本實用新型涉及燃料電池發動機技術領域，具體涉及一種燃料電池發動機的兩級串聯增壓直驅離心式空壓機。

背景技術：

最近，我國多個城市頻發霧霾重度污染天氣，讓人們再次認識到空氣污染的嚴重性。越來越嚴峻的能源和環境挑戰使交通能源動力轉型成為全球共識，發展新能源燃料電池汽車被認為是交通能源動力轉型的重要環節而備受重視。質子交換膜燃料電池是目前燃料電池家族中最為成熟的代表。它是以氫氣和空氣(空氣中的氧氣)做燃料發生電化學反應，將燃料的化學能直接轉換成電能的裝置，反應生成水。它兼備無污染、高效率、適用廣、低噪聲、室溫快速啟動、可快速補充能量和具有模塊化結構等優點，很有可能成為繼傳統內燃機之后汽車的主要動力源之一。

為了保障燃料電池發動機正常工作，發動機一般需要氫氣供應子系統、空氣供應子系統和循環水冷卻管理子系統等輔助系統。大量的研究表明，高壓、大流量的空氣供應對提高現有燃料電池發動機的功率輸出具有明顯的效果。因此，一般空氣進入發動機之前，要對進氣進行增壓，空氣壓縮機就是實現該目標的一種能量轉換裝置，是燃料電池發動機空氣供應系統的重要零部件之一，不同工況下燃料電池汽車發動機功率輸出所需求的空氣供應管理和調控主要靠空壓機來實現。

目前離心式空壓機設計一般采用電機直驅方式，電機轉子和主軸做成一體化結構，主軸軸端固定聯接離心式葉輪，葉輪內置于蝸殼內。電機轉子超高速旋轉下，葉輪帶動氣體高速旋轉，與蝸殼相互作用產生高壓、大流量空氣，供給燃料電池發動機用于燃料電池電堆內部電化學反應的發生，其中軸承提供支撐轉子-主軸-葉輪一體化旋轉部件高速旋轉。

直驅離心式空壓機一般采用電機驅動，消耗燃料電池汽車發動機功率，約為燃料電池發動機總功率輸出的15-20％。因此，為提高發動機有效功率輸出，降低 空壓機功耗，高速高效空壓機技術引起廣泛關注。

隨離心式空壓機轉速地提高，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，目的是降低高速離心力對永磁體的破壞。

此外，燃料電池電化學反應的發生是在一定的溫度、濕度和氣體壓力下進行的，而反應發生也伴隨一定的熱量的釋放，因此燃料電池發動機的空氣供應系統中的空氣具有高溫、高濕、高壓、大流量和無油的特征，油液的介入會降低燃料電池催化劑的催化作用，大大降低燃料電池發動機功率輸出。

同時，離心式空壓機為了提高輸出空氣的壓力和流量，往往采用超高轉速(50，000Rpm以上)的轉速控制實現方式，現有的傳統滾動和滑動油潤滑軸承很難滿足要求，一是不滿足燃料電池發動機的無油工作環境要求，二是由于機械摩擦力的存在，使轉子-主軸轉速降低和摩擦損耗增大。即使特殊軸承可以滿足要求，但也會帶來轉子熱問題及轉子動力學穩定性的問題。其次也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。此外，超高速的轉子也會帶來散熱和冷卻問題，綜上所述，這些問題都對支撐轉子-主軸-葉輪超高速旋轉的軸承提出了更好的使用要求，需要在具體離心式空壓機設計方案中得到綜合考慮并加以解決。

技術實現要素：

本實用新型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，具有超高轉速、高效率、長壽命、無潤滑油等優點的燃料電池發動機的兩級串聯增壓直驅離心式空壓機。

本實用新型的目的可以通過以下技術方案來實現：一種燃料電池發動機的兩級串聯增壓直驅離心式空壓機，所述空壓機通過電機帶動轉動，所述空壓機包括端蓋、主軸、渦殼、位于所述渦殼內部并設置在主軸上葉輪、固定在主軸中部的轉子、設置在轉子外部的定子以及一個驅動器，所述空壓機通過驅動器驅動轉子轉動，其特征在于，所述主軸通過簡支梁支撐結構進行支撐，所述的簡支梁支撐結構包括設置在主軸上位于轉子左側的軸承單元a及設置在主軸上位于轉子右側的軸承單元b，所述的軸承單元a和軸承單元b均通過軸套形式固定在主軸上。

所述的軸承單元a包括左端徑向支撐空氣箔片軸承和左端徑向支撐空氣箔片軸承軸套，所述的左端徑向支撐空氣箔片軸承軸套環繞在所述主軸的外側，所述左端徑向支撐空氣箔片軸承采用圓周均布螺釘固定在所述左端徑向支撐空氣箔片軸承軸套外側；

所述的軸承單元b包括設置在主軸右側的空氣箔片軸向止推軸承和右端徑向支撐空氣箔片軸承，所述空氣箔片軸向止推軸承采用軸套形式固定于所述主軸的外側，所述右端徑向支撐空氣箔片軸承采用圓周均布螺釘固定在所述空氣箔片軸向止推軸承的外側。

支撐結構采用兩端徑向空氣箔片動壓軸承和單側軸向空氣箔片動壓止推軸承的布置方式，空氣箔片軸承由平箔片、波箔片和箔片支撐結構組成。兩端軸向空氣箔片軸承采用圓周均布螺釘固定，波箔片具有彈性，位于主軸與平箔片之間，平箔片固定于箔片支撐結構上，電機轉子超高速旋轉時壓縮波箔片從而使轉子-主軸懸浮于空氣箔片軸承之間。相對一般空氣軸承，彈性波箔片可以提供額外的剛度和阻尼，具有調節不同轉速下軸承的承載力的作用。軸向空氣箔片動壓止推軸承與主軸端采用軸套形式裝配，在轉子-主軸-葉輪超高速旋轉時，如空氣箔片動壓軸向止推軸承發生故障產生破損或需要更換時，該軸套能起到方便拆裝的作用，且本實用新型中軸套上增加了拆卸槽，以防拆裝時破壞軸承及主軸配合精度面，以保證拆裝過程中各零部件的完整性。

所述的右端徑向支撐空氣箔片軸承的右端設有凸起，該凸起位于兩個止推軸承箔片盤之間，且所述凸起與兩個止推軸承箔片盤超高速旋轉時壓縮氣體配合。

軸向空氣箔片動壓止推軸承的平箔片固定于箔片盤的左右兩端面上，電機轉子超高速旋轉時，空氣箔片軸承旋轉盤與箔片盤之間產生高壓空氣膜，波箔片受壓縮而變形，調整波箔片的形狀可以改變高壓空氣膜的剛度和阻尼，以此來避免整個轉子-主軸-葉輪的軸向不平衡竄動。

所述的葉輪包括左端葉輪和右端葉輪，所述渦殼包括左端蝸殼和右端蝸殼(1)，左端葉輪和右端葉輪分別位于左端蝸殼和右端蝸殼內部并分別與所述主軸的左端和右端連接。

所述的主軸采用中空主軸，所述主軸的兩端均內置螺桿，所述螺桿分別與左端葉輪和右端葉輪通過預緊螺母進行固定，并采用高強度膠水進行粘接。轉子-主軸采用一體化結構，與葉輪采用預緊螺母擰緊，保證空氣機旋轉部件形成一體。主軸 中空，可有效減輕旋轉部件質量。

所述的左端葉輪和右端葉輪的背面均采用凸臺形式與所述主軸形成緊配合，有效地減輕了整個轉子-主軸等轉動部件的質量，該設計將有利于提高轉子動力學特性和便于兩端葉輪的安裝固定。

所述的端蓋包括左端蝸殼端蓋、右端蝸殼端蓋、左端電機端蓋和右端電機端蓋，所述的左端蝸殼端蓋和右端蝸殼端蓋分別通過連接螺栓與所述的左端電機端蓋和右端電機端蓋連接。

所述的轉子采用不銹鋼主軸、電工鋼、永磁體的3層同心繞組布置方式，并在所述的永磁體外層裹覆鈦合金保護套，所述轉子的兩端設置銅環，并通過銅環固定套與所述轉子固定。永磁體外裹覆鈦合金保護套是防止永磁體在高速旋轉下由于離心力作用而破裂，銅環的作用是隔磁。

所述的驅動器包括低壓信號接插件和三相電纜，電機通過驅動器控制所述電機定子產生磁場方向的改變速度，從而控制所述主軸的轉速。通過控制驅動器，直接調節電機轉子轉速，根據燃料電池發動機對外功率輸出需求，調節輸出空氣壓力和流量的目的，改變燃料電池電堆空氣的化學計量比，改善燃料電池膜電極上的氫氣、氧氣電化學反應，提高燃料電池發動機性能。

所述的空壓機還包括一個水冷卻系統，所述的水冷卻系統包括外殼和水冷套，所述的水冷套設置在所述電機定子的外側，所述外殼設置在水冷套外側，在空壓機運行時，在外殼和水冷套之間通水，起到散熱的作用。

所述的左端蝸殼和右端蝸殼采用串聯連接方式，即所述左端蝸殼的出口連接右端蝸殼的進口。自然空氣經左端蝸殼進氣口引入，并經左端葉輪高速旋轉實現一級壓縮后，通過左端蝸殼出氣口串聯到右端蝸殼進氣口端，再經過右端葉輪高速旋轉壓縮空氣，最終經右端蝸殼出氣口流出，實現兩級增壓的功能。與同轉速的單向葉輪空壓機相比，其性能指標可達到高壓比，滿足30-80kW大功率車用燃料電池發動機大范圍內的空氣流量供應需求。

與現有技術相比，本實用新型的有益效果體現在以下幾方面：

(1)采用雙級葉輪串聯逐級壓縮空氣的增壓方式，在燃料電池發動機對空壓機同樣壓比和流量的使用需求情況下，轉速可降低一半，提高產品的可靠性；同時滿足全工況燃料電池發動機進氣壓力和流量要求，采用大功率(10kW)電機直驅兩端葉輪高速旋轉，最高可達50,000rpm，避免使用增速器等額外機械增速機構， 體積小，結構緊湊，避免的齒輪嚙合振動噪聲；因其可調節轉速，進而改變空壓機出口壓力、流量，可滿足車用工況頻繁變化的需求；

(2)本實用新型兩端軸承座與空氣箔片軸承均采用緊配合方式，并采用周向均布螺釘固定方式，波箔片固定于軸承內壁頂箔片上，主軸高速旋轉時懸浮于波箔片中心，有效的減輕了摩擦帶來的損耗，而軸向空氣箔片止推軸承采用軸套形式與主軸采用過盈配合方式，而波箔片固定于箔片盤上，整機運行時，空氣箔片軸向止推軸承有效的抑制了軸向竄動的產生。并且軸承與主軸之間增加了軸套方式的裝配，并在軸套上增加拆卸槽結構，由此可在拆卸與更換軸承或其他零部件時避免軸承箔片及軸的精度變化。綜上，空氣箔片動壓軸承可充分滿足車用強度等級要求；另外，無油液潤滑，杜絕了油液對燃料電池催化劑的污染，

(3)采用兩端徑向空氣箔片軸承與一端軸向空氣箔片動壓止推軸承的結構形式，空氣箔片軸承由頂箔片、波箔片和箔片支撐結構組成，當電機轉動時，位于波箔片當中的主軸由于高速旋轉而使波箔片壓縮，當轉速穩定時，形成高壓空氣膜，主軸穩定懸浮于波箔片上。相比傳統的滾珠軸承而言，空氣箔片軸承存在開放式的空氣流動，有效的提高了散熱途徑和耐熱等級，并提高了轉子臨界轉速和避免了共振的產生。相對一般空氣軸承而言，空氣箔片軸承有效的減輕空氣相對轉軸的磨損，由于旋轉時軸承內部空氣自然加速流動而改善了熱流量的散熱流通，以及對轉子動力學的明顯改善；

(4)轉子表面采用高強度、質量輕的鈦合金護套，在護套與永磁體間采用過盈配合方式，高速旋轉時，永磁體會得到由鈦合金護套以及過盈量提供的徑向壓緊力，用結構鎖定的方式保證了轉子高速旋轉條件下的安全性；轉子永磁體兩側銅環的隔磁設計方式，不僅優化了高速轉子的熱膨脹變形，而且具有防止永磁體漏磁的作用；

(5)主軸采用掏空形式結構，在滿足整個主軸強度的要求下，有效的減輕主軸重量，優化了整個轉子動力學特性和避免因臨界轉速引起的共振問題；

(6)兩端葉輪通過螺桿螺紋拉緊形式與主軸連接，葉輪背面采用凸臺形式，在軸向方向通過與主軸端面拉緊配合，而在徑向通過與主軸掏空內壁面緊配合的固定方式。有效減輕了主軸的整體重量，改善了轉子動力學特性；在兩端通過螺桿預緊螺母拉緊形式，優化了整個轉動部件的剛度特性，且有效防止了運行時葉輪及預緊螺母的松動隱患。

附圖說明

圖1為本實用新型的外部結構示意圖；

圖2為本實用新型的總體結構示意圖；

圖3為圖2中轉子-主軸-葉輪一體化結構示意圖；

圖4為徑向空氣箔片動壓軸承結構示意圖；

圖5為空氣箔片推力止推軸承結構示意圖。

其中，1為右端蝸殼，2為右端葉輪預緊螺母，3為右端葉輪，4為右端葉輪螺桿，5為右端蝸殼端蓋，6為右端電機端蓋，7為空氣箔片軸向止推軸承箔片盤A，8為空氣箔片軸向止推軸承，9為空氣箔片軸向止推軸承箔片盤B，10為右端徑向支撐空氣箔片軸承，11為三相電纜，12為銅環固定套，13為銅環A，14為定子，15為鈦合金保護套，16為永磁體，17為轉子，18為主軸，19為電機繞組，20為左端徑向支撐空氣箔片軸承軸套，21為左端徑向支撐空氣箔片軸承，22為右端連接螺栓，23為低壓信號接插件，24為右端徑向支撐空氣箔片軸承座，25為水冷套，16為外殼，27為銅環B，28為左端電機端蓋，29為左端連接螺栓，30為左端蝸殼端蓋，31為左端葉輪，32為左端葉輪螺桿，33為左端葉輪預緊螺母，34為左端蝸殼，35為防水接頭，36為氣膜，37為頂箔A，38為波箔A，39為軸承殼，40為波箔B，41為頂箔B。

具體實施方式

下面對本實用新型的實施例作詳細說明，本實施例在以本實用新型技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本實用新型的保護范圍不限于下述的實施例。

實施例

一種符合全工況車用燃料電池發動機的大功率(10kW)高速(50000rpm)高速兩級串聯增壓直驅離心式空壓機，其結構如圖1和圖2所示，空壓機通過電機帶動轉動，空壓機設有左端渦殼34和右端蝸殼1，左端蝸殼34上設有進風口、出風口以及左端蝸殼端蓋30，右端蝸殼1上設有進風口、出風口以及右端蝸殼端蓋5，在工作時，左端蝸殼34的出風口連接右端蝸殼1的進風口。空壓機的左右兩側還設有左端電機端蓋28和右端電機端蓋6，左端蝸殼端蓋30和左端電機端蓋28通 過左端連接螺栓29連接固定，右端蝸殼端蓋5和右端電機端蓋6通過右端連接螺栓22連接固定。右端電機端蓋6的內側抵住右端徑向支撐空氣箔片軸承座24。在空壓機的中部設有主軸18，主軸18為中空主軸，主軸18的左端內置左端葉輪螺桿32，主軸18的右端內置右端葉輪螺桿4，左端葉輪螺桿32和右端葉輪螺桿4采用高強度膠水與主軸18進行粘接，以保證葉輪高速旋轉的安全性。左端葉輪31通過左端葉輪預緊螺母33與左端葉輪螺桿32固定，右端葉輪3通過右端葉輪預緊螺母2與右端葉輪螺桿4進行固定，左端葉輪31位于左端蝸殼34內部，右端葉輪3位于右端蝸殼1內部。左端葉輪31和右端葉輪3的背面均采用凸臺形式與主軸18形成緊配合，有效地減輕了整個轉子-主軸等轉動部件的質量，該設計將有利于提高轉子動力學特性和便于兩端葉輪的安裝固定。

定子14的外側設有電機繞組19，該電機繞組19通過三相電纜11和低壓信號接插件23連接電機，且三相電纜11上設有金屬防水接頭35。該空壓機還包括外殼26和水冷套25，水冷套25設置在主軸18的外側，外殼26設置在水冷套25外側，在空壓機運行時，在外殼25和水冷套26之間通以冷水，起到散熱的作用。

主軸18的兩端通過簡支梁支撐結構進行支撐，其中，轉子-主軸-葉輪一體化結構如圖3所示，簡支梁支撐結構包括設置在主軸18左側的左端徑向支撐空氣箔片軸承21和左端徑向支撐空氣箔片軸承軸套20，以及設置在主軸18右側的空氣箔片軸向止推軸承8和右端徑向支撐空氣箔片軸承10，左端徑向支撐空氣箔片軸承軸套20套設在主軸18的外側，左端徑向支撐空氣箔片軸承21采用圓周均布螺釘固定在所述左端徑向支撐空氣箔片軸承軸套20外側，空氣箔片軸向止推軸承8采用軸套形式固定于主軸18的外側，右端徑向支撐空氣箔片軸承10采用圓周均布螺釘固定在所述空氣箔片軸向止推軸承8的外側。右端徑向支撐空氣箔片軸承10的右端設有凸起，該凸起位于空氣箔片軸向止推軸承箔片盤A7和空氣箔片軸向止推軸承箔片盤B9之間，且凸起與兩個止推軸承箔片盤超高速旋轉時壓縮氣體配合。

其中，左端徑向支撐空氣箔片軸承21和右端徑向支撐空氣箔片軸承10的結構相同，如圖4所示，從內向外依次設置氣膜36、頂箔A37、波箔A38和軸承殼39，當電機轉動時，位于波箔A38當中的主軸18由于高速旋轉而使波箔A38壓縮，當轉速穩定時，形成高壓空氣膜，主軸18穩定懸浮于波箔A38上。相比傳統的滾珠軸承而言，空氣箔片軸承存在開放式的空氣流動，有效的提高了散熱途徑和耐熱等級，并提高了轉子臨界轉速和避免了共振的產生。

右端徑向支撐空氣箔片軸承10的結構如圖5所示，右端徑向支撐空氣箔片軸承10的頂箔B41固定于空氣箔片軸向止推軸承箔片盤B的左右兩端面上，電機轉子超高速旋轉時，空氣箔片軸承旋轉盤與空氣箔片軸向止推軸承箔片盤B之間產生高壓空氣膜，波箔B40受壓縮而變形，調整波箔B40的形狀可以改變高壓空氣膜的剛度和阻尼，以此來避免整個轉子-主軸-葉輪的軸向不平衡竄動。

在主軸18的中部、定子14的內部還設有轉子17，轉子17采用不銹鋼主軸、電工鋼、永磁體的3層同心繞組布置方式，在永磁體16的外側裹覆有鈦合金保護套15，轉子17的兩端分別設置銅環A13和銅環B27，銅環A13和銅環B27通過銅環固定套12與轉子17固定。永磁體外裹覆鈦合金保護套是防止永磁體在高速旋轉下由于離心力作用而破裂，銅環的作用是隔磁。其具體結構如圖3所示。

電機通過低壓信號接插件23和三相電纜11連接電機繞組19部件，通過電機控制驅動定子14、繞組磁力線磁場產生的切向力矩帶動轉子27件運行轉速，進而轉子-主軸帶動葉輪一同高速旋轉，電機通過轉子17不同的轉速控制實現離心式葉輪高速旋轉壓縮空氣，達到高壓比、大流量的氣體載荷輸出。根據不同條件輸入可滿足大功率車用燃料電池發動機大范圍內的空氣流量供應需求。