一种燃料电池高速电动空气压缩机转让专利
申请号 : CN202011555001.4
文献号 : CN112682329B
文献日 : 2022-01-28
发明人 : 周稼铭 , 何洪文 , 李建威 , 贾淳淳 , 曹德明 , 衣丰艳 , 胡东海 , 衣杰
申请人 : 北京理工大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种燃料电池高速电动空气压缩机,包括电机(1)、压缩组件(2)和压缩腔壳体(4);
所述压缩组件(2)与所述电机(1)连接;所述电机(1)被设置为用于驱动所述压缩组件(2)转动;其特征在于:所述电机(1)上设有空气轴承(11),所述电机(1)的定子组件(12)与所述电机(1)的转子组件(13)通过所述空气轴承(11)转动连接;
所述压缩组件(2)包括第一压缩组件(21)和第二压缩组件(22);
所述第一压缩组件(21)和所述第二压缩组件(22)均与所述电机(1)的转子组件(13)连接;所述电机(1)的转子组件(13)被设置为用于驱动所述第一压缩组件(21)和所述第二压缩组件(22)转动;
所述第一压缩组件(21)的出气端通过一气道(23)与所述第二压缩组件(22)的进气端连通;
所述电机(1)的转子组件(13)包括转子(131)和转轴(132),所述转子(131)固定安装在所述转轴(132)上,所述转轴(132)的两端均伸出于所述电机(1);
所述第一压缩组件(21)和所述第二压缩组件(22)分别位于所述电机的定子组件(12)的两侧;
所述空气轴承(11)的数量为两个,两所述空气轴承(11)的分别位于所述定子组件(12)的两端处;所述空气轴承(11)包括外支撑圈(111);
还包括进气管路(5),所述进气管路上设有第一单向阀(6),所述第一单向阀(6)被设置为用于在所述空气压缩机启动后向所述空气轴承(11)提供高压气体;
还包括启动高压供气组件(7);所述启动高压供气组件(7)的两端分别与所述第一单向阀(6)的两端连通;所述启动高压供气组件(7)被设置为用于在所述空气压缩机启动时向所述空气轴承(11)提供高压气体,并在所述空气压缩机启动后存储高压气体,所述启动高压供气组件(7)包括电磁阀(71)、第二单向阀(72)和高压罐(73);所述第二单向阀(72)、所述高压罐(73)和所述电磁阀(71)顺次连通,且所述第二单向阀(72)的进气端与所述压缩腔壳体(4)连通;所述电磁阀(71)与所述外支撑圈(111)上的进气口连通;所述第二单向阀(72)被设置为用于防止所述高压罐(73)内的高压气体流入到所述压缩腔壳体(4)内。
2.根据权利要求1所述的燃料电池高速电动空气压缩机,其特征在于:所述气道(23)由第一筒体(231)和第二筒体(232)围成;所述第一筒体(231)的直径小于所述第二筒体(232)的直径,所述第一筒体(231)与所述第二筒体(232)同轴设置;
所述第一筒体(231)套设在所述电机(1)的定子组件(12)的外周,且所述第一筒体(231)与所述电机(1)的定子组件(12)之间固定连接。
3.根据权利要求2所述的燃料电池高速电动空气压缩机,其特征在于:所述第一筒体(231)和所述第二筒体(232)之间设有支撑杆(233),所述支撑杆(233)的一端与所述第一筒体(231)的外壁固定连接,所述支撑杆(233)的另一端与所述第二筒体(232)的内壁固定连接;
所述第一压缩组件(21)包括第一压缩壳体(211);
所述第一压缩壳体(211)为筒状,所述第一压缩壳体(211)的一端与所述第二筒体(232)连接,且所述第一压缩壳体(211)与所述第二筒体(232)同轴设置;
所述第一压缩壳体(211)靠近所述电机(1)的一端与所述电机(1)之间设有第一环形进气口(212)。
4.根据权利要求3所述的燃料电池高速电动空气压缩机,其特征在于:所述第二压缩组件(22)包括第二压缩壳体(221);
所述第二压缩壳体(221)为筒状,所述第二压缩壳体(221)的一端与所述第二筒体(232)远离所述第一压缩组件(21)的一端连接;所述第二压缩壳体(221)与所述第一筒体(231)之间设有第二环形进气口(222);
所述气道(23)的两端分别与所述第一环形进气口(212)和所述第二环形进气口(222)连通。
5.根据权利要求4所述的燃料电池高速电动空气压缩机,其特征在于:所述第一压缩组件(21)还包括第一离心组件(213);
所述第一离心组件(213)安装在所述转轴(132)上,且所述第一离心组件(213)位于所述第一压缩壳体(211)内,且所述第一离心组件(213)的压缩端位于所述第一环形进气口(212)处;
所述第二压缩组件(22)还包括第二离心组件(223);
所述第二离心组件(223)安装在所述转轴(132)上,且所述第二离心组件(223)位于所述第二压缩壳体(221)内,且所述第二离心组件(223)的进气端位于所述第二环形进气口(222)处。
6.根据权利要求5所述的燃料电池高速电动空气压缩机,其特征在于:所述第一离心组件(213)包括第一安装筒(2131)、第一离心叶片(2132)和第一挡盘(2133);
所述第一安装筒(2131)与所述转轴(132)固定连接,多个所述第一离心叶片(2132)沿所述第一安装筒(2131)的外周均匀分布;所述第一挡盘(2133)设置在所述第一安装筒(2131)靠近所述电机(1)的一端;
所述第一离心叶片(2132)被设置为用于将所述第一压缩壳体(211)内的气体压缩并经所述第一环形进气口(212)进入到所述气道(23)内;
所述第二离心组件(223)包括第二安装筒(2231)、第二离心叶片(2232)和第二挡盘(2233);
所述第二安装筒(2231)与所述转轴(132)固定连接,多个所述第二离心叶片(2232)沿所述第二安装筒(2231)的外周均匀分布;所述第二挡盘(2233)设置在所述第二安装筒(2231)远离所述电机(1)的一端。
7.根据权利要求6所述的燃料电池高速电动空气压缩机,其特征在于:所述第一离心叶片(2132)的外边沿到所述转轴(132)中心线的距离沿靠近所述电机(1)的方向逐渐变大;
多个所述第一离心叶片(2132)沿由内到外的方向倾斜方向一致;
所述第二离心叶片(2232)的外边沿到所述转轴(132)中心线的距离沿远离所述电机(1)的方向逐渐变大;
所述第二离心叶片(2232)沿由内到外的倾斜方向与所述第一离心叶片(2132)的倾斜方向一致。
8.根据权利要求7所述的燃料电池高速电动空气压缩机,其特征在于:所述气道(23)的两端分别设有第一环形腔体(234)和第二环形腔体(235);
所述气道(23)分别与所述第一环形腔体(234)和所述第二环形腔体(235)连通;
所述第一环形进气口(212)与所述第一环形腔体(234)连通;所述第二环形进气口(222)与所述第二环形腔体(235)连通。
9.根据权利要求7所述的燃料电池高速电动空气压缩机,其特征在于:还包括端盖(3);
所述端盖(3)设置在所述第二压缩壳体(221)远离所述电机(1)的一端,且所述端盖(3)与所述第二压缩壳体(221)之间设有环形压缩口(224);
所述压缩腔壳体(4)为环形,所述压缩腔壳体(4)的截面为C字形,且所述压缩腔壳体(4)的开口朝内;所述压缩腔壳体(4)的两边沿分别与所述第二压缩壳体(221)、所述端盖(3)连接。
10.根据权利要求9所述的燃料电池高速电动空气压缩机,其特征在于:所述环形压缩口(224)正对所述第二压缩组件(22)的压缩端。
说明书 :
一种燃料电池高速电动空气压缩机
技术领域
背景技术
气中所占的比例不到22%,因此,在燃料电池工作的过程中,就需要不断地输入大量的空
气,这也就导致了对于空气压缩机要求较高。尤其是需要空气压缩机的转速极高,通常需要
达到数万转每分钟,在功率较大的汽车上,通常需要十余万转每分的转速才能达到要求,这
也就使得普通的空气压缩机无法应用于氢氧燃料电池系统。
发明内容
设有空气轴承,所述电机的定子组件与所述电机的转子组件通过所述空气轴承转动连接。
第二筒体同轴设置;
杆的另一端与所述第二筒体的内壁固定连接。
件内;
腔;
气。
孔连通;
空气压缩机启动后存储高压气体。
使得空气轴承与转轴之间不直接接触,因此,能够大大降低转轴在转动过程中的阻力,同
时,由于摩擦而产生的热量也大量减少。从而能够大大提高空气压缩机的转速。
附图说明
具体实施方式
行压缩。
件2共用一个转轴。所述电机1被设置为用于驱动所述压缩组件2转动;其中,所述电机1上设
有空气轴承11,所述电机1的定子组件12与所述电机1的转子组件13通过所述空气轴承11转
动连接。具体地,所述电机1的转轴穿过与定子组件12固定连接的空气轴承11。
的阻力。从而能够大幅提高压缩机的转速。
叠加就会导致压缩机的转轴位于空气轴承处的部分在转动时所扫过的面积较大,从而会导
致在工作的过程中转轴与空气轴承存在接触,且转动不平稳。为了从结构上尽可能地减小
转轴的扭转变形量,进一步地,所述压缩组件2包括第一压缩组件21和第二压缩组件22;第
一压缩组件21用于对空气进行一级压缩,第二压缩组件22用于对经一级压缩后的气体进行
再次压缩,从而提高空气压缩机的压缩能力。更具体地,所述第一压缩组件21和所述第二压
缩组件22均与所述电机1的转子组件13连接;具体地,所述第一压缩组件21和第二压缩组件
22均与所述电机1同轴连接,即,所述电机1、所述第一压缩组件21和所述第二压缩组件22共
用同一个转轴。所述电机1的转子组件13被设置为用于驱动所述第一压缩组件21和所述第
二压缩组件22转动;所述第一压缩组件21的出气端通过一气道23与所述第二压缩组件22的
进气端连通。更进一步地,所述电机1的转子组件13包括转子131和转轴132,所述转子131固
定安装在所述转轴132上,所述转轴132的两端均伸出于所述电机1;所述第一压缩组件21和
所述第二压缩组件22分别位于所述电机的定子组件12的两侧。即,所述电机1位于所述第一
压缩组件21和第二压缩组件22的中间,如此,使转动的驱动部分—与转子组件13连接的部
分,位于两负载部分之间,从而能够减小扭转变形量。更具体地来讲,相比于单级压缩的空
气压缩机,本发明将载荷分布于转轴的两端处,使得变形量与轴长之比变小,从而能够有效
地减小转轴132在高速转动时扫过的区域,有利于提高空气压缩机在高速转动时的稳定性,
进一步降低转轴132在转动时与空气轴承存在接触的可能。
在所述电机1的壳体的两个侧面处。如此,能够保证两空气轴承11对称设置于转子组件13的
两侧,保证在工作时受力的平稳性。
同轴设置。所述气道23用于连通所述第一压缩组件21和第二压缩组件22,以使所述第一压
缩组件21压缩后的气体能够顺利流入到第二压缩组件22内。所述第一筒体231套设在所述
电机1的定子组件12的外周,且所述第一筒体231与所述电机1的定子组件12之间固定连接。
具体地,所述第一筒体231与电机1之间设有腔体,所述腔体用于设置冷却结构,以便于给电
机降温。之所以将所述气道23设置于电机1的外周,还考虑到空气被压缩后温度会升高,将
其设置在电机1的外周,能够减少被压缩的空气所带来的高温对于电机1的影响。有利于提
高空气压缩机的使用寿命。
与所述第二筒体232的内壁固定连接。由于所述气道23位于电机的外周,为了使第二筒体
232能够被支撑,在所述气道23内设置了支撑杆233,以实现第一筒体231与第二筒体232之
间的连接。具体实施时,所述支撑杆233也可以做成条形的板件,且板件的长度方向与所述
气道23的长度方向一致。
一端与所述第二筒体232连接,具体地,所述第一压缩壳体211与所述第二筒体232之间固定
且密封连接。当然,二者之间也可以是一体成型。且所述第一压缩壳体211与所述第二筒体
232同轴设置;即,所述第一压缩壳体211的中心线与所述第二筒体232的中心线位于同一直
线上。所述第一压缩壳体211靠近所述电机1的一端与所述电机1之间设有第一环形进气口
212。
232远离所述第一压缩组件21的一端连接;具体地,二者之间可以是密封且固定连接,如焊
接或一体成型。所述第二压缩壳体221与所述第一筒体231之间设有第二环形进气口222;所
述第二环形进气口222用于作为二级压缩的进气口。所述气道23的两端分别与所述第一环
形进气口212和所述第二环形进气口222连通。如此,本发明所提供的空气压缩机在工作时,
由电机1带动第一压缩组件21和第二压缩组件22转动;第一压缩组件21吸入空气,并将吸入
的空气压缩后送入所述气道;经一级压缩的空气进入所述第二压缩组件22,经第二压缩组
件22后输出。
转轴132上,且所述第一离心组件213位于所述第一压缩壳体211内,且所述第一离心组件
213的压缩端位于所述第一环形进气口212处;所述第二压缩组件22还包括第二离心组件
223;即,第二压缩组件22也是利用离心压缩来实现对于空气的压缩。所述第二离心组件223
安装在所述转轴132上,且所述第二离心组件223位于所述第二压缩壳体221内,且所述第二
离心组件223的进气端位于所述第二环形进气口222处。而利用离心压缩,会将高压空气压
缩到腔体的外周处,因此,结合离心压缩的特点,以及将气道设置在电机1的外周,能够使气
体的流动更加顺畅,从而减小在压缩过程中的空气阻力。能够提高压缩效率。
一安装筒2131套设在所述转轴132上,多个所述第一离心叶片2132沿所述第一安装筒2131
的外周均匀分布;所述第一挡盘2133设置在所述第一安装筒2131靠近所述电机1的一端;具
体地,所述第一离心叶片2132被设置为用于将所述第一压缩壳体211内的气体压缩并经所
述第一环形进气口212进入到所述气道23内;更进一步地,所述第二离心组件223包括第二
安装筒2231、第二离心叶片2232和第二挡盘2233;所述第二安装筒2231与所述转轴132固定
连接,所述第二安装筒2231套设在所述转轴132上,多个所述第二离心叶片2232沿所述第二
安装筒2231的外周均匀分布;所述第二挡盘2233设置在所述第二安装筒2231远离所述电机
1的一端。
向倾斜方向一致。所述第二离心叶片2232的外边沿到所述转轴132中心线的距离沿远离所
述电机1的方向逐渐变大;所述第二离心叶片2232沿由内到外的倾斜方向与所述第一离心
叶片2132的倾斜方向一致。如此,当电机1转动时,能够带动空气更好地转动,从而产生离心
力,以实现对于空气压缩。
第一环形进气口212与所述第一环形腔体234连通;所述第二环形进气口222与所述第二环
形腔体235连通。由于第一压缩组件21和第二压缩组件22均是利用离心力进行的压缩,通过
设置第一环形腔体235,能够使的空气更加顺利地被压缩。
在所述第二压缩壳体221远离所述电机1的一端,且所述端盖3与所述第二压缩壳体221之间
设有环形压缩口224;所述压缩腔壳体4为环形,所述压缩腔壳体4的截面为C字形,且所述压
缩腔壳体4的开口朝内;所述压缩腔壳体4的两边沿分别与所述第二压缩壳体221、所述端盖
3连接。具体实施时,所述环形压缩口224的开口即为压缩腔壳体4的开口。
体4内,进而实现二次压缩。
述壳体14内,且与所述定子组件12同轴设置。所述电机1的转子组件13通过所述空气轴承11
与所述壳体14转动连接。电机的转子组件13和电机1的定子组件均为现有技术,本领域技术
人员能够实现,在此不再赘述,具体实施时,可以选用盘式电机。
111通过两个侧板连接,所述外支撑圈111与所述内支撑圈112之间同轴设置;所述外支撑圈
111、所述内支撑圈112和两所述侧板配合,形成一个密封的环形高压腔113。两个所述侧板
均为环形板。
连通,且所述喷气孔1121用于朝向所述内支撑圈112的轴线方向喷气。具体实施时,当所述
进气孔1111内通入高压气体后,高压气体经所述喷气孔1121流出,从而使得内支撑圈112的
内壁与转轴之间形成气膜,从而减小转轴与空气轴承之间的摩擦力。
路5上设有第一单向阀6,所述第一单向阀6被设置为用于在所述空气压缩机启动后向所述
空气轴承11提供高压气体。如此,在空气压缩机启动后,能够利用空气压缩机所产生的高压
气体对所述空气轴承进行供气。
过空气压缩机压缩空气来满足大最氧气的需求,尤其是应用于汽车上的燃料电池系统,燃
料电池系统需要频繁的启停。这就导致了空气轴承极易损坏,为了减少由于空气压缩机的
启停而导致的扣坏,本发明所提出的空气压缩机还包括启动高压供气组件7;所述启动高压
供气组件7的两端分别与所述第一单向阀6的两端连通;所述启动高压供气组件7被设置为
用于在所述空气压缩机启动时向所述空气轴承11提供高压气体,并在所述空气压缩机启动
后存储高压气体。进一步地,所述启动高压供气组件7包括电磁阀71、第二单向阀72和高压
罐73;所述第二单向阀72、所述高压罐73和所述电磁阀71顺次连通,且所述第二单向阀72的
进气端与所述压缩腔壳体4连通;所述电磁阀71与所述外支撑圈111上的进气口连通;所述
第二单向阀72被设置为用于防止所述高压罐73内的高压气体流入到所述压缩腔壳体4内。
具体实施时,在启动前,打开所述电磁阀71,高压罐73内的高压气体经管道5流入到空气轴
承内,并在转轴与空气轴承11之间形成气膜,如此,能够减小在启动过程中的摩擦阻力。在
启动时,由于设置有第一单向阀6和第二单向阀72,能够防止高压罐73中的高压空气反向流
入到压缩腔壳体4内。当空气压缩机启动成功后,关闭电磁阀71,此时,压缩腔壳体4内的高
压气体经第一单向阀6供给到空气轴承11;压缩腔壳体4内的压力要高于高压罐73的压力,
同时,经第二单向阀72将高压气体输入到高压罐73内。如此,能够提高空气压缩机的使用寿
命。
想所作的改变,或修改为等同变化的等效实施例,仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时,
均应在本发明的保护范围内。