燃料电池用高速空气悬浮压缩机、燃料电池系统及车辆的制作方法

1.本实用新型涉及一种燃料电池用压缩机、燃料电池系统及车辆，具体涉及一种燃料电池用高速空气悬浮压缩机、燃料电池系统及车辆，属于氢燃料电池电驱动空气压缩机技术领域。


背景技术：

2.在新能源方面，采用氢燃料电池提供动力的汽车的动力性能高、加氢快、续航里程长，是21世纪新能源汽车最具战略意义的突破口。氢燃料电池通过氢气与氧气进行化学反应直接输出电能，氢燃料电池功率密度与空气供给系统供气压力及供气流量直接相关，供气压力高，氧气分压高，燃料电池反应速度加快，输出功率增大。
3.在燃料电池的电堆应用中，空气压缩机用于输出压缩空气给电堆进行氢氧反应发电。现有技术中常用技术方案是采用空气冷却电机定子，冷却效果不理想；或者采用液体冷却电机定子，在电机壳体内侧布置冷却通道，冷却电机壳体，达到给电机定子降温的效果。现有技术中也存在空气冷却用来冷却转子，液体冷却用来冷却定子，但是结构设计不同，有用压缩机蜗壳抽气来冷却转子，但是压缩后空气温度比较高，冷却效果不好,本身抽气温度就高，用于冷去空气轴承之后，温度继续升高，继续用于冷却电机转子，可以产生的冷却能力明显不够；也有抽气之后先流经电机外壳，借助液体冷却能力降低抽气温度，然后引入电机内部冷却电机的转子，需要考虑电机壳体冷却通道长度，冷却通道是否尽量接近电机定子，同时要考虑能否足够冷却电机定子两侧的线圈等等具体实施上的问题，冷却效果不明显；如果加大冷却风量，会造成耗功，同时大量经过加热的空气的排放造成空气压缩机外部环境的热量积累。
4.空气压缩机在燃料电池中应用，由于汽车部件的尺寸和重量要求，空压机设计应以最大限度提升能量密度，减少自身体积和重量，故而电机设计紧凑，转速高(超过10万转/ 分钟)，定子和转子之间存在的间隙的风损高(跟转速成正比)，并带来电机过热的隐患；通常采用传统的水冷来冷却电机定子，其是在电机壳体布置冷却通道，通过金属传热带走定子的热量，这种冷却还有一个问题，定子的两侧不能得到很好的冷却效果。
5.现有技术1，公告号为cn 213953927 u，公告日为2021.08.13，实用新型名称为离心式压缩机的专利中，从空气冷却流道看，该设计以外部带压气源，垂直流向推力轴承的推力盘外径的圆周面，在推力盘高速转动的同时，气流垂直冲向推力盘外径的圆周面，对于推力轴承的工作状态会带来不稳定因素，同时在单侧叶轮本身产生的轴向推力基础上，加大或者恶化了单向轴向推力的作用，其在专利说明书中公开了双级压缩和单级压缩，两侧都存在叶轮的双级压缩，左右轴承推力互相抵消，简单去掉一侧叶轮，改为单级压缩的设计，却未考虑这种改变带来的轴向推力加大的弊端，在空气箔片轴承运行上会存在极大的不稳定因素，有磨损烧毁推力轴承导致电机内部结构被破坏的隐患。再者该专利的单级设计，进气位置为叶轮后背板附近，紧靠推力盘位置，这个位置温度较高，气流进入之后，一部分气流被加热同时要从叶轮侧一直流经转子到达远离叶轮的电机后方，继续冷却这里的径流空
气轴承，然后在尾端进入电机外壳体的通道，被冷却后排出，首先对于转子和远离叶轮侧的径向轴承的冷却存在不足的隐患，同时流道设计要从叶轮端穿过电机到达尾端，在尾端向外壳体做径向流动，然后从外壳体尾端再次一路穿过电机外壳体回到叶轮侧附近排出，流道设计复杂而不能保证压力的顺畅梯次降低，对于保证流速和流量存在问题。
6.现有技术2，公告号为cn 213717784 u，公告日为2021.07.16，实用新型名称为一种两级空气悬浮离心式永磁电机直驱空压机的冷却系统的专利中，把定子的液体冷却通道放在电机壳体的最外侧，中间还加入冷却空气的通道(回收的空气冷却后排出)，造成对定子和定子线圈的冷却能力严重不足：定子的冷却是高速电机最重要的设计，这个设计主次不分，电机不能长时间运行，尤其外部环境温度高，条件恶劣时候，隐患很大，电机寿命明显有影响。
7.综合以上，需要对压缩机的冷却方式及结构进行改进，以克服现有技术中压缩机转速低及冷却效果不理想的问题。
8.需要说明的是，公开于本实用新型背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

9.鉴于上述事实，本实用新型的目的是针对现有的压缩机转速低及冷却效果差的问题，进而设计了一种燃料电池用高速空气悬浮压缩机、燃料电池系统及车辆。
10.为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
11.方案一：燃料电池用高速空气悬浮压缩机，包括：
12.电机外壳，电机外壳上设置有冷却液进口和冷却液出口，电机外壳前端加工有空气排出口；
13.电机定子、电机转子，设置在所述电机外壳内，电机转子穿插在电机定子内腔中自由转动，电机转子的前后两端通过空气悬浮轴承组件与电机外壳建立连接，电机定子为封闭式定子，电机定子两侧采用树脂或金属帽封闭端部线圈；
14.冷却套管，过盈配合安装在电机定子外壁与电机外壳内壁之间，冷却套管外壁上加工有冷却通道，冷却通道与冷却液进口和冷却液出口连通；
15.蜗壳、叶轮，叶轮置于蜗壳内，叶轮根部与推力盘紧密扣合，叶轮固定于所述电机转子前端；
16.汽封体、推力盘，推力盘设置于空气悬浮推力轴承组件的中间，固定在叶轮后侧的电机转子上，汽封体置于叶轮背板的外缘；
17.冷却风扇，所述冷却风扇固定在电机转子后端，电机转子带动冷却风扇将风送入电机定子内腔，并由空气排出口排出。
18.结合方案一，在方案一的某些实现方式中，空气悬浮轴承组件包括前轴承座、后轴承座、后空气悬浮径向轴承、前空气悬浮径向轴承，所述前轴承座、后轴承座密封安装在电机外壳的前后端，所述电机转子前端通过前空气悬浮径向轴承与前轴承座连接，电机转子后端通过后空气悬浮径向轴承与后轴承座连接，后轴承座上开设有空气通道，冷却风扇通过空气通道将风送入电机定子内腔。
19.结合方案一，在方案一的某些实现方式中，燃料电池用高速空气悬浮压缩机还包括电机后盖，冷却风扇通过电机后盖封装在后轴承座内。
20.结合方案一，在方案一的某些实现方式中，冷却风扇通过后张紧螺栓固定在电机转子后端。
21.结合方案一，在方案一的某些实现方式中，空气悬浮推力轴承组件包括推力轴承座、外推力轴承、内推力轴承，推力轴承座与前轴承座连接，推力轴承座与前轴承座之间由前至后依次设置外推力轴承、推力盘、内推力轴承，汽封体设置在叶轮与推力轴承座之间；所述叶轮、推力盘、电机转子三者通过前张紧螺栓同轴连接，经过压缩的空气流经汽封体对推力轴承进行冷却。
22.进一步地：所述冷却液为乙二醇，乙二醇和水的混合液，去离子水，油等其他液体。本方案中可以直接将车辆的冷却液直接作为电机的冷却介质，无需增加额外设备，进一步减轻了装置重量及体积。
23.进一步地：所述冷却通道为螺旋型冷却通道。
24.进一步地：所述空气排出口为多个，沿电机外壳周向均匀开设。
25.进一步地：所述空气排出口为两个，上下布置在电机外壳上。
26.进一步地：所述空气排出口为四个，90度间隔布置在电机外壳上。
27.进一步地：所述空气排出口为十二个，30度间隔布置在电机外壳上。
28.空气排出口的多种布置形式便于汽车厂家选择，或者根据汽车厂家要求进行适当调整，排出的气体用管道接通至汽车尾气排出管道。
29.方案二：根据实用新型的另一个方面，还提供一种燃料电池系统，包括方案一所述的高速空气悬浮压缩机。
30.方案三：根据本实用新型的又一个方面，提供一种车辆，包括方案一所述的高速空气悬浮压缩机或方案二所述的燃料电池系统。
31.本实用新型所达到的效果为：
32.1、本实用新型的冷却液体(乙二醇，乙二醇和水的混合液，油等其他液体)流经冷却通道带走定子的热量，转子采用空气流经定子和转子之间的间隙进行冷却，两种冷却方式配合使用，效果明显，更好的保证电机在极端情况下的正常运行。
33.2、为了保证足够的冷却空气流经空气轴承和转子与定子的间隙，设计了叶轮背面的汽封体，使得部分压缩空气泄漏进入电机；同时在远离叶轮侧设计了同轴冷却风扇，从外部吸入空气流经整个定子和转子的间隙，达到冷却远离叶轮侧的径向轴承和电机转子的效果。
34.3、采用新型定子，定子两侧加树脂或金属帽封闭，封闭线圈，然后冷却定子全部外部表面，冷却通道长度大大提高，具体地本实例采用封闭式定子，冷却通道长，封闭式定子应用在燃料电池领域是本实用新型的首创，现有技术的定子结构仅中间部分(硅钢片) 与外壳或轴套过盈配合，实现物理接触，本技术是整体物理接触，实现长冷却通道，冷却效果好。
35.4、本实用新型转速高(15万转/分钟)，可以单级压缩实现压比1：3。
36.5、本实用新型压缩机尺寸小，转速高，能量密度高，只有现有技术1的三分之一大小或者二分之一大小，重量也是一半或更小。
附图说明
37.图1为实施例1的燃料电池用高速空气悬浮压缩机的装配图；
38.图2为实施例2的燃料电池用高速空气悬浮压缩机的装配图；
39.图3为本实用新型的燃料电池用高速空气悬浮压缩机冷却介质流向示意图；
40.图4-1为入口质量流速13g/s的16kw燃料电池空气压缩机温度分布(3d实体模型) 图；
41.图4-2为入口质量流速8g/s的16kw燃料电池空气压缩机温度分布(3d实体模型) 图；
42.图5-1为入口质量流速13g/s的16kw燃料电池空气压缩机流体(乙二醇+水，空气) 压力分布图；
43.图5-2为入口质量流速8g/s的16kw燃料电池空气压缩机流体(乙二醇+水，空气) 压力分布图；
44.图6-1为入口质量流速13g/s的16kw燃料电池空气压缩机流体(乙二醇+水，空气) 温度分布图；
45.图6-2为入口质量流速8g/s的16kw燃料电池空气压缩机流体(乙二醇+水，空气) 温度分布图。
46.图中：1-后轴承座；2-电机支座；3-后空气悬浮径向轴承；4-电机外壳；5-电机定子； 6-电机转子；7-空气排出口；8-前轴承座；9-蜗壳；10-叶轮；11-进气口；12-前张紧螺栓； 13-推力盘；14-内推力轴承；15-汽封体；16-压缩空气流道；17-前空气悬浮径向轴承；18
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冷却液进口；19-冷却套管；20-冷却液出口；21-电机后盖；22-后张紧螺栓；23-冷却风扇； 24-轴承座；25-外推力轴承。
具体实施方式
47.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
48.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
49.在本技术中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本技术及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
50.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其
他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。
51.此外，术语“设置”、“连接”、“固定”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
52.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
53.下面根据附图详细阐述本实用新型优选的实施例。
54.实施例1：参见图1，本实施例的一种燃料电池用高速空气悬浮压缩机包括：后轴承座1、电机支座2、后空气悬浮径向轴承3、电机外壳4、电机定子5、电机转子6、前轴承座8、蜗壳9、叶轮10、前张紧螺栓12、推力盘13、内推力轴承14、汽封体15、前空气悬浮径向轴承17、冷却套管19、电机后盖21、后张紧螺栓22、冷却风扇23、轴承座 24、外推力轴承25；
55.所述电机外壳4安装在电机支座2上，电机外壳4上设置有冷却液进口18和冷却液出口20，冷却液进口18和冷却液出口20上设置有管接头，电机外壳4前端加工有上下两个空气排出口7；
56.所述电机定子5为封闭式定子，电机定子两侧采用树脂或金属帽封闭端部线圈，电机定子5和电机转子6均设置在所述电机外壳4内，电机转子6穿插在电机定子5内腔中自由转动，所述前轴承座8、后轴承座1密封安装在电机外壳4的前后端，所述电机转子6 前端通过前空气悬浮径向轴承17与前轴承座8连接，电机转子6后端通过后空气悬浮径向轴承3与后轴承座1连接，后轴承座1上环形阵列开设有空气通道1-1，所述冷却风扇 23通过后张紧螺栓22固定在电机转子6后端，并通过电机后盖21封装在后轴承座1(后轴承座1加工有风扇安装空间)内，电机转子6带动冷却风扇23通过空气通道1-1将风送入电机定子5内腔，并由空气排出口7排出；
57.冷却套管19过盈配合安装在电机定子5外壁与电机外壳4内壁之间，冷却套管19 外壁上加工有螺旋型冷却通道19-1与冷却液进口18和冷却液出口20连通；叶轮10置于蜗壳9内并与所述电机转子6前端旋转耦合地连接在一起，蜗壳9的前端为进气口11，内部为压缩空气流道16；推力轴承座24与前轴承座8连接，推力轴承座24与前轴承座8 之间由前至后依次设置外推力轴承25、推力盘13、内推力轴承14，汽封体15设置在叶轮10与推力轴承座24之间；所述叶轮10、推力盘13、电机转子6三者通过前张紧螺栓 12同轴连接，经过压缩的空气流经汽封体15对推力轴承进行冷却，所述冷却液为乙二醇。
58.本实施例与现有技术1比较，采用新型定子，定子两侧加树脂或金属帽封闭，封闭线圈，然后冷却定子全部外部表面，冷却通道长度大大提高，具体地本实例采用封闭式定子，冷却通道长，封闭式定子应用在燃料电池领域是本实用新型的首创，现有技术的定子结构仅中间部分(硅钢片)与外壳或轴套过盈配合，实现物理接触，本技术是整体物理接触，实现长冷却通道，冷却效果好。由于两级压缩，结构复杂，冷却通道设计复杂；要实现高压缩比，转速上不去就只能两级压缩；本实施例转速高(15万转/分钟)，可以单级压缩实现压比1：3，本实施例还由于冷却路径以及结构的变化，该压缩机尺寸小，转速高，能量密度高，只有现有技术1的三分之一大小或者二分之一大小，重量也是一半或更小。该实施例的电机定
子采用液体流经冷却通道带走定子的热量，转子采用空气流经定子和转子之间的间隙进行冷却，两种冷却方式配合使用，效果明显，更好的保证电机在极端情况下的正常运行。为了保证足够的冷却空气流经空气轴承和转子与定子的间隙，还设计了叶轮背面的汽封体，使得部分压缩空气泄漏进入电机；同时在远离叶轮侧设计了同轴冷却风扇，从外部吸入空气流经整个定子和转子的间隙，达到冷却远离叶轮侧的径向轴承和电机转子的效果。叶轮后侧布置空气悬浮推力轴承，电机左右两侧各布置空气悬浮径向轴承，远离叶轮侧的同轴冷却风扇，叶轮后的汽封体，空气冷却的流向，叶轮侧泄漏气量向电机内部流动，后盖远离叶轮侧，冷却风扇吸入空气，流向电机内部，两股汇合之后排出电机；液体冷却通道尽量向两侧延伸，增加冷却面积。
59.实施例2：参见图2，本实施例与实施例1的不同在于，所述空气排出口7为十二个， 30度间隔布置在电机外壳4上。
60.实施例3：与上述实施例1或2的不同在于，冷却液体为乙二醇和水的混合液。
61.实施例4：与上述实施例1或2的不同在于，冷却液体为油。
62.实施例5：本实施例还提供一种燃料电池系统，包括实施例1-4任一所述的高速空气悬浮压缩机。
63.实施例6：本实施例又一个方面，提供一种车辆，包括实施例1-4任一所述的高速空气悬浮压缩机或实施例5所述的燃料电池系统。
64.本实用新型的冷却仿真试验如下：
65.1.电机材料属性：
66.表1：电机材料属性表
[0067][0068]
*仿真采用轴承正常功耗的1.5倍(1.5
×
bearing losses are applied.)
[0069]
2.仿真计算的冷却流量(液体冷却和气体冷却)的输入条件：
[0070]
乙二醇(ethylene glycol)和水的混合液流体：紊流
[0071]
密度@20℃:1,087kg/m3[0072]
热导率:0.37w/m
·k[0073]
比热容:3,285j/kg
·k[0074]
动态粘性:0.0038pa
·s[0075]
入口质量流速:100g/s
[0076]
入口静态温度:45℃
[0077]
出口条件:标准大气压(101,325pa)
[0078]
压缩机叶轮背端泄漏的空气流体：
[0079]
入口质量流速:2.5g/s
[0080]
入口静态温度:140℃
[0081]
远离叶轮端的冷却风扇吸入的空气流体(以流量大小做了两个案例的计算)：
[0082]
入口质量流速:13g/s(案例1)；8g/s(案例2)
[0083]
入口静态温度:45℃
[0084]
转子的转速:150,000rpm
[0085]
3.结果数据和图像：
[0086]
表2以体积平均的温度(案例1和案例2)(℃)
[0087][0088][0089]
3d实体部件的仿真计算出的温度分布参见图4-1，图4-2，冷却用的流体(乙二醇+ 水，空气)的仿真计算的压力分布参见图5-1，图5-2，冷却用的流体(乙二醇+水，空气的仿真计算的温度分布参见图6-1，图6-2。
[0090]
仿真计算结果的总结：
[0091]
在正常空气轴承的功耗的1.5倍情况下(模拟恶劣工作条件)，仿真计算的高速电机内部热力学模型：通过设定输入条件建模，在空气悬浮径向轴承和推力空气悬浮轴承均产生大约于正常工作条件下的150％的热量下(轴承功耗即为产生的热量，可视为极端恶劣工作条件)，保持电机正常功率输出(12-16kw)和转子正常工作转速(120,000-150,000rpm) 下，仿真计算结果验证了本实用新型的液体冷却和空气冷却的通道内流体的温度和压力，
实现了很好的电机内部温度的控制，达到电机的冷却要求，保证了电机的正常工作。在电机的液体冷却条件保持不变和叶轮背端汽封泄漏的冷却空气流量不变的情况下，仿真计算分别针对远离叶轮端(图示的电机右端)的冷却风扇提供13g/s和8g/s的冷却空气流量的条件下，计算出了3d实体部件的温度分布，对比案例1和案例2的计算结果和温度分布图，可以看到，由于采用了封闭式定子带来的液体冷却通道的加长和定子端部散热能力的提高，大部分热量被液体冷却通道带走，有效的缓解了空气冷却通道的散热压力，使得该设计，可以在冷却风扇仅提供8g/s的流量下，整体电机内部保持非常低的温度发布，电机主轴和永磁体的温度低能够保证电机的工作效率和工作寿命，是衡量冷却效果的最核心指标之一。空气悬浮推力轴承和径向轴承(叶轮侧)由于获得的冷却空气来自汽封的泄漏空气，入口温度已经140摄氏度，经过冷却1.5倍功耗的空气轴承后，温度升高到235摄氏度，轴承本身具备承受400摄氏度以下高温的能力，这个仿真计算的结果显示，轴承还可以承受更加恶劣的工作环境，即使在正常功耗1.5倍下，距离轴承的温度上限还有很大的安全裕量。
[0092]
以上实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照上述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围。
[0093]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。