技术领域
[0001] 本实用新型涉及
氢燃料电池领域，特别是涉及一种车载氢燃料电池专用直驱高速离心式空压机。
背景技术
[0002] 随着
能源匮乏和环境破坏问题的日益凸显，氢燃料电池技术越来越受到人们的关注。氢燃料电池是一种将氢和
氧的
化学能通过
电极反应直接转换为
电能的装置，其化学反应产物主要是
水，实现真正的零污染。同时，由于不受卡诺循环的限制，
能量转换效率可达到60-80％。氢燃料电池具备高效率、无污染、使用性广、低噪音等特点，被认为是未来最有可能替代传统
内燃机的
汽车动
力源。
[0003] 作为燃料电池
阴极供气系统的核心部件，空压机通过对进入燃料电池堆的空气进行
增压，增加了空气(氧气)进气量，进而可提高燃料电池的功率
密度和效率。换言之，确保燃料电池在实现同等功率的前提下，可以减少燃料电池系统的尺寸、实现小型化，满足了汽车动力系统轻量化的需求。空压机直接采用
电机驱动，消耗燃料电池汽车自身的功率，约占燃料电池辅助功耗的80％，其性能直接影响燃料电池系统的效率、紧凑性。
[0004] 为实现较高的能量转换效率，燃料电池内部的化学反应对空气的
温度、湿度、压力和流量等参数有着严格的要求。但目前广泛应用的工业
压缩机无法满足燃料电池对空气的要求。因此设计一个性能优越并能很好地与燃料电池系统进行匹配的空压机，对于燃料电池的发展至关重要。
[0005] 目前，离心式空压机一般采用电机
直接驱动的方式，电机轴端固定连接离心
叶轮，叶轮布置在蜗壳内。在高速电机带动下，叶轮旋转压缩空气，产生高压、大流量空气，供给燃料电池堆内部的化学反应。
[0006] 车载氢燃料电池专用空压机要求在压缩过程中无油、无杂质、无
碳氢化合物，现有的传统滚动和滑动油
轴承不能满足要求，油性物质的介入会严重影响氢燃料电池催化剂的催化作用，降低氢燃料电池的功率输出；同时，车载氢燃料电池面临小型化、轻量化需求，空压机整体尺寸要求尽可能小，需要高转速空压机以满足流量和压比需求，现有的传统滚动和滑动油轴承不能满足高转速的要求。
[0007] 空压机运行转速越高，
转子所受
离心力越大，而转子中磁
铁材料具有抗压不抗拉的特性，在空压机转子设计上一般采用小直径转子；同时，为了满足高压比、大流量的空气供应需求，需要配备大功率
电动机，以保证有足够的转矩输出，要求设计大直径转子；针对电机转子-
主轴结构尺寸设计的要求很高。
[0008] 无论是从转子结构尺寸设计、轴承润滑方式、压缩空气无油要求等多方面看，现有的传统轴承不能满足燃料电池空压机的要求，针对高转速、轴承、转子动力学等问题，需要在空压机设计时综合考虑并解决。实用新型内容
[0009] 鉴于以上所述
现有技术的缺点，本实用新型技术方案要解决的技术问题是提供一种车载氢燃料电池专用直驱高速离心式空压机，以解决现有技术中转子震颤易
变形的
缺陷。
[0010] 为解决上述技术问题，本实用新型技术方案提供了一种车载氢燃料电池专用直驱高速离心式空压机，通过电机带动，包括中空的电机主轴、叶轮、叶轮拉杆、蜗壳、端盖、电机转子、电机
定子、
挡板，所述电机主轴以简支梁结构形式
支撑，所述电机主轴的两端设有叶轮拉杆，所述叶轮连接所述叶轮拉杆，所述蜗壳位于所述叶轮内，所述端盖与所述蜗壳连接，所述电机转子设于所述电机主轴上，所述电机定子设于所述电机转子外部，所述挡板设于所述电机转子两侧。
[0011] 可选的，所述电机转子和所述电机主轴采用一体化结构，与所述叶轮采用预紧
螺母拧紧，保证了空压机旋转部件成为一体。
[0012] 可选的，所述叶轮包括低压叶轮和高压叶轮，所述高压叶轮和所述低压叶轮分别位于所述电机主轴的两端，所述蜗壳包括相互
串联的低压蜗壳和高压蜗壳，所述高压叶轮位于所述高压蜗壳内部，所述低压叶轮位于所述低压蜗壳内部，所述端盖与所述低压蜗壳连接。
[0013] 可选的，所述叶轮拉杆包括低压叶轮拉杆和高压叶轮拉杆，所述低压叶轮拉杆与所述低压叶轮连接，所述高压叶轮拉杆与所述高压叶轮连接。
[0014] 可选的，所述简支梁结构包括布置在低压侧的第一轴承单元、布置在高压侧的第二轴承单元，以及布置在高压侧的第三轴承单元，其中所述第一轴承单元、所述第二轴承单元均通过轴套形式固定在所述电机主轴上。
[0015] 可选的，所述第一轴承单元包括低压侧径向
空气轴承、低压侧径向空气轴承座、低压侧径向空气轴承轴套，所述低压侧径向空气轴承轴套绕设于所述电机主轴的外侧，所述低压侧径向空气轴承设于所述低压侧径向空气轴承座内，且绕设于所述低压侧径向空气轴承轴套的外侧。
[0016] 进一步可选的，所述低压侧径向空气轴承座通过周向均布螺钉设于所述端盖上。
[0017] 可选的，所述第二轴承单元包括高压侧径向空气轴承、第二
推力轴承座和高压侧径向空气轴承轴套，所述高压侧径向空气轴承轴套绕设于所述电机主轴的外侧，所述高压侧径向空气轴承设于所述第二推力轴承座内，且绕设于所述高压侧径向空气轴承轴套的外侧。
[0018] 进一步可选的，所述高压侧径向空气轴承通过轴承挡板周向均布螺钉设于在所述第二推力轴承座内部。
[0019] 可选的，所述第三轴承单元包括第一轴向止推空气轴承、第二轴向止推空气轴承、第一推力轴承座、第二推力轴承座及推力盘，所述第一轴向止推空气轴承设于所述第一推力轴承座上，所述第二轴向止推空气轴承设于所述第二推力轴承座上，且所述第一轴向止推空气轴承与所述第二轴向止推空气轴承位于所述推力盘两侧，所述推力盘绕设于所述电机主轴外侧，所述第一推力轴承座与所述高压蜗壳连接。
[0020] 可选的，所述第一推力轴承座与所述高压蜗壳通过卡箍连接，所述第一推力轴承座与叶轮配合
位置设置密封，减小叶轮背部
泄漏量。
[0021] 可选的，所述第一推力轴承座与所述电机主轴之间环向设置密封轴套，所述密封轴套与所述第一推力轴承座的密封通道相连，引导泄漏空气进入与所述密封轴套相连的第一轴向止推空气轴承，起到冷却轴向止推空气轴承的作用。
[0022] 可选的，所述低压侧径向空气轴承、所述高压侧径向空气轴承、所述第一轴向止推空气轴承及所述第二轴向止推空气轴承均由顶箔片、波箔片和箔片支撑结构组成，所述顶箔片设于所述箔片支撑结构上，所述波箔片设于顶箔片与箔片支撑结构之间。
[0023] 可选的，所述电机包括低压
信号接
插件和三相
电缆，通过电机
控制器控制所述电机定子产生
磁场方向的改变速度，从而控制电机主轴的转速。根据燃料电池对外功率输出要求，调节输出空气压力和流量的目的，改变燃料电池电堆空气的化学计量比，改善燃料电池膜电极上的氢气、氧气电化学反应，提高燃料电池性能。
[0024] 可选的，所述电机转子包括转子铁芯和
磁铁，所述磁铁的外层设有碳
纤维保护层，所述电机定子包括定子铁芯和线圈，定子铁芯由
硅钢片叠压而成，线圈嵌入所述定子铁芯内斜槽，通过接线与所述电机内的三相电缆相连。
[0025] 可选的，所述空压机还包括水冷却系统，所述水冷却系统包括外机壳、内机壳和水冷接头；
[0026] 所述内机壳设置在所述电机定子的外侧，且所述内机壳的外表面设置不同形状的隔断结构与所述外机壳的内表面形成水冷通道；
[0027] 所述水冷接头包括进水口接头和出水口接头，且均设于所述外机壳的外侧。
[0028] 与现有技术相比，本实用新型技术方案的车载氢燃料电池专用直驱高速离心式空压机具有如下有益效果：
[0029] 所述电机主轴采用中空结构形式，在满足强度的要求下，能够有效减少主轴的重量，优化转子动力学特性，并降低电机起动力矩。
[0030] 所述电机主轴采用空气轴承，不需要油液润滑，避免了油液对燃料电池催化剂的污染。相比传统的油润滑轴承，空气轴承存在开放式的空气流动，有效的提高了
散热途径和耐热等级，并提高了转子临界转速，避免发生共振。
[0031] 所述电机主轴采用两端径向空气轴承与一端轴向止推空气轴承的简支梁结构形式支撑，径向空气轴承与轴向止推空气轴承均由顶箔片、波箔片和支撑结构组成，波箔片具有一定的强度、弹性，位于顶箔片与箔片支撑结构之间，顶箔片固定在箔片支撑结构上，电机转子高速旋转时压缩波箔片使电机转子悬浮于空气轴承之间。当电机转动时，位于顶箔片中的电机主轴由于高速旋转而使波箔片压缩，当转速稳定时，形成高压气膜，电机主轴稳定悬浮于顶箔片中，有效降低摩擦带来的损耗，而轴向止推空气轴承布置于高压侧，波箔片固定在推力轴承支撑结构上，整机运行时，轴向止推空气轴承能够有效抑制转子轴向窜动。
[0032] 所述低压蜗壳和高压蜗壳采用串联连接方式，即所述低压蜗壳出口连接高压蜗壳的进口。大气经低压蜗壳进气口吸入，经低压叶轮高速旋转实现一级压缩后，通过低压蜗壳出口串联到高压蜗壳进口，再经过高压叶轮高速旋转实现二级压缩，经高压蜗壳出口流出，实现两级增压的目的。采用双级叶轮串联逐级压缩空气的增压方式，一方面增加了空压机的压比，另一方面有效的平衡两端的轴向力，转子动力学
稳定性更好，能够提高产品的可靠性；根据不同的转速，可满足全工况燃料电池电堆的进气压力和流量需求，采用大功率永磁电机直驱，最高转速可到150000rpm，避免使用
变速器等额外的机械增速机构，避免由于增速机构所带来的
齿轮啮合振动噪声；同时，两级
压气机布置在电机两侧，体积小，结构紧凑，满足车载燃料电池的空间要求；因转速可调，能够通过转速改变空压机输出压缩空气的压力、流量，能够满足车用工况频繁变化的需求。
[0033] 所述端盖与低压蜗壳连接，第一推力轴承座与所述高压蜗壳连接，第一推力轴承座相当于高压蜗壳的端盖，所述端盖和第一推力轴承座作为蜗壳端盖，减少整机轴向长度，有利于提高转子动力学稳定性。
[0034] 所述电机转子的磁铁外层设有
碳纤维保护层，相比于传统金属保护套，能够起到很好的减重作用，保证电机转子在工作时的平稳性，且碳纤维
热膨胀系数小，不会因为温度的变化产生变形。
[0035] 综上所述，本实用新型技术方案的车载氢燃料电池专用直驱高速离心式空压机结构，完全能够满足燃料电池空压机的要求，解决了现有技术中转子震颤易变形的缺陷。
附图说明
[0036] 图1为本实用新型
实施例的空压机的内部结构剖视图；
[0037] 图2为本实用新型实施例的空压机的结构示意图；
[0038] 图3为本实用新型实施例的径向空气轴承的截面结构示意图；
[0039] 图4为本实用新型实施例的轴向止推空气轴承的结构示意图；
[0040] 图5为本实用新型实施例的电机转子的结构示意图；
[0041] 其中，1为低压蜗壳，2为低压叶轮，3为端盖，4为低压侧径向空气轴承座，5为线圈，6为前挡板，7为低压信号接插件，8为定子铁芯，9为内机壳，10为外机壳，11为后挡板，12为轴承挡板，13为第二推力轴承座，14为第一推力轴承座，15为高压叶轮，16为高压蜗壳，17为高压叶轮预紧螺母，18为高压叶轮拉杆，19为密封轴套，20为第一轴向止推空气轴承，21为推力盘，22为第二轴向止推空气轴承，23为高压侧径向空气轴承轴套，24为高压侧径向空气轴承，25为电机主轴，26为进水口接头，27为转子铁芯，28为出水口接头，29为磁铁，30为碳纤维保护层，31为低压侧径向空气轴承轴套，32为低压侧径向空气轴承，33为低压叶轮拉杆，34为低压叶轮预紧螺母，35为电机底座，36为三相电缆，37为径向空气轴承支撑结构，38为径向空气轴承波箔片，39为径向空气轴承顶箔片，40为轴向止推空气轴承支撑结构，41为轴向止推空气轴承顶箔片，42为轴向止推空气轴承波箔片。
具体实施方式
[0042] 下面结合实施例对本实用新型技术方案进行详细说明。
[0043] 如图1和图2所示，本实用新型实施例的车载氢燃料电池专用直驱高速离心式空压机，通过电机带动，包括中空的电机主轴25、叶轮、叶轮拉杆、蜗壳、端盖3、电机转子、电机定子、挡板，电机主轴25以简支梁结构形式支撑，电机主轴25的两端设有叶轮拉杆，叶轮连接叶轮拉杆，蜗壳位于叶轮内，端盖与蜗壳连接，电机转子设于电机主轴25上，电机定子设于电机转子外部，挡板设于电机转子两侧。
[0044] 电机转子和电机主轴25可以采用一体化结构，与叶轮采用预紧螺母拧紧，从而保证了空压机旋转部件成为一体。
[0045] 在本实施例中，叶轮包括低压叶轮2和高压叶轮15，高压叶轮15和低压叶轮2分别位于电机主轴25的两端，蜗壳包括相互串联的低压蜗壳1和高压蜗壳16，高压叶轮15位于高压蜗壳16内部，低压叶轮2位于低压蜗壳1内部，端盖3与低压蜗壳1连接，具体地，端盖3与低压蜗壳1可以通过卡箍相连，且端盖3与叶轮配合的位置设置密封，减小叶轮背部的泄漏量。
[0046] 叶轮拉杆包括低压叶轮拉杆33和高压叶轮拉杆18，低压叶轮拉杆33与低压叶轮2连接，高压叶轮拉杆18与高压叶轮15连接。
[0047] 简支梁结构包括布置在低压侧的第一轴承单元、布置在高压侧的第二轴承单元，以及布置在高压侧的第三轴承单元，其中第一轴承单元、第二轴承单元均通过轴套形式固定在电机主轴25上。
[0048] 具体地，第一轴承单元包括低压侧径向空气轴承32、低压侧径向空气轴承座4、低压侧径向空气轴承轴套31，低压侧径向空气轴承轴套31绕设于电机主轴25的外侧，低压侧径向空气轴承32设于低压侧径向空气轴承座4内，且绕设于低压侧径向空气轴承轴套31的外侧低压侧径向空气轴承座4通过周向均布螺钉设于端盖3上。
[0049] 第二轴承单元包括高压侧径向空气轴承24、第二推力轴承座13和高压侧径向空气轴承轴套23，高压侧径向空气轴承轴套23绕设于电机主轴25的外侧，高压侧径向空气轴承24设于第二推力轴承座13内，且绕设于高压侧径向空气轴承轴套23的外侧。
[0050] 高压侧径向空气轴承24设于第二推力轴承座13内的方式可以是，通过轴承挡板12周向均布螺钉设于在第一推力轴承座内部14。
[0051] 第三轴承单元包括第一轴向止推空气轴承20、第二轴向止推空气轴承22、第一推力轴承座14、第二推力轴承座13及推力盘21，第一轴向止推空气轴承20设于第一推力轴承座14上，第二轴向止推空气轴承22设于第二推力轴承座13上，且第一轴向止推空气轴承20与第二轴向止推空气轴承22位于推力盘21两侧，推力盘21绕设于电机主轴25外侧，第一推力轴承座14与高压蜗壳16连接。
[0052] 第一推力轴承座14与高压蜗壳16可以通过卡箍连接，第一推力轴承座14与叶轮配合位置设置密封，减小叶轮背部泄漏量。
[0053] 第一推力轴承座14与电机主轴25之间可以环向设置密封轴套19，密封轴套19与第一推力轴承座14的密封通道相连，引导泄漏空气进入与密封轴套相连的第一轴向止推空气轴承20，起到冷却轴向止推空气轴承的作用。
[0054] 低压侧径向空气轴承32、高压侧径向空气轴承24、第一轴向止推空气轴承20及第二轴向止推空气轴承22均由顶箔片、波箔片和箔片支撑结构组成，顶箔片设于箔片支撑结构上，波箔片设于顶箔片与箔片支撑结构之间。
[0055] 如图3所示，低压侧径向空气轴承32和高压侧径向空气轴承24的结构，均包括径向空气轴承支撑结构37、径向空气轴承波箔片38和径向空气轴承顶箔片39，径向空气轴承顶箔片39设于径向空气轴承支撑结构37上，径向空气轴承波箔片38设于径向空气轴承顶箔片39与空气轴承支撑结构37之间。
[0056] 如图4所示，第一轴向止推空气轴承20及第二轴向止推空气轴承22的结构，均包括轴向止推空气轴承支撑结构40、轴向止推空气轴承顶箔片41和轴向止推空气轴承波箔片42，轴向止推空气轴承顶箔片41设于轴向止推空气轴承支撑结构40上，轴向止推空气轴承波箔片42设于轴向止推空气轴承顶箔片41与轴向止推空气轴承支撑结构40之间。
[0057] 继续参照图1和图2，本实施例的电机包括低压信号接插件7和三相电缆36，通过电机控制器控制电机定子产生磁场方向的改变速度，从而控制电机主轴25的转速。
[0058] 如图5所示，电机转子包括转子铁芯27和磁铁29，磁铁29的外层设有碳纤维保护层30，电机转子两端分别设置前挡板6和后挡板11。
[0059] 电机定子包括定子铁芯8和线圈5，定子铁芯8由硅钢片叠压而成，线圈5嵌入定子铁芯8内斜槽，通过接线与电机内的三相电缆36相连。
[0060] 除上述结构外，空压机还包括水冷却系统，水冷却系统包括外机壳10、内机壳9和水冷接头，内机壳9设置在电机定子的外侧，且内机壳9的外表面设置不同形状的隔断结构与外机壳10的内表面形成水冷通道，水冷接头包括进水口接头26和出水口接头28，且均设于外机壳10的外侧。
[0061] 为进一步了解本实用新型技术方案的结构及性能，下面详细描述了空压机的工作状态。
[0062] 在工作时，低压蜗壳1的出口与高压蜗壳16的进口相连，空压机的左右两侧设有端盖3和起端盖作用的第二推力轴承座13，端盖3既作为电机的右侧端盖，也作为低压蜗壳1的端盖，第二推力轴承座13既是电机的左侧端盖，也是高压蜗壳16的端盖，这样能够充分减小转子的轴向长度，提高转子动力学稳定性。
[0063] 在空压机中部设有电机主轴25，电机主轴25为中空主轴，电机主轴25左端内置高压叶轮拉杆18，电机主轴25右端内置低压叶轮拉杆33，高压叶轮拉杆18和低压叶轮拉杆33通过
螺纹与电机主轴25连接，旋向与电机转动方向反向，保证叶轮高速旋转的安全性。
[0064] 低压叶轮2通过低压叶轮预紧螺母34与低压叶轮拉杆33固定，高压叶轮15通过高压叶轮预紧螺母17与高压叶轮拉杆18固定，低压叶轮2位于低压蜗壳1内部，高压叶轮15位于高压蜗壳16内部。
[0065] 电机定子包括定子铁芯8和线圈5，线圈5嵌入定子铁芯8内的斜槽内，并与三相电缆36、低压信号接插件7相连。空压机还包括外机壳10和内机壳9，内机壳9布置在定子铁芯8外侧，外机壳布置在内机壳9外侧，在空压机运行时，在外机壳10和内机壳9之间通以冷水，起到散热的作用。
[0066] 电机主轴25两端通过简支梁支撑结构进行支撑，简支梁支撑结构包括设置在电机主轴25左侧的高压侧径向空气轴承24、高压侧径向空气轴承轴套23、第一轴向止推空气轴承20、推力盘21、第二轴向止推空气轴承22，以及设置在电机主轴25右侧的低压侧径向空气轴承32、低压侧径向空气轴承轴套31。高压侧径向空气轴承轴套23套设在电机主轴25的外侧，高压侧径向空气轴承24采用圆周均布螺钉固定在所述高压侧径向空气轴承轴套23外侧，第一轴向止推空气轴承20和第二轴向止推空气轴承22环绕在电机主轴25外侧，低压侧径向空气轴承轴套31套设在电机主轴25的外侧，低压侧径向空气轴承32采用圆周均布螺钉固定在所述低压侧径向空气轴承轴套31外侧。
[0067] 第一轴向止推空气轴承20、第二轴向止推空气轴承22的结构相同,包括轴向止推空气轴承顶箔片41、轴向止推空气轴承波箔片42、轴向止推空气轴承支撑结构40，电机转动时，轴向止推空气轴承顶箔片41与推力盘21之间产生高压空气膜，轴向止推空气轴承波箔片42受压缩而变形，通过轴向止推空轴承波箔片42形状的调整来改变高压空气膜的
刚度和阻尼，以此避免转子的轴向
不平衡窜动。
[0068] 高压侧径向空气轴承24和低压侧径向空气轴承32的结构相同，包括径向空气轴承顶箔片39、径向空气轴承波箔片38、径向空气轴承支撑结构37，电机转动时，电机主轴25高速旋转，使得径向空气轴承波箔片38压缩，转速稳定时，形成高压空气膜，电机主轴25悬浮于径向空气轴承顶箔片39上。相比于传统的油轴承，空气轴承在运行时能够形成开放式的空气流动，有效的提高散热途径和耐热等级，并减小了摩擦阻力。
[0069] 电机转子包括转子铁芯27、磁铁29以及磁铁29外侧缠绕的碳纤维保护层30，电机转子两端分别设置前挡板6和后挡板11，磁铁29外部缠绕碳纤维保护层30是防止磁铁29在高速旋转下由于离心力作用而破裂，前挡板6和后挡板11的作用是隔磁。
[0070] 以上详细描述了本实用新型的具体实施例，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多
修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的
基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由
权利要求书所确定的保护范围内。
