一种车用燃料电池发动机的单级直驱增压离心式空压机的制作方法

专利名称:一种车用燃料电池发动机的单级直驱增压离心式空压机的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种车用燃料电池发动机的单级直驱增压离心式空压机，空压机通过电机带动转动，包括定子、主轴、固定在主轴中部的转子，一端布置蜗壳以及固定在蜗壳内部与主轴一端连接的叶轮，通过驱动器驱动所述转子超高速旋转，主轴的两端通过简支梁支撑结构进行支撑。与现有技术相比，本实用新型采用大功率电机超高速直接驱动离心式叶轮的进气增压方式，采用高效率永磁同步电机、无油润滑空气箔片动压轴承和转子?主轴?叶轮结构一体化设计，叶轮直径小，总体结构简单、紧凑、体积小、重量轻、安装拆卸方便，可满足目前全工况车用燃料电池发动机的空气供气使用要求，在不增大燃料电池发动机体积的情况下，提高燃料电池发动机的体积比功率。
【专利说明】
一种车用燃料电池发动机的单级直驱増压离心式空压机
技术领域
[0001]本实用新型涉及燃料电池发动机技术领域，具体涉及一种车用燃料电池发动机的大功率超高速单级增压离心式空压机。
【背景技术】
[0002]空压机广泛应用于航空航天、汽车、管道运输、食品包装等领域，除此之外，空压机是新能源燃料电池汽车发动机辅助空气供气总成中的关键部件之一，其输出的压力和流量直接影响燃料电池发动机中的化学计量比、空气加湿特性和水热管理特性，进而影响燃料电池电堆的电压输出和燃料电池发动机的功率输出。
[0003]由于大功率车用燃料电池发动机的功率在百千瓦级，高压比、大流量的适合燃料电池发动机全工况空气供给需求的大功率空压机成为设计的趋势之一。空压机直接采用电机驱动，消耗燃料电池汽车发动机自身的功率。为提高发动机有效功率输出，降低空压机寄生功耗，高效空压机技术引起广泛关注。而且，由于空压机的超高速运转，随转速提高，转子承受越来越大的离心力作用。转子中永磁体材料一般抗压强度I OOOMPa左右，而抗拉强度SOMPa左右，具有抗压不抗拉的特性，在空压机转子设计上一般采用直径较小的转子，目的是降低超高速条件下离心力对永磁体的拉伸破坏。但为了满足高压比、大流量的空气供应输出要求，即电机的大功率输出，保证电机具有足够转矩输出，又要求电机转子具有足够大的直径，以上可以看出，电机转子-主轴结构尺寸设计要求很高。此外，为提高离心式压缩机输出功率，离心式空压机转子转速一般要达到100，000rpm以上的超高速状态运行，转子-主轴同速运转情况下，对高速旋转主轴支撑的轴承提出更高的要求。而且传统油润滑轴承难免避免的漏油会进入燃料电池发动机内部，影响燃料电池电化学反应，因此无油润滑的轴承支撑是空压机的最佳选择。综上所述，从主轴直径选择、轴承润滑方式、轴承支撑距离和燃料电池发动机本身的无油进气要求、零下三十度的燃料电池发动机低温冷启动要求等多方面来看，现有的传统轴承很难满足燃料电池发动机空压机的性能要求和使用要求，即使特殊轴承可以满足要求，但也会带来转子动力学稳定性的问题，超高速问题是目前国内外转子动力学领域研究的热点和难点。空压机超高速长时间运行会造成轴承等支撑部件破损的危险，增加故障监测和诊断难度，超高速的转子也会引起转子表面的风磨损耗，进而带来散热和冷却问题。最后，作为车用燃料电池发动机的一部分，空压机结构尺寸上要求紧凑，结构强度高。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可以满足60_80kW大功率燃料电池发动机的空气供应系统的压力大、流量范围宽的实际需求，具有结构紧凑、效率高、体积小、重量轻、响应速度快等特点的车用燃料电池发动机的单级增压离心式空压机。
[0005]本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现:一种车用燃料电池发动机的单级直驱增压离心式空压机，所述空压机通过电机带动转动，所述的空压机包括电机定子、主轴、固定在主轴中部的转子，一端布置蜗壳以及固定在蜗壳内部与主轴一端连接的叶轮、驱动器，驱动器驱动所述电机转子超高速旋转，所述的主轴的两端通过简支梁支撑结构进行支撑。所述的大功率电机永磁体采用一对极和与电机定子间大气隙的结构方式，在提高频率运行下转速可得达预定高转速。
[0006]空压机旋转轴采用双侧径向空气箔片轴承和单侧轴向空气箔片止推轴承的简支梁支撑结构，利用驱动器直接驱动电机，带动转子-主轴-叶轮一体化结构超高速旋转，实现离心式叶轮高速旋转，通过叶轮蜗壳实现燃料电池发动机进气增压。同时通过控制电机驱动器，直接调节电机转子转速，调节输出空气压力和流量的目的，改变燃料电池电堆空气的化学计量比，改善燃料电池膜电极上的氢-氧电化学反应效率，提高燃料电池发动机功率输出。
[0007]本实用新型采用单级叶轮蜗壳的增压方式，结构简单，自然空气经蜗壳进气口引入，并经叶轮高速旋转压缩后，经出气口流出，实现超高速旋转增压的功能。性能指标可达到高压比(2.5bar)、大流量(100g/S)，满足60-80kW大功率车用燃料电池发动机大范围内的空气流量供应需求。空压机整体结构上采用输出载荷单向布置，即空压机总体结构中间布置一个电机，包含电机定子和转子，电机单侧旋转载荷输出，采用单个叶轮蜗壳结构，叶轮通过穿过主轴-转子结构连接起来，形成一体化结构，叶轮-主轴-转子结构通过简支梁支撑形式，通过轴承及轴承座将旋转系统(主轴、电机转子及叶轮)支撑起来，保证其高速稳定旋转。利用驱动器直接驱动电机，带动转子-主轴-叶轮一体化结构超高速旋转，实现离心式叶轮超高速旋转产生高压空气。同时通过控制电机驱动器，直接调节电机转子-主轴-叶轮转速，根据燃料电池发动机需求，调节输出空气压力和流量的目的，改变燃料电池电堆空气的化学计量比，改善燃料电池膜电极上的氢气、氧气电化学反应，提升燃料电池发动机性能。
[0008]所述的简支梁支撑结构包括设置在主轴叶轮端的径向空气箔片轴承a以及设置在主轴另一端的径向空气箔片轴承b和轴向空气箔片动压止推轴承，所述的径向空气箔片轴承a采用圆周均布螺钉固定在所述主轴的外侧，所述轴向空气箔片止推轴承采用轴套形式固定于所述主轴的外侧，所述的径向空气箔片轴承b采用圆周均布螺钉固定在所述轴向空气箔片止推轴承外侧。
[0009]采用双侧径向空气箔片径向轴承支撑和单侧轴向空气箔片止推轴承提供轴向力平衡的形式。箔片位于轴与轴承之间，主轴高速旋转时压缩箔片产生高压空气膜而使主轴悬浮于空气箔片轴承之间，主轴与轴承之间非直接接触，可以大大减小轴承与轴之间的摩擦，提高电机的工作效率，轴向空气箔片止推轴承采用轴套形式固定于主轴上，便于拆装、定位和更换。
[0010]所述的轴向空气箔片止推轴承的一端设有凸起，该凸起位于两个止推轴承箔片盘之间，且所述凸起与两个止推轴承箔片盘超高速旋转时压缩气体配合。这样的设计可以避免整个轴系的轴向窜动。
[0011]所述主轴连接轴向空气箔片止推轴承的一端头部设有固定塞，该固定塞作用在于主轴高速旋转时，防止轴向空气箔片止推轴承中轴承盘在高速旋转中的变形，以保证轴向空气箔片止推轴承中箔片的间隙。
[0012]所述的主轴采取整轴阶梯式轴，即所述主轴一体成型不分段，且安装转子处的主轴直径小于安装径向空气箔片轴承a处的主轴直径;所述主轴除安装叶轮处外均采用中空主轴，以减轻主轴重量。主轴采用整轴形式，不分段，减少超高速旋转部件数量和提高主轴刚度，降低高速主轴挠度变形和动平衡校核难度。主轴采取阶梯形式便于电机转子永磁体安装定位，同时与止推轴承采用两侧布置，达到平衡旋转部件质心的作用。主轴大部分采取掏空方式便于减轻旋转部件质量，提高转子动力学特性。
[0013]所述的转子采用从内向外依次为不锈钢主轴、电工钢、永磁体3层的布置方式，并在所述的永磁体外缠绕碳纤维，所述转子的两端采用灌胶的方式进行隔磁。所述永磁体外缠绕碳纤维是防止永磁体在高速旋转下由于离心力作用而破裂。所述灌胶为固定永磁体的前提下在永磁体两端灌上一定厚度的高粘度凝固胶，以确保强度和隔磁性能。
[0014]所述的驱动器包括低压信号接插件和三相电缆，电机通过驱动器控制所述电机定子产生的磁场方向的改变速度，从而控制所述主轴的转速。
[0015]所述的电机采用永磁同步电机，所述永磁同步电机采用一对极高频运行方式，从而可达到空压机高性能所需的高转速。
[0016]所述的空压机还包括一个水冷却系统，所述的水冷却系统包括外壳和水冷套，所述的水冷套设置在所述主轴的外侧，所述外壳设置在水冷套外侧，在空压机运行时，在外壳和水冷套之间通以冷水，起到散热的作用。
[0017]与现有技术相比，本实用新型的有益效果体现在以下几方面:
[0018]1.采用大功率电机直驱叶轮高速旋转，电机额定功率15Kw，最高可达lOOOOOrpm，避免使用增速器等额外机械增速机构，结构非常紧凑，适合车用使用使用要求，降低了体积和质量，避免的齿轮啮合振动噪声、润滑和磨损等诸多问题;本实用新型的空压机可满足60-80KW大功率燃料电池发动机高压比、大流量的空气供应使用需求，可提高现有燃料电池发动机的功率输出；
[0019]2.该离心式空压机可方便调节叶轮转速，进而改变空压机出口压力、流量，可满足燃料电池汽车工况频繁变化的需求；
[0020]3.采用新型的空气箔片轴承，双侧径向支撑空气箔片轴承和单侧轴向空气箔片止推轴承布置方式，紧凑简单，增加产品的可靠性和安全性，避免超高速条件下旋转部件的破坏危险，达到了燃料电池发动机供气系统无油的工作条件要求;也有利于提高转子动平衡效果和转子动力学稳定性。同时也有利于降低加工难度和加工成本，有利于产业化
[0021]4.本实用新型两端轴承座与空气箔片轴承均采用紧配合方式，并采用周向均布螺钉固定方式。而轴向空气箔片止推轴承与主轴采用过盈配合方式，充分满足车用强度等级要求。
[0022]5.本实用新型转子表面采用高强度、质量轻的碳纤维缠绕，在碳纤维与永磁体间采用过盈配合方式，超高速旋转时，永磁体受到由碳纤维缠绕以及过盈量提供的径向压紧力，用结构锁定的方式保证了转子永磁体材料高速旋转条件下的安全性和可靠性。
[0023]6.本实用新型转子永磁体两侧灌胶的隔磁设计方式，不仅优化了高速转子的热膨胀变形，而且具有防止永磁体漏磁的作用。
【附图说明】

[0024]图1为本实用新型的外部结构示意图；
[0025]图2为本实用新型的总体结构示意图；
[0026]图3为图2中转子-主轴-叶轮一体化结构示意图。
[0027]其中，I为蜗壳，2为右端电机端盖，3为连接螺栓，4为水冷套，5为外壳，6为电机定子，7为低压信号接插件，8为金属防水接头，9为三相电缆，10为左端轴向空气箔片轴承座，11为左端电机端盖，12为预紧螺母，13为叶轮，14为蜗壳与叶轮端盖，15为径向空气箔片轴承a，16为主轴，17为电机绕组，18为转子，19为碳纤维，20为径向空气箔片轴承b，21为轴向空气箔片止推轴承，22为左端止推轴承箔片盘A，23为左端止推轴承箔片盘B，24为轴承固定塞，25为右端轴承箔片，26为转子灌胶胶体A，27为转子灌胶胶体B，28为左端轴承箔片。
【具体实施方式】
[0028]下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
[0029]实施例
[0030]—种车用燃料电池发动机的单级增压离心式空压机，其结构如图1和图2所示，空压机与电机连接，由电机带动转动，该空压机包括主轴16、固定在主轴16中部的转子18、电机定子6、蜗壳I以及设置在蜗壳I内部与主轴16—端连接的叶轮13，蜗壳I与右端电机端盖2连接，并通过连接螺栓3进行固定，叶轮13通过预紧螺母12与主轴固定，并采用高强度胶粘接，以保证叶轮高速运转安全性；电机定子6的两侧设有电机绕组17，该电机绕组17通过三相电缆9和低压信号接插件7连接电机，且三相电缆9上设有金属防水接头8。该空压机还包括外壳4和水冷套5，水冷套5设置在主轴16的外侧，外壳4设置在水冷套5外侧，在空压机运行时，在外壳5和水冷套4之间通以冷水，起到散热的作用。
[0031]主轴的两端通过简支梁支撑结构进行支撑，其中，转子-主轴-叶轮一体化结构如图3所示，该简支梁支撑结构包括设置在主轴16叶轮端的径向空气箔片轴承al5以及设置在主轴16另一端的径向空气箔片轴承b20和轴向空气箔片止推轴承21，径向空气箔片轴承al5采用圆周均布螺钉固定在主轴16的外侧，轴向空气箔片止推轴承21采用轴套形式固定于主轴16的外侧，径向空气箔片轴承b20采用圆周均布螺钉固定在轴向空气箔片止推轴承21外侦U，该径向空气箔片轴承al5与径向空气箔片轴承b20分别设有右端轴承箔片25和左端轴承箔片28，这两个箔片在主轴16高速旋转时产生高压空气膜而使主轴16悬浮于空气箔片轴承之间。轴向空气箔片止推轴承21远离叶轮13的一端设有凸起，凸起位于左端止推轴承箔片盘A22和左端止推轴承箔片盘B23之间，以避免整个轴系的轴向窜动;主轴16连接轴向空气箔片止推轴承21的一端头部设有轴承固定塞24，用于防止径向轴向空气箔片止推轴承中轴承盘在高速旋转中的变形，以保证径向轴向空气箔片止推轴承21中箔片的间隙。
[0032]在主轴16的中部还设有与电机定子6相对应的转子18，该转子采用从内向外依次为不锈钢主轴、电工钢、永磁体3层同心绕组的布置方式，并在转子18外缠绕碳纤维19，转子的两端采用灌胶的方式进行隔磁，分别形成转子灌胶胶体A26和转子灌胶胶体B27。
[0033]径向空气箔片轴承b20安装在左端轴向空气箔片轴承座10上，径向空气箔片轴承al5安装在右端轴向空气箔片轴承座上，在右端轴向空气箔片轴承座与蜗壳之间设有蜗壳与叶轮端盖14，用以抵住右端轴向空气箔片轴承座，在空压机的最左端设有左端电机端盖11，用以抵住左端轴向空气箔片轴承座10、轴承固定塞24和左端止推轴承箔片盘B23，其具体结构如图2所示。
[0034]电机通过低压信号接插件7和三相电缆9连接电机绕组17部件，通过电机控制驱动电机定子6、绕组磁力线磁场产生的切向力矩带动转子18件运行转速，进而转子-主轴带动叶轮一同高速旋转，电机通过转子18不同的转速控制实现离心式叶轮高速旋转压缩空气，达到高压比、大流量的气体载荷输出。根据不同条件输入可满足大功率车用燃料电池发动机大范围内的空气流量供应需求。
【主权项】
1.一种车用燃料电池发动机的单级直驱增压离心式空压机，所述空压机通过电机带动转动，其特征在于，所述的空压机包括电机定子、主轴、固定在主轴中部的转子、一端布置蜗壳以及固定在蜗壳内部与主轴一端连接的叶轮、用于驱动转子高速旋转的驱动器，所述的主轴的两端通过简支梁支撑结构进行支撑。2.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池发动机的单级直驱增压离心式空压机，其特征在于，所述的简支梁支撑结构包括设置在主轴叶轮端的径向空气箔片轴承a以及设置在主轴另一端的径向空气箔片轴承b和轴向空气箔片动压止推轴承，所述的径向空气箔片轴承a采用圆周均布螺钉固定在所述主轴的外侧，所述轴向空气箔片止推轴承采用轴套形式固定于所述主轴的外侧，所述的径向空气箔片轴承b采用圆周均布螺钉固定在所述轴向空气箔片止推轴承外侧。3.根据权利要求2所述的一种车用燃料电池发动机的单级直驱增压离心式空压机，其特征在于，所述的轴向空气箔片止推轴承的一端设有凸起，该凸起位于两个止推轴承箔片盘之间，且所述凸起与两个止推轴承箔片盘超高速旋转时压缩气体配合。4.根据权利要求2所述的一种车用燃料电池发动机的单级直驱增压离心式空压机，其特征在于，所述主轴连接轴向空气箔片止推轴承的一端头部设有用于防止轴向空气箔片止推轴承在高速旋转中变形的固定塞。5.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池发动机的单级直驱增压离心式空压机，其特征在于，所述的主轴为整体阶梯式的轴，且安装转子处的主轴直径小于安装径向空气箔片轴承a处的主轴直径;所述主轴除安装叶轮处外均采用中空主轴。6.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池发动机的单级直驱增压离心式空压机，其特征在于，所述的转子采用从内向外依次为不锈钢主轴、电工钢、永磁体3层布置方式，并在所述的永磁体外缠绕碳纤维。7.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池发动机的单级直驱增压离心式空压机，其特征在于，所述的驱动器包括低压信号接插件和三相电缆，电机通过驱动器控制所述电机定子产生磁场方向的改变速度，从而控制所述主轴的转速。8.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池发动机的单级直驱增压离心式空压机，其特征在于，所述的空压机还包括一个水冷却系统，所述的水冷却系统包括外壳和水冷套，所述的水冷套设置在所述电机定子的外侧。
【文档编号】F04D29/66GK205714846SQ201620327299
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】张智明, 章桐, 王心坚, 许思传, 温立军
【申请人】同济大学