，定子两侧加树脂或金属帽封闭，封闭线圈，然后冷却定子全部外部表面，冷却通道长度大大提高，具体地本实例采用封闭式定子，冷却通道长，封闭式定子应用在燃料电池领域是本实用新型的首创，现有技术的定子结构仅中间部分(硅钢片)与外壳或轴套过盈配合，实现物理接触，本申请是整体物理接触，实现长冷却通道，冷却效果好。

4、本实用新型转速高(最高转速15万转/分钟，设计工作转速13.5万转/分钟)，可以单级压缩实现压比1：3，性能优于需要双级压缩达到同样压比的压缩机。

5、本实用新型压缩机尺寸小，转速高，能量密度高，只有同功率等级压缩机的三分之一大小或者二分之一大小，重量也只有同样功率等级压缩机的一半或更小。

附图说明

图1为本实用新型的旁路式燃料电池用空气压缩机的装配图；

图2为本实用新型的旁路式燃料电池用空气压缩机的主视图(箭头表示冷却空气流向)；

图3为蜗壳立体图。

图中：1-电机后盖；2-后空气悬浮径向轴承；3-后轴承座；4-电机支座；5-电机定子；6-电机转子；7-冷却空气通道；8-冷却空气入口；9-前轴承座；10-推力盘；11-叶轮；12-蜗壳；13-进气口；14-张紧螺栓；15-内推力轴承；16-汽封体；17-压缩空气流道；18-冷却空气出口；19-进液口；20-外壳体；21-冷却套管；22-出液口；23-冷却空气过孔；24-前空气悬浮径向轴承；25-推力轴承座；26-外推力轴承；27-蜗壳颈部旁路冷却空气口。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“设置”、“连接”、“固定”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

下面根据附图详细阐述本实用新型优选的实施例。

实施例1：参见图1-3，本实施例的一种旁路(Bypass)式燃料电池用压缩机包括：电机后盖1、后空气悬浮径向轴承2、后轴承座3、电机支座4、电机定子5、电机转子6、冷却空气通道7、冷却空气入口8、前轴承座9、推力盘10、叶轮11、蜗壳12、进气口13、张紧螺栓14、内推力轴承15、汽封体16、压缩空气流道17、冷却空气出口18、进液口19、外壳体20、冷却套管21、出液口22、冷却空气过孔23、前空气悬浮径向轴承24、推力轴承座25、外推力轴承26、蜗壳颈部旁路冷却空气口27。

所述外壳体20安装在电机支座4上，外壳体20上设置有进液口19和出液口22，进液口19和出液口22上设置有管接头，外壳体20前端加工有冷却空气出口18，外壳体20上沿其轴向水平开设有一个冷却空气通道7，外壳体20前端开设有冷却空气入口8，外壳体20后端开设有冷却空气过孔23，冷却空气通道7通过冷却空气入口8与蜗壳颈部旁路冷却空气口27连通，冷却空气通道7通过冷却空气过孔23与壳体内部连通。

所述电机定子5为封闭式定子，电机定子两侧采用树脂帽封闭端部线圈。所述电机定子5和电机转子6均设置在所述外壳体20内，电机转子6穿插在电机定子5内腔中自由转动，电机转子6的前后两端通过空气悬浮轴承组件与外壳体20建立连接；具体地：所述空气悬浮轴承组件包括前轴承座9、后轴承座3、后空气悬浮径向轴承2、前空气悬浮径向轴承24，所述前轴承座9、后轴承座3密封安装在外壳体20的前后端，所述电机转子6前端通过前空气悬浮径向轴承24与前轴承座9连接，电机转子6后端通过后空气悬浮径向轴承2与后轴承座3连接，后轴承座3的后端封装有电机后盖1。

所述冷却套管21过盈配合安装在电机定子5外壁与外壳体20内壁之间，冷却套管21外壁上加工有冷却通道21-1，冷却通道21-1与进液口19和出液口22连通，冷却通道21-1为螺旋型冷却通道。

所述蜗壳12的前端为进气口13，颈部设置有蜗壳颈部旁路冷却空气口27，内部为压缩空气流道17；蜗壳12固定与前轴承座9上，叶轮11置于蜗壳12内并与所述电机转子6前端旋转耦合地连接在一起。

所述推力盘10设置于空气悬浮推力轴承组件的中间，通过张紧螺栓被固定在叶轮11后侧，汽封体16置于叶轮11背板的外缘后侧。具体地：空气悬浮推力轴承组件包括推力轴承座25、外推力轴承26、内推力轴承15，推力轴承座25与前轴承座9连接，推力轴承座25与前轴承座9之间由前至后依次设置外推力轴承26、推力盘10、内推力轴承15，汽封体16设置在叶轮11与推力轴承座25之间。

本实施例的液冷具体采用的介质为乙二醇。

本实施例采用新型定子，定子两侧加树脂帽封闭，封闭线圈，然后冷却定子全部外部表面，冷却通道长度大大提高，具体地本实例采用封闭式定子，冷却通道长，封闭式定子应用在燃料电池领域是本实用新型的首创，现有技术的定子结构仅中间部分(硅钢片)与外壳或轴套过盈配合，实现物理接触，本申请是整体物理接触，实现长冷却通道，冷却效果好。由于两级压缩，结构复杂，冷却通道设计复杂；要实现高压缩比，转速上不去就只能两级压缩；本实施例还由于冷却路径以及结构的变化，该压缩机尺寸小，转速高，能量密度高。该实施例的电机定子采用液体流经冷却通道带走定子的热量，转子采用空气流经定子和转子之间的间隙进行冷却，两种冷却方式配合使用，效果明显，更好的保证电机在极端情况下的正常运行。为了保证足够的冷却空气流经空气轴承和转子与定子的间隙，还设计了叶轮背面的汽封体，使得部分压缩空气泄漏进入电机，冷却空气吸入，经过外壳体的冷却通道后，流向电机内部冷却电机转子，两股汇合之后排出电机；液体冷却通道尽量向两侧延伸，增加冷却面积。

实施例2：本实施例与实施例1的不同在于，所述电机定子5为封闭式定子，电机定子两侧采用金属帽封闭端部线圈；外壳体20上沿其轴向水平开设有两个冷却空气通道7，所述两个冷却空气通道7上下布置在外壳体20上；液冷具体采用的介质为乙二醇和水的混合液。

实施例3：本实施例与实施例1的不同在于，所述电机定子5为封闭式定子，电机定子两侧采用金属帽封闭端部线圈；外壳体20上沿其轴向水平开设有四个冷却空气通道7，所述四个冷却空气通道7，周向90度间隔布置在外壳体20上；液冷具体采用的介质为油。

实施例4：本实施例与实施例1的不同在于，所述电机定子5为封闭式定子，电机定子两侧采用金属帽封闭端部线圈；外壳体20上沿其轴向水平开设有八个冷却空气通道7，所述八个冷却空气通道7，周向45度间隔布置在外壳体20上；液冷具体采用的介质为：乙二醇和水的混合液。

实施例5：本实施例还提供一种燃料电池系统，包括实施例1、2、3或4所述的旁路式燃料电池用空气压缩机。

实施例6：本实施例又一个方面，提供一种车辆，包括实施例1、2、3或4所述的旁路式燃料电池用空气压缩机或实施例5所述的燃料电池系统。

以上实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照上述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.旁路式燃料电池用空气压缩机，其特征在于，包括：

外壳体(20)，外壳体(20)上设置有进液口(19)和出液口(22)，外壳体(20)前端加工有冷却空气出口(18)，外壳体(20)上沿其轴向水平开设有一个或多个冷却空气通道(7)，外壳体(20)前端开设有冷却空气入口(8)，外壳体(20)后端开设有冷却空气过孔(23)，冷却空气通道(7)通过冷却空气入口(8)与蜗壳颈部旁路冷却空气口连通，冷却空气通道(7)通过冷却空气过孔(23)与壳体内部连通；

电机定子(5)、电机转子(6)，设置在所述外壳体(20)内，电机转子(6)穿插在电机定子(5)内腔中自由转动，电机转子(6)的前后两端通过空气悬浮轴承组件与外壳体(20)建立连接；

冷却套管(21)，过盈配合安装在电机定子(5)外壁与外壳体(20)内壁之间，冷却套管(21)外壁上加工有冷却通道(21-1)，冷却通道(21-1)与进液口(19)和出液口(22)连通；冷却通道(21-1)为螺旋型冷却通道；

蜗壳(12)、叶轮(11)，叶轮(11)置于蜗壳(12)内，叶轮(11)与推力盘(10)紧密扣合，叶轮(11)固定于所述电机转子(6)前端；

汽封体(16)、推力盘(10)，推力盘(10)设置于空气悬浮推力轴承组件的中间，固定在叶轮(11)后侧的电机转子(6)上，汽封体(16)置于叶轮(11)背板的外缘后侧。

2.根据权利要求1所述的旁路式燃料电池用空气压缩机，其特征在于：所述电机定子(5)为封闭式定子，电机定子两侧采用树脂或金属帽封闭端部线圈。

3.根据权利要求2所述的旁路式燃料电池用空气压缩机，其特征在于：所述空气悬浮轴承组件包括前轴承座(9)、后轴承座(3)、后空气悬浮径向轴承(2)、前空气悬浮径向轴承(24)，所述前轴承座(9)、后轴承座(3)密封安装在外壳体(20)的前后端，所述电机转子(6)前端通过前空气悬浮径向轴承(24)与前轴承座(9)连接，电机转子(6)后端通过后空气悬浮径向轴承(2)与后轴承座(3)连接，后轴承座(3)的后端封装有电机后盖(1)。

4.根据权利要求3所述的旁路式燃料电池用空气压缩机，其特征在于：空气悬浮推力轴承组件包括推力轴承座(25)、外推力轴承(26)、内推力轴承(15)，推力轴承座(25)与前轴承座(9)连接，推力轴承座(25)与前轴承座(9)之间由前至后依次设置外推力轴承(26)、推力盘(10)、内推力轴承(15)，汽封体(16)设置在叶轮(11)与推力轴承座(25)之间。

5.根据权利要求4所述的旁路式燃料电池用空气压缩机，其特征在于：所述叶轮(11)、推力盘(10)、电机转子(6)三者通过张紧螺栓(14)同轴连接，经过压缩的空气流经汽封体(16)对推力轴承进行冷却。

6.根据权利要求4所述的旁路式燃料电池用空气压缩机，其特征在于：外壳体(20)上沿其轴向水平开设有两个冷却空气通道(7)，上下布置在外壳体(20)上。

7.根据权利要求4所述的旁路式燃料电池用空气压缩机，其特征在于：外壳体(20)上沿其轴向水平开设有四个冷却空气通道(7)，周向90度间隔布置在外壳体(20)上。

8.根据权利要求4所述的旁路式燃料电池用空气压缩机，其特征在于：外壳体(20)上沿其轴向水平开设有八个冷却空气通道(7)，周向45度间隔布置在外壳体(20)上。

9.一种燃料电池系统，包括如权利要求1-8任一项所述的旁路式燃料电池用空气压缩机。

10.一种车辆，包括如权利要求1-8任一项所述的旁路式燃料电池用空气压缩机或如权利要求9所述的燃料电池系统。

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