[发明专利]一种使用超声波轴承的空气压缩机

说明书

技术领域

本发明涉及一种空气压缩机，尤其是涉及一种使用超声波轴承的空气压缩机。

背景技术

作为目前新能源发展的主要方向之一的燃料电池技术，是国家未来需重点发展的产业，其可应用在交通工具、备用发电等方面。燃料电池是一种将氢能转换为电能的装置，其能量转换效率能达到60％～80％，且无温室气体的产生。但燃料电池要想获得高的功率密度和好的性能，就必须在较高的压力下工作。提高空气的供气压力，可以增大燃料电池系统的能量密度，因此燃料电池需要专门的供气系统给燃料电池提供高压空气。

燃料电池的空气压缩机采用电机驱动转轴转动，带动叶轮产生增压作用于燃料电池的进气歧管，提高燃料电池的进气量和进气压力，提高燃料电池的效率，但是空气压缩机在工作过程也需要消耗功率，约为电池输出的20％，因此从考虑电池堆获得效率出发，为了获得整体性能，必须寻找最有效的压缩方式。

目前，空气压缩机轴承通常采用滚动轴承和滑动轴承，其存在了以下诸多问题：第一，由于采用润滑油，不可避免的将会出现漏油现象，会出现经油封泄漏润滑油和引起中冷器的工作面沾污的问题；第二，由于摩擦力的存在，使得转子转速较低与效率低下；并且由于存在磨损会使得轴承寿命变短。

超声波轴承在燃料电池、涡轮机械等领域具有广阔的应用前景，包括空气压缩机、空气循环机、高速电机。同时，超声波轴承技术也将是21世纪分布式能源系统微型燃气轮机核心技术之一。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种使用超声波轴承的空气压缩机，具有转速高、效率高、寿命长、无润滑油等优点，适用于作为燃料电池用空气压缩机。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种使用超声波轴承的空气压缩机包括由外到内依次布置的壳体、电机定子、电机转子和转子轴，所述壳体两端设有轴承套，还包括超声波轴承和螺旋槽式推力轴承，所述转子轴的两端分别设有叶轮，所述叶轮上套设有叶轮壳，所述叶轮壳与轴承套密封连接，并设有进气口与出气口，一端叶轮壳的出气口连接另一端叶轮壳的进气口，所述超声波轴承设于两端的轴承套上，并与转子轴非接触连接，所述螺旋槽式推力轴承设于一端的轴承套与叶轮之间的转子轴上，螺旋槽式推力轴承与叶轮之间设有推力轴承盖。

所述超声波轴承包括超声波换能器、超声波发生器、位移传感器和反馈控制器，所述超声波换能器和位移传感器分别设于轴承套的侧壁上，超声波换能器一端覆盖转子轴外表面并留有间隙，另一端连接超声波发生器，所述反馈控制器分别连接超声波发生器和位移传感器，所述超声波换能器和超声波发生器均为多个。

所述轴承套上设置有多个用于安装超声波换能器的孔。

多个超声波换能器均布在轴承套的侧壁上，超声波换能器覆盖转子轴外表面的一端为圆弧凹状。

四个超声波换能器均布在轴承套的侧壁上，每个超声波换能器的覆盖角度为80°～90°。

所述螺旋槽式推力轴承包括轴承转筒和螺旋槽转盘，所述轴承转筒套设于一端的转子轴上，所述螺旋槽转盘套设于轴承转筒上，螺旋槽转盘位于一端的轴承套与推力轴承盖之间。

所述螺旋槽转盘包括中间盘和位于中间盘两侧的圆盘，所述圆盘与中间盘相对的侧面上设有多条螺旋槽。

所述轴承转筒与螺旋槽转盘为一体式结构。

所述壳体上设有螺旋冷却水槽。

所述转子轴两端通过连接螺杆连接叶轮。

为了使空气压缩机更加适合现有的燃料电池系统高温、高压、高速等恶劣工作环境，同时解决轴承漏油、耐冲击差、效率瓶颈的技术难题，本发明对空气压缩机的结构进行重新设计，重点对轴承进行改进，采用超声波轴承与螺旋槽式推力轴承构成的径向-推力轴承来代替现有的滚动轴承和滑动轴承支撑转子轴，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)超声波悬浮空气轴承可以杜绝由空气压缩机漏油对燃料电池质子交换膜的影响，适用于燃料电池进气增压。

2)超声波悬浮空气轴承使得空气润滑的阻力小、产品转速高，适用于提高燃料电池能量转换率。

3)由于没有转子轴表面和超声波悬浮空气轴承内表面没有直接的物理接触，产品寿命长，无润滑油。

4)由于超声波悬浮空气轴承的承载介质是超声波，其耐高温性能也是突出的。

5)螺旋槽式推力轴承通过螺旋槽产生承载压力膜，可调节转子轴在轴向上的受力，相对于现有的空气轴承，弹性减震效果更好，并由此减少噪声、承载能力大大提高、能够大幅提高转速，从而进一步提高空气压力和氧气密度。