一种燃料电池用离心式空气压缩机的制作方法

1.本发明涉及燃料电池压缩机领域，具体而言，涉及一种燃料电池用离心式空气压缩机。


背景技术：

2.氢能源动力汽车因其消耗的是清洁能源氢，氢是可以取代石油的燃料，其燃烧产物是水和少量氮氧化合物，对空气污染很少，而且不需要对汽车发动机进行大的改装，使得燃料电池汽车具有广阔的应用前景被众多车企所青睐。燃料电池车用压缩机，作为其重要元器件，为燃料电池的阴极反应提供高压空气，其成本和能耗约占燃料电池系统的20％，其性能好坏直接影响燃料电池系统的性能。
3.燃料电池系统的空压机需要具有效率高，体积小，无油，工作流量及压力范围大，噪音小，耐振动冲击、动态响应快等特点。常见的空压机中离心式空压机在效率、噪音、体积、无油、功率密度等方面具有良好的综合效果，满足燃料电池空压机的使用需求。当叶轮高速旋转时，在离心力作用下，气体被甩到蜗壳中去进行扩压，而在叶轮处形成真空地带，这时外界的新鲜气体进入叶轮。叶轮不断旋转，气体不断地吸入并甩出，从而保持了气体的连续流动。
4.现有技术中，大多数空压机采用的是滚动轴承，其具有效率低的缺点。


技术实现要素：

5.针对背景技术中的不足，本发明提供一种燃料电池用离心式空气压缩机，其提高了压缩机的工作效率，配合利用空气作为润滑介质的轴向推力轴承和径向支撑轴承，在降低摩擦的同时防止油污进入燃料电池堆，保证整体系统的安全运转。
6.本发明的实施例是这样实现的：
7.本技术实施例提供一种燃料电池用离心式空气压缩机，包括高速电机定子总成、高速电机转子总成、轴承系统、密封系统和冷却系统；
8.高速电机定子总成包括电机外壳、水冷套、电机定子和轴承座，电机外壳与轴承座连接，水冷套与电机定子过盈配合；
9.高速电机转子总成包括后叶轮头、二级增压叶轮、后轴套、后拉杆、转轴、永磁体、前轴套、平衡盘、一级增压叶轮、前拉杆和前叶轮头，永磁体设置于转轴的中间位置，且两端分别过盈配合有圆环，转轴的前端过盈配合有前轴套，平衡盘设置于前轴套的凸台位置，前拉杆与转轴连接，一级增压叶轮装入前轴套的凸台位置并压紧平衡盘，前叶轮头设置于前拉杆的端部，转轴的后端过盈配合有后轴套，转轴与后拉杆连接，二级增压叶轮装入后轴套的凸台位置，后叶轮头设置于后拉杆的端部；
10.轴承系统包括径向支撑轴承和轴向推力轴承，径向支撑轴承包括后端轴承和前端轴承；
11.密封系统包括后端密封盖和前端密封盖，后端密封盖、前端密封盖、一级增压叶轮
和二级增压叶轮均设置有密封齿；
12.冷却系统包括对高速电机定子总成冷却的水冷却系统和对高速电机转子冷却的空气冷却系统，水冷套具有冷却水路，冷却水路为螺旋槽结构。
13.在本发明的一些实施例中，上述前端密封盖的密封齿和后端密封盖的密封齿的齿形包括直齿，直齿的齿尖呈0.2mm平台状，直齿的齿尖距离转轴0.2mm。
14.在本发明的一些实施例中，上述前端密封盖、后端密封盖、一级增压叶轮以及二级增压叶轮的密封齿的齿形包括斜齿，斜齿的倾斜角度为15度，前端密封盖、后端密封盖的密封齿与对应的一级增压叶轮、二级增压叶轮的密封齿互为交错排列，一级增压叶轮、二级增压叶轮的密封齿的齿尖到前端密封盖、后端密封盖的密封齿的齿根的距离在0.2mm-0.3mm之间。
15.在本发明的一些实施例中，上述前端密封盖和后端密封盖均设有凹槽，凹槽内装配有o型圈。
16.在本发明的一些实施例中，上述螺旋槽结构槽宽为12mm，槽深为3mm。
17.在本发明的一些实施例中，上述电机外壳设置有一级增压蜗壳和二级增压蜗壳，一级增压蜗壳与二级增压蜗壳之间设置有连接管。
18.在本发明的一些实施例中，上述轴向推力轴承的数量为两个，且彼此旋转的方向相反。
19.相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：
20.本发明中水冷套与高速电机定子总成通过过盈配合的装配方式，以保证高效率的温度传导，通过水冷套内冷却水路里的循环水对电机定子进行散热，从而满足超高速电机的冷却需求。高速旋转的一级增压叶轮和二级增压叶轮将空气进行压缩，气流通过一级增压蜗壳、增压管、二级增压蜗壳后完成两次对空气的增压，提高了整体的压缩比，同时高速电机转子总成采用转轴、前拉杆、后拉杆直连一级增压叶轮、二级增压叶轮的形式，电机转子直接驱动第一增压叶轮、第二增压叶轮旋转压缩气体，大大的提高了压缩机的工作效率，配合利用空气作为润滑介质的轴向推力轴承和径向支撑轴承，在降低摩擦的同时防止油污进入燃料电池堆，保证整体系统的安全运转。
附图说明
21.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。
22.图1为本发明实施例一种燃料电池用离心式空气压缩机结构示意图；
23.图2为本发明实施例一种燃料电池用离心式空气压缩机冷却示意图。
24.图标：1-连接管，2-叶轮头，3-后拉杆，4-二级增压蜗壳，5-二级增压叶轮，6-后端密封盖，7-后轴套，8-后端轴承，9-电机外壳，10-水冷套，11-电机定子，12-转轴，13-永磁体，14-前轴套，15-前端轴承，16-o型圈，17-轴向推力轴承，18-平衡盘，19-轴承座，20-前端密封盖，21-一级增压蜗壳，22-一级增压叶轮，23-前拉杆，24-前叶轮头。
具体实施方式
25.实施例
26.请参照图1-图2，所示为本发明的实施例。
27.本发明公开了一种燃料电池用离心式空气压缩机，包含高速电机定子11总成、高速电机转子总成、轴承系统、密封系统和冷却系统；
28.高速电机定子11总成包含电机外壳9、水冷套10、电机定子11和轴承座19；
29.高速电机转子总成包含后叶轮头2、二级增压叶轮5、后轴套7、后拉杆3、转轴12、永磁体13、前轴套14、平衡盘18、一级增压叶轮22、前拉杆23、前叶轮头24；
30.轴承系统包括径向支撑轴承和轴向推力轴承17，径向支撑轴承包括后端轴承8和前端轴承15，且全部采用无油润滑的空气轴承；
31.密封系统包含后端密封盖6、和前端密封盖20；
32.冷却系统包含对高速电机定子11冷却的水冷却系统和对高速电机转子冷却的空气冷却系统。
33.电机外壳9与轴承座19为一体连接，以保证轴承系统装配位置和轴承座19止口的尺寸精度满足设计需求。水冷套10与电机定子11采用过盈配合安装，工作温度在110℃内均可保证良好接触，保证高效的热传递效率。
34.轴承座19安装在电机外壳9右侧止口处位置，装配完成后需保证两轴承位的同轴度达到0.01mm。
35.在本实施例中，电机外壳9和水冷套10均选用热传导性能优秀的6063铝材；水冷套10两端分别使用密封圈进行冷却水的密封，装配过程中可在密封圈处涂抹机油，确保安装水冷套10时，不会对密封圈造成破坏性损伤。水冷却系统安装完毕后需要进行密封检测，通入0.6mpa压缩空气后封闭水冷通道出口，检验密封的有效性。
36.上述高速电机定子11总成中，电机外壳9定子出线位置为螺纹孔设计，并在装配完成后进行注胶处理，不破坏整机气流流路。冷却水路采用螺旋槽结构，开口竖直向下摆放，保证冷却水是从下方向上方流通，使得冷却水能充分地充满整个冷却水流路。上述水冷套10的螺旋槽结构冷却水路槽宽12mm，槽深3mm，与冷却水的有效接触面积达到53000mm2，有效提升冷却水的流动速度增加换热量。
37.上述转轴12为空心结构，永磁体13装配在转轴12中心位置，两端过盈配合套入铝制圆环作为光轴动平衡去质量点。转轴12前端过盈配合装入前轴套14，平衡盘18装入前轴套14的凸台位置，转轴12与前拉杆23通过左旋螺纹进行连接，将一级增压叶轮22装入前轴套14的凸台位置处并压紧平衡盘18，将前叶轮头24安装在前拉杆23另一端并紧固。
38.转轴12后端过盈配合装入后轴套7，转轴12与后拉杆3通过右旋螺纹进行连接，二级增压叶轮5装入后轴套7的凸台位置，将后叶轮头2安装在后拉杆3另一端并紧固。此时根据结构设计的计算结果，用扭力扳手分别紧固前叶轮头24和后叶轮头2至所需数值，进一步将高速电机转子总成做动平衡处理，需满足动平衡精度等级达到g0.4标准。
39.上述转轴12、平衡盘18、一级增压叶轮22以及二级增压叶轮5在安装过程中需要通过定位销安装，并且定位销需要设计在相同轴线方向，保证转子扭矩的传递，避免径向转动。
40.上述平衡盘18、一级增压叶轮22、二级增压叶轮5和转轴12的配合精度较高，在安
装过程中需要预先在烘箱进行60℃预热，在拆卸过程中，操作短拉杆、长拉杆，利用前轴套14和后轴套7的凸台，分别将一级增压叶轮22和二级增压叶轮5顶出止口，防止破坏一级增压叶轮22和二级增压叶轮5背面的密封齿。
41.上述前端轴承15和后端轴承8均采用空气动压箔片轴承，且与转轴12的接触面采用特殊工艺喷涂处理，增加箔片的耐磨性能，并使用插槽将箔片固定在轴套上，方便拆卸更换。轴向推力轴承17成对使用，且彼此旋转的方向相反；前端轴承15距离近端轴向推力轴承171mm。
42.上述前端密封盖20的密封齿和后端密封盖6的密封齿的齿形为直齿时，直齿的齿尖呈0.2mm平台状，直齿的齿尖距离转轴120.2mm。
43.上述前端密封盖20、后端密封盖6、一级增压叶轮22以及二级增压叶轮5的密封齿的齿形为斜齿时，斜齿的倾斜角度为15度，前端密封盖20、后端密封盖6的密封齿与对应的一级增压叶轮22、二级增压叶轮5的密封齿互为交错排列，一级增压叶轮22、二级增压叶轮5的密封齿的齿尖到前端密封盖20、后端密封盖6的密封齿的齿根的距离在0.2mm-0.3mm之间。前端密封盖20和后端密封盖6内均设有凹槽，其中采用耐高温o型圈16进行填充，保证冷却气体高效的流动。
44.冷却空气通过进气口a经过后端轴承8、电机定子11和电机转子之间的间隙、前端轴承15、轴向推力轴承17后由出气口b排出，完成对轴承和电机转子的冷却。
45.上述电机外壳9设置有一体构造的一级增压蜗壳21和二级增压蜗壳4，一级增压蜗壳21与二级增压蜗壳4之间设置有连接管1，空气流道由一级增压蜗壳21流入经过连接管1通过二级增压蜗壳4流出。
46.整机装配过程中，优先完成电机定子11、水冷套10与电机外壳9的安装，然后将转轴12插入电机定子11，进一步安装轴承座19，一对轴向推力轴承17分别置于平衡盘18的两侧，装配在轴承座19和前端密封盖20之间的空腔内，轴向推力轴承17背面需要根据设计尺寸进行调整，保证两侧轴向推力轴承17与平衡盘18端面的距离为0.1mm，进一步安装一级增压叶轮22、二级增压叶轮5、前叶轮头24和后叶轮头2。整体装配完成后进行手动盘车，确保转动流畅后完成一级增压蜗壳21、二级增压蜗壳4和连接管1的安装。
47.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。