两级离心同向串联式带有废气回收装置的燃料电池空压机的制作方法

本实用新型涉及一种燃料电池空压机，尤其涉及一种两级离心同向串联式带有废气回收装置的燃料电池空压机。

背景技术：

目前不带废气回收装置的离心式两级直驱燃料电池空压机技术，均是将永磁电动机放在转子总成的中间，两级离心压气机叶轮设置在主轴的两端，级间采用过渡管连接第一级蜗壳出口与第二级叶轮进气口，不仅增加较多气流流道的压力损失，也增加了空压机本身的重量，与燃料电池汽车轻量化的设计相悖。

目前带有废气回收装置的离心式直驱燃料电池空压机技术，均是以单级离心式压缩机为主，适应目前的燃料电池全工况能力有限，并且该技术转子运行转速需求较高，对电机、轴承系统提出了较高的设计难度，可靠性进一步降低，并且结构上大多采用的方案是将单级离心叶轮设置在转子的一端，另一端设置有废气回收装置的透平涡轮，总体上逃不出两端悬置的传统设计布局，或有将单级离心压气机叶轮与向心透平背靠背设置在永磁电机一侧的结构方案，但却同样无法在紧凑性结构布局中兼顾到永磁电动机的冷却效果的同时，降低离心式压气机入口的空气温度，功耗也难以有效的降下来。

技术实现要素：

本实用新型目的在于，针对背景技术中所述的燃料电池空气压缩机的缺点，提供一种两级离心同向串联式带有废气回收装置的燃料电池空压机，以提高燃料电池系统的整体效率，攻克目前离心式燃料电池空压机整体功耗较高，结构不紧凑，压比不高、运行转速降不下来的缺陷。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种两级离心同向串联式带有废气回收装置的燃料电池空压机，其特征在于，具有机电同轴一体转子总成，在所述机电同轴一体转子总成上依次布置有电动机、两级同向串联离心式压气机和废气回收向心透平；所述两级同向串联离心式压气机的气体出口用于与燃料电池电堆空气侧入口相连通，所述废气回收向心透平的气体入口用于与所述燃料电池电堆空气侧出口相连通。

所述的两级离心同向串联式带有废气回收装置的燃料电池空压机，其中，所述机电同轴一体转子总成的一侧为电动机转子轴，电动机转子轴上通过第一空气轴承安装有水冷却流道壳体，所述水冷却流道壳体内侧安装有电机定子本体组件，所述水冷却流道壳体的外侧装配有空气通道导热环，空气通道导热环又安装在压气进气导流壳体中，所述压气进气导流壳体与水冷却流道壳体之间形成有入口空气流道，所述入口空气流道通过所述空气通道导热环与环境空气相连通。

所述的两级离心同向串联式带有废气回收装置的燃料电池空压机，其中，在水冷却流道壳体与空气通道导热环之间留有水冷却流道。

所述的两级离心同向串联式带有废气回收装置的燃料电池空压机，其中，所述空气通道导热环的入口端设有空气过滤器组件。

所述的两级离心同向串联式带有废气回收装置的燃料电池空压机，其中，在所述空气通道导热环中还设置有金属翅片。

所述的两级离心同向串联式带有废气回收装置的燃料电池空压机，其中，在所述机电同轴一体转子总成的电动机转子轴的一侧安装有第一级离心叶轮、轴套以及第二级离心叶轮，所述两级同向串联离心式压气机具有依次安装的入口导流壳体、第一级导流环、级间隔板以及引气蜗壳，所述入口导流壳体与所述水冷却流道壳体之间的缝隙与所述入口空气流道相连通，所述第一级导流环与所述第一级离心叶轮位置相对，级间隔板与所述轴套位置相对，通过螺栓安装在所述引气蜗壳上，级间隔板和引气蜗壳所形成的组合件与所述第一级导流环之间形成u形的气流通道，所述引气蜗壳与所述第二级离心叶轮位置相对，其具有的引气蜗壳出口与燃料电池电堆空气侧入口相连通。

所述的两级离心同向串联式带有废气回收装置的燃料电池空压机，其中，所述第一级离心叶轮与第二级离心叶轮之间采用非接触式的迷宫齿式密封。

所述的两级离心同向串联式带有废气回收装置的燃料电池空压机，其中，在所述机电同轴一体转子总成上位于第二级离心叶轮一侧位置设有平衡活塞环，在引气蜗壳的一侧设有第二级密封环，所述第二级密封环与所述平衡活塞环位置相对。

所述的两级离心同向串联式带有废气回收装置的燃料电池空压机，其中，所述废气回收向心透平包括级前导流壳体、导流环、导叶栅组件和空气轴承座，所述级前导流壳体的侧面设有集气口，所述集气口与燃料电池电堆空气侧出口相连通，在所述机电同轴一体转子总成上安装有向心涡轮轴，在所述向心涡轮轴上固定有向心涡轮，所述导流环与向心涡轮之间存在动静间隙，所述动静间隙与所述级前导流壳体的集气口相连通，在连通路径上还设有所述导叶栅组件。

所述的两级离心同向串联式带有废气回收装置的燃料电池空压机，其中，空气轴承座通过第二空气轴承安装在所述向心涡轮轴上，级前导流壳体与引气蜗壳固定连接，并通过所述空气轴承座进行径向限位。

本实用新型结构紧凑，气流流道结构简洁，转子安装稳定，而且冷却效果好，降低了功耗。

附图说明

图1是本实用新型的结构纵剖图；

图2是图1的a-a局部剖视图；

图3是图1的b-b局部剖视图；

附图标记说明：电动机1；入口空气流道1a；水冷却流道1b；空气过滤器组件11；压气进气导流壳体12；水冷却流道壳体13；端盖组件14；电机定子本体组件15；空气通道导热环16；金属翅片16a；第一空气轴承17；两级同向串联离心式压气机2；入口导流壳体21；第一级导流环22；级间隔板23；导向叶片孔23a；引气蜗壳24；第二级密封环25；机电同轴一体转子总成3；电动机转子轴31；第一级离心叶轮32；轴套33；第二级离心叶轮34；平衡活塞环35；向心涡轮轴36；向心涡轮37；锁紧螺母38；废气回收向心透平4；级前导流壳体41；导流环42；导叶栅组件43；密封环44；空气轴承座45；第二空气轴承46。

具体实施方式

以下将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本实用新型的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按真实比例绘制的。

本实用新型为解决上述提到的问题，采用如下的技术方案：

如图1所示，本实用新型提供一种两级离心同向串联式带有废气回收装置的燃料电池空压机，具有机电同轴一体转子总成3，在所述机电同轴一体转子总成3上从左至右依次布置有电动机1、两级同向串联离心式压气机2和废气回收向心透平4，两级同向串联离心式压气机2布置在电动机1的右侧，废气回收向心透平4布置在两级同向串联离心式压气机2的右侧，其透平出口与两级同向串联离心式压气机2的叶轮入口方向沿机电同轴一体转子总成3的轴向呈相反设置，以平衡部分轴向力；

所述机电同轴一体转子总成3的左侧为电动机转子轴31，电动机转子轴31上通过第一空气轴承17安装有水冷却流道壳体13，所述水冷却流道壳体13内侧过盈安装有电机定子本体组件15，所述水冷却流道壳体13的外侧装配有空气通道导热环16，并且在水冷却流道壳体13与空气通道导热环16之间留有水冷却流道1b，空气通道导热环16又安装在压气进气导流壳体12中，所述压气进气导流壳体12与水冷却流道壳体13之间形成有入口空气流道1a，所述空气通道导热环16的入口端设有空气过滤器组件11，出口端与所述入口空气流道1a相连通；在所述空气通道导热环16中还设置有金属翅片16a，如图2所示，有利于进行入口气体与水冷却流道1b的热量交换，金属翅片16a数量可根据情况设计；所述水冷却流道壳体13的外端由端盖组件14通过螺栓安装固定；

在所述机电同轴一体转子总成3的电动机转子轴31的右侧从左至右安装有第一级离心叶轮32、轴套33、第二级离心叶轮34以及平衡活塞环35，所述两级同向串联离心式压气机2具有从左至右依次安装的入口导流壳体21、第一级导流环22、级间隔板23、引气蜗壳24和第二级密封环25，所述入口导流壳体21与所述水冷却流道壳体13之间的缝隙连通于所述入口空气流道1a，所述第一级导流环22与所述第一级离心叶轮32位置相对，其固定在所述入口导流壳体21的内腔，并通过入口导流壳体21与引气蜗壳24的装配安装固定，留有的加工误差可通过装配工艺达到要求；级间隔板23通过螺栓安装固定在引气蜗壳24上，级间隔板23与引气蜗壳24之间设计有一定数量的气流导向叶片23a，叶片数量根据情况设置，该导向叶片23a中设置有螺栓通孔，通过螺栓将级间隔板23与引气蜗壳24固定安装一起，所形成的组合件与所述轴套33位置相对，与所述第一级导流环22形成的u型气流通道加工公差可通过组合加工达到要求；所述引气蜗壳24与所述第二级离心叶轮34位置相对，其通过螺栓与所述入口导流壳体21固定连接；所述第二级密封环25固定在引气蜗壳24的右侧并与所述平衡活塞环35位置相对，所述平衡活塞环35可平衡部分轴向力；其中，所述第一级离心叶轮32与第二级离心叶轮34之间采用非接触式的迷宫齿式密封，所述平衡活塞环35外环设置有非接触式迷宫齿式密封结构；如图3所示，所述引气蜗壳24具有的引气蜗壳出口2a与燃料电池电堆空气侧入口通过管道相连接，形成空气增压气流通道；

所述废气回收向心透平4包括级前导流壳体41、导流环42、导叶栅组件43、密封环44和空气轴承座45，在所述机电同轴一体转子总成3上位于所述平衡活塞环35右侧的位置采用过渡配合安装有向心涡轮轴36，以提高整体轴系的抗弯刚度，所述空气轴承座45通过第二空气轴承46安装在所述向心涡轮轴36上，所述级前导流壳体41的侧面设有集气口4a，所述集气口4a与燃料电池电堆空气侧出口通过管道相连接，以将气流予以回收再利用，级前导流壳体41与引气蜗壳24以及第二级密封环25通过螺栓安装固定，并通过所述空气轴承座45进行径向限位，所述空气轴承座45右侧设置有所述密封环44，需要说明的是空气轴承座45的右侧面与密封环44的左侧面形成推力空气轴承限位面；级前导流壳体41右侧设置有所述导流环42，在所述向心涡轮轴36上还固定有向心涡轮37并用锁紧螺母38轴向固定，安装好的导流环42与向心涡轮37之间存在动静间隙，运行时无干涉，所述动静间隙与所述级前导流壳体41的集气口4a相连通，在连通路径上还设有所述导叶栅组件43。

所述机电同轴一体转子总成3采用第一空气轴承17与第二空气轴承46进行支撑，可提高平衡稳定性。平衡活塞环35可平衡部分气动轴向力，降低第二空气轴承46推力轴承设计难度，提高轴系运行稳定性。

本实用新型主要通过驱动器控制驱动电机定子、绕组磁力线磁场产生的切向力矩带动机电同轴一体转子总成3运转，进而转子-主轴带动两级同向串联离心式压气机2一同高速旋转，机电同轴一体转子总成3不同的转速控制实现两级同向串联离心式压气机2高速旋转压缩空气，达到高压比、大流量的气体载荷输出，输出的气体由引气蜗壳出口2a与燃料电池电堆空气侧入口通过管道相连接，与此同时燃料电池电堆产生的高压废气通过管路引气到级前导流壳体41的集气口4a，气流通过导叶栅组件43将高压废气转化为动能，推动向心涡轮37与机电同轴一体转子总成3一起高速旋转，通过控制逻辑调节进入级前导流壳体41的废气流量，自适应的降低电机的输出功率，稳定机电同轴一体转子总成3的转速，使输出空压机流量和压比稳定。根据不同条件输入可满足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。

本实用新型的两级同向串联离心式压气机2具有入口空气流道1a，所述入口空气流道1a与空气通道导热环16相连通，空气通道导热环16又与水冷却流道壳体13相邻接而形成热传导接触，环境空气通过空气过滤器11过滤净化，进入空气通道导热环16并与水冷却流道壳体13进行有效的热交换，可有效降低第一级离心叶轮32入口的进气温度，降低入口气体比容，提高了压气机的喘振裕度。

本实用新型中，所述的空气轴承可选但不局限于传统的箔片式、静压式、静动压式等形式。

本实用新型中，在水冷却流道壳体13轴向右侧端面和端盖组件14轴向右侧端面均设置有通气孔，通气孔数量根据情况设置，使气流能够流过第一空气轴承17与永磁电动机定转子之间的间隙，降低转子与轴承的工作温度，提高电机以及系统的运行可靠性。

本实用新型中，在压气进气导流壳体12左端面设置有空气过滤器，能够净化进口空气质量，提高空气轴承运行可靠性，防止运行时卡死；而电机端盖组件14的内孔也设置有空气过滤器。

本实用新型中，如图2所示，在电机定子本体组件15与水冷却流道壳体13配合处沿轴向设置有冷却通风孔1c，冷却通风孔1c数量根据情况设置，能够有效提高电机的散热效率和运行稳定性。

以上说明对本实用新型而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本实用新型的保护范围之内。