[发明专利]一种用于车用燃料电池空压机的无轴承超高速永磁电机

说明书

本发明涉及一种用于车用燃料电池空压机的无轴承超高速永磁电机，包括机壳、转子、定子、轴承系统及冷却系统，转子采用实心永磁体结构，包括整体平行充磁的实心永磁体和护套。定子包括固定在两端的两段定子铁心和三套绕组，三套绕组包括一套用以驱动电机旋转的转矩悬浮控制绕组和两套用以实现电机两端悬浮的悬浮绕组，两段定子铁心共用一套转矩绕组，而两段定子铁心各自对应一套悬浮绕组，两套悬浮绕组分别用于对转子两侧的位置信息进行反馈，调节悬浮电流实现转子稳定悬浮；所述的轴承系统包括分别固定在两端的辅助滚动轴承和调心辅助轴承；所述的冷却系统包括机壳水冷系统和风冷系统。

技术领域

本发明涉及氢燃料电池空压机技术设计领域，具体涉及一种车用燃料电池空压机的无轴承超高速永磁电机设计。

背景技术

近年来，随着全球环境污染日益严重，不可再生能源持续消耗，世界各国对于能源合理利用的重视程度不断提高，推动能源结构转型和使用新型清洁能源成为化解能源问题的一个重要手段。氢燃料电池技术作为清洁的新能源方案中的关键技术得到了广泛关注。高效空气压缩机(空压机)作为燃料电池系统的关键设备，其性能好坏直接影响到燃料电池系统的效率、紧凑性。

针对空压机高效、无油、小型、高压、低噪和低功耗的技术要求，作为其核心部件的驱动电机的高效优化设计是实现这些要求的基本前提。为满足上述性能要求，目前多以高效、高功率密度、体积小，直驱高速负载、高传动效率等特性的高速永磁电机作为空压机驱动电机的首选。

为进一步实现氢燃料电池更高转速、更高效，体积更小的趋势，以更高转速空压机满足流量和压比需求，采用超高速永磁电机有望突破这一瓶颈。然而超高速永磁电机运行转速高，更接近临界转速，易产生共振。对于超高速电机支撑轴承，传统轴承无法实现超高速运转，且无油的工作条件迫使现有油润滑的机械轴承无法满足使用要求。目前多采用气浮轴承及磁轴承实现悬浮。但前者抗扰性差，后者凭借其良好的稳定性，且避免较大机械损耗的产生，更易实现更高转速悬浮而被广泛使用。但其为实现各个自由度控制，则需在电机端部施加多个自由度轴向或径向磁轴承，导致轴向长度较长，限制燃料电池空压机在体积、临界转速等方面的发展。

此外，超高速电机较高的功率密度同样带来较大的损耗密度，温升问题较为严重，为此提出更高的散热要求。

发明内容

针对车用燃料电池对高效空压机的需求，现有气浮轴承抗扰动冲击能力弱、油润滑机械轴承无法满足无油工作要求，磁悬浮轴承轴向尺寸长引起的动力学问题，本发明提出一种用于燃料电池汽车空压机的无轴承超高速永磁同步电机驱动电机。技术方案如下：

一种用于车用燃料电池空压机的无轴承超高速永磁电机，包括机壳、转子、定子、轴承系统及冷却系统，其特征在于，转子采用实心永磁体结构，包括整体平行充磁的实心永磁体和护套；定子包括固定在两端的两段定子铁心和三套绕组，三套绕组包括一套用以驱动电机旋转的转矩悬浮控制绕组和两套用以实现电机两端悬浮的悬浮绕组，两段定子铁心共用一套转矩绕组，而两段定子铁心各自对应一套悬浮绕组，两套悬浮绕组分别用于对转子两侧的位置信息进行反馈，调节悬浮电流实现转子稳定悬浮；所述的轴承系统包括分别固定在两端的辅助滚动轴承和调心辅助轴承，辅助滚动轴承用于支撑转子，以避免转子外表面与定子内表面相撞，在施加悬浮控制电流后，该轴承则不再起作用，且该轴承始终与转子保持一定间隙；实现转子悬浮后，由紧固在另一端的调心辅助轴承保证转子稳定悬浮；所述的冷却系统包括机壳水冷系统和风冷系统，其风冷系统利两段定子铁心间空间作为径向通分道及气隙处作为轴向通风道，由中间进风，流经径向通风道，对两套悬浮绕组内侧端部进行散热，再流经气隙向两侧通风对转子进行散热。

优选地，机壳水冷系统采用螺旋水道结构。

本发明具有以下有益效果：