一种基于磁悬浮轴承的车载燃料电池气体压缩机的制作方法

本发明涉及车载燃料电池气体压缩机技术领域，具体涉及一种基于磁悬浮轴承的车载燃料电池气体压缩机。

背景技术：

氢能源汽车的发动机需要高效率、高压比的高速空气压缩机，为系统提供大流量、高压力的空气。传统低转速空压机采用接触式轴承，速度低，电机能量密度低、体积大。目前业界最先进的技术主要采用空气轴承支撑的高速空压机，在空气轴承的支撑下，电机驱动轴系高速旋转，带动轴承外侧两端或者单端的径流叶轮对空气进行压缩，从而为汽车发动机提供高压、高流量供气。但是由于空气轴承需要利用空气承载，空气轴承供气不能受到任何扰动，因此，现有的空气轴承高速空压机只能将叶轮尽量远离轴承，即叶轮安装在机器的两端(悬臂结构)，由于叶轮重量在轴承的两端，并且本身无法提供轴系刚度，只能增大重量，大大降低了系统的柔性模态。同时，由于轴承部分转子的直径限制，而叶轮分布在轴承的外侧，造成了支撑叶轮的刚度较低，进一步降低了系统的柔性模态。系统的柔性模态的降低，将限制系统所能达到的最高转速，从而降低了电机的功率密度，使得压缩机的体积变大，同时叶轮压缩效率变低。

鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供一种新的基于磁悬浮轴承的车载燃料电池气体压缩机，改善转子动力学特性，提高转速及压缩机旋转轴系抗干扰能力，提高压缩机功率密度及可靠性成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于磁悬浮轴承的车载燃料电池气体压缩机。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

根据本发明的一个实施例，提供了一种基于磁悬浮轴承的车载燃料电池气体压缩机，所述车载燃料电池气体压缩机包括：电机、对称设于所述电机上的第一磁悬浮轴承和第二磁悬浮轴承、至少一个叶轮组件，所述叶轮组件设于所述第一磁悬浮轴承和所述第二磁悬浮轴承之间，所述电机驱动位于所述第一磁悬浮轴承和所述第二磁悬浮轴承之间的一体化压缩机轴系作旋转运动，带动所述叶轮组件对气体进行压缩，为汽车发动机提供动力。

根据本发明的一个实施例，所述电机包括转子和套设于所述转子外侧的定子，所述第一磁悬浮轴承和所述第二磁悬浮轴承分别设置在所述转子的两端。

根据本发明的一个实施例，所述叶轮组件与所述转子集成为一体，所述叶轮组件设于所述定子与所述第一磁悬浮轴承之间和/或所述定子与所述第二磁悬浮轴承之间。

根据本发明的一个实施例，所述叶轮组件设置两个，分别为一级叶轮和二级叶轮，所述一级叶轮和所述二级叶轮对称设置，所述一级叶轮位于所述定子与所述第一磁悬浮轴承之间，所述二级叶轮位于所述定子与所述第二磁悬浮轴承之间。

根据本发明的一个实施例，所述一级叶轮包括一级进气口和一级出气口，所述第一磁悬浮轴承与所述转子之间的缝隙形成有第一轴承冷却旁路通道，外界气体通过第一主进气通道与所述第一轴承冷却旁路通道汇合，输入到所述一级进气口，并输送到所述一级叶轮内部，经过所述一级叶轮压缩后转换为一级压力气体，所述一级压力气体从所述一级出气口中输出至传输通道。

根据本发明的一个实施例，所述二级叶轮包括二级进气口和二级出气口，所述第二磁悬浮轴承与所述转子之间的缝隙形成有第二轴承冷却旁路通道，所述传输通道中的所述一级压力气体通过第二主进气通道与所述第二轴承冷却旁路通道汇合，输入到所述二级进气口，并输送到所述二级叶轮内部，经过所述二级叶轮压缩后转换为二级压力气体，所述二级压力气体从所述二级出气口中输出至外界空间。

根据本发明的一个实施例，所述定子与所述转子之间形成有电机冷却旁路通道，所述电机冷却旁路通道的进口与所述传输通道连通，所述电机冷却旁路通道的出口与所述传输通道和/或外界空间连通，所述传输通道中的所述一级压力气体从所述进口进入所述电机冷却旁路通道中，将所述转子与所述定子冷却后，从所述出口排出至所述传输通道和/或外界空间。

根据本发明的一个实施例，所述进口设有两个，分别设于所述电机冷却旁路通道的两端，所述出口设于所述电机冷却旁路通道的中间。

根据本发明的一个实施例，所述出口设有两个，分别设于所述电机冷却旁路通道的两端，所述进口设于所述电机冷却旁路通道的中间。

本发明的基于磁悬浮轴承的车载燃料电池气体压缩机将叶轮组件整合进轴系，置于两个磁悬浮轴承之间，与传统的燃料电池空气压缩机将叶轮组件安装在轴承的两端(即叶轮组件位于支撑轴承的外侧)的结构相比，本发明实施例的叶轮组件设于磁悬浮轴承的内侧的结构，大大降低了压缩机端部的质量，同时可以利用叶轮组件本身的刚度增加电机中转子的刚度，相对于采用传统轴承的车载空压机，磁悬浮轴承的工作不受外部气流扰动影响，轴系承载轴径不受轴承尺寸的制约，可以进一步加大轴径，从而提高轴系的刚度，升高柔性模态频率，提高压缩机的最高转速和功率密度。

附图说明

图1是本发明的车载燃料电池气体压缩机的结构示意图。

图2是本发明的车载燃料电池气体压缩机的气体流向示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在下文中，将参考附图来更好地理解本发明的许多方面。附图中的部件未必按照比例绘制。替代地，重点在于清楚地说明本发明的部件。此外，在附图中的若干视图中，相同的附图标记指示相对应零件。

如本文所用的词语“示例性”或“说明性”表示用作示例、例子或说明。在本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式未必理解为相对于其它实施方式是优选的或有利的。下文所描述的所有实施方式是示例性实施方式，提供这些示例性实施方式是为了使得本领域技术人员做出和使用本公开的实施例并且预期并不限制本公开的范围，本公开的范围由权利要求限定。在其它实施方式中，详细地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本发明。出于本文描述的目的，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”和其衍生词将与如图1定向的发明有关。而且，并无意图受到前文的技术领域、背景技术、发明内容或下文的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论限制。还应了解在附图中示出和在下文的说明书中描述的具体装置和过程是在所附权利要求中限定的发明构思的简单示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被理解为限制性的，除非权利要求书另作明确地陈述。

图1示出了一种基于磁悬浮轴承的车载燃料电池气体压缩机，请参见图1，该车载燃料电池气体压缩机包括：电机10、对称设于电机10上的第一磁悬浮轴承20和第二磁悬浮轴承30、至少一个叶轮组件，叶轮组件设于第一磁悬浮轴承20和第二磁悬浮轴承30之间，电机10驱动位于第一磁悬浮轴承20和第二磁悬浮轴承30之间的一体化压缩机轴系作旋转运动，带动叶轮组件对气体进行压缩，进而为汽车发动机提供动力。

本实施例的第一磁悬浮轴承20和第二磁悬浮轴承30共同组成五轴主动磁悬浮轴承，与传统的空气轴承相比，本实施例的五轴主动磁悬浮轴承的工作不受压缩气流的影响，提高轴系的抗干扰能力，所以能够将叶轮组件整合进轴系，成为一体化压缩机轴系，与传统的车载燃料电池空气压缩机将叶轮组件安装在电机的两端(即叶轮组件位于支撑轴承的外侧)的结构相比，本发明实施例的叶轮组件设于磁悬浮轴承的内侧，大大降低了压缩机端部的质量，同时可以利用叶轮组件本身的刚度增加电机中转子的刚度，并且轴系承载轴径不受轴承尺寸的制约，可以进一步加大轴径，从而提高轴系的刚度，升高柔性模态频率，提高压缩机的最高转速和功率密度。此外，由于压缩机的最高转速的增加，气体压缩机的叶轮组件的体积可以减小，提高叶轮组件的工作效率。

进一步地，请参见图1，电机10包括转子101和套设于转子101外侧的定子102，第一磁悬浮轴承20和第二磁悬浮轴承30分别设置在转子101的两端。

进一步地，请参见图1，叶轮组件与转子101集成为一体，叶轮组件设于定子102与第一磁悬浮轴承20之间和/或定子102与第二磁悬浮轴承30之间。本实施例的一体化压缩机轴系由转子101和叶轮组件组成。

在一实施例中，叶轮组件设置一个时，叶轮组件设置在定子102与第一磁悬浮轴承20之间或定子102与第二磁悬浮轴承30之间。在另一实施例中，请参见图1，叶轮组件设置两个时，分别为一级叶轮40和二级叶轮50，一级叶轮40和二级叶轮50对称设置，一级叶轮40设置在定子102与第一磁悬浮轴承20之间，二级叶轮50设置在定子102与第二磁悬浮轴承30之间。

进一步地，请参见图2，图2是基于磁悬浮轴承的车载燃料电池气体压缩机的气体流向示意图，一级叶轮40包括一级进气口401和一级出气口402，第一磁悬浮轴承20与转子101之间的缝隙形成有第一轴承冷却旁路通道60，外界气体通过第一主进气通道61与第一轴承冷却旁路通道60汇合，输入到一级进气口401，并输送到一级叶轮40内部，经过一级叶轮40压缩后转换为一级压力气体，一级压力气体从一级出气口402中输出至传输通道80。传输通道80用于传输一级压力气体。本实施例中，外界气体也可以从一级进气口401直接进入一级叶轮40内部。

本实施例将一级叶轮40置于第一磁悬浮轴承20与转子101之间，一级进气口401的高速、大流量以及低温度的气流可以迅速通过第一磁悬浮轴承20和转子101，带走多余的热量，促进散热，使电机10运转温度更低，进一步提高压缩机的功率密度，同时增强压缩机的可靠性。

在上述实施例的基础上，本实施例中，请参见图2，二级叶轮50包括二级进气口501和二级出气口502，第二磁悬浮轴承30与转子101之间的缝隙形成有第二轴承冷却旁路通道70，传输通道80中的一级压力气体通过第二主进气通道71与第二轴承冷却旁路通道70汇合，输入到二级进气口501，并输送到二级叶轮50内部，经过二级叶轮50压缩后转换为二级压力气体，二级压力气体从二级出气口502中输出。本实施例中，一级压力气体也可以从二级进气口501直接进入二级叶轮50内部。

本实施例将二级叶轮50置于第二磁悬浮轴承30与转子101之间，二级进气口501的高速、大流量以及低温度的气流可以迅速通过第二磁悬浮轴承30和转子101，带走多余的热量，促进散热，使电机10运转温度更低，进一步提高压缩机的功率密度，同时增强压缩机的可靠性。

在上述实施例的基础上，本实施例中，定子102与转子101之间形成有电机冷却旁路通道，电机冷却旁路通道的进口与传输通道80连通，电机冷却旁路通道的出口与传输通道80和/或外界空间连通，传输通道80中的一级压力气体从进口进入电机冷却旁路通道中，将转子101与定子102冷却后，从出口排出至传输通道80和/或外界空间。

一实施例中，进口设有两个，分别设于电机冷却旁路通道的两端，出口设于电机冷却旁路通道的中间。一级压力气体从电机冷却旁路通道的两端进入定子102与转子101之间的缝隙，从电机冷却旁路通道的中间输出至传输通道80和/或外界空间，带走定子102和转子101运行过程中产生的热量。另一实施例中，出口设有两个，分别设于电机冷却旁路通道的两端，进口设于电机冷却旁路通道的中间。一级压力气体从电机冷却旁路通道的中间进入定子102与转子101之间的缝隙，从电机冷却旁路通道的两端输出至传输通道80和/或外界空间，带走定子102和转子101运行过程中产生的热量。

本实施例通过电机冷却旁路通道带走定子102和转子101多余的热量，促进电机10散热，使电机10运转温度更低，进一步提高压缩机的功率密度，同时增强压缩机的可靠性。

本发明实施例的车载燃料电池气体压缩机由于磁悬浮轴承的工作不受外部气流扰动影响，由第一轴承冷却旁路通道60、第二轴承冷却旁路通道70、传输通道80以及电机冷却旁路通道组成的一体化加强风道增强电机10的散热能力，进一步提高压缩机的功率密度，减小压缩机的体积。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。