一种用于燃料电池空压机的空心轴转子结构的制作方法

1.本实用新型主要涉及空压机的技术领域，特别涉及一种用于燃料电池空压机的空心转子结构。


背景技术：

2.随着能源的逐渐匮乏和人们环保意识的提高，新能源汽车技术越来越受到重视，氢燃料电池电动汽车凭借其零污染、高能效、续航里程长、加氢燃料时间短等优势，被认为是新能源汽车发展的重要方向之一，而燃料电池系统则为其中最为核心的部分。氢燃料电池专用空压机作为燃料电池系统的核心部件，其主要作用是将大气中的空气加压至燃料电池系统最佳的工作压力，并根据实际工况需求提供所需的空气质量流量。
3.燃料电池专用空压机要求无油、高效、小型化、低成本、低噪音以及良好的动态响应能力。为满足无油的要求，多数公司及研究机构选择空气轴承作为旋转支撑的方式，空压机电机也向着高转速、高效率、高功率密度、高可靠性、低噪音、低成本的方向发展，而开发一种满足这些要求的转子结构则成为燃料电池空压机领域研究的重点和热点。
4.然而现有技术仍存在各种问题，比如现有技术1：
5.罗伯特
·
博世有限公司的陈鲍开发了一种电机空压机，其转子使用整块实心磁钢结构，磁钢与外部合金保护套过盈连接，保护套与两侧转轴焊接固定。整块实心磁钢结构磁钢用量大，材料成本高，且磁钢磁通利用率低。转轴分段焊接结构，机器人焊接工序复杂，成本高，人工手动焊接一致性差，焊接质量难以保证，而且焊接会产生一定的残余应力，影响转子的整体强度。
6.现有技术2:
7.江苏毅合捷汽车科技股份有限公司的王芳永等人开发了一种燃料电池发动机的单级增压直驱离心式空压机，其转子使用整段环形磁钢，实心转轴，且通过涂胶固定磁钢与转轴。整段环形磁钢结构轴向尺寸长，内孔加工困难，加工成本高。涂胶方式固定转轴与磁钢，安装磁钢时胶水易被挤出，胶水均匀度难以保证，转子涂胶一致性差，而且胶水耐高温寿命短，强度差，易受高温老化损坏。
8.实心轴结构转子重，空气轴承径向载荷大，启停寿命短，空压机启动响应速度慢，空压机系统功率密度低。
9.现有技术3:
10.北京稳力科技有限公司的华青松等人开发了一种转子结构及采用该转子结构的电机，空压机，其转子使用整段实心磁钢，磁钢与外部合金保护套过盈连接，保护套与两侧转轴焊接固定，两侧叶轮轴与空心转轴过盈或焊接固定，并在叶轮轴上开有径向排气孔。其实心磁钢及焊接连接方式的缺点不再赘述，其径向排气孔结构，转子打孔工序复杂，加工成本高，且径向开孔会增大旋转空气摩擦损耗，降低电机效率。
11.现有技术4、5:
12.上海发电设备成套设备研究设计研究院有限责任公司的张成义等人与同济大学
的张智明等人分别开发了一种燃料电池空压机，其转子结构相近，均使用整段环形磁钢，通过涂胶固定磁钢与转轴，空心轴结构，叶轮使用长螺杆连接固定。
13.其涂胶固定方式的缺点不再赘述，其叶轮连接结构的螺杆过长，而叶轮与螺杆的膨胀系数不同，反复的热膨胀间隙易致螺栓松动；而且转子动平衡后，需要在整机组装的过程中拆装一次叶轮，而其结构的叶轮与螺杆之间配合有间隙，且双头螺杆的拆装一致性较差，因此拆装叶轮后转子不平衡量变化较大，会影响转子稳定性；其空心轴结构转子内部有密闭空腔结构，转子高低温循环工况下，空腔内部会有高温胀气，影响叶轮螺纹连接的可靠性。
14.因此，市场上急需要一种转子质量轻、整体强度高、稳定性好，同时磁钢用量少，磁钢磁通利用率高的新转子结构。


技术实现要素：

15.本实用新型针对上述问题，提供了一种用于燃料电池空压机的空心转子结构，主轴外套有至少3段斜极的环形结构磁钢形成的磁钢组，并用螺母将磁钢组与主轴连接固定，此结构可大幅提高转子的临界转速、启动响应速度、空气轴承的启停寿命以及空压机系统的功率密度，还可以大幅降低转子涡流损耗，气隙磁场谐波以及齿槽转矩，进而提高电机效率，改善电机的nvh性能，还可以避免涂胶固定方案的胶水失效风险，且便于转子磁钢的安装与拆卸；
16.本实用新型的目的可以通过下述技术方案来实现：一种用于燃料电池空压机的空心转子结构，包括主轴和分别设在主轴两端的低压叶轮轴和高压叶轮轴，其特征在于，主轴外套有至少3段斜极的环形结构磁钢形成的磁钢组，磁钢组的外部设有与之过盈配合的磁钢保护套，主轴与低压叶轮轴为互相中通的空心轴，高压叶轮轴为空腔轴。
17.优选的，磁钢组由第一、第二、第三段斜极的环形结构磁钢安装拼合而成，每段环形结构磁钢的长度相同，第一、第二和第三段磁钢依次错开1
°
～8
°
的相同斜极角度安装于主轴上，斜极角度安装误差≤σ，σ取值范围为0.05
°
～0.3
°
之间。
18.进一步，相邻的环形结构磁钢的内孔长径比在1～2之间，每段磁钢与主轴之间为间隙配合，每段磁钢均设有磁钢充磁标记线，相邻的磁钢充磁标记线之间的切向距离为l，l的误差范围为
±
τ，l和τ的公式分别如下：
19.l＝2*r*sin(a/2)；
20.τ＝r*sin(σ)；
21.其中：r为磁钢外径、a为斜极角度、σ为安装角度允许误差。
22.相对于现有技术，本实用新型的技术方案除了整体技术方案的改进，还包括很多细节方面的改进，具体而言，具有以下有益效果：
23.1、本实用新型所述的改进方案中，在主轴外设置至少3段斜极的环形结构磁钢，相邻的磁钢依次错开一个相同斜极角度后安装于主轴上，这种斜极的环形结构磁钢，使得本实用新型的转子涡流损耗更低，同时磁钢斜极可以有效降低气隙磁场谐波、齿槽转矩，从而改善电机的nvh性能；
24.2、本实用新型的技术方案中，主轴与低压叶轮轴为互相中通的空心轴，高压叶轮轴为空腔轴，此结构可以有效提高转子的临界转速和启动响应速度，还可以降低转子重量，
从而提高空气轴承的启停寿命和空压机系统的功率密度；而且，空心轴内腔的气体可以从低压端叶轮轴孔处有效排出，避免转子内腔胀气引起的失效；
25.3、本实用新型的多段斜极的环形结构磁钢在安装时，每段磁钢套入主轴后旋转一定角度，保证相邻的磁钢的充磁标记线之间的切向距离为l，误差为
±
τ，然后整个转子沿着中间段磁钢的充磁标记线，进行径向平行充磁，可以大幅降低转子涡流损耗，还可以有效降低气隙磁场谐波和齿槽转矩，从而改善电机的nvh性能，同时这里的磁钢分段后，磁钢内孔易加工，磁钢用量少，材料利用率高，因此磁钢的加工和材料成本都比较低；
26.4、本实用新型结构的磁钢通过锁紧螺母将磁钢与主轴连接固定，避免了涂胶固定方案的胶水失效风险，同时磁钢锁紧螺母拆装方便，便于更换磁钢等零件，且产品一致性好；
27.5、本实用新型的产品各部件加工便捷，安装方便，具有极大的市场前景，便于推广和利用。
附图说明
28.图1为本实用新型的空心转子结构示意图。
29.图2为本实用新型的磁钢斜极环形结构的磁钢斜极置示意图。
30.图中标注如下：
31.1主轴、2低压叶轮轴、3高压叶轮轴、4磁钢、5磁钢保护套、6隔磁环、7磁钢锁紧螺母、8止推盘、9低压叶轮、10高压叶轮、11低压锁紧螺母、12高压锁紧螺母；
32.101空气轴承低压侧支撑位、102空气轴承高压侧支撑位、103转轴动平衡去重位和装夹位、104主轴充磁标记线；
33.401第一磁钢段、402第二磁钢段、403第三磁钢段、404第四磁钢段、405第五磁钢段、4011第一磁钢段标记线、4021第二磁钢段标记线、4031第三磁钢段标记线、4041第四磁钢段标记线、4051第五磁钢段标记线；
34.701盲孔。
具体实施方式
35.以下结合附图详细说明本实用新型的具体实施方式，使本领域的技术人员更清楚地理解如何实践本实用新型。尽管结合其优选的具体实施方案描述了本实用新型，但这些实施方案只是阐述，而不是限制本实用新型的范围。
36.如图1所示，一种用于燃料电池空压机的空心转子结构，包括主轴1和分别设在主轴两端的低压叶轮轴2和高压叶轮轴3，其与现有技术的区别在于，主轴外套有5段斜极的环形结构磁钢形成的磁钢组，磁钢组的外部设有与之过盈配合的磁钢保护套5，主轴与低压叶轮轴为互相中通的空心轴，高压叶轮轴为空腔轴。
37.优选的，磁钢组由第一、第二、第三、第四、第五段斜极的环形结构磁钢安装拼合而成，每段环形结构磁钢的长度相同，第一、第二、第三、第四和第五段磁钢依次错开1
°
～8
°
的相同斜极角度安装于主轴上，斜极角度安装误差≤σ，σ取值范围为0.05
°
～0.3
°
之间。
38.进一步，相邻磁钢的内孔长径比在1～2之间，每段磁钢与主轴之间为间隙配合，每段磁钢均设有磁钢充磁标记线，相邻的磁钢充磁标记线之间的切向距离为l，l的误差范围
为
±
τ，l和τ的公式分别如下：
39.l＝2*r*sin(a/2)；
40.τ＝r*sin(σ)；
41.其中：r为磁钢外径、a为斜极角度、σ为安装角度允许误差。
42.实施中，本实用新型包括多段斜极的环形结构磁钢组成的磁钢组，以及主轴与低压叶轮轴为互相中通的空心轴，高压叶轮轴为空腔轴这些结构。在斜极的环形结构磁钢安装时，每段磁钢的长度相同，每段磁钢依次套入主轴后旋转一定角度，相邻的每段磁钢依次错开1
°
～8
°
的相同斜极角度安装于主轴上，并且同时保证相邻的磁钢的充磁标记线之间的切向距离均为l，误差为
±
τ，其中需要注意的是，中间段的磁钢充磁标记线与主轴的充磁标记线在对齐，然后安装磁钢保护套等其它部件，安装完毕后，整个转子沿着中间段磁钢的充磁标记线，进行径向平行充磁，这样获得空心转子结构，可以大幅降低转子涡流损耗，还可以有效降低气隙磁场谐波和齿槽转矩，从而改善电机的nvh性能。同时，分段的环形磁钢内孔易加工，磁钢用量少，材料利用率高，因此磁钢的加工和材料成本都比较低。
43.实施例1
44.一种用于燃料电池空压机的空心转子结构，包括主轴和分别设在主轴两端的低压叶轮轴和高压叶轮轴，主轴外套有5段斜极的环形结构磁钢形成的磁钢组，磁钢组的外部设有与之过盈配合的磁钢保护套，通过护套给磁钢一定的预压力，来保证转子高速旋转时磁钢整体始终处于受压状态，主轴与低压叶轮轴为互相中通的空心轴，高压叶轮轴为空腔轴。这里，磁钢材料为稀土汝铁硼或稀土杉钴；主轴材料为马氏体不锈钢或坡莫合金；磁钢保护套材料为非导磁合金钢或碳纤维。
45.每段磁钢的长度相同，每段磁钢依次套入主轴后旋转一定角度，相邻的每段磁钢依次错开1
°
～8
°
的相同斜极角度安装于主轴上，并且同时保证相邻的磁钢的充磁标记线之间的切向距离均为l，误差为
±
τ，l和τ的公式分别如下：l＝2*r*sin(a/2)；
46.τ＝r*sin(σ)；
47.其中：r为磁钢外径、a为斜极角度、σ为安装角度允许误差。
48.具体来说，主轴1与低压叶轮轴2、高压叶轮轴3之间为过盈配合，每组配合副的长径比为1.5～2，且高低压叶轮轴伸出主轴的长度应尽量短，避免叶轮轴为旋转共振薄弱段；转子空心腔轴的内外径之比小于等于0.7(这里的转子空心腔轴是指主轴与低压叶轮轴、高压叶轮轴之间形成的空心腔轴)，以保证转子整体具有较高的强度；主轴的两端延伸设置有分别与低压叶轮轴和高压叶轮轴配合的空气轴承低压侧支撑位101和空气轴承高压侧支撑位102，空气轴承的弹性约束力可以有效提高转子的临界转速，而转子转速的提高可以进一步增加空气轴承的弹性约束力，进而进一步提高转子临界转速，同时空气轴承低压侧支撑位101和空气轴承高压侧支撑位102的存在也使得主轴与低压叶轮轴和高压叶轮轴配合的更好，形成一体化的结构；空心结构的转子重量轻，临界转速高，且转轴内腔与大气连通，内腔高温高压气体可通过低压叶轮轴中心孔排除，不会因为内腔高温高压气体的存在而影响其它部件的连接可靠性。
49.磁钢组的一端通过磁钢锁紧螺母7固定于主轴上，磁钢锁紧螺母为圆环结构，表面光洁度≤ra1.6，以降低空气摩擦损耗，磁钢锁紧螺母一侧端面开设有盲孔701，方便螺母锁紧安装；同时磁钢斜极环形结构的另一端设有隔磁环6，隔磁环与主轴之间为过盈配合，安
装过程中选择0.02～0.04mm的过盈量，以保证超高转速下过盈配合连接副不会松脱，连接可靠，使用寿命延长。
50.进一步，止推盘8和低压叶轮9套设于低压叶轮轴2上，并通过设置于低压叶轮一侧的低压锁紧螺母11，将止推盘和低压叶轮套固定于低压叶轮轴上，以保证连接可靠不松动，止推盘与低压叶轮轴之间为过渡配合。高压叶轮10套设于高压叶轮轴3上，使用高压锁紧螺母12将高压叶轮固定于高压叶轮轴上，高压叶轮与高压叶轮轴之间为过渡配合。需要说明的是，磁钢锁紧螺母与主轴之间、低压锁紧螺母与低压叶轮轴之间以及高压锁紧螺母与高压叶轮轴之间为螺纹副连接，且螺纹安装旋向与转子旋转方向相反，以此防松。主轴上预留有转轴动平衡去重位和装夹位103，方便主轴、叶轮轴组件进行动平衡去重以及转子安装时的装夹定位。
51.本实用新型由于结构上的先进性，与现有技术相比，存在如下的优点：
52.(1)分段斜极的环形结构磁钢优点：
53.①
铁芯损耗、磁钢损耗，绕组交流损耗更低(实例2中有损耗对比)；
54.②
磁钢斜极可以有效降低气隙谐波，转子振动噪声低(实例2中有谐波含量对比)；
55.③
环形结构磁钢重量轻，磁钢材料利用率高，材料成本低(实例2中有磁钢用量及利用率对比)；
56.④
磁钢分段后，磁钢内孔易加工，加工成本低；
57.(2)环形结构磁钢间隙安装配圆螺母轴向预紧固定结构优点：
58.①
作为涂胶固定方式的替代方案，避免了胶水失效的风险；
59.②
螺母安装方便可控，磁钢拆装容易，产品一致性好；
60.(3)3段过盈空心轴结构优点：
61.①
空心轴转子刚度大，临界转速高(实例2中有临界转速对比)；
62.②
转子轻，空压机启动响应速度快(实例2中有转动惯量对比)；
63.③
转子轻，空气轴承径向载荷小，启停寿命长；
64.④
转子轻，空压机系统功率密度大(实例2中有转子质量对比)；
65.⑤
从低压端叶轮轴孔处可以有效排出空心轴内腔的气体，避免胀气；
66.⑥
过盈连接工艺可控，产品一致性好；
67.实施例2
68.磁钢组由径向平行充磁的5段斜极的环形结构磁钢组成，每段环形结构磁钢长度相同，且磁钢内孔的长径比为1.1，磁钢斜极环形结构如图2所示，包括：第一磁钢段401、第二磁钢段402、第三磁钢段403、第四磁钢段404、第五磁钢段405、第一磁钢段标记线4011、第二磁钢段标记线4021、第三磁钢段标记线4031、第四磁钢段标记线4041、第五磁钢段标记线4051，主轴充磁标记线104。磁钢斜极环形结构的安装要求为：5段磁钢依次错开3
°
斜极角度安装于转轴上，安装误差≤0.1
°
。
69.三段磁钢安装方法如下：a、磁钢套入主轴后旋转磁钢，保证磁钢充磁标记线之间的距离l满足l
±
τ的要求，其中l和τ可由如下公式得到：l＝2*r*sin(a/2)；
70.τ＝r*sin(σ)；
71.本实例中磁钢外半径r＝15mm，斜极角度a＝3
°
，允许角度安装误差σ＝0.1
°
，经上述计算可得到：l＝1.57mm，τ＝0.026mm；b、使用激光打标机在主轴上标刻充磁标记线，使主
轴充磁标记线与第二磁钢段标记线沿轴向对齐；c、安装磁钢保护套；d、整转子沿充磁标记线，径向平行充磁。
72.磁钢组可以大幅降低转子涡流损耗，还可以有效降低气隙磁场谐波和齿槽转矩，从而改善电机的nvh性能；以此转子应用的空压机为例，分段斜极与整块磁钢的电磁性能仿真数据对比如表(1)所示：
73.从下图可以看出：相对于整块磁钢，分段斜极磁钢的损耗降低了60％，转矩谐波分量占比降低了40％，齿槽转矩谐波分量占比降低了93％，而且选择不同的斜极角度可以抑制指定阶次的谐波分量，这对降低空压机的振动噪音很有意义。
[0074][0075]
表(1)
[0076]
本实用新型的斜极的环形结构磁钢可以大幅降低稀土永磁材料的用量，且其稀土材料的利用率高，成本低，以此转子应用的空压机为例，环形磁钢与实心磁钢的稀土材料用量及利用率仿真数据对比如表(2)所示：
[0077]
数值实心磁钢环形磁钢单位磁钢重0.498750.20925kg空载磁链0.01880.0138wb磁钢利用率0.03770.0658wb/kg
[0078]
表(2)
[0079]
从以上数据可以看出，环形磁钢与实心磁钢相比，稀土材料用量降低了58％，空载磁链降低了27％，但磁钢利用率提高了75％。
[0080]
具体来说，主轴与低压叶轮轴为中通空心轴，高压叶轮轴为空腔轴；低压叶轮轴与主轴以及高压叶轮轴与主轴之间为过盈配合，配合副的长径比为1.6，且高低压叶轮轴伸出主轴的长度已设计至最短，转子临界转速对应振型为两轴承位之间的弯曲；空气轴承低压侧支撑位101、空气轴承高压侧支撑位102与主轴一体化设计，空气轴承的弹性约束可以有效抑制两轴承位之间的弯曲变形，进而提高转子的临界转速，而转子转速的提高还可以增
加空气轴承的弹性约束力，进而进一步提高转子临界转速，同样外形尺寸下，文献(3)转子结构与本专利转子结构相比，转速、空气轴承弹性约束力、转子模态以及临界转速对应关系如表(3)所示；
[0081][0082]
表(3)
[0083]
如表(3)数据所示，虽然转子a与b的自由1阶模态相差不多，但是随着电机转速和空气轴承弹性约束力的提高，转子b的临界转速大幅增加，而转子a的临界转速变化不大，即转子a的临界转速为186390rpm，而转子b的临界转速高达216720rpm，提高了16.3％。
[0084]
本实用新型的空心轴转子重量轻，刚度大，且转轴内腔高温高压气体可通过低压叶轮轴中心孔排出，以此转子应用的空压机为例，空心轴与实心轴的转子质量、转子转动惯量、转子前3阶模态以及临界转速仿真数据对比如表(4)所示：
[0085]
数值实心轴空心轴空心轴+螺母单位主轴重量0.60840.46440.4644kg低压叶轮轴重量0.08580.06540.0654kg高压叶轮轴重量0.0930.07140.0714kg其他零件重量0.59880.59880.5988kg总重量1.3861.21.2kg转子转动惯量324317.4317.4kg*mm^2转子1阶模态34473493.53612hz转子2阶模态40984003.54018.5hz转子3阶模态466546954749hz转子临界转速206820209610216720rpm
[0086]
表(4)
[0087]
从以上数据可以看出，
[0088]
相对于实心轴，空心轴的转子质量降低了0.186kg，下降了13.4％；空心轴转子的转动惯量降低了6.6kg＊m2，下降了2.1％；空心轴转子的临界转速提高了2790rpm。
[0089]
本实用新型在实施中，转子空心\腔轴内外径之比为0.65，以保证转子整体具有较高的强度；磁钢与磁钢保护套为过盈配合，通过护套给磁钢一定的预压力，来保证转子高速旋转时磁钢整体始终处于受压状态；隔磁环与主轴、低压叶轮轴与主轴以及高压叶轮轴与主轴之间为过盈配合，安装过程中选择0.02～0.04mm的过盈量，以保证超高转速下过盈配合连接副不会松脱，连接可靠；低压叶轮与低压叶轮轴、高压叶轮与高压叶轮轴以及止推盘与低压叶轮轴之间为过渡配合，并使用低压锁紧螺母将低压叶轮和止推盘固定于低压叶轮轴上，使用高压锁紧螺母将高压叶轮固定于高压叶轮轴上，以保证连接可靠不松动；磁钢与转轴之间为间隙配合，并使用磁钢锁紧螺母将磁钢固定于主轴上，此方案可以有效规避已
有涂胶固定方案的胶水高温老化风险，以及涂胶工艺的一致性问题，而且螺母对磁钢施加轴向预紧力后，转子的刚度和临界转速也会提高，以此转子应用的空压机为例，有无螺母轴向固定磁钢的转子前3阶模态以及临界转速仿真数据对比如表(4)所示：从以上数据可以看出，增加预紧螺母后，转子的刚度有所提升，临界转速可以提高7110rpm，可以使转子运行于更高的转速。
[0090]
同时，磁钢锁紧螺母与主轴之间、低压锁紧螺母与低压叶轮轴之间以及高压锁紧螺母与高压叶轮轴之间为螺纹副连接，且螺纹安装旋向与转子旋转方向相反，以此防松；磁钢锁紧螺母为圆环结构，表面光洁度ra1.6，以降低空气摩擦损耗，且螺母一侧端面开有轴向安装盲孔701，方便螺母锁紧安装；主轴上预留有转轴动平衡去重位和装夹位103，方便主轴、叶轮轴组件进行动平衡去重以及转子安装时的装夹定位。
[0091]
应当指出，对于经充分说明的本实用新型来说，还可具有多种变换及改型的实施方案，并不局限于上述实施方式的具体实施例。上述实施例仅仅作为本实用新型的说明，而不是对本实用新型的限制。总之，本实用新型的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型，且以所附权利要求为准。