转子系统和空气压缩机
技术领域
本实用新型涉及转子系统领域，具体而言，涉及一种转子系统和具有所述转子系统的空气压缩机。
背景技术
空气压缩机广泛应用于航空航天、汽车、管道运输、食品包装等领域，除此之外，空气压缩机是新能源燃料电池汽车的发动机的辅助空气供气总成中的关键部件之一，其输出的压力和流量将直接影响到燃料电池发动机中的化学计量比、空气加湿特性和水热管理特性，进而影响燃料电池中电堆的电压输出和燃料电池中发动机的功率输出。
空气压缩机通常采用电机驱动，消耗燃料电池汽车的发动机自身的功率。为提高发动机的有效功率输出，降低空气压缩机的寄生功耗，高效空气压缩机技术引起了广泛的关注。而且，由于空气压缩机的超高速运转，随着转速提高，转子将会承受越来越大的离心力作用。转子中的永磁体材料一般抗压强度在1000MPa左右，但是抗拉强度仅仅在80MPa左右，具有抗压不抗拉的特性。在空气压缩机的转子的设计上一般采用直径较小的转子，以降低超高速条件下离心力对永磁体的拉伸破坏。但是，为了满足高压比、大流量的空气供应输出要求，即电机的大功率输出，保证电机具有足够的转矩输出，又要求电机转子具有足够大的直径，从以上可以看出，电机转子-主轴结构的尺寸设计要求很高。
此外，为提高离心式压缩机的输出功率，离心式空气压缩机的转子一般要达到转速为100,000rpm以上的超高速运行状态，在转子-主轴同速运转情况下，将会对高速旋转主轴支撑的轴承提出更高的要求。相关技术中，油润滑轴承难以避免发生漏油的情况，漏油将会进入燃料电池发动机内部，影响燃料电池的电化学反应。因此，无油润滑的轴承支撑是空气压缩机的最佳选择，箔片空气轴承比其他种类轴承更适用于高速轻空压机领域。
空气压缩机搭载整车，对整机的NVH性能要求越来越高，要求车载空气压缩机转子组件的动平衡达到很低的水平，同时，在高转速运转过程中，转子组件内部零件之间不能相对转动(或移动)，否则会造成动平衡量的变化，出现不平衡噪音的问题。在相关技术中，磁铁一般采用胶水固定。
相关的燃料电池空气压缩机转子组件，工作转速在100,000rpm左右时可以稳定运行。但是，当转速提高到150,000rpm以上时，磁铁与轴之间、轴承套与轴之间有相对转动的风险，相对转动会导致零件的不动平衡量相位变化，进而导致转子组件的动平衡劣化，出现性能下降和NVH噪声问题。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型旨在提出一种转子系统，结构简单、惯量小，能够持久地保持空气压缩机具有较低的噪声，NVH性能好。
本实用新型还提出一种具有所述转子系统的空气压缩机。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
根据本实用新型第一方面实施例的转子系统，包括：转子轴；压轮，所述压轮套设在所述转子轴上；磁性转子，所述磁性转子套设在所述转子轴上；轴承套筒，所述轴承套筒包括第一轴承套筒和第二轴承套筒，所述第一轴承套筒和所述第二轴承套筒分别套设在所述转子轴上，所述第一轴承套筒和所述第二轴承套筒的相对两端面分别与所述磁性转子的两端面相抵；止推轴承，所述止推轴承套设在所述转子轴上且在所述转子轴的轴向上位于所述压轮与所述第一轴承套筒之间。
根据本实用新型实施例的转子系统，通过使磁性转子夹紧在第一轴承套筒和第二轴承套筒之间，增大了磁性转子和第一轴承套筒、磁性转子和第二轴承套筒之间的静摩擦力，可以防止在高速运转时磁性转子和第一轴承套筒、磁性转子和第二轴承套筒之间发生相对转动，在冷热交替变化过程中始终保持轴向预紧力，在高转速下的动平衡稳定性好，从而结构简单、惯量小，能够持久地保持空气压缩机具有较低的噪声、保证空气压缩机的NVH性能。
根据本实用新型的一些实施例，所述轴承套筒的与所述磁性转子相抵的端面上设有增摩孔。
在本实用新型的一些实施例中，所述增摩孔贯通所述轴承套筒的两端面。
在本实用新型的一些实施例中，所述增摩孔内设有弹性垫，所述磁性转子的端面与所述弹性垫相抵。
根据本实用新型的一些实施例，所述止推轴承包括：止推轴承座，所述止推轴承座具有止推腔；止推转子，所述止推转子套设在所述转子轴上且可转动地配合在所述止推腔内，所述止推转子的端面与所述止推腔的内壁之间具有间隙，所述止推转子与所述压轮之间设有轴封，所述轴封套设在所述转子轴上。
在本发明的一些实施例中，所述转子系统还包括：第一磁性转体和第二磁性转体，所述第一磁性转体和所述第二磁性转体分别套设在所述转子轴上且位于所述止推转子的两侧；第一磁性定子和第二磁性定子，所述止推腔具有贯通的转轴孔，所述转子轴可转动地设在所述转轴孔中，所述第一磁性定子和所述第二磁性定子分别配合在所述转轴孔中且围绕所述转子轴设置，所述第一磁性定子与所述第一磁性转体同极相对且与所述转子轴间隔开，所述第二磁性定子与所述第二磁性转体同极相对且与所述转子轴间隔开。
根据本实用新型的一些实施例，所述第一轴承套筒的外侧和所述第二轴承套筒的外侧分别套设有径向轴承，所述径向轴承包括：轴承支座；空气轴承，所述空气轴承配合在所述轴承支座内。
根据本实用新型的一些实施例，所述磁性转子包括：至少一个永磁体，所述永磁体套设在所述转子轴上，所述永磁体沿所述转子轴的轴向分布。
根据本实用新型的一些实施例，所述磁性转子还包括：纤维层，所述纤维层套设在所述磁性转子的外侧。
根据本实用新型第二方面实施例的空气压缩机，包括根据本实用新型第一方面实施例所述的转子系统。
根据本实用新型实施例的空气压缩机，利用上述转子系统，可以防止在高速运转时磁性转子和第一轴承套筒、磁性转子和第二轴承套筒之间发生相对转动，在冷热交替变化过程中始终保持轴向预紧力，在高转速下的动平衡稳定性好，从而结构简单、惯量小，能够持久地保持空气压缩机具有较低的噪声、保证空气压缩机的NVH性能。
附图说明
构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1是本实用新型实施例的转子系统的结构示意图；
图2是本实用新型实施例的转子系统的结构示意图；
图3是本实用新型实施例的转子系统的结构示意图。
附图标记说明：
转子系统10、弹性垫11、第一紧固螺母12、第二紧固螺母13、轴封14、
转子轴100、压轮200、磁性转子300、永磁体310、纤维层320、
增摩孔401、第一轴承套筒410、第二轴承套筒420、
止推轴承500、止推轴承座510、止推转子520、
径向轴承600、轴承支座610、空气轴承620、定子700、冷却水道800。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考图1-图3并结合实施例来详细说明本实用新型。
如图1-图3所示，根据本实用新型第一方面实施例的转子系统10，包括：转子轴100、压轮200、磁性转子300、轴承套筒和止推轴承500。
具体而言，压轮200套设在转子轴100上，磁性转子300套设在转子轴100上。轴承套筒包括第一轴承套筒410和第二轴承套筒420，第一轴承套筒410和第二轴承套筒420分别套设在转子轴100上，第一轴承套筒410和第二轴承套筒420的相对两端面分别与磁性转子300的两端面相抵，即，磁性转子300分别与第一轴承套筒410和第二轴承套筒420之间形成面接触。止推轴承500套设在转子轴100上，止推轴承500在转子轴100的轴向上位于压轮200与第一轴承套筒410之间。
例如，转子轴100上从前至后依次套设有压轮200、止推轴承500、第一轴承套筒410、磁性转子300和第二轴承套筒420。其中，磁性转子300的前端面与第一轴承套筒410的后端面相抵，磁性转子300的后端面与第二轴承套筒420的前端面相抵。工作时，磁性转子300承受旋转力矩，磁性转子300与第一轴承套筒410、磁性转子300与第二轴承套筒420的配合面在静摩擦力作用下不会产生相对转动。
根据本实用新型实施例的转子系统10，通过使磁性转子300夹紧在第一轴承套筒410和第二轴承套筒420之间，增大了磁性转子300和第一轴承套筒410、磁性转子300和第二轴承套筒420之间静摩擦力，可以防止在高速运转时磁性转子300和第一轴承套筒410、磁性转子300和第二轴承套筒420之间发生相对转动，在冷热交替变化过程中始终保持轴向预紧力，在高转速下的动平衡稳定性好，从而结构简单、惯量小，能够持久地保持空气压缩机具有较低的噪声、保证空气压缩机的NVH性能。
根据本实用新型的一些实施例，如图1所示，转子系统10还包括：第一紧固螺母12和第二紧固螺母13，第一紧固螺母12与转子轴100螺纹配合以压紧压轮200，第二紧固螺母13与转子轴100螺纹配合以压紧第二轴承套筒420。其中，第一紧固螺母12安装在转子轴100的前端，第二紧固螺母13安装在转子轴100的后端。
这样，可以通过拧紧第一紧固螺母12和第二紧固螺母13，使磁性转子300和第一轴承套筒410、磁性转子300和第二轴承套筒420相互压紧，从而第一轴承套筒410与磁性转子300之间、磁性转子300与第二轴承套筒420之间、第二轴承套筒420与第二紧固螺母13之间的静摩擦力足够大，高速运转时零件之间不产生相对转动，并且，在冷热交替变化过程中始终保持轴向预紧力，保证第一轴承套筒410、磁性转子300、第二轴承套筒420和第二紧固螺母13之间不松动。
根据本实用新型的一些实施例，如图1所示，第一轴承套筒410的至少一端面设有增摩孔401。例如，第一轴承套筒410的后端面设有增摩孔401，增摩孔401可以为后端敞开的槽，增摩孔401也可以为通孔；又如，第一轴承套筒410的前后端面上分别设有增摩孔401。
这样，可以对第一轴承套筒410减重，并且在第二紧固螺母13的力矩作用下，第一轴承套筒410与磁性转子300的配合面产生面压力，由于增摩孔401的存在，第一轴承套筒410与磁性转子300的接触面积减小，变形量增大，变形量的增大可以进一步地增大第一轴承套筒410与磁性转子300的配合面的静摩擦力。工作时，磁性转子300承受旋转力矩，第一轴承套筒410与磁性转子300的配合面在静摩擦力的作用下不会产生相对转动。
在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，增摩孔401贯通第一轴承套筒410的两端面(如前后端面)。这样，可以进一步地增大第一轴承套筒410的两端面处(如前后端面处)的静摩擦力。
在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，第二轴承套筒420的至少一端面设有增摩孔401。例如，第二轴承套筒420的前端面设有增摩孔401，增摩孔401可以为前端敞开的槽，增摩孔401也可以为通孔；又如，第二轴承套筒420的前后端面上分别设有增摩孔401。
这样，可以对第二轴承套筒420减重，并且在第二紧固螺母13的力矩作用下，第二轴承套筒420与磁性转子300的配合面产生面压力，由于增摩孔401的存在，第二轴承套筒420与磁性转子300的接触面积减小，变形量增大，变形量的增大可以进一步地增大第二轴承套筒420与磁性转子300的配合面的静摩擦力。工作时，磁性转子300承受旋转力矩，第二轴承套筒420与磁性转子300的配合面在静摩擦力的作用下不会产生相对转动。
在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，增摩孔401贯通第二轴承套筒420的两端面(如前后端面)。这样，可以进一步地增大第二轴承套筒420的两端面处(如前后端面处)的静摩擦力。
可选地，增摩孔401可以为多个，多个增摩孔401分别均匀设置在第一轴承套筒410和第二轴承套筒420上，从而增摩和减重效果更好。
在本实用新型的一些实施例中，如图1所示，增摩孔401内设有弹性垫11，磁性转子300的端面与弹性垫11相抵。例如，设在第一轴承套筒410的增摩孔401内的弹性垫11与磁性转子300的前端面相抵，设在第二轴承套筒420的增摩孔401内的弹性垫11与磁性转子300的后端面相抵。这样，可以进一步地防止磁性转子300与第一轴承套筒410之间、磁性转子300与第二轴承套筒420之间发生相对转动。
根据本实用新型的一些实施例，如图2所示，第一轴承套筒410和第二轴承套筒420中的每一个与转子轴100间隙配合或过渡配合。即，第一轴承套筒410与转子轴100间隙配合或过渡配合，第二轴承套筒420与转子轴100间隙配合或过渡配合。这样，可以方便第一轴承套筒410和第二轴承套筒420的顺利安装。
根据本实用新型的一些实施例，如图2所示，止推轴承500包括：止推轴承座510和止推转子520。止推轴承座510具有止推腔。止推转子520套设在转子轴100上，止推转子520可转动地配合在止推腔内，止推转子520的端面与止推腔的内壁之间具有间隙。这样，使得止推轴承500具有一定的弹性，当达到一定转速时，止推转子520与止推轴承座510之间的间隙可以避免止推轴承座510与止推转子520之间发生磨损。例如，止推腔的纵截面被构造成U形。
在本实用新型的一些实施例中，如图2所示，止推转子520与压轮200之间设有轴封14，轴封14套设在转子轴100上。这样，轴封14分别与止推转子520和压轮200抵接，避免发生相对转动，并且可以起到密封作用，结构紧凑。
在本发明的一些实施例中，转子系统10还包括：第一磁性转体、第二磁性转体、第一磁性定子和第二磁性定子。
具体而言，第一磁性转体和第二磁性转体分别套设在转子轴100上，第一磁性转体和第二磁性转体分别位于止推转子520的两侧。止推腔具有贯通的转轴孔，转子轴100可转动地设在转轴孔中，第一磁性定子和第二磁性定子分别配合在转轴孔中，且第一磁性定子和第二磁性定子分别围绕转子轴100设置。
其中，第一磁性定子与第一磁性转体同极相对，且第一磁性定子与第一磁性转体分别与转子轴100间隔开。第二磁性定子与第二磁性转体同极相对，且第二磁性定子与第二磁性转体分别与转子轴100间隔开。第一磁性转体、第二磁性转体、第一磁性定子和第二磁性定子可以分别为永磁铁。
例如，转轴孔贯通止推腔的左右两侧壁，第一磁性转体位于止推转子520的左侧，第二磁性转体位于止推转子520的右侧。第一磁性转体、第二磁性转体、第一磁性定子和第二磁性定子分别为环形，第一磁性定子的内径和第二磁性定子的内径分别大于转子轴100的直径。其中，第一磁性定子的右端为S极，第一磁性转体的左端为S极；第二磁性定子的左端为N极，第二磁性转体的右端为N极。
这样，可以利用磁力来抵消轴向力，避免止推转子520与止推轴承座510发生接触，可以延长止推轴承500的使用寿命，并且可以降低摩擦产生的热量以及摩擦功耗，提高转子系统10的性能。
根据本实用新型的一些实施例，如图2所示，第一轴承套筒410的外侧和第二轴承套筒420的外侧分别套设有径向轴承600。这样，可以对转子轴100起到支撑作用。
进一步地，径向轴承600包括：轴承支座610和空气轴承620。空气轴承620配合在轴承支座610内。这样，结构更加可靠。
根据本实用新型的一些实施例，如图3所示，磁性转子300可以包括多个永磁体310。永磁体310为中空件，每个永磁体310套设在转子轴100上，多个永磁体310沿转子轴100的轴向分布。
例如，永磁体310可以采用两段式平行充磁的结构，两个永磁体310沿前后方向依次套设在转子轴100上，通过拧紧第二紧固螺母13，使得两个永磁体310被压紧在第一轴承套筒410与第二轴承套筒420之间。
这样，两段式结构可以有效增加永磁体310表面的涡流回路电阻，从而抑制气隙中谐波磁场在永磁体310表面的涡流损耗。并且平行充磁可以提高气隙磁场的正弦性，进而削弱气隙谐波磁场，也可以削弱永磁体310表面的涡流损耗，从而提高电机的效率，并且降低磁性转子300的温度，延长永磁体310的使用寿命。
在相关技术中，永磁电机转子结构通常有两种，一种是表贴式，另一种是嵌入式。嵌入式是将磁钢通过各种方法嵌入到铁芯的内部，相邻两磁钢之间存在铁磁材料，导致转子漏磁系数增大，从而降低电机的效率。表贴式是通过各种方式将磁钢固定到铁芯的表面。以上两种方式都需要准备铁芯等材料来起到固定磁钢的作用，这样不仅会使成本增加同时也会导致装配困难。
为此，根据本实用新型的一些实施例，如图3所示，磁性转子300还包括：纤维层320。纤维层320套设在磁性转子300的外侧。也就是说，通过纤维层320包裹磁性转子300的方式，使磁性转子300固定在转子轴100上。
其中，在磁性转子300的外侧设有定子700，冷却水道800围绕定子700设置，冷却水道800可以起到冷却作用。
例如，磁性转子300包括多个永磁体310，首先将第一轴承套筒410装到转子轴100的前端，然后将由纤维层320包裹的多个永磁体310套入转子轴100上并与第一轴承套筒410相邻，最后将第二轴承套筒420装到转子轴100上，最后用第二紧固螺母13将第二轴承套筒420压紧达到固定磁性转子300的作用，使磁性转子300与第一轴承套筒410之间、磁性转子300与第二轴承套筒420之间不会发生相对转动。
由此，可以省去固定磁钢用的铁芯，有助于提高永磁材料的空间利用率，可以在有限空间内尽可能多地放置永磁体310，从而提高电机的功率密度，使电机能够在超高转速下稳定运行。并且纤维层320可以使空气压缩机达到更高的转速，同时节省空气压缩机的空间，使结构更加紧凑。
在本实用新型的一些实施例中，如图3所示，纤维层320为碳纤维件。这样，由于碳纤维具有抗拉强度大、密度小的优点，可以达到更高的转速；同时，节省了电机的气隙空间，使电机的结构更加紧凑；此外，碳纤维的密度、导电率小，可以有效抑制电机气隙中谐波磁场在纤维层320表面的涡流损耗，有助于进一步地提高电机效率，减轻整机重量。
根据本实用新型第二方面实施例的空气压缩机，包括根据本实用新型第一方面实施例所述的转子系统10。
根据本实用新型实施例的空气压缩机，利用上述转子系统，可以防止在高速运转时磁性转子300和第一轴承套筒410、磁性转子300和第二轴承套筒420之间发生相对转动，在冷热交替变化过程中始终保持轴向预紧力，在高转速下的动平衡稳定性好，从而结构简单、惯量小，能够持久地保持空气压缩机具有较低的噪声、保证空气压缩机的NVH性能。
以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
