[發明專利]一種車用燃料電池發動機的單級直驅增壓離心式空壓機

有效

• 申請號: 201610242828.7
• 申請日: 2016-04-19
• 公開（公告）號: CN105736424B
• 公開（公告）日: 2019-01-25
• 發明（設計）人: 張智明;章桐;王心堅;許思傳;溫立軍
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: F04D25/08
• 分類號: F04D25/08;F04D29/056;F04D29/58;F04D29/66;H02K1/27
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 林君如

本發明涉及一種車用燃料電池發動機的單級直驅增壓離心式空壓機，空壓機通過電機帶動轉動，包括定子、主軸、固定在主軸中部的轉子，一端布置蝸殼以及固定在蝸殼內部與主軸一端連接的葉輪，通過驅動器驅動所述電機轉子超高速旋轉，主軸的兩端通過簡支梁支撐結構進行支撐。與現有技術相比，本發明采用大功率電機超高速直接驅動離心式葉輪的進氣增壓方式，采用高效率永磁同步電機、無油潤滑空氣箔片動壓軸承和轉子?主軸?葉輪結構一體化設計，葉輪直徑小，總體結構簡單、緊湊、體積小、重量輕、安裝拆卸方便，可滿足目前全工況車用燃料電池發動機的空氣供氣使用要求，在不增大燃料電池發動機體積的情況下，提高燃料電池發動機的體積比功率。

技術領域

本發明涉及燃料電池發動機技術領域，具體涉及一種車用燃料電池發動機的大功率超高速單級增壓離心式空壓機。

背景技術

空壓機廣泛應用于航空航天、汽車、管道運輸、食品包裝等領域，除此之外，空壓機是新能源燃料電池汽車發動機輔助空氣供氣總成中的關鍵部件之一，其輸出的壓力和流量直接影響燃料電池發動機中的化學計量比、空氣加濕特性和水熱管理特性，進而影響燃料電池電堆的電壓輸出和燃料電池發動機的功率輸出。

由于大功率車用燃料電池發動機的功率在百千瓦級，高壓比、大流量的適合燃料電池發動機全工況空氣供給需求的大功率空壓機成為設計的趨勢之一。空壓機直接采用電機驅動，消耗燃料電池汽車發動機自身的功率。為提高發動機有效功率輸出，降低空壓機寄生功耗，高效空壓機技術引起廣泛關注。而且，由于空壓機的超高速運轉，隨轉速提高，轉子承受越來越大的離心力作用。轉子中永磁體材料一般抗壓強度1000MPa左右，而抗拉強度80MPa左右，具有抗壓不抗拉的特性，在空壓機轉子設計上一般采用直徑較小的轉子，目的是降低超高速條件下離心力對永磁體的拉伸破壞。但為了滿足高壓比、大流量的空氣供應輸出要求，即電機的大功率輸出，保證電機具有足夠轉矩輸出，又要求電機轉子具有足夠大的直徑，以上可以看出，電機轉子-主軸結構尺寸設計要求很高。此外，為提高離心式壓縮機輸出功率，離心式空壓機轉子轉速一般要達到100,000rpm以上的超高速狀態運行，轉子-主軸同速運轉情況下，對高速旋轉主軸支撐的軸承提出更高的要求。而且傳統油潤滑軸承難免避免的漏油會進入燃料電池發動機內部，影響燃料電池電化學反應，因此無油潤滑的軸承支撐是空壓機的最佳選擇。綜上所述，從主軸直徑選擇、軸承潤滑方式、軸承支撐距離和燃料電池發動機本身的無油進氣要求、零下三十度的燃料電池發動機低溫冷啟動要求等多方面來看，現有的傳統軸承很難滿足燃料電池發動機空壓機的性能要求和使用要求，即使特殊軸承可以滿足要求，但也會帶來轉子動力學穩定性的問題，超高速問題是目前國內外轉子動力學領域研究的熱點和難點。空壓機超高速長時間運行會造成軸承等支撐部件破損的危險，增加故障監測和診斷難度，超高速的轉子也會引起轉子表面的風磨損耗，進而帶來散熱和冷卻問題。最后，作為車用燃料電池發動機的一部分，空壓機結構尺寸上要求緊湊，結構強度高。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種可以滿足60-80kW大功率燃料電池發動機的空氣供應系統的壓力大、流量范圍寬的實際需求，具有結構緊湊、效率高、體積小、重量輕、響應速度快等特點的車用燃料電池發動機的單級增壓離心式空壓機。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種車用燃料電池發動機的單級直驅增壓離心式空壓機，所述空壓機通過電機帶動轉動，所述的空壓機包括電機定子、主軸、固定在主軸中部的轉子，一端布置蝸殼以及固定在蝸殼內部與主軸一端連接的葉輪、驅動器，驅動器驅動所述電機轉子超高速旋轉，所述的主軸的兩端通過簡支梁支撐結構進行支撐。所述的大功率電機永磁體采用一對極和與電機定子間大氣隙的結構方式，在提高頻率運行下轉速可得達預定高轉速。