一種車用燃料電池發動機的單級直驅增壓離心式空壓機的製作方法

2023-12-09 14:48:56

專利名稱:一種車用燃料電池發動機的單級直驅增壓離心式空壓機的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種車用燃料電池發動機的單級直驅增壓離心式空壓機，空壓機通過電機帶動轉動，包括定子、主軸、固定在主軸中部的轉子，一端布置蝸殼以及固定在蝸殼內部與主軸一端連接的葉輪，通過驅動器驅動所述轉子超高速旋轉，主軸的兩端通過簡支梁支撐結構進行支撐。與現有技術相比，本實用新型採用大功率電機超高速直接驅動離心式葉輪的進氣增壓方式，採用高效率永磁同步電機、無油潤滑空氣箔片動壓軸承和轉子?主軸?葉輪結構一體化設計，葉輪直徑小，總體結構簡單、緊湊、體積小、重量輕、安裝拆卸方便，可滿足目前全工況車用燃料電池發動機的空氣供氣使用要求，在不增大燃料電池發動機體積的情況下，提高燃料電池發動機的體積比功率。
【專利說明】
一種車用燃料電池發動機的單級直驅増壓離心式空壓機
技術領域
[0001]本實用新型涉及燃料電池發動機技術領域，具體涉及一種車用燃料電池發動機的大功率超高速單級增壓離心式空壓機。
【背景技術】
[0002]空壓機廣泛應用於航空航天、汽車、管道運輸、食品包裝等領域，除此之外，空壓機是新能源燃料電池汽車發動機輔助空氣供氣總成中的關鍵部件之一，其輸出的壓力和流量直接影響燃料電池發動機中的化學計量比、空氣加溼特性和水熱管理特性，進而影響燃料電池電堆的電壓輸出和燃料電池發動機的功率輸出。
[0003]由於大功率車用燃料電池發動機的功率在百千瓦級，高壓比、大流量的適合燃料電池發動機全工況空氣供給需求的大功率空壓機成為設計的趨勢之一。空壓機直接採用電機驅動，消耗燃料電池汽車發動機自身的功率。為提高發動機有效功率輸出，降低空壓機寄生功耗，高效空壓機技術引起廣泛關注。而且，由於空壓機的超高速運轉，隨轉速提高，轉子承受越來越大的離心力作用。轉子中永磁體材料一般抗壓強度I OOOMPa左右，而抗拉強度SOMPa左右，具有抗壓不抗拉的特性，在空壓機轉子設計上一般採用直徑較小的轉子，目的是降低超高速條件下離心力對永磁體的拉伸破壞。但為了滿足高壓比、大流量的空氣供應輸出要求，即電機的大功率輸出，保證電機具有足夠轉矩輸出，又要求電機轉子具有足夠大的直徑，以上可以看出，電機轉子-主軸結構尺寸設計要求很高。此外，為提高離心式壓縮機輸出功率，離心式空壓機轉子轉速一般要達到100，000rpm以上的超高速狀態運行，轉子-主軸同速運轉情況下，對高速旋轉主軸支撐的軸承提出更高的要求。而且傳統油潤滑軸承難免避免的漏油會進入燃料電池發動機內部，影響燃料電池電化學反應，因此無油潤滑的軸承支撐是空壓機的最佳選擇。綜上所述，從主軸直徑選擇、軸承潤滑方式、軸承支撐距離和燃料電池發動機本身的無油進氣要求、零下三十度的燃料電池發動機低溫冷啟動要求等多方面來看，現有的傳統軸承很難滿足燃料電池發動機空壓機的性能要求和使用要求，即使特殊軸承可以滿足要求，但也會帶來轉子動力學穩定性的問題，超高速問題是目前國內外轉子動力學領域研究的熱點和難點。空壓機超高速長時間運行會造成軸承等支撐部件破損的危險，增加故障監測和診斷難度，超高速的轉子也會引起轉子表面的風磨損耗，進而帶來散熱和冷卻問題。最後，作為車用燃料電池發動機的一部分，空壓機結構尺寸上要求緊湊，結構強度高。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種可以滿足60_80kW大功率燃料電池發動機的空氣供應系統的壓力大、流量範圍寬的實際需求，具有結構緊湊、效率高、體積小、重量輕、響應速度快等特點的車用燃料電池發動機的單級增壓離心式空壓機。
[0005]本實用新型的目的可以通過以下技術方案來實現:一種車用燃料電池發動機的單級直驅增壓離心式空壓機，所述空壓機通過電機帶動轉動，所述的空壓機包括電機定子、主軸、固定在主軸中部的轉子，一端布置蝸殼以及固定在蝸殼內部與主軸一端連接的葉輪、驅動器，驅動器驅動所述電機轉子超高速旋轉，所述的主軸的兩端通過簡支梁支撐結構進行支撐。所述的大功率電機永磁體採用一對極和與電機定子間大氣隙的結構方式，在提高頻率運行下轉速可得達預定高轉速。
[0006]空壓機旋轉軸採用雙側徑向空氣箔片軸承和單側軸向空氣箔片止推軸承的簡支梁支撐結構，利用驅動器直接驅動電機，帶動轉子-主軸-葉輪一體化結構超高速旋轉，實現離心式葉輪高速旋轉，通過葉輪蝸殼實現燃料電池發動機進氣增壓。同時通過控制電機驅動器，直接調節電機轉子轉速，調節輸出空氣壓力和流量的目的，改變燃料電池電堆空氣的化學計量比，改善燃料電池膜電極上的氫-氧電化學反應效率，提高燃料電池發動機功率輸出。
[0007]本實用新型採用單級葉輪蝸殼的增壓方式，結構簡單，自然空氣經蝸殼進氣口引入，並經葉輪高速旋轉壓縮後，經出氣口流出，實現超高速旋轉增壓的功能。性能指標可達到高壓比(2.5bar)、大流量(100g/S)，滿足60-80kW大功率車用燃料電池發動機大範圍內的空氣流量供應需求。空壓機整體結構上採用輸出載荷單向布置，即空壓機總體結構中間布置一個電機，包含電機定子和轉子，電機單側旋轉載荷輸出，採用單個葉輪蝸殼結構，葉輪通過穿過主軸-轉子結構連接起來，形成一體化結構，葉輪-主軸-轉子結構通過簡支梁支撐形式，通過軸承及軸承座將旋轉系統(主軸、電機轉子及葉輪)支撐起來，保證其高速穩定旋轉。利用驅動器直接驅動電機，帶動轉子-主軸-葉輪一體化結構超高速旋轉，實現離心式葉輪超高速旋轉產生高壓空氣。同時通過控制電機驅動器，直接調節電機轉子-主軸-葉輪轉速，根據燃料電池發動機需求，調節輸出空氣壓力和流量的目的，改變燃料電池電堆空氣的化學計量比，改善燃料電池膜電極上的氫氣、氧氣電化學反應，提升燃料電池發動機性能。
[0008]所述的簡支梁支撐結構包括設置在主軸葉輪端的徑向空氣箔片軸承a以及設置在主軸另一端的徑向空氣箔片軸承b和軸向空氣箔片動壓止推軸承，所述的徑向空氣箔片軸承a採用圓周均布螺釘固定在所述主軸的外側，所述軸向空氣箔片止推軸承採用軸套形式固定於所述主軸的外側，所述的徑向空氣箔片軸承b採用圓周均布螺釘固定在所述軸向空氣箔片止推軸承外側。
[0009]採用雙側徑向空氣箔片徑向軸承支撐和單側軸向空氣箔片止推軸承提供軸向力平衡的形式。箔片位於軸與軸承之間，主軸高速旋轉時壓縮箔片產生高壓空氣膜而使主軸懸浮於空氣箔片軸承之間，主軸與軸承之間非直接接觸，可以大大減小軸承與軸之間的摩擦，提高電機的工作效率，軸向空氣箔片止推軸承採用軸套形式固定於主軸上，便於拆裝、定位和更換。
[0010]所述的軸向空氣箔片止推軸承的一端設有凸起，該凸起位於兩個止推軸承箔片盤之間，且所述凸起與兩個止推軸承箔片盤超高速旋轉時壓縮氣體配合。這樣的設計可以避免整個軸系的軸向竄動。
[0011]所述主軸連接軸向空氣箔片止推軸承的一端頭部設有固定塞，該固定塞作用在於主軸高速旋轉時，防止軸向空氣箔片止推軸承中軸承盤在高速旋轉中的變形，以保證軸向空氣箔片止推軸承中箔片的間隙。
[0012]所述的主軸採取整軸階梯式軸，即所述主軸一體成型不分段，且安裝轉子處的主軸直徑小於安裝徑向空氣箔片軸承a處的主軸直徑;所述主軸除安裝葉輪處外均採用中空主軸，以減輕主軸重量。主軸採用整軸形式，不分段，減少超高速旋轉部件數量和提高主軸剛度，降低高速主軸撓度變形和動平衡校核難度。主軸採取階梯形式便於電機轉子永磁體安裝定位，同時與止推軸承採用兩側布置，達到平衡旋轉部件質心的作用。主軸大部分採取掏空方式便於減輕旋轉部件質量，提高轉子動力學特性。
[0013]所述的轉子採用從內向外依次為不鏽鋼主軸、電工鋼、永磁體3層的布置方式，並在所述的永磁體外纏繞碳纖維，所述轉子的兩端採用灌膠的方式進行隔磁。所述永磁體外纏繞碳纖維是防止永磁體在高速旋轉下由於離心力作用而破裂。所述灌膠為固定永磁體的前提下在永磁體兩端灌上一定厚度的高粘度凝固膠，以確保強度和隔磁性能。
[0014]所述的驅動器包括低壓信號接插件和三相電纜，電機通過驅動器控制所述電機定子產生的磁場方向的改變速度，從而控制所述主軸的轉速。
[0015]所述的電機採用永磁同步電機，所述永磁同步電機採用一對極高頻運行方式，從而可達到空壓機高性能所需的高轉速。
[0016]所述的空壓機還包括一個水冷卻系統，所述的水冷卻系統包括外殼和水冷套，所述的水冷套設置在所述主軸的外側，所述外殼設置在水冷套外側，在空壓機運行時，在外殼和水冷套之間通以冷水，起到散熱的作用。
[0017]與現有技術相比，本實用新型的有益效果體現在以下幾方面:
[0018]1.採用大功率電機直驅葉輪高速旋轉，電機額定功率15Kw，最高可達lOOOOOrpm，避免使用增速器等額外機械增速機構，結構非常緊湊，適合車用使用使用要求，降低了體積和質量，避免的齒輪嚙合振動噪聲、潤滑和磨損等諸多問題;本實用新型的空壓機可滿足60-80KW大功率燃料電池發動機高壓比、大流量的空氣供應使用需求，可提高現有燃料電池發動機的功率輸出；
[0019]2.該離心式空壓機可方便調節葉輪轉速，進而改變空壓機出口壓力、流量，可滿足燃料電池汽車工況頻繁變化的需求；
[0020]3.採用新型的空氣箔片軸承，雙側徑向支撐空氣箔片軸承和單側軸向空氣箔片止推軸承布置方式，緊湊簡單，增加產品的可靠性和安全性，避免超高速條件下旋轉部件的破壞危險，達到了燃料電池發動機供氣系統無油的工作條件要求;也有利於提高轉子動平衡效果和轉子動力學穩定性。同時也有利於降低加工難度和加工成本，有利於產業化
[0021]4.本實用新型兩端軸承座與空氣箔片軸承均採用緊配合方式，並採用周向均布螺釘固定方式。而軸向空氣箔片止推軸承與主軸採用過盈配合方式，充分滿足車用強度等級要求。
[0022]5.本實用新型轉子表面採用高強度、質量輕的碳纖維纏繞，在碳纖維與永磁體間採用過盈配合方式，超高速旋轉時，永磁體受到由碳纖維纏繞以及過盈量提供的徑向壓緊力，用結構鎖定的方式保證了轉子永磁體材料高速旋轉條件下的安全性和可靠性。
[0023]6.本實用新型轉子永磁體兩側灌膠的隔磁設計方式，不僅優化了高速轉子的熱膨脹變形，而且具有防止永磁體漏磁的作用。
【附圖說明】

[0024]圖1為本實用新型的外部結構示意圖；
[0025]圖2為本實用新型的總體結構示意圖；
[0026]圖3為圖2中轉子-主軸-葉輪一體化結構示意圖。
[0027]其中，I為蝸殼，2為右端電機端蓋，3為連接螺栓，4為水冷套，5為外殼，6為電機定子，7為低壓信號接插件，8為金屬防水接頭，9為三相電纜，10為左端軸向空氣箔片軸承座，11為左端電機端蓋，12為預緊螺母，13為葉輪，14為蝸殼與葉輪端蓋，15為徑向空氣箔片軸承a，16為主軸，17為電機繞組，18為轉子，19為碳纖維，20為徑向空氣箔片軸承b，21為軸向空氣箔片止推軸承，22為左端止推軸承箔片盤A，23為左端止推軸承箔片盤B，24為軸承固定塞，25為右端軸承箔片，26為轉子灌膠膠體A，27為轉子灌膠膠體B，28為左端軸承箔片。
【具體實施方式】
[0028]下面對本實用新型的實施例作詳細說明，本實施例在以本實用新型技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本實用新型的保護範圍不限於下述的實施例。
[0029]實施例
[0030]—種車用燃料電池發動機的單級增壓離心式空壓機，其結構如圖1和圖2所示，空壓機與電機連接，由電機帶動轉動，該空壓機包括主軸16、固定在主軸16中部的轉子18、電機定子6、蝸殼I以及設置在蝸殼I內部與主軸16—端連接的葉輪13，蝸殼I與右端電機端蓋2連接，並通過連接螺栓3進行固定，葉輪13通過預緊螺母12與主軸固定，並採用高強度膠粘接，以保證葉輪高速運轉安全性；電機定子6的兩側設有電機繞組17，該電機繞組17通過三相電纜9和低壓信號接插件7連接電機，且三相電纜9上設有金屬防水接頭8。該空壓機還包括外殼4和水冷套5，水冷套5設置在主軸16的外側，外殼4設置在水冷套5外側，在空壓機運行時，在外殼5和水冷套4之間通以冷水，起到散熱的作用。
[0031]主軸的兩端通過簡支梁支撐結構進行支撐，其中，轉子-主軸-葉輪一體化結構如圖3所示，該簡支梁支撐結構包括設置在主軸16葉輪端的徑向空氣箔片軸承al5以及設置在主軸16另一端的徑向空氣箔片軸承b20和軸向空氣箔片止推軸承21，徑向空氣箔片軸承al5採用圓周均布螺釘固定在主軸16的外側，軸向空氣箔片止推軸承21採用軸套形式固定於主軸16的外側，徑向空氣箔片軸承b20採用圓周均布螺釘固定在軸向空氣箔片止推軸承21外偵U，該徑向空氣箔片軸承al5與徑向空氣箔片軸承b20分別設有右端軸承箔片25和左端軸承箔片28，這兩個箔片在主軸16高速旋轉時產生高壓空氣膜而使主軸16懸浮於空氣箔片軸承之間。軸向空氣箔片止推軸承21遠離葉輪13的一端設有凸起，凸起位於左端止推軸承箔片盤A22和左端止推軸承箔片盤B23之間，以避免整個軸系的軸向竄動;主軸16連接軸向空氣箔片止推軸承21的一端頭部設有軸承固定塞24，用於防止徑向軸向空氣箔片止推軸承中軸承盤在高速旋轉中的變形，以保證徑向軸向空氣箔片止推軸承21中箔片的間隙。
[0032]在主軸16的中部還設有與電機定子6相對應的轉子18，該轉子採用從內向外依次為不鏽鋼主軸、電工鋼、永磁體3層同心繞組的布置方式，並在轉子18外纏繞碳纖維19，轉子的兩端採用灌膠的方式進行隔磁，分別形成轉子灌膠膠體A26和轉子灌膠膠體B27。
[0033]徑向空氣箔片軸承b20安裝在左端軸向空氣箔片軸承座10上，徑向空氣箔片軸承al5安裝在右端軸向空氣箔片軸承座上，在右端軸向空氣箔片軸承座與蝸殼之間設有蝸殼與葉輪端蓋14，用以抵住右端軸向空氣箔片軸承座，在空壓機的最左端設有左端電機端蓋11，用以抵住左端軸向空氣箔片軸承座10、軸承固定塞24和左端止推軸承箔片盤B23，其具體結構如圖2所示。
[0034]電機通過低壓信號接插件7和三相電纜9連接電機繞組17部件，通過電機控制驅動電機定子6、繞組磁力線磁場產生的切向力矩帶動轉子18件運行轉速，進而轉子-主軸帶動葉輪一同高速旋轉，電機通過轉子18不同的轉速控制實現離心式葉輪高速旋轉壓縮空氣，達到高壓比、大流量的氣體載荷輸出。根據不同條件輸入可滿足大功率車用燃料電池發動機大範圍內的空氣流量供應需求。
【主權項】
1.一種車用燃料電池發動機的單級直驅增壓離心式空壓機，所述空壓機通過電機帶動轉動，其特徵在於，所述的空壓機包括電機定子、主軸、固定在主軸中部的轉子、一端布置蝸殼以及固定在蝸殼內部與主軸一端連接的葉輪、用於驅動轉子高速旋轉的驅動器，所述的主軸的兩端通過簡支梁支撐結構進行支撐。2.根據權利要求1所述的一種車用燃料電池發動機的單級直驅增壓離心式空壓機，其特徵在於，所述的簡支梁支撐結構包括設置在主軸葉輪端的徑向空氣箔片軸承a以及設置在主軸另一端的徑向空氣箔片軸承b和軸向空氣箔片動壓止推軸承，所述的徑向空氣箔片軸承a採用圓周均布螺釘固定在所述主軸的外側，所述軸向空氣箔片止推軸承採用軸套形式固定於所述主軸的外側，所述的徑向空氣箔片軸承b採用圓周均布螺釘固定在所述軸向空氣箔片止推軸承外側。3.根據權利要求2所述的一種車用燃料電池發動機的單級直驅增壓離心式空壓機，其特徵在於，所述的軸向空氣箔片止推軸承的一端設有凸起，該凸起位於兩個止推軸承箔片盤之間，且所述凸起與兩個止推軸承箔片盤超高速旋轉時壓縮氣體配合。4.根據權利要求2所述的一種車用燃料電池發動機的單級直驅增壓離心式空壓機，其特徵在於，所述主軸連接軸向空氣箔片止推軸承的一端頭部設有用於防止軸向空氣箔片止推軸承在高速旋轉中變形的固定塞。5.根據權利要求1所述的一種車用燃料電池發動機的單級直驅增壓離心式空壓機，其特徵在於，所述的主軸為整體階梯式的軸，且安裝轉子處的主軸直徑小於安裝徑向空氣箔片軸承a處的主軸直徑;所述主軸除安裝葉輪處外均採用中空主軸。6.根據權利要求1所述的一種車用燃料電池發動機的單級直驅增壓離心式空壓機，其特徵在於，所述的轉子採用從內向外依次為不鏽鋼主軸、電工鋼、永磁體3層布置方式，並在所述的永磁體外纏繞碳纖維。7.根據權利要求1所述的一種車用燃料電池發動機的單級直驅增壓離心式空壓機，其特徵在於，所述的驅動器包括低壓信號接插件和三相電纜，電機通過驅動器控制所述電機定子產生磁場方向的改變速度，從而控制所述主軸的轉速。8.根據權利要求1所述的一種車用燃料電池發動機的單級直驅增壓離心式空壓機，其特徵在於，所述的空壓機還包括一個水冷卻系統，所述的水冷卻系統包括外殼和水冷套，所述的水冷套設置在所述電機定子的外側。
【文檔編號】F04D29/66GK205714846SQ201620327299
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月19日
【發明人】張智明, 章桐, 王心堅, 許思傳, 溫立軍
【申請人】同濟大學