一種燃料電池用離心式空氣壓縮機的製作方法
2023-06-09 20:00:48 2
1.本發明涉及燃料電池壓縮機領域，具體而言，涉及一種燃料電池用離心式空氣壓縮機。
背景技術：
2.氫能源動力汽車因其消耗的是清潔能源氫，氫是可以取代石油的燃料，其燃燒產物是水和少量氮氧化合物，對空氣汙染很少，而且不需要對汽車發動機進行大的改裝，使得燃料電池汽車具有廣闊的應用前景被眾多車企所青睞。燃料電池車用壓縮機，作為其重要元器件，為燃料電池的陰極反應提供高壓空氣，其成本和能耗約佔燃料電池系統的20％，其性能好壞直接影響燃料電池系統的性能。
3.燃料電池系統的空壓機需要具有效率高，體積小，無油，工作流量及壓力範圍大，噪音小，耐振動衝擊、動態響應快等特點。常見的空壓機中離心式空壓機在效率、噪音、體積、無油、功率密度等方面具有良好的綜合效果，滿足燃料電池空壓機的使用需求。當葉輪高速旋轉時，在離心力作用下，氣體被甩到蝸殼中去進行擴壓，而在葉輪處形成真空地帶，這時外界的新鮮氣體進入葉輪。葉輪不斷旋轉，氣體不斷地吸入並甩出，從而保持了氣體的連續流動。
4.現有技術中，大多數空壓機採用的是滾動軸承，其具有效率低的缺點。
技術實現要素：
5.針對背景技術中的不足，本發明提供一種燃料電池用離心式空氣壓縮機，其提高了壓縮機的工作效率，配合利用空氣作為潤滑介質的軸向推力軸承和徑向支撐軸承，在降低摩擦的同時防止油汙進入燃料電池堆，保證整體系統的安全運轉。
6.本發明的實施例是這樣實現的：
7.本技術實施例提供一種燃料電池用離心式空氣壓縮機，包括高速電機定子總成、高速電機轉子總成、軸承系統、密封系統和冷卻系統；
8.高速電機定子總成包括電機外殼、水冷套、電機定子和軸承座，電機外殼與軸承座連接，水冷套與電機定子過盈配合；
9.高速電機轉子總成包括後葉輪頭、二級增壓葉輪、後軸套、後拉杆、轉軸、永磁體、前軸套、平衡盤、一級增壓葉輪、前拉杆和前葉輪頭，永磁體設置於轉軸的中間位置，且兩端分別過盈配合有圓環，轉軸的前端過盈配合有前軸套，平衡盤設置於前軸套的凸臺位置，前拉杆與轉軸連接，一級增壓葉輪裝入前軸套的凸臺位置並壓緊平衡盤，前葉輪頭設置於前拉杆的端部，轉軸的後端過盈配合有後軸套，轉軸與後拉杆連接，二級增壓葉輪裝入後軸套的凸臺位置，後葉輪頭設置於後拉杆的端部；
10.軸承系統包括徑向支撐軸承和軸向推力軸承，徑向支撐軸承包括後端軸承和前端軸承；
11.密封系統包括後端密封蓋和前端密封蓋，後端密封蓋、前端密封蓋、一級增壓葉輪
和二級增壓葉輪均設置有密封齒；
12.冷卻系統包括對高速電機定子總成冷卻的水冷卻系統和對高速電機轉子冷卻的空氣冷卻系統，水冷套具有冷卻水路，冷卻水路為螺旋槽結構。
13.在本發明的一些實施例中，上述前端密封蓋的密封齒和後端密封蓋的密封齒的齒形包括直齒，直齒的齒尖呈0.2mm平臺狀，直齒的齒尖距離轉軸0.2mm。
14.在本發明的一些實施例中，上述前端密封蓋、後端密封蓋、一級增壓葉輪以及二級增壓葉輪的密封齒的齒形包括斜齒，斜齒的傾斜角度為15度，前端密封蓋、後端密封蓋的密封齒與對應的一級增壓葉輪、二級增壓葉輪的密封齒互為交錯排列，一級增壓葉輪、二級增壓葉輪的密封齒的齒尖到前端密封蓋、後端密封蓋的密封齒的齒根的距離在0.2mm-0.3mm之間。
15.在本發明的一些實施例中，上述前端密封蓋和後端密封蓋均設有凹槽，凹槽內裝配有o型圈。
16.在本發明的一些實施例中，上述螺旋槽結構槽寬為12mm，槽深為3mm。
17.在本發明的一些實施例中，上述電機外殼設置有一級增壓蝸殼和二級增壓蝸殼，一級增壓蝸殼與二級增壓蝸殼之間設置有連接管。
18.在本發明的一些實施例中，上述軸向推力軸承的數量為兩個，且彼此旋轉的方向相反。
19.相對於現有技術，本發明的實施例至少具有如下優點或有益效果：
20.本發明中水冷套與高速電機定子總成通過過盈配合的裝配方式，以保證高效率的溫度傳導，通過水冷套內冷卻水路裡的循環水對電機定子進行散熱，從而滿足超高速電機的冷卻需求。高速旋轉的一級增壓葉輪和二級增壓葉輪將空氣進行壓縮，氣流通過一級增壓蝸殼、增壓管、二級增壓蝸殼後完成兩次對空氣的增壓，提高了整體的壓縮比，同時高速電機轉子總成採用轉軸、前拉杆、後拉杆直連一級增壓葉輪、二級增壓葉輪的形式，電機轉子直接驅動第一增壓葉輪、第二增壓葉輪旋轉壓縮氣體，大大的提高了壓縮機的工作效率，配合利用空氣作為潤滑介質的軸向推力軸承和徑向支撐軸承，在降低摩擦的同時防止油汙進入燃料電池堆，保證整體系統的安全運轉。
附圖說明
21.為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。
22.圖1為本發明實施例一種燃料電池用離心式空氣壓縮機結構示意圖；
23.圖2為本發明實施例一種燃料電池用離心式空氣壓縮機冷卻示意圖。
24.圖標：1-連接管，2-葉輪頭，3-後拉杆，4-二級增壓蝸殼，5-二級增壓葉輪，6-後端密封蓋，7-後軸套，8-後端軸承，9-電機外殼，10-水冷套，11-電機定子，12-轉軸，13-永磁體，14-前軸套，15-前端軸承，16-o型圈，17-軸向推力軸承，18-平衡盤，19-軸承座，20-前端密封蓋，21-一級增壓蝸殼，22-一級增壓葉輪，23-前拉杆，24-前葉輪頭。
具體實施方式
25.實施例
26.請參照圖1-圖2，所示為本發明的實施例。
27.本發明公開了一種燃料電池用離心式空氣壓縮機，包含高速電機定子11總成、高速電機轉子總成、軸承系統、密封系統和冷卻系統；
28.高速電機定子11總成包含電機外殼9、水冷套10、電機定子11和軸承座19；
29.高速電機轉子總成包含後葉輪頭2、二級增壓葉輪5、後軸套7、後拉杆3、轉軸12、永磁體13、前軸套14、平衡盤18、一級增壓葉輪22、前拉杆23、前葉輪頭24；
30.軸承系統包括徑向支撐軸承和軸向推力軸承17，徑向支撐軸承包括後端軸承8和前端軸承15，且全部採用無油潤滑的空氣軸承；
31.密封系統包含後端密封蓋6、和前端密封蓋20；
32.冷卻系統包含對高速電機定子11冷卻的水冷卻系統和對高速電機轉子冷卻的空氣冷卻系統。
33.電機外殼9與軸承座19為一體連接，以保證軸承系統裝配位置和軸承座19止口的尺寸精度滿足設計需求。水冷套10與電機定子11採用過盈配合安裝，工作溫度在110℃內均可保證良好接觸，保證高效的熱傳遞效率。
34.軸承座19安裝在電機外殼9右側止口處位置，裝配完成後需保證兩軸承位的同軸度達到0.01mm。
35.在本實施例中，電機外殼9和水冷套10均選用熱傳導性能優秀的6063鋁材；水冷套10兩端分別使用密封圈進行冷卻水的密封，裝配過程中可在密封圈處塗抹機油，確保安裝水冷套10時，不會對密封圈造成破壞性損傷。水冷卻系統安裝完畢後需要進行密封檢測，通入0.6mpa壓縮空氣後封閉水冷通道出口，檢驗密封的有效性。
36.上述高速電機定子11總成中，電機外殼9定子出線位置為螺紋孔設計，並在裝配完成後進行注膠處理，不破壞整機氣流流路。冷卻水路採用螺旋槽結構，開口豎直向下擺放，保證冷卻水是從下方向上方流通，使得冷卻水能充分地充滿整個冷卻水流路。上述水冷套10的螺旋槽結構冷卻水路槽寬12mm，槽深3mm，與冷卻水的有效接觸面積達到53000mm2，有效提升冷卻水的流動速度增加換熱量。
37.上述轉軸12為空心結構，永磁體13裝配在轉軸12中心位置，兩端過盈配合套入鋁製圓環作為光軸動平衡去質量點。轉軸12前端過盈配合裝入前軸套14，平衡盤18裝入前軸套14的凸臺位置，轉軸12與前拉杆23通過左旋螺紋進行連接，將一級增壓葉輪22裝入前軸套14的凸臺位置處並壓緊平衡盤18，將前葉輪頭24安裝在前拉杆23另一端並緊固。
38.轉軸12後端過盈配合裝入後軸套7，轉軸12與後拉杆3通過右旋螺紋進行連接，二級增壓葉輪5裝入後軸套7的凸臺位置，將後葉輪頭2安裝在後拉杆3另一端並緊固。此時根據結構設計的計算結果，用扭力扳手分別緊固前葉輪頭24和後葉輪頭2至所需數值，進一步將高速電機轉子總成做動平衡處理，需滿足動平衡精度等級達到g0.4標準。
39.上述轉軸12、平衡盤18、一級增壓葉輪22以及二級增壓葉輪5在安裝過程中需要通過定位銷安裝，並且定位銷需要設計在相同軸線方向，保證轉子扭矩的傳遞，避免徑向轉動。
40.上述平衡盤18、一級增壓葉輪22、二級增壓葉輪5和轉軸12的配合精度較高，在安
裝過程中需要預先在烘箱進行60℃預熱，在拆卸過程中，操作短拉杆、長拉杆，利用前軸套14和後軸套7的凸臺，分別將一級增壓葉輪22和二級增壓葉輪5頂出止口，防止破壞一級增壓葉輪22和二級增壓葉輪5背面的密封齒。
41.上述前端軸承15和後端軸承8均採用空氣動壓箔片軸承，且與轉軸12的接觸面採用特殊工藝噴塗處理，增加箔片的耐磨性能，並使用插槽將箔片固定在軸套上，方便拆卸更換。軸向推力軸承17成對使用，且彼此旋轉的方向相反；前端軸承15距離近端軸向推力軸承171mm。
42.上述前端密封蓋20的密封齒和後端密封蓋6的密封齒的齒形為直齒時，直齒的齒尖呈0.2mm平臺狀，直齒的齒尖距離轉軸120.2mm。
43.上述前端密封蓋20、後端密封蓋6、一級增壓葉輪22以及二級增壓葉輪5的密封齒的齒形為斜齒時，斜齒的傾斜角度為15度，前端密封蓋20、後端密封蓋6的密封齒與對應的一級增壓葉輪22、二級增壓葉輪5的密封齒互為交錯排列，一級增壓葉輪22、二級增壓葉輪5的密封齒的齒尖到前端密封蓋20、後端密封蓋6的密封齒的齒根的距離在0.2mm-0.3mm之間。前端密封蓋20和後端密封蓋6內均設有凹槽，其中採用耐高溫o型圈16進行填充，保證冷卻氣體高效的流動。
44.冷卻空氣通過進氣口a經過後端軸承8、電機定子11和電機轉子之間的間隙、前端軸承15、軸向推力軸承17後由出氣口b排出，完成對軸承和電機轉子的冷卻。
45.上述電機外殼9設置有一體構造的一級增壓蝸殼21和二級增壓蝸殼4，一級增壓蝸殼21與二級增壓蝸殼4之間設置有連接管1，空氣流道由一級增壓蝸殼21流入經過連接管1通過二級增壓蝸殼4流出。
46.整機裝配過程中，優先完成電機定子11、水冷套10與電機外殼9的安裝，然後將轉軸12插入電機定子11，進一步安裝軸承座19，一對軸向推力軸承17分別置於平衡盤18的兩側，裝配在軸承座19和前端密封蓋20之間的空腔內，軸向推力軸承17背面需要根據設計尺寸進行調整，保證兩側軸向推力軸承17與平衡盤18端面的距離為0.1mm，進一步安裝一級增壓葉輪22、二級增壓葉輪5、前葉輪頭24和後葉輪頭2。整體裝配完成後進行手動盤車，確保轉動流暢後完成一級增壓蝸殼21、二級增壓蝸殼4和連接管1的安裝。
47.以上僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。