一种气悬浮电机和压缩机的制作方法

本发明涉及电机，具体涉及一种气悬浮电机和压缩机。

背景技术：

1、高速电机因其具有功率密度大、效率高、体积小和传动可靠等技术特点，在高速机床、高速离心压缩机、燃料电池、鼓风机等领域具有广泛的应用前景。如燃料电池领域，在对反应所需空气的压缩时，高速电机可以保证空压机的大压比性能，从而减小燃料电池电堆尺寸、降低电堆成本。虽然高速电机在很多领域具有得天独厚的优势而具有非常广泛的应用前景，但电机的高速化也给电机的发展带来了新的技术难题和挑战。

2、一方面，高速将导致电机的机械和电器损耗增加，发热量增加，具体表现为高频电磁场使得高速电机的铜损、铁损、涡流损耗增大，转子高速旋转时产生的风摩损耗较大，导致电机运行时温升较高。更高的运行温度也将导致高速电机有旋转系统发生热致失稳和永磁体发生不可逆退磁的风险。另一方面，高速电机的转速往往在几万转甚至十几万每分钟，超过了常规轴承的转速极限，而箔片气浮轴承的承载能力与转子转速成正比，转速越高，产生的气膜压力越大，承载能力越强，理论上对转子转速没有限制，在高转速下具有广泛的应用前景。但气悬浮轴承制造和装配精度高、轴承与轴颈/止推盘之间间隙小，这能使得高速电机结构更加紧凑的同时也导致散热更加困难，在实际应用中，箔片轴承极易由于散热设计的不足而发生不可逆破坏。基于上述原因，高速电机内部冷却系统的设计，已成为行业内亟需解决的技术难题。

3、由于现有技术中的高速电机在高速运行时，止推盘与轴向箔片气浮轴承之间、轴颈与径向箔片气浮轴承之间会形成高压气膜，这能为高速转子提供足够的轴向和径向承载力。但与此同时，高压气膜的存在使得冷却气体难以进入轴承内部，轴承箔片无法得到有效的冷却，轴承箔片在高温工况下容易发生不可控的热变形，从而导致系统存在运行的不稳定甚至气悬浮箔片轴承的破坏等技术问题，因此本发明研究设计出一种气悬浮电机和压缩机。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的高速电机在高速运行时由于高压气膜的存在使得冷却气体难以进入轴承内部，导致系统存在运行的不稳定甚至气悬浮箔片轴承的破坏的缺陷，从而提供一种气悬浮电机和压缩机。

2、为了解决上述问题，本发明提供一种气悬浮电机，其包括：

3、转子、第一径向轴承座、止推盘、第一扩压器、第一径向轴承、第一轴向轴承和第二轴向轴承，所述第一径向轴承座位于所述转子的部分轴段的外周，所述第一径向轴承设置于所述转子的外周与所述第一径向轴承座的内周之间，以对所述转子进行径向支承；所述第一扩压器位于所述转子的部分轴段的外周，且沿着所述转子的轴向，所述止推盘位于所述第一扩压器与所述第一径向轴承座之间，沿着所述轴向，所述第一轴向轴承设置于所述第一扩压器与所述止推盘之间，所述第二轴向轴承设置于所述止推盘与所述第一径向轴承座之间，以能对所述转子进行止推；

4、所述第一扩压器内部具有流通通道，能够引入冷却气体到达所述第一轴向轴承的与所述第一扩压器相接的轴向一侧端面，并对所述第一轴向轴承冷却和提供用于支承的气体。

5、在一些实施方式中，

6、所述第一扩压器上开设有扩压器进气口、第一导气槽、导气通道和第二导气槽，所述扩压器进气口能够引入外部的冷却气体，所述第一导气槽连通于所述扩压器进气口与所述导气通道之间，以能将气体通过所述第一导气槽输送至所述导气通道中，所述导气通道朝所述第一扩压器的径向内侧的方向延伸至能与所述第二导气槽连通，所述第二导气槽朝向所述第一轴向轴承并能将冷却气体输送至所述第一扩压器与所述第一轴向轴承相接的轴向端面，以对所述第一轴向轴承冷却和提供用于支承的气体。

7、在一些实施方式中，

8、所述扩压器进气口从所述第一扩压器的轴向一侧端面沿轴向方向延伸至其内部，所述扩压器进气口的径向位置位于所述第一导气槽的径向外周，所述第一导气槽为环形槽，其径向外周的一处位置与所述扩压器进气口相接并连通，所述导气通道从所述第一扩压器的径向外周沿径向方向延伸至所述第一扩压器的内部，所述导气通道的径向方向的一处位置通过沿轴向延伸的导气入口与所述第一导气槽连通，所述导气通道的径向内端通过沿轴向延伸的导气出口与所述第二导气槽连通。

9、在一些实施方式中，

10、所述第二导气槽设置于所述第一扩压器的朝向所述第一轴向轴承的轴向端面上，并朝远离所述第一轴向轴承的方向凹陷形成，所述第二导气槽为多个，多个所述第二导气槽沿所述第一扩压器的周向方向间隔设置；所述导气通道也为多个，多个所述导气通道沿所述第一扩压器的周向方向间隔设置，且所述导气通道与所述第二导气槽一一对应且连通设置。

11、在一些实施方式中，

12、在所述第一扩压器的轴向端面的投影面内，所述第二导气槽的形状为z型导气槽，包括导气槽外周段、导气槽内周段和连通段，所述导气槽外周段位于所述导气槽内周段的外周，所述连通段连通于所述导气槽外周段和所述导气槽内周段之间；且所述导气槽外周段沿周向方向延伸第一预设长度，所述导气槽内周段沿周向方向延伸第二预设长度。

13、在一些实施方式中，

14、所述第一轴向轴承沿所述轴向贯穿设置有轴向轴承第一进气口和轴向轴承第二进气口，所述轴向轴承第一进气口和所述轴向轴承第二进气口的径向位置均不超出所述止推盘的径向边缘的位置，所述轴向轴承第一进气口位于所述轴向轴承第二进气口的径向外侧，所述第一轴向轴承与所述止推盘在轴向上存在间隙，以能通过所述轴向轴承第一进气口和所述轴向轴承第二进气口将气体输送至所述第一轴向轴承和所述止推盘之间，用于冷却所述第一轴向轴承和所述止推盘。

15、在一些实施方式中，

16、当在所述第一扩压器的轴向端面的投影面内，所述第二导气槽的形状为z型导气槽，包括导气槽外周段、导气槽内周段和连通段时，所述第一轴向轴承沿所述轴向贯穿设置有第一轴向轴承镂空结构，所述第一轴向轴承镂空结构位于所述轴向轴承第一进气的径向外侧，所述轴向轴承第一进气口和轴向轴承第二进气口均与所述第二导气槽的连通段相对且连通，所述导气槽外周段与第一轴向轴承镂空结构相对且连通，所述第一轴向轴承镂空结构与所述第一轴向轴承的拱箔段连通，用于对所述第一轴向轴承提供用于支承的气体；所述第一轴向轴承镂空结构的径向位置超出所述止推盘的径向外边缘位置，以能通过所述第一轴向轴承镂空结构向所述第二轴向轴承输送冷却气体。

17、在一些实施方式中，

18、所述第一径向轴承座的朝向所述第二轴向轴承的轴向端面上开设有第三导气槽，所述第三导气槽朝着远离所述第二轴向轴承的方向凹陷形成；所述第二轴向轴承沿所述轴向贯穿设置有轴向轴承第三进气口和轴向轴承第四进气口，所述轴向轴承第三进气口和所述轴向轴承第四进气口的径向位置均不超出所述止推盘的径向边缘的位置，所述轴向轴承第三进气口位于所述轴向轴承第四进气口的径向外侧，所述第二轴向轴承与所述止推盘在轴向上存在间隙，所述第三导气槽与所述第二轴向轴承上所述轴向轴承第三进气口和所述轴向轴承第四进气口均相对且连通，以能通过所述第三导气槽朝所述轴向轴承第三进气口和所述轴向轴承第四进气口供气，并通过所述轴向轴承第三进气口和所述轴向轴承第四进气口将气体输送至所述第二轴向轴承和所述止推盘之间，所述第三导气槽朝径向内侧延伸至所述第一径向轴承座的轴孔内周，以能进一步将气体导通至所述第一径向轴承座的轴孔内周设置的所述第一径向轴承中。

19、在一些实施方式中，

20、所述第一径向轴承座的朝向所述第二轴向轴承的轴向端面上开设有第三导气槽周向段，所述第三导气槽的外周与所述第三导气槽周向段连通，所述第三导气槽周向段沿周向方向延伸第三预设长度，所述第三导气槽和所述第三导气槽周向段形成t型导气槽，所述第二轴向轴承沿所述轴向贯穿设置有第二轴向轴承镂空结构，所述第二轴向轴承镂空结构位于所述轴向轴承第三进气口的径向外侧，所述第三导气槽周向段与所述第二轴向轴承上的所述第二轴向轴承镂空结构相对且连通，以能将冷却气体通过所述第二轴向轴承镂空结构进入所述第三导气槽周向段，从而进入所述第三导气槽，所述第二轴向轴承镂空结构还与所述第二轴向轴承的拱箔段连通，用于对所述第二轴向轴承提供用于支承的气体；所述第二轴向轴承镂空结构的径向位置超出所述止推盘的径向外边缘位置，以能通过所述第二轴向轴承镂空结构接收从所述第一轴向轴承输送而来的冷却气体。

21、在一些实施方式中，

22、还包括机壳和定子，所述定子设置于所述机壳的内部，所述机壳的内部设置有冷却水流道，所述机壳的内部还设置有冷却气流道，所述冷却气流道与所述冷却水流道不连通，所述冷却气流道中的冷却气体能与所述冷却水流道中的冷却水换热；所述机壳的轴向一端与所述第一径向轴承座轴向一侧端面相接，所述第一径向轴承座的轴向另一侧端面与所述第一扩压器相接，所述第一径向轴承座的内部沿轴向贯穿设置有第一导气通孔，所述第一导气通孔的一端与所述冷却气流道连通、另一端与所述第一扩压器内部的流通通道连通，以能对所述第一扩压器内部的流通通道供气。

23、在一些实施方式中，

24、当所述第一扩压器上开设有扩压器进气口时，所述第一导气通孔的另一端与所述扩压器进气口连通，以对所述扩压器进气口供气。

25、在一些实施方式中，

26、还包括第二径向轴承座、第二径向轴承和第二扩压器，所述第二径向轴承座位于所述转子的部分轴段的外周，所述第二径向轴承设置于所述转子的外周与所述第二径向轴承座的内周之间，以对所述转子进行径向支承，所述第二径向轴承座与所述第一径向轴承座沿轴向间隔设置，所述第二扩压器的径向外侧部分沿轴向与所述第二径向轴承座相接，所述第二扩压器的径向内侧部分沿轴向与所述第二径向轴承座间隔形成导通空间，所述第二径向轴承座的内部具有第二导气通孔，所述第二导气通孔的一端与所述冷却气流道连通，所述第二导气通孔的另一端与所述导通空间连通，所述导通空间与所述第二径向轴承连通，以对所述第二径向轴承冷却和提供用于支承的气体。

27、在一些实施方式中，

28、经过所述第一径向轴承后的气体进入所述机壳的内部能对所述定子进行冷却，经过所述第二径向轴承后的气体进入所述机壳的内部能对所述定子和所述转子进行冷却，经过所述第一径向轴承后进入所述机壳内部的气体能与经过所述第二径向轴承后进入所述机壳内部的气体进行混合；

29、所述机壳上还开设有电机出气口，所述电机出气口一端与所述机壳的内部连通，另一端连通至所述机壳的外部，以能将所述机壳内部的气体导出。

30、本发明还提供一种压缩机，其包括前述的气悬浮电机。

31、在一些实施方式中，

32、还包括一级叶轮、一级蜗壳、二级叶轮和二级蜗壳，所述一级叶轮和所述第一扩压器均设置于所述一级蜗壳的内部，所述二级叶轮和所述第二扩压器均设置于所述二级蜗壳的内部，所述第一扩压器为一级扩压器，所述第二扩压器为二级扩压器，经所述一级叶轮压缩和所述一级扩压器扩压后的气体中的部分进入所述二级蜗壳中进行二级压缩，部分通过连接管上的压缩气体出口被导通至所述冷却气流道中，所述机壳上还设置有电机进气口，所述压缩气体出口与所述电机进气口连通，所述电机进气口与所述冷却气流道连通。

33、本发明提供的一种气悬浮电机和压缩机具有如下有益效果：

34、本发明通过在第一扩压器内部设置有流通通道，能够引入冷却气体到达第一轴向轴承与第一扩压器相接的轴向一侧端面(即第一轴向轴承的背面)，由于该轴侧端面是低压区，引入的冷却气体是高压，能够使得引入的气体与低压区之间形成压差，增大气体的流速，使得冷却气体能够顺利地与扩压器的低压区导通，并顺利地进入到轴向轴承的内部，冷却气体的流速增大，能够有效增加散热的效率，本发明由于第一扩压器内部设置的流通通道，使得高压冷却气体能从轴向轴承背面低压区进入轴承内部，该结构能增大冷却气体在气悬浮箔片轴承系统内部和整机气冷系统的流动速度，从而提高箔片轴承系统与整机的对流散热效率，提高气悬浮轴承的运行稳定性和承载能力、降低永磁体退磁风险，解决现有高速电机发热量大而又散热困难的难题，提高气悬浮高速电机及空压机的运行稳定性和安全性。