一种车用燃料电池发动机的单级直驱增压离心式空压机制造技术

本实用新型专利技术涉及一种车用燃料电池发动机的单级直驱增压离心式空压机，空压机通过电机带动转动，包括定子、主轴、固定在主轴中部的转子，一端布置蜗壳以及固定在蜗壳内部与主轴一端连接的叶轮，通过驱动器驱动所述转子超高速旋转，主轴的两端通过简支梁支撑结构进行支撑。与现有技术相比，本实用新型专利技术采用大功率电机超高速直接驱动离心式叶轮的进气增压方式，采用高效率永磁同步电机、无油润滑空气箔片动压轴承和转子‑主轴‑叶轮结构一体化设计，叶轮直径小，总体结构简单、紧凑、体积小、重量轻、安装拆卸方便，可满足目前全工况车用燃料电池发动机的空气供气使用要求，在不增大燃料电池发动机体积的情况下，提高燃料电池发动机的体积比功率。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及燃料电池发动机
，具体涉及一种车用燃料电池发动机的大功率超高速单级增压离心式空压机。
技术介绍
空压机广泛应用于航空航天、汽车、管道运输、食品包装等领域，除此之外，空压机是新能源燃料电池汽车发动机辅助空气供气总成中的关键部件之一，其输出的压力和流量直接影响燃料电池发动机中的化学计量比、空气加湿特性和水热管理特性，进而影响燃料电池电堆的电压输出和燃料电池发动机的功率输出。由于大功率车用燃料电池发动机的功率在百千瓦级，高压比、大流量的适合燃料电池发动机全工况空气供给需求的大功率空压机成为设计的趋势之一。空压机直接采用电机驱动，消耗燃料电池汽车发动机自身的功率。为提高发动机有效功率输出，降低空压机寄生功耗，高效空压机技术引起广泛关注。而且，由于空压机的超高速运转，随转速提高，转子承受越来越大的离心力作用。转子中永磁体材料一般抗压强度1000MPa左右，而抗拉强度80MPa左右，具有抗压不抗拉的特性，在空压机转子设计上一般采用直径较小的转子，目的是降低超高速条件下离心力对永磁体的拉伸破坏。但为了满足高压比、大流量的空气供应输出要求，即电机的大功率输出，保证电机具有足够转矩输出，又要求电机转子具有足够大的直径，以上可以看出，电机转子-主轴结构尺寸设计要求很高。此外，为提高离心式压缩机输出功率，离心式空压机转子转速一般要达到100,000rpm以上的超高速状态运行，转子-主轴同速运转情况下，对高速旋转主轴支撑的轴承提出更高的要求。而且传统油润滑轴承难免避免的漏油会进入燃料电池发动机内部，影响燃料电池电化学反应，因此无油润滑的轴承支撑是空压机的最佳选择。综上所述，从主轴直径选择、轴承润滑方式、轴承支撑距离和燃料电池发动机本身的无油进气要求、零下三十度的燃料电池发动机低温冷启动要求等多方面来看，现有的传统轴承很难满足燃料电
池发动机空压机的性能要求和使用要求，即使特殊轴承可以满足要求，但也会带来转子动力学稳定性的问题，超高速问题是目前国内外转子动力学领域研究的热点和难点。空压机超高速长时间运行会造成轴承等支撑部件破损的危险，增加故障监测和诊断难度，超高速的转子也会引起转子表面的风磨损耗，进而带来散热和冷却问题。最后，作为车用燃料电池发动机的一部分，空压机结构尺寸上要求紧凑，结构强度高。
技术实现思路
本技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可以满足60-80kW大功率燃料电池发动机的空气供应系统的压力大、流量范围宽的实际需求，具有结构紧凑、效率高、体积小、重量轻、响应速度快等特点的车用燃料电池发动机的单级增压离心式空压机。本技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种车用燃料电池发动机的单级直驱增压离心式空压机，所述空压机通过电机带动转动，所述的空压机包括电机定子、主轴、固定在主轴中部的转子，一端布置蜗壳以及固定在蜗壳内部与主轴一端连接的叶轮、驱动器，驱动器驱动所述电机转子超高速旋转，所述的主轴的两端通过简支梁支撑结构进行支撑。所述的大功率电机永磁体采用一对极和与电机定子间大气隙的结构方式，在提高频率运行下转速可得达预定高转速。空压机旋转轴采用双侧径向空气箔片轴承和单侧轴向空气箔片止推轴承的简支梁支撑结构，利用驱动器直接驱动电机，带动转子-主轴-叶轮一体化结构超高速旋转，实现离心式叶轮高速旋转，通过叶轮蜗壳实现燃料电池发动机进气增压。同时通过控制电机驱动器，直接调节电机转子转速，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-氧电化学反应效率，提高燃料电池发动机功率输出。本技术采用单级叶轮蜗壳的增压方式，结构简单，自然空气经蜗壳进气口引入，并经叶轮高速旋转压缩后，经出气口流出，实现超高速旋转增压的功能。性能指标可达到高压比(2.5bar)、大流量(100g/s)，满足60-80kW大功率车用燃料电池发动机大范围内的空气流量供应需求。空压机整体结构上采用输出载荷单向布置，即空压机总体结构中间布置一个电机，包含电机定子和转子，电机单侧旋转载荷输出，采用单个叶轮蜗壳结构，叶轮通过穿过主轴-转子结构连接起来，形成一
体化结构，叶轮-主轴-转子结构通过简支梁支撑形式，通过轴承及轴承座将旋转系统(主轴、电机转子及叶轮)支撑起来，保证其高速稳定旋转。利用驱动器直接驱动电机，带动转子-主轴-叶轮一体化结构超高速旋转，实现离心式叶轮超高速旋转产生高压空气。同时通过控制电机驱动器，直接调节电机转子-主轴-叶轮转速，根据燃料电池发动机需求，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，提升燃料电池发动机性能。所述的简支梁支撑结构包括设置在主轴叶轮端的径向空气箔片轴承a以及设置在主轴另一端的径向空气箔片轴承b和轴向空气箔片动压止推轴承，所述的径向空气箔片轴承a采用圆周均布螺钉固定在所述主轴的外侧，所述轴向空气箔片止推轴承采用轴套形式固定于所述主轴的外侧，所述的径向空气箔片轴承b采用圆周均布螺钉固定在所述轴向空气箔片止推轴承外侧。采用双侧径向空气箔片径向轴承支撑和单侧轴向空气箔片止推轴承提供轴向力平衡的形式。箔片位于轴与轴承之间，主轴高速旋转时压缩箔片产生高压空气膜而使主轴悬浮于空气箔片轴承之间，主轴与轴承之间非直接接触，可以大大减小轴承与轴之间的摩擦，提高电机的工作效率，轴向空气箔片止推轴承采用轴套形式固定于主轴上，便于拆装、定位和更换。所述的轴向空气箔片止推轴承的一端设有凸起，该凸起位于两个止推轴承箔片盘之间，且所述凸起与两个止推轴承箔片盘超高速旋转时压缩气体配合。这样的设计可以避免整个轴系的轴向窜动。所述主轴连接轴向空气箔片止推轴承的一端头部设有固定塞，该固定塞作用在于主轴高速旋转时，防止轴向空气箔片止推轴承中轴承盘在高速旋转中的变形，以保证轴向空气箔片止推轴承中箔片的间隙。所述的主轴采取整轴阶梯式轴，即所述主轴一体成型不分段，且安装转子处的主轴直径小于安装径向空气箔片轴承a处的主轴直径；所述主轴除安装叶轮处外均采用中空主轴，以减轻主轴重量。主轴采用整轴形式，不分段，减少超高速旋转部件数量和提高主轴刚度，降低高速主轴挠度变形和动平衡校核难度。主轴采取阶梯形式便于电机转子永磁体安装定位，同时与止推轴承采用两侧布置，达到平衡旋转部件质心的作用。主轴大部分采取掏空方式便于减轻旋转部件质量，提高转子动力学特性。所述的转子采用从内向外依次为不锈钢主轴、电工钢、永磁体3层的布置方式，并在所述的永磁体外缠绕碳纤维，所述转子的两端采用灌胶的方式进行隔磁。所述永磁体外缠绕碳纤维是防止永磁体在高速旋转下由于离心力作用而破裂。所述灌胶为固定永磁体的前提下在永磁体两端灌上一定厚度的高粘度凝固胶，以确保强度和隔磁性能。所述的驱动器包括低压信号接插件和三相电缆，电机通过驱动器控制所述电机定子产生的磁场方向的改变速度，从而控制所述主轴的转速。所述的电机采用永磁同步电机，所述永磁同步电机采用一对极高频运行方式，从而可达到空压机高性能所需的高转速。所述的空压机还包括一个水冷却系统，所述的水冷却系统包括外壳和水冷套，所述的水冷套设置在所述主轴的外侧，所述外壳设置在水冷套外侧，在空压机运行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种车用燃料电池发动机的单级直驱增压离心式空压机，所述空压机通过电机带动转动，其特征在于，所述的空压机包括电机定子、主轴、固定在主轴中部的转子、一端布置蜗壳以及固定在蜗壳内部与主轴一端连接的叶轮、用于驱动转子高速旋转的驱动器，所述的主轴的两端通过简支梁支撑结构进行支撑。

【技术特征摘要】
1.一种车用燃料电池发动机的单级直驱增压离心式空压机，所述空压机通过电机带动转动，其特征在于，所述的空压机包括电机定子、主轴、固定在主轴中部的转子、一端布置蜗壳以及固定在蜗壳内部与主轴一端连接的叶轮、用于驱动转子高速旋转的驱动器，所述的主轴的两端通过简支梁支撑结构进行支撑。2.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池发动机的单级直驱增压离心式空压机，其特征在于，所述的简支梁支撑结构包括设置在主轴叶轮端的径向空气箔片轴承a以及设置在主轴另一端的径向空气箔片轴承b和轴向空气箔片动压止推轴承，所述的径向空气箔片轴承a采用圆周均布螺钉固定在所述主轴的外侧，所述轴向空气箔片止推轴承采用轴套形式固定于所述主轴的外侧，所述的径向空气箔片轴承b采用圆周均布螺钉固定在所述轴向空气箔片止推轴承外侧。3.根据权利要求2所述的一种车用燃料电池发动机的单级直驱增压离心式空压机，其特征在于，所述的轴向空气箔片止推轴承的一端设有凸起，该凸起位于两个止推轴承箔片盘之间，且所述凸起与两个止推轴承箔片盘超高速旋转时压缩气体配合。4.根据权利要求2所述的一种车用燃料电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：张智明，章桐，王心坚，许思传，温立军，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：新型
国别省市：上海;31