转轴结构、离心式空气压缩机以及车辆
阅读说明：本技术 转轴结构、离心式空气压缩机以及车辆 (Rotating shaft structure, centrifugal air compressor and vehicle ) 是由 陈玉辉 刘华 张治平 谭超 梁湖 钟瑞兴 于 2021-10-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种转轴结构、离心式空气压缩机以及车辆,转轴结构包括：转子,包括在轴向方向上依次设置的第一轴段和第二轴段；叶轮组件,包括至少一个叶轮,叶轮套设于第一轴段和/或第二轴段；止推盘,套设于转子的第一轴段；一级径向轴承,套设于转子的第一轴段；以及二级径向轴承,套设于转子的第二轴段；其中,一级径向轴承的长度大于二级径向轴承的长度,以使一级径向轴承的单位面积受力大小等于二级径向轴承的单位面积受力大小。上述转轴结构,通过增加一级径向轴承的长度,进而减小了一级径向轴承的径向支撑波箔的单位面积的受力大小,从而可避免转子向第一轴段所在侧发生倾斜,确保离心式空气压缩机平稳运行。(The invention relates to a rotating shaft structure, a centrifugal air compressor and a vehicle, wherein the rotating shaft structure comprises: the rotor comprises a first shaft section and a second shaft section which are sequentially arranged in the axial direction; the impeller assembly comprises at least one impeller, and the impeller is sleeved on the first shaft section and/or the second shaft section; the thrust disc is sleeved on the first shaft section of the rotor; the first-stage radial bearing is sleeved on the first shaft section of the rotor; the second-stage radial bearing is sleeved on the second shaft section of the rotor; the length of the first-stage radial bearing is larger than that of the second-stage radial bearing, so that the stress of the first-stage radial bearing per unit area is equal to that of the second-stage radial bearing per unit area. Above-mentioned pivot structure, through the length that increases one-level journal bearing, and then reduced one-level journal bearing's radial support ripples foil's unit area's atress size to can avoid the rotor to take place to incline to first shaft section place side, ensure centrifugal air compressor even running.)
技术领域
本发明涉及压缩机技术领域，特别是涉及一种转轴结构、离心式空气压缩机以及车辆。
背景技术
氢燃料电池指的是氢通过与氧的化学反应而产生电能的装置，采用氢燃料电池的电动汽车是目前新能源汽车的突破口之一，具有动力性能高、加氢快、续航里程长等优势。而空气压缩机作为用于为燃料电池系统提供高压气源的部件，在氢燃料电池汽车中发挥着重要作用。
目前，常见的空气压缩机包括离心式空气压缩机、螺杆式空气压缩机和涡旋式空气压缩机等。与螺杆压缩机、涡旋压缩机相比，离心式空气压缩机是由叶轮带动气体做高速旋转，使气体产生离心力，由于气体在叶轮里的扩压流动，从而使气体通过叶轮后的流速和压力得到提高而连续地生产出压缩空气，因此可提供更高压比的气源，能显著提升电堆的功率密度和整体性能。而动压气体轴承作为离心式空气压缩机的核心部件之一，具有摩擦损耗小、高转速、高温稳定性好、不需要润滑油等一系列优点，有着十分广阔的应用前景。
离心式空气压缩机包括电机定子和转轴结构，转轴结构可在电磁场力的作用下相对电机定子做高速旋转运动。电子转子包括转子及分别套设于转子两端的两个箔片动压气体径向轴承，箔片动压气体径向轴承基于动压效应实现支撑作用。如图1所示，箔片动压气体径向轴承100包括轴承壳体120及收容于轴承壳体120内的波箔140和顶箔160，且波箔140位于轴承壳体120与顶箔160之间。转子在重力作用下相对箔片动压气体径向轴承100发生偏心，进而与箔片动压气体径向轴承100的内表面形成楔形间隙。当转子在做高速旋转运动时，不断将具有一定粘度的气体带入楔形间隙，而气体的不断进入使得气膜产生一定的压力，当气膜力足以平衡转子的载荷时，转子与箔片动压气体径向轴承100完全分离，上述气膜产生的过程称为动压效应。
由上述原理和轴承结构可知，箔片动压气体径向轴承工作时，通过动压效应形成高压气膜，而箔片动压气体径向轴承的波箔通过变形为气膜提供压力支撑转子，箔片动压气体径向轴承的载荷越大，其内波箔的变形量也越大。
在现有技术中，通常根据空气压缩机工作时箔片动压气体径向轴承的载荷范围，来设计波箔的结构强度以满足变形范围，使得转子-轴承系统工作在一个合理的间隙。而当空气压缩机工作在高负荷情况时，通过轴承波箔实现一定程度的变形，从而提供更大的承载力给转子。
然而，由于波箔是弹性结构，当空气压缩机受到异常冲击(如故障停机、喘振、汽车突然加减速等)，此时转子一端的箔片动压气体径向轴承将受到额外冲击载荷，导致波箔变形过大，顶箔承载力突然增加，容易破坏气膜导致电机轴与箔片动压气体径向轴承直接碰磨，或空气压缩机转子与静止件的发生碰磨。而且，空气压缩机在高转速下，转子两端的箔片动压气体径向轴承的径向轴承箔片单载荷不相等时，容易使转子向一侧发生倾斜，导致箔片动压气体径向轴承与转子之间形成的气膜不稳定，出现转子与箔片动压气体径向轴承发生碰撞现象。
因此，为了提高离心式空气压缩机的运行可靠性，有必要研究一种调整离心式空气压缩机转子重心的方法，确保空气压缩机平稳运行。
发明内容
本发明针对空气压缩机的转子向一侧倾斜而与轴承发生碰撞的问题，提供了一种转轴结构、离心式空气压缩机以及车辆，该转轴结构、离心式空气压缩机以及车辆可以达到防止转子向一侧倾斜而与轴承发生碰撞的技术效果。
根据本申请的一个方面，提供一种转轴结构，包括：
转子，包括第一轴段和第二轴段；
叶轮组件，包括至少一个叶轮，所述叶轮套设于所述第一轴段和/或所述第二轴段；
止推盘，套设于所述转子的所述第一轴段；
一级径向轴承，套设于所述转子的所述第一轴段；以及
二级径向轴承，套设于所述转子的所述第二轴段；
其中，所述一级径向轴承的长度大于所述二级径向轴承的长度，以使所述一级径向轴承的单位面积受力大小等于所述二级径向轴承的单位面积受力大小。
在其中一个实施例中，所述一级径向轴承和所述二级径向轴承均为箔片动压气体径向轴承。
在其中一个实施例中，定义所述转轴结构的所述一级径向轴承所在侧的重心相对所述转轴结构的重心的距离为l1，定义所述转轴结构的所述二级径向轴承所在侧的重心相对所述转轴结构的重心的距离为l2，定义所述一级径向轴承的长度为L1，定义所述二级径向轴承的长度为L2；
所述11、所述l2、所述L1以及所述L2之间的关系满足：l1xL1＝l2xL2。
在其中一个实施例中，所述L1和所述L2之间的关系满足：L1＝nL2，其中1.2<n<1.7。
在其中一个实施例中，所述一级径向轴承的直径和所述二级径向轴承的直径相等。
在其中一个实施例中，定义所述转轴结构的所述一级径向轴承所在侧的重心为F1，定义所述转轴结构的所述二级径向轴承所在侧的重心为F2，定义所述转轴结构的所述一级径向轴承所在侧的重心相对所述转轴结构的重心的距离为l1，定义所述转轴结构的所述二级径向轴承所在侧的重心相对所述转轴结构的重心的距离为l2；
所述转子的所述第一轴段内开设有减重部，以使所述F1、所述F2、所述l1和所述l2之间的关系满足：F1xl1＝F2xl2。
在其中一个实施例中，所述转子的所述第一轴段开设有第一中心孔，所述转子的所述第二轴段开设有第二中心孔，所述减重部被构造为开设于所述第一中心孔的孔壁的凹槽。
在其中一个实施例中，所述减重部沿周向环绕所述第一中心孔，并自所述第一中心孔的轴向上的一端延伸至所述第一中心孔的轴向上的另一端。
根据本申请的另一个方面，提供一种离心式空气压缩机，包括上述的转轴结构。
根据本申请的另一个方面，提供一种车辆，包括燃料电池系统及上述的离心式空气压缩机，所述离心式空气压缩机用于为所述燃料电池系统提供高压气源。
上述转轴结构，通过增加一级径向轴承的长度，进而减小了一级径向轴承的径向支撑波箔的单位面积的受力大小，从而可避免转子向第一轴段所在侧发生倾斜，防止了一级径向轴承与转子之间形成的气膜不稳定，消除了转子和以及径向轴承之间发生碰撞，最终确保离心式空气压缩机平稳运行。
附图说明
图1为箔片动压气体径向轴承的结构示意图；
图2为本发明一实施例中的离心式空气压缩机的结构示意图；
图3为本发明一实施例中的离心式空气压缩机的转轴结构的结构示意图；
图4为本发明另一实施例中的离心式空气压缩机的转轴结构的结构示意图；
附图标号说明：
200、离心式空气压缩机；210、壳体；212、电机筒体；214、一级蜗壳；216、二级蜗壳；220、转轴结构；221、转子；2212、永磁体；2214、第一轴段；2214a、第一中心孔；2216、第二轴段；2216a、第二中心孔；2218、安装套筒；222、一级叶轮；223、二级叶轮；224、止推盘；225、一级锁紧螺母；226、二级锁紧螺母；227、一级径向轴承；228、二级径向轴承；230、电机定子；240、一级扩压器；250、二级扩压器；260、轴承支座；270、梳齿。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
参阅图2至图4，图2示出了本发明一实施例中的离心式空气压缩机的结构示意图，图3示出了本发明一实施例中的离心式空气压缩机的转轴结构的结构示意图；图4示出了本发明另一实施例中的离心式空气压缩机的转轴结构的结构示意图。
本发明一实施例提供了一种离心式空气压缩机200，包括壳体210、转轴结构220、电机定子230、一级扩压器240、二级扩压器250、轴承支座260以及梳齿270。
壳体210包括电机筒体212、一级蜗壳214以及二级蜗壳216，电机筒体212呈两端开口的圆筒状结构以形成电机容纳腔，一级蜗壳214和二级蜗壳216分别设置于电机筒体212的轴向上的相对两端。电机定子230固定设于电机容纳腔内并形成转子221安装孔。
转轴结构220可转动地设于电机容纳腔并穿设于转子221安装孔内，包括转子221、叶轮组件、止推盘224、一级锁紧螺母225、二级锁紧螺母226、一级径向轴承227以及二级径向轴承228。
如图2及图3所示，转子221包括永磁体2212、第一轴段2214、第二轴段2216以及安装套筒2218，永磁体2212为由磁钢形成的实心柱状结构，第一轴段2214和第二轴段2216分别设于永磁体2212的轴向方向上的相对两端，安装套筒2218套设于第一轴段2214、永磁体2212以及第二轴段2216外，从而使第一轴段2214、永磁体2212以及第二轴段2216相互固接。永磁体2212可产生可以产生磁场，用于在电机定子230的绕组通电时，带动转轴结构220转动。
叶轮组件包括一级叶轮222和二级叶轮223，一级叶轮222通过一级锁紧螺母225安装于第一轴段2214在轴向方向上远离永磁体2212的一端，并与一级蜗壳214间隙设置。二级叶轮223通过二级锁紧螺母226安装于第二轴段2216在轴向方向上远离永磁体2212的一端，并与二级蜗壳216间隙设置。
一级径向轴承227套设于第一轴段2214并位于一级叶轮222靠近永磁体2212的一侧，二级径向轴承228套设于第二轴段2216并位于二级叶轮223靠近永磁体2212的一侧。如此，一级径向轴承227和二级径向轴承228为转子221支撑点，对置安装于转子221的相对两端，当离心式空气压缩机200高速运行时，转子221与一级径向轴承227、二级径向轴承228之间形成气膜，从而使转子221悬空而不与一级径向轴承227和二级径向轴承228相接处。
进一步地，一级径向轴承227和二级径向轴承228均为箔片动压气体径向轴承，箔片动压气体径向轴承包括轴承壳体及安装于轴承壳体的径向支撑波箔和径向顶层箔片，且径向支撑波箔位于径向轴承座和径向顶层箔片之间。
止推盘224套设于第一轴段2214并位于一级叶轮222和一级径向轴承227之间，止推盘224与第一轴段2214过盈配合，在离心式空气压缩机200运行时，止推盘224与转子221同步运动，从而防止转子221出现较大的轴向窜动。
一级扩压器240套设于止推盘224外并与止推盘224间隙配合，一级扩压器240轴向和径向均布置有起到密封作用的梳齿270。二级扩压器250套设于二级径向轴承228外并与二级径向轴承228通过螺栓等紧固件固定连接。
轴承支座260套设于一级径向轴承227外，并与电机筒体212、一级径向轴承227分别通过螺栓等紧固件固定连接，从而对一级径向轴承227起到支撑作用。梳齿270套设于第二轴段2216并位于二级径向轴承228和二级叶轮223之间，梳齿270的径向和轴向均布有凹槽梳齿270以起密封作用。
正如背景技术中所述，在上述离心式空气压缩机200中，由于转子221的第一轴段2214上安装有止推盘224，因此整个转轴结构220的重心偏向第一轴段2214所在侧，而一级径向轴承227为整个转轴结构220的唯一支撑点，当其受到的轴向力过大时，将导致转子221发生倾斜导致一级叶轮222与一级蜗壳214发生碰撞，从而降低了整个离心式空气压缩机200的可靠性。
为了解决上述问题，在本申请的转子221结构中，一级径向轴承227和二级径向轴承228的直径相等，一级径向轴承227的长度大于二级径向轴承228的长度，以使一级径向轴承227的单位面积受力大小等于二级径向轴承228的单位面积受力大小，即，一级径向轴承227的径向支撑波箔的单位面积受力大小等于二级径向轴承228的径向支撑波箔的单位面积受力大小相等。
如此，本申请通过增加一级径向轴承227的长度，进而减小了一级径向轴承227的径向支撑波箔的单位面积的受力大小，从而可避免转子221向第一轴段2214所在侧发生倾斜，防止了一级径向轴承227与转子221之间形成的气膜不稳定，消除了转子221和一级径向轴承227之间发生碰撞，最终确保离心式空气压缩机200平稳运行。
具体地，定义转轴结构220的重心为G，定义一级径向轴承227所在侧的重心为F1，定义转轴结构220的一级径向轴承227所在侧的重心F1相对转轴结构220的重心G的距离为l1，定义二级径向轴承228所在侧的重心为F2，定义转轴结构220的二级径向轴承228所在侧的重心F2相对转轴结构220的重心G的距离为l2，定义一级径向轴承227的长度为L1，定义二级径向轴承228的长度为L2。上述11、l2、L1以及L2之间的关系满足：l1xL1＝l2xL2。
如此，近似表示F＝DxL，其中(D为一级径向轴承227或二级径向轴承228的直径，L为一级径向轴承227或二级径向轴承228的长度)，由于一级径向轴承227的直径和二级径向轴承228的直径相等，进而可得到一级径向轴承227与二级径向轴承228的力矩满足：F1xl1＝F2xl2。由于一级径向轴承227与二级径向轴承228的力矩满足上述公式，因此保证了转子221结构的平稳运行。作为一较佳的实施方式，L1和L2之间的关系满足：L1＝nL2，其中1.2<n<1.7。可以连接，n的具体数值不限于此，可根据需要设置以满足不同要求。
需要说明的是，上述转轴结构220的一级径向轴承227所在侧的范围是从永磁体2212的中心点至第一轴段2214的端面，转轴结构220的二级径向轴承228所在侧的范围是从永磁体2212的中心点至第二轴段2216的端面。
如图3及图4所示，在一些实施例中，为了避免一级径向轴承227的长度过长，还可在增加一级径向轴承227的长度的基础上，采用去除材料的方式在转子221的第一轴段2214内开设有减重部以减轻第一轴段2214的重量，从而使转轴结构220的一级径向轴承227所在侧的重心F1、转轴结构220的二级径向轴承228所在侧的重心F2、转轴结构220的一级径向轴承227所在侧的重心F1相对转轴结构220的重心G的距离l1、转轴结构220的二级径向轴承228所在侧的重心F2相对转轴结构220的重心G的距离l2之间的关系满足：F1xl1＝F2xl2。
具体地在一些实施例中，转子221的第一轴段2214开设有第一中心孔2214a，转子221的第二轴段2216开设有第二中心孔2216a，减重部被构造为开设于第一中心孔2214a的孔壁的凹槽，且减重部沿周向环绕第一中心孔2214a，并自第一中心孔2214a的轴向上的一端延伸至第一中心孔2214a的轴向上的另一端。如此，通过去除材料的方式减小了第一轴段2214的重量，从而进一步保证了转轴结构220的重心位于电机中心位置，解决了离心式空气压缩机200运行时轴向力不平稳的问题。
上述转轴结构220及离心式空气压缩机200通过调节一级径向轴承227和二级径向轴承228长度、去除第一轴段2214内的材料的方式使一级径向轴承227的径向支撑波箔和二级径向轴承228的径向支撑波箔的单位面积的受力大小相等，有效调节了转轴结构220的重心，避免了转子221结构向止推盘224所在侧发生倾斜，进而消除了一级径向轴承227与转子221之间形成的气膜不稳定而发生转子221碰撞现象的问题，避免了一级叶轮222与一级蜗壳214发生碰磨，确保了离心式空气压缩机200的平稳运行。
本申请还提供一种车辆，包括燃料电池系统及上述的离心式空气压缩机200，离心式空气压缩机200用于为燃料电池系统提供高压气源。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：蜗壳、风机及油烟机