一种用于燃料电池空压机的空心轴转子结构制造技术

本实用新型专利技术公开一种用于燃料电池空压机的空心轴转子结构，主轴外套有至少3段斜极的环形结构磁钢组成的磁钢组，磁钢组外部设有与之过盈配合的磁钢保护套，主轴与低压叶轮轴为互相中通的空心轴，高压叶轮轴为空腔轴。使用时，本实用新型专利技术的空心轴转子结构可以有效提高转子临界转速和启动响应速度，还可以降低转子重量，从而提高空气轴承的启停寿命和空压机系统的功率密度。多段斜极的环形磁钢结构，可以大幅降低转子涡流损耗、气隙磁场谐波以及齿槽转矩，进而提高电机效率，改善电机的NVH性能，而且分段的环形磁钢内孔易加工，磁钢用量少，材料利用率高，因此磁钢的加工和材料成本都比较低。较低。较低。

【技术实现步骤摘要】
一种用于燃料电池空压机的空心轴转子结构


[0001]本技术主要涉及空压机的
，特别涉及一种用于燃料电池空压机的空心转子结构。

技术介绍

[0002]随着能源的逐渐匮乏和人们环保意识的提高，新能源汽车技术越来越受到重视，氢燃料电池电动汽车凭借其零污染、高能效、续航里程长、加氢燃料时间短等优势，被认为是新能源汽车发展的重要方向之一，而燃料电池系统则为其中最为核心的部分。氢燃料电池专用空压机作为燃料电池系统的核心部件，其主要作用是将大气中的空气加压至燃料电池系统最佳的工作压力，并根据实际工况需求提供所需的空气质量流量。
[0003]燃料电池专用空压机要求无油、高效、小型化、低成本、低噪音以及良好的动态响应能力。为满足无油的要求，多数公司及研究机构选择空气轴承作为旋转支撑的方式，空压机电机也向着高转速、高效率、高功率密度、高可靠性、低噪音、低成本的方向发展，而开发一种满足这些要求的转子结构则成为燃料电池空压机领域研究的重点和热点。
[0004]然而现有技术仍存在各种问题，比如现有技术1：
[0005]罗伯特
·
博世有限公司的陈鲍开发了一种电机空压机，其转子使用整块实心磁钢结构，磁钢与外部合金保护套过盈连接，保护套与两侧转轴焊接固定。整块实心磁钢结构磁钢用量大，材料成本高，且磁钢磁通利用率低。转轴分段焊接结构，机器人焊接工序复杂，成本高，人工手动焊接一致性差，焊接质量难以保证，而且焊接会产生一定的残余应力，影响转子的整体强度。
[0006]现有技术2:
[0007]江苏毅合捷汽车科技股份有限公司的王芳永等人开发了一种燃料电池发动机的单级增压直驱离心式空压机，其转子使用整段环形磁钢，实心转轴，且通过涂胶固定磁钢与转轴。整段环形磁钢结构轴向尺寸长，内孔加工困难，加工成本高。涂胶方式固定转轴与磁钢，安装磁钢时胶水易被挤出，胶水均匀度难以保证，转子涂胶一致性差，而且胶水耐高温寿命短，强度差，易受高温老化损坏。
[0008]实心轴结构转子重，空气轴承径向载荷大，启停寿命短，空压机启动响应速度慢，空压机系统功率密度低。
[0009]现有技术3:
[0010]北京稳力科技有限公司的华青松等人开发了一种转子结构及采用该转子结构的电机，空压机，其转子使用整段实心磁钢，磁钢与外部合金保护套过盈连接，保护套与两侧转轴焊接固定，两侧叶轮轴与空心转轴过盈或焊接固定，并在叶轮轴上开有径向排气孔。其实心磁钢及焊接连接方式的缺点不再赘述，其径向排气孔结构，转子打孔工序复杂，加工成本高，且径向开孔会增大旋转空气摩擦损耗，降低电机效率。
[0011]现有技术4、5:
[0012]上海发电设备成套设备研究设计研究院有限责任公司的张成义等人与同济大学
的张智明等人分别开发了一种燃料电池空压机，其转子结构相近，均使用整段环形磁钢，通过涂胶固定磁钢与转轴，空心轴结构，叶轮使用长螺杆连接固定。
[0013]其涂胶固定方式的缺点不再赘述，其叶轮连接结构的螺杆过长，而叶轮与螺杆的膨胀系数不同，反复的热膨胀间隙易致螺栓松动；而且转子动平衡后，需要在整机组装的过程中拆装一次叶轮，而其结构的叶轮与螺杆之间配合有间隙，且双头螺杆的拆装一致性较差，因此拆装叶轮后转子不平衡量变化较大，会影响转子稳定性；其空心轴结构转子内部有密闭空腔结构，转子高低温循环工况下，空腔内部会有高温胀气，影响叶轮螺纹连接的可靠性。
[0014]因此，市场上急需要一种转子质量轻、整体强度高、稳定性好，同时磁钢用量少，磁钢磁通利用率高的新转子结构。

技术实现思路

[0015]本技术针对上述问题，提供了一种用于燃料电池空压机的空心转子结构，主轴外套有至少3段斜极的环形结构磁钢形成的磁钢组，并用螺母将磁钢组与主轴连接固定，此结构可大幅提高转子的临界转速、启动响应速度、空气轴承的启停寿命以及空压机系统的功率密度，还可以大幅降低转子涡流损耗，气隙磁场谐波以及齿槽转矩，进而提高电机效率，改善电机的NVH性能，还可以避免涂胶固定方案的胶水失效风险，且便于转子磁钢的安装与拆卸；
[0016]本技术的目的可以通过下述技术方案来实现：一种用于燃料电池空压机的空心转子结构，包括主轴和分别设在主轴两端的低压叶轮轴和高压叶轮轴，其特征在于，主轴外套有至少3段斜极的环形结构磁钢形成的磁钢组，磁钢组的外部设有与之过盈配合的磁钢保护套，主轴与低压叶轮轴为互相中通的空心轴，高压叶轮轴为空腔轴。
[0017]优选的，磁钢组由第一、第二、第三段斜极的环形结构磁钢安装拼合而成，每段环形结构磁钢的长度相同，第一、第二和第三段磁钢依次错开1
°
～8
°
的相同斜极角度安装于主轴上，斜极角度安装误差≤σ，σ取值范围为0.05
°
～0.3
°
之间。
[0018]进一步，相邻的环形结构磁钢的内孔长径比在1～2之间，每段磁钢与主轴之间为间隙配合，每段磁钢均设有磁钢充磁标记线，相邻的磁钢充磁标记线之间的切向距离为L，L的误差范围为
±
τ，L和τ的公式分别如下：
[0019]L＝2*R*Sin(a/2)；
[0020]τ＝R*Sin(σ)；
[0021]其中：R为磁钢外径、a为斜极角度、σ为安装角度允许误差。
[0022]相对于现有技术，本技术的技术方案除了整体技术方案的改进，还包括很多细节方面的改进，具体而言，具有以下有益效果：
[0023]1、本技术所述的改进方案中，在主轴外设置至少3段斜极的环形结构磁钢，相邻的磁钢依次错开一个相同斜极角度后安装于主轴上，这种斜极的环形结构磁钢，使得本技术的转子涡流损耗更低，同时磁钢斜极可以有效降低气隙磁场谐波、齿槽转矩，从而改善电机的NVH性能；
[0024]2、本技术的技术方案中，主轴与低压叶轮轴为互相中通的空心轴，高压叶轮轴为空腔轴，此结构可以有效提高转子的临界转速和启动响应速度，还可以降低转子重量，
从而提高空气轴承的启停寿命和空压机系统的功率密度；而且，空心轴内腔的气体可以从低压端叶轮轴孔处有效排出，避免转子内腔胀气引起的失效；
[0025]3、本技术的多段斜极的环形结构磁钢在安装时，每段磁钢套入主轴后旋转一定角度，保证相邻的磁钢的充磁标记线之间的切向距离为L，误差为
±
τ，然后整个转子沿着中间段磁钢的充磁标记线，进行径向平行充磁，可以大幅降低转子涡流损耗，还可以有效降低气隙磁场谐波和齿槽转矩，从而改善电机的NVH性能，同时这里的磁钢分段后，磁钢内孔易加工，磁钢用量少，材料利用率高，因此磁钢的加工和材料成本都比较低；
[0026]4、本技术结构的磁钢通过锁紧螺母将磁钢与主轴连接固定，避免了涂胶固定方案的胶水失效风险，同时磁钢锁紧螺母拆装方便，便于更换磁钢等零件，且产品一致性好；
[0027]5、本技术的产品各部件加工便捷，安装方便，具有极大的市场前景，便于推广和利用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于燃料电池空压机的空心轴转子结构，包括主轴和分别设在主轴两端的低压叶轮轴和高压叶轮轴，其特征在于，主轴外套有至少3段斜极的环形结构磁钢形成的磁钢组，磁钢组外部设有与之过盈配合的磁钢保护套，主轴与低压叶轮轴为互相中通的空心轴，高压叶轮轴为空腔轴。2.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池空压机的空心轴转子结构，其特征在于，磁钢组由第一、第二、第三段斜极的环形结构磁钢拼合而成，每段环形结构磁钢的长度相同，第一、第二和第三段环形结构磁钢依次错开1
°
~8
°
的相同斜极角度安装于主轴上，斜极角度安装误差≤σ，σ取值范围为0.05
°
~0.3
°
之间。3.根据权利要求1或2所述的一种用于燃料电池空压机的空心轴转子结构，其特征在于，相邻的环形结构磁钢的内孔长径比在1~2之间，每段磁钢与主轴之间为间隙配合，每段磁钢均设有磁钢充磁标记线，相邻的磁钢充磁标记线之间的切向距离为L，L的误差范围为
±
τ， L和τ的公式分别如下：L = 2*R*Sin（a/2）；τ = R*Si...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁羲鑫，肖勇，张涛，王乾振，周磊，
申请(专利权)人：华涧新能源科技上海有限公司，
类型：新型
国别省市：