全文摘要
本实用新型公开了一种两级气悬浮离心式电动直驱空压机，包括由外到内依次设置的壳体、电机定子、主轴，设置在主轴两侧的叶轮、锁母及蜗壳，设置在壳体上的冷却系统。本实用新型的优点在于：壳体、电机定子、主轴、叶轮和蜗壳进行一体化设计，减小整机尺寸和重量。两级叶轮通过中间管道串联，实现小流量高压比。两级叶轮轴向推力相互抵消，减小推力轴承施加的轴向力。采用径向和轴向气浮轴承，通过自身产生的高压气体形成气膜，减小轴承与转子摩擦，形成气悬浮电机高速直驱，减小机械损失。通过中间管路将部分压缩气体引入机壳组件中，实现对电机定子、主轴、径向轴承和推力轴承冷却，提高空压机的使用寿命。
主设计要求
1.一种两级气悬浮离心式电动直驱空压机，其特征在于：包括由外到内依次设置的壳体、电机定子、主轴，设置在所述主轴两端的叶轮、锁母及蜗壳，设置在所述壳体内的冷却系统。
设计方案
1.一种两级气悬浮离心式电动直驱空压机，其特征在于：包括由外到内依次设置的壳体、电机定子、主轴，设置在所述主轴两端的叶轮、锁母及蜗壳，设置在所述壳体内的冷却系统。
2.根据权利要求1所述的一种两级气悬浮离心式电动直驱空压机，其特征在于：所述壳体两端分别套设有一级蜗壳和二级蜗壳，所述一级蜗壳和二级蜗壳均与所述壳体密封连接，所述一级蜗壳和二级蜗壳之间通过设置中间管道连通。
3.根据权利要求1所述的一种两级气悬浮离心式电动直驱空压机，其特征在于：所述主轴的两端分别设有轴套，其中一端轴套和主轴之间设有推力盘，所述叶轮包括一级叶轮和二级叶轮，所述一级叶轮和二级叶轮均分别与两端的所述轴套连接。
4.根据权利要求2所述的一种两级气悬浮离心式电动直驱空压机，其特征在于：所述主轴的两端分别套设有径向轴承，左侧的径向轴承上套设有轴承座，所述轴承座与所述壳体固定连接，右侧的径向轴承与所述壳体固定连接，所述电机主轴的两端与所述径向轴承之间设有间隙。
5.根据权利要求3所述的一种两级气悬浮离心式电动直驱空压机，其特征在于：所述推力盘的两侧设有推力轴承。
6.根据权利要求4所述的一种两级气悬浮离心式电动直驱空压机，其特征在于：所述一级蜗壳、二级蜗壳与壳体之间分别设有一级背板和二级背板，所述一级背板与所述轴承座之间通过螺栓固定连接，所述二级背板与所述壳体之间通过螺栓固定连接。
7.根据权利要求3所述的一种两级气悬浮离心式电动直驱空压机，其特征在于：所述一级叶轮和二级叶轮与所述电机主轴的两端之间分别通过设置一级锁母和二级锁母固定连接。
8.根据权利要求1所述的一种两级气悬浮离心式电动直驱空压机，其特征在于：所述冷却系统包括水冷装置和气冷装置，所述水冷装置包括设置在所述壳体内的螺旋状的水道、设置在所述壳体上的冷水进入接头和冷水出水接头，
所述气冷装置包括设置在所述中间管道上的第一冷气接头、设置在所述壳体左上角的第二冷气接头和壳体左下角的第三冷气接头，设置在所述壳体内的轴向通孔以及由二级背板和壳体之间的间隙形成的径向通孔，所述轴向通孔与所述径向通孔连通，
所述第一冷气接头与第二冷气接头通过管路连接，压缩气体从所述中间管路里引出依次经过所述第一冷气接头、第二冷气接头、轴向通孔、径向通孔、右侧的径向轴承与所述主轴右端之间的间隙、电机定子分别与壳体之间和主轴之间的腔体、左侧的径向轴承与所述主轴左端之间的间隙、所述推力盘分别与所述一级背板和轴承座之间的间隙、从第三冷气接头排出。
9.根据权利要求8所述的一种两级气悬浮离心式电动直驱空压机，其特征在于：所述轴向通孔内设有铜管，所述轴向通孔数量为6个，所述轴向通孔沿所述壳体的四周轴向等距分布，所述径向通孔在所述壳体右端部与二级背板之间等距分布。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及氢燃料电池发动机技术领域，具体涉及一种两级气悬浮离心式电动直驱空压机。
背景技术
目前发展新能源燃料电池汽车被认为是交通能源动力转型的重要环节而备受重视。质子交换膜燃料电池是目前燃料电池家族中最为成熟的代表。它是以氢气和空气(空气中的氧气)做燃料发生电化学反应，将燃料的化学能直接转换成电能的装置，反应生成水。它兼备无污染、高效率、适用广、低噪声、室温快速启动、可快速补充能量和具有模块化结构等优点，很有可能成为继传统内燃机之后汽车的主要动力源之一。
为了保障燃料电池发动机正常工作，发动机一般需要氢气供应子系统、空气供应子系统和循环水冷却管理子系统等辅助系统。大量的研究表明，高压、大流量的空气供应对提高现有燃料电池发动机的功率输出具有明显的效果。因此，一般空气进入发动机之前，要对进气进行增压，空气压缩机就是实现该目标的一种能量转换装置，是燃料电池发动机空气供应系统的重要零部件之一，不同工况下燃料电池汽车发动机功率输出所需求的空气供应管理和调控主要靠空压机来实现。
目前离心式空压机设计一般采用电机直驱方式，电机转子和主轴做成一体化结构，主轴轴端固定联接离心式叶轮，叶轮内置于蜗壳内。电机转子超高速旋转下，叶轮带动气体高速旋转，与蜗壳相互作用产生高压、大流量空气，供给燃料电池发动机用于燃料电池电堆内部电化学反应的发生，其中轴承提供支撑主轴-叶轮一体化旋转部件高速旋转。
直驱离心式空压机一般采用电机驱动，消耗燃料电池汽车发动机功率，约为燃料电池发动机总功率输出的15-20％。因此，为提高发动机有效功率输出，降低空压机功耗，高速高效空压机技术引起广泛关注。
随离心式空压机转速地提高，转子承受越来越大的离心力作用。转子中永磁体材料一般抗压强度1000Mpa左右，而抗拉强度80Mpa左右，具有抗压不抗拉的特性，在空压机转子设计上一般采用直径较小的转子，目的是降低高速离心力对永磁体的破坏。
此外，燃料电池电化学反应的发生是在一定的温度、湿度和气体压力下进行的，而反应发生也伴随一定的热量的释放，因此燃料电池发动机的空气供应系统中的空气具有高温、高湿、高压、大流量和无油的特征，油液的介入会降低燃料电池催化剂的催化作用，大大降低燃料电池发动机功率输出。
同时，离心式空压机为了提高输出空气的压力和流量，往往采用超高转速(80000rpm以上)的转速控制实现方式，现有的传统滚动和滑动油润滑轴承很难满足要求，一是不满足燃料电池发动机的无油工作环境要求，二是由于机械摩擦力的存在，使转子-主轴转速降低和摩擦损耗增大。即使特殊轴承可以满足要求，但也会带来转子热问题及转子动力学稳定性的问题。其次也会造成轴承等支撑部件破损的危险，增加故障监测和诊断难度。此外，超高速的转子也会带来散热和冷却问题，综上所述，这些问题都对支撑主轴-叶轮超高速旋转的轴承提出了更好的使用要求，需要在具体离心式空压机设计方案中得到综合考虑并加以解决。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种两级气悬浮离心式电动直驱空压机，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种两级气悬浮离心式电动直驱空压机，包括由外到内依次设置的壳体、电机定子、主轴，设置在所述主轴两侧的叶轮、锁母及蜗壳，设置在所述壳体内的冷却系统。
进一步地，所述壳体两端分别套设有一级蜗壳和二级蜗壳，所述一级蜗壳和二级蜗壳均与所述壳体密封连接，所述一级蜗壳和二级蜗壳之间通过设置中间管道连通。
进一步地，所述主轴的两端分别设有轴套，其中一端轴套和主轴之间设有推力盘，所述叶轮包括一级叶轮和二级叶轮，所述一级叶轮和二级叶轮均分别与两端的所述轴套连接。
进一步地，所述主轴的两端分别套设有径向轴承，左侧的径向轴承上套设有轴承座，所述轴承座与所述壳体固定连接，右侧的径向轴承与所述壳体固定连接，所述电机主轴的两端与所述径向轴承之间设有间隙。
进一步地，所述推力盘的两侧分别设有推力轴承。
进一步地，所述一级蜗壳、二级蜗壳与壳体之间分别设有一级背板和二级背板，所述一级背板与所述轴承座之间通过螺栓固定连接，所述二级背板与所述壳体之间通过螺栓固定连接。
进一步地，所述一级叶轮和二级叶轮与所述电机主轴的两端之间分别通过设置一级锁母和二级锁母固定连接。
进一步地，所述冷却系统包括水冷装置和气冷装置，所述水冷装置包括设置在所述壳体内的螺旋状的水道、设置在所述壳体上的冷水进入接头和冷水出水接头，
所述气冷装置包括设置在所述中间管道上的第一冷气接头、设置在所述壳体左上角的第二冷气接头和壳体左下角的第三冷气接头，设置在所述壳体内的轴向通孔以及由二级背板和壳体之间的间隙形成的径向通孔，所述轴向通孔与所述径向通孔连通，
所述第一冷气接头与第二冷气接头通过管路连接，压缩气体从所述中间管路里引出依次经过所述第一冷气接头、第二冷气接头、轴向通孔、径向通孔、右侧的径向轴承与所述主轴右端之间的间隙、电机定子分别与壳体之间和主轴之间的腔体、左侧的径向轴承与所述主轴左端之间的间隙、所述推力盘分别与所述一级背板和轴承座之间的间隙、从第三冷气接头排出。
进一步地，所述轴向通孔内设有铜管，所述轴向通孔数量为6个，所述轴向通孔沿所述壳体的四周轴向等距分布，所述径向通孔在所述壳体右端部与二级背板之间等距分布。
本实用新型的有益效果：
1、本实用新型中的电机、机壳和主轴进行一体化设计，减小整机尺寸和重量。
2、两级半开式叶轮通过中间管道串联，实现小流量高压比。气体质量流量至少达到300g\/s，压缩比达到4，转速高达50000-110000rpm。
3、两级叶轮轴向推力相互抵消，减小推力轴承施加的轴向力。采用径向和轴向气浮轴承，通过自身产生的高压气体形成气膜，减小轴承与转子摩擦，形成气悬浮电机高速直驱，减小机械损失，提高空压机的使用寿命。
4、通过在壳体上设置冷却系统，实现对壳体及电机内部冷却，通过中间管路将部分压缩气体引入机壳组件中，实现对电机、主轴、径向轴承和推力轴承冷却，提高空压机的使用寿命。
附图说明
图1是本实用新型的外部结构示意图；
图2是本实用新型的内部结构示意图；
图3是本实用新型的气冷装置的气体流向结构示意图；
图4是本实用新型的内部结构局部放大示意图；
其中：1-壳体，2-电机定子，4-主轴，5-一级叶轮，6-二级叶轮，7-一级蜗壳，8-二级蜗壳，9-中间管道，10-轴套，11-一级背板，12-二级背板，13-径向轴承，16-轴承座，17-推力盘，19-推力轴承，21-一级锁母，22-二级锁母，24-水道，25-冷水进入接头，26-冷水出水接头，27-第一冷气接头，28-第二冷气接头，29-第三冷气接头，30-轴向通孔，31-径向通孔。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1-4，本实用新型提供一种两级气悬浮离心式电动直驱空压机，包括由外到内依次设置的壳体1、电机定子2、主轴4，设置在主轴4两侧的叶轮、锁母及蜗壳，设置在壳体1上的冷却系统。
所述壳体1两端分别套设有一级蜗壳7和二级蜗壳8，所述一级蜗壳7和二级蜗壳8均与所述壳体1密封连接，所述一级蜗壳7和二级蜗壳8之间通过设置中间管道9连通。
主轴4的两端分别设有轴套10，其中一端轴套和主轴之间设有推力盘17，所述叶轮包括一级叶轮5和二级叶轮6，一级叶轮5和二级叶轮6均分别与两端的所述轴套10固定连接。
两端的轴套10上分别设有一级背板11和二级背板12,防止气体从叶轮何蜗壳处进入壳体1内。
主轴4的两端分别套设有径向轴承13，左侧的径向轴承13上套设有轴承座16，轴承座16与壳体1固定连接，右侧的径向轴承13与壳体1固定连接，主轴4的两端与径向轴承13之间设有间隙。径向轴承13由轴承壳、防转销、径向轴承薄片组成，当主轴高速运转时，主轴与径向轴承之间形成气膜，减少轴承与转子、主轴之间的摩擦。
推力盘17的两侧分别设有推力轴承19，推力轴承19由垫片、弹片、压板和箔片组成，当主轴高速运转时，主轴与推力轴承之间形成气膜，减少轴承与转子、主轴之间的摩擦。
所述径向轴承13和推力轴承19均为空气箔片轴承，一级背板的凸出部靠近推力盘四周的部位设有倒置的梯形凸台，梯形凸台的底边的宽度大于推力盘的厚度，推力轴承的四周外沿设置在凸台分别与一级背板和轴承座的间隙内。
所述一级蜗壳7、二级蜗壳8与壳体1之间分别设有一级背板11和二级背板12，所述一级背板11与所述轴承座16之间通过螺栓固定连接，所述二级背板12与所述壳体1之间通过螺栓固定连接。
所述一级叶轮5和二级叶轮6与所述主轴4的两端之间分别通过设置一级锁母21和二级锁母22固定连接。
壳体1上设有冷却系统，冷却系统包括水冷装置和气冷装置，水冷装置包括设置在壳体内的螺旋状的水道24、设置在壳体1上的冷水进入接头25和冷水出水接头26。
气冷装置包括设置在中间管道9上的第一冷气接头27、设置在壳体1左上角的第二冷气接头28和壳体左下角的第三冷气接头29，设置在壳体1内的轴向通孔30以及径向通孔31，轴向通孔30内设有铜管，数量为6个，轴向通孔30沿壳体1轴向等距分布，径向通孔31沿壳体1右端部与二级背板之间等距分布，第一冷气接头27与第二冷气接头2通过管路连接。气冷装置中压缩气体的流动路径为，压缩气体从中间管路9里引出依次经过所述第一冷气接头27、第二冷气接头28、轴向通孔30、径向通孔31、右侧的径向轴承13与主轴4右端之间的间隙、电机定子2分别与壳体1之间和主轴4之间的腔体、左侧的径向轴承13与主轴4左端之间的间隙、推力盘17分别与一级背板11和轴承座16之间的间隙、从第三冷气接头29排出。
本实用新型使用时，通过电机驱动主轴运转，带动两级叶轮运转，主轴旋转时轴向上会有轴向力产生，通过两级叶轮串联，可以抵消主轴在轴向上的部分轴向力，主轴上设置的径向轴承和推力轴承在主轴高速运转时，产生高压气体形成气膜，减小轴承和转子的摩擦，同时推力轴承产生的气膜可以在主轴左右串动时起到一个缓冲作用，主轴与叶轮向左串动时，左边的推力轴承产生的气膜会阻挡主轴向左串动，主轴向右时亦然，避免叶轮的左右移动与蜗壳碰撞。
同时从中间管道引入压缩气体进入壳体腔内，沿设定的气体流道流动，对电机、主轴、轴承进行气冷，冷却效果突出，避免了壳体内高速运转的部件在高温下变形或损坏，提高空压机的使用寿命。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201921417999.4
申请日:2019-08-29
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:32(江苏)
授权编号:CN209781242U
授权时间:20191213
主分类号:F04D17/12
专利分类号:F04D17/12;F04D25/06;F04D29/056;F04D29/28;F04D29/42;F04D29/58;F04D29/66
范畴分类:28D;
申请人:势加透博洁净动力如皋有限公司
第一申请人:势加透博洁净动力如皋有限公司
申请人地址:226500 江苏省南通市如皋市城北街道花市北路20号科创园A10栋
发明人:张学锋;李锐;白江涛;陶林;丁铁华;王海军
第一发明人:张学锋
当前权利人:势加透博洁净动力如皋有限公司
代理人:赵虎
代理机构:32224
代理机构编号:南京纵横知识产权代理有限公司 32224
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计