一種燃料電池發(fā)動機用兩級增壓直驅(qū)空氣壓縮機的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池發(fā)動機技術(shù)領域，尤其是涉及一種燃料電池發(fā)動機用兩級增壓直驅(qū)空氣壓縮機。
【背景技術(shù)】
[0002]空氣壓縮機(簡稱空壓機)廣泛應用于鋼鐵、電力、造船、輕工業(yè)、航空航天、汽車等領域，本發(fā)明設計到的空壓機是新能源燃料電池汽車發(fā)動機輔助空氣供氣總成中的關(guān)鍵部件之一，其輸出的壓力和流量直接影響燃料電池發(fā)動機中的化學計量比和空氣加濕特性，進而影響燃料電池堆的電壓輸出和燃料電池發(fā)動機的功率輸出。由于全功率車用燃料電池發(fā)動機的功率在百千瓦級，高壓比、大流量的適合燃料電池發(fā)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。空壓機采用電機驅(qū)動，消耗燃料電池汽車發(fā)動機功率。為提高發(fā)動機有效功率輸出，降低空壓機功耗，高速空壓機技術(shù)引起廣泛關(guān)注。由于空壓機的高速運轉(zhuǎn)，隨轉(zhuǎn)速提高，轉(zhuǎn)子承受越來越大的離心力作用。轉(zhuǎn)子中永磁體材料一般抗壓強度100Mpa左右，而抗拉強度80Mpa左右，具有抗壓不抗拉的特性，在空壓機轉(zhuǎn)子設計上一般采用直徑較小的轉(zhuǎn)子，目的是降低高速離心力對永磁體的破壞，但為了滿足高壓比、大流量的輸出要求，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一般要達到10000Rpm以上的超高速狀態(tài)運行，現(xiàn)有的傳統(tǒng)軸承很難滿足要求，即使特殊軸承可以滿足要求，但也會帶來轉(zhuǎn)子動力學穩(wěn)定性的問題，超高速問題是目前國內(nèi)外轉(zhuǎn)子動力學領域研宄的熱點和難點。其次也會造成軸承等支撐部件破損的危險，增加故障監(jiān)測和診斷難度。此外，超高速的轉(zhuǎn)子也會帶來散熱和冷卻問題，這些問題都需要在具體空壓機設計方案中得到綜合考慮并加以解決。
[0003]中國專利CN104061175A公開了一種燃料電池用空氣軸承壓縮機，包括旋變電機、驅(qū)動電機和葉輪鍋殼，葉輪鍋殼內(nèi)設置有葉輪，驅(qū)動電機內(nèi)設置有與其徑向耦合的空氣軸承。該專利主要適用于小功率燃料電池電堆，不適用于電堆在車用全工況下的空氣供給，且該專利功能有限，目前實用性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種燃料電池發(fā)動機用兩級增壓直驅(qū)空氣壓縮機，采用兩級增壓方式，可以滿足燃料電池發(fā)動機空氣供應系統(tǒng)的壓力、流量范圍寬需求，具有效率高、體積小、重量輕、響應速度快、整體結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)速高、機械強度高、損耗小、維護簡單等優(yōu)點。
[0005]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0006]一種燃料電池發(fā)動機用兩級增壓直驅(qū)空氣壓縮機包括由外到內(nèi)依次布置的殼體、電機定子、電機轉(zhuǎn)子和電機主軸，以及電機端蓋和電機驅(qū)動器，所述電機端蓋設于殼體的兩端，所述電機主軸的兩端通過軸承連接電機端蓋，所述電機驅(qū)動器連接電機定子，所述電機主軸的兩端分別設有葉輪，所述葉輪上套設有蝸殼，所述蝸殼與電機端蓋密封連接，并設有進氣口與出氣口，一端蝸殼的出氣口連接另一端蝸殼的進氣口。
[0007]所述電機轉(zhuǎn)子包括由內(nèi)到外依次同心繞組布置在電機主軸上的電工鋼和永磁體。
[0008]所述永磁體外層裹覆鈦合金保護套。
[0009]所述電機轉(zhuǎn)子的兩端設有用于隔磁的銅環(huán)。
[0010]所述電機主軸的兩端采用預緊螺母通過預緊方式固定葉輪，并采用高強度膠粘接。
[0011]所述電機主軸一端的軸承與電機端蓋固定連接，電機主軸另一端的軸承與電機端蓋浮動連接。
[0012]與電機端蓋浮動連接的軸承通過彈性預緊件與電機端蓋連接。
[0013]所述電機主軸的兩端在軸向上設有孔洞。
[0014]所述軸承采用兩個O型面對面靠緊布置的角接觸陶瓷球軸承。
[0015]所述殼體外層設有電機水冷套。
[0016]本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)上采用對稱布置，即中間布置一個電機，包含定子和轉(zhuǎn)子，左右兩端各采用一個葉輪蝸殼結(jié)構(gòu)，兩個葉輪通過穿過轉(zhuǎn)子的軸連接起來，轉(zhuǎn)子的軸通過軸承及軸承座將軸、電機轉(zhuǎn)子及雙葉輪支撐起來。實現(xiàn)了單邊雙軸承的簡支梁支撐結(jié)構(gòu)和雙葉輪蝸殼的兩級增壓方式，利用電機驅(qū)動器直接驅(qū)動電機定子的電機繞組，帶動電機轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，自然空氣經(jīng)一端蝸殼進氣口引入，并經(jīng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)一級壓縮后，通過一端蝸殼出氣口串聯(lián)到另一端蝸殼進氣口端，再經(jīng)過另一端葉輪高速旋轉(zhuǎn)二級壓縮后，空氣最終經(jīng)出氣口流出，實現(xiàn)兩級增壓的功能，同時通過控制電機驅(qū)動器，直接調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，根據(jù)燃料電池發(fā)動機需求、調(diào)節(jié)輸出空氣壓力和流量的目的，改變?nèi)剂想姵仉姸芽諝獾幕瘜W計量比，改善燃料電池膜電極上的氫氣、氧氣電化學反應，提高燃料電池發(fā)動機性能。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0018]I)本發(fā)明采用大功率電機直驅(qū)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)離心式葉輪高速旋轉(zhuǎn)壓縮空氣，最高可達50000rpm，避免使用增速器等額外機械增速機構(gòu)，降低了體積和質(zhì)量，避免的齒輪嚙合振動噪聲。
[0019]2)本發(fā)明通過電機驅(qū)動器可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，進而改變空壓機出口壓力、流量，可滿足車用工況頻繁變化的需求。
[0020]3)本發(fā)明采用雙級葉輪逐級壓縮空氣的增壓方式，與同轉(zhuǎn)速的單葉輪空壓機相比，可達到大功率燃料電池發(fā)動機對空壓機高壓比、大流量的使用需求，改變?nèi)剂想姵囟芽諝獾幕瘜W計量比，改善燃料電池膜電極上的氫氣、氧氣電化學反應，提高燃料電池發(fā)動機性能，適用于目前60-80kW大功率車用燃料電池發(fā)動機在大范圍內(nèi)的高壓比、大流量的空氣總成供應需求，在不增大燃料電池發(fā)動機體積的情況下，提高燃料電池發(fā)動機的功率密度。
[0021]4)本發(fā)明采用傳統(tǒng)角接觸陶瓷球軸承，單邊雙軸承布置，增加產(chǎn)品的可靠性和安全性，避免高速條件下旋轉(zhuǎn)部件的破壞危險；一邊軸承支撐采用固定方式，另外一邊軸承支撐采用浮動方式，采用彈性預緊以利于平衡旋轉(zhuǎn)部件的軸向竄動。
[0022]5)本發(fā)明與傳統(tǒng)雙螺桿、禍旋空壓機相比，體積小、功率大、重量輕、耗材少，通過簡單快速的安裝，即可提高燃料電池發(fā)動機的功率輸出。
[0023]6)本發(fā)明兩端電機端蓋的軸承座與軸承均采用緊配合方式，并在電機端蓋上采用密封件，充分滿足車用IP67等級要求。
[0024]7)本發(fā)明電機轉(zhuǎn)子表面采用高強度、質(zhì)量輕的鈦合金護套，在護套與永磁體間采用過盈配合方式，高速旋轉(zhuǎn)時，永磁體會得到由鈦合金護套以及過盈量提供的徑向壓緊力，用結(jié)構(gòu)鎖定的方式保證了轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)條件下的安全性，以利于保護永磁體材料。
[0025]8)本發(fā)明轉(zhuǎn)子銅環(huán)的隔磁設計方式，不僅優(yōu)化了高速轉(zhuǎn)子的熱膨脹變形，而且具有防止永磁體漏磁的作用。
[0026]9)本發(fā)明電機主軸打孔便于減輕旋轉(zhuǎn)部件質(zhì)量，提高轉(zhuǎn)子動力學特性。
[0027]10)本發(fā)明電機主軸兩端采用預緊螺母預緊方式固定葉輪，并采用高強度膠粘接，以提高高速葉輪運轉(zhuǎn)安全性。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)的剖視示意圖；
[0029]圖2為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)的外輪廓示意圖；
[0030]圖3為本發(fā)明中轉(zhuǎn)動部分結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖中:1、右端蝸殼，2、右端預緊螺母，3、右端葉輪，4、右端葉輪端蓋，5、右端電機端蓋，6、右端連接螺栓，7、12Pin低壓信號接插件，8、殼體，9、電機水冷套外殼，10、電機繞組，