CN112564379A - 一种防氢蚀密封装置及防氢蚀电机和氢气循环泵 - Google Patents

Abstract

本发明所述本发明所述及氢气循环泵，防氢蚀密封装置采用绝缘的防氢蚀非金属合成材料制成锥形盆状本体，将防氢蚀电机定子和转子进行分离，即将氢气循环泵溢散到防氢蚀电机的氢气与定子隔离；该防氢蚀内衬安装结构简单；既可锥形盆状结构以保证强度，且不会产生因定子磁路和转子旋转引起的变形，同时不影响定子和转子之间的磁场转换。防氢蚀电机使用防氢蚀密封装置降低了定子电压拉弧产生电火花的风险。且定子采用H型结构齿，能够获得传统齿型定子结构两倍的转矩和转速，且材料用量小。

Description

一种防氢蚀密封装置及防氢蚀电机和氢气循环泵

技术领域

本发明涉及电机密封技术领域，特别是一种防氢蚀密封装置及防氢蚀电机和氢气循环泵。

背景技术

燃料电池的反应过程中一般经由催化剂的作用，使得阳极的氢分子分解成两个质子(proton)与两个电子(electron)，其中质子被氧“吸引”到薄膜的另一边，电子则经由外电路形成电流后，到达阴极。燃料电池反应后会有一部分氢气未发生转化，这种易燃易爆气体排放到空气中既是是对能源的浪费也大大降低了氢燃料电池***的能量转化效率。随着新能源汽车氢燃料电池***的发展，燃料电池车能量转化效率要求越来越高，电池反应后排放氢气的循环再利用则变得至关重要。目前，常用质子交换膜燃料电池氢气循环泵对该部分氢气进行收集、增压实现循环再利用。

由于质子交换膜燃料电池氢气循环泵所处的环境特殊，氢气为易燃易爆气体，收集到的氢气经过增压循环过程很容易渗透到电机腔体内造成对电机内的铁心和绝缘材料腐蚀，降低电机寿命，甚至造成电机绝缘材料损坏后烧损电机；同时电池反应后排放的氢气中含有大量的水汽，该水汽也会导致定子铁心锈蚀，定子绝缘性能降低，从而发生定子绕组间短路烧损。

质子交换膜燃料电池氢气循环泵可包括离心式增压泵、凸轮增压泵/罗茨增压泵、爪式增压泵、隔膜式增压泵或涡旋式增压泵，不论何种形式的氢气循环泵都需要考虑氢气密封的问题，且尽量不让氢气与电机接触。基于泵本身形式不同，爪式增压泵、罗茨式等容积式氢气循环泵多采用在转子室（氢气增压室）和传动室之间，以及传动室和电机之间采用密封圈进行密封，如公开号为CN 110319004 A的一种爪式氢气循环泵和公开号为CN111173743 A的一种轴承中置式氢气循环泵的密封方案，但上述两种密封方案均为动密封形式，随着传动轴的转动，密封件与轴之间一直接触摩擦，使得密封件磨损严重的同时密封效果大打折扣。

对于离心式氢气循环泵，一般采用离心式泵头与电机直连的结构形式，有结构紧凑、重量轻、可靠性高、低噪音等优点。目前离心式氢气循环泵配置的电机分为无隔氢保护和有隔氢保护两种。无隔氢保护的离心式氢气循环泵配置的电机，定子得不到有效防护，电机寿命短；有隔氢保护的离心式氢气循环泵配置的电机形式各有不同，有的在泵头叶轮和电机之间采用齿形密封，但这种形式只能减少泵头的氢气进入电机中，无法彻底隔绝氢气；有的采用屏蔽套筒的方式，如授权公告号为CN 208702734 U的一种全屏蔽式高速离心氢气循环泵的方案，但屏蔽套筒是深桶型复杂结构，加工难且制造成本偏高。有的采用圆筒形内衬和径向O形圈进行密封，如公开号为CN 111668973 A的一种电机防爆密封结构及电机及气体压缩机的方案，该结构随电机振动、气流干扰和转子扰动极易发生摩擦位移，而且强度不足容易发生变形，最终导致密封失效。

发明内容

本发明提供一种防氢蚀密封装置及防氢蚀电机和氢气循环泵，通过设置锥形盆状内衬将电机定子和转子隔离，以解决氢气循环泵在增压时由于密封失效导致的电机定子腐蚀问题。

本发明技术方案如下：

一种防氢蚀密封装置包括防氢蚀非金属合成材料制成的锥形盆状本体，所述本体的盆底部外径小于其顶部外径，所述盆底部中心位置开设有内径稍大于转子轴的通孔，所述本体的顶部沿其径向方向向外延伸有上沿。

作为优选，所述本体的锥形部分的锥度不大于5度，且在所述锥形部分的表面中心对称设有用于卡接定子卡槽的肋部。

作为优选，所述肋部从所述盆底部一直延伸至所述上沿，且其厚度均匀设置或根据定子卡槽的形状进行设计。

作为优选，所述上沿和/或所述盆底部设有密封定位凸起。

一种防氢蚀电机，使用上述的防氢蚀密封装置隔离所述电机的定子与转子，所述防氢蚀密封装置的盆底部与所述电机的一侧端盖密封定位，所述防氢蚀密封装置的上沿与所述电机的另一侧端盖密封定位，所述定子被隔离在所述防氢蚀密封装置与所述电机的外壳组成的密闭空间内。

作为优选，所述定子包括定子铁心和定子绕组，所述定子铁心包括轭部和沿所述轭部中心对称分布的多个齿部，所述齿部为沿所述轭部的径向布置的H型结构齿，一个所述H型结构齿的外侧槽孔和内侧槽孔共同组成一个绕组线圈的嵌线槽，所述嵌线槽内设有对插式绝缘卡，所述对插式绝缘卡分别沿轴向对***所述H型结构齿的外侧槽孔和内侧槽孔内；所述对插式绝缘卡的外侧形成用于沿轴向缠绕所述绕组线圈的环形卡槽。

作为优选，所述H型结构齿外侧槽孔的尾端与所述轭部的外表面相重合，且所述外侧槽孔的尾端在轭部的周向上相互内勾设有成对的上卡齿；所述H型结构齿内侧槽孔的尾端构成所述定子结构的中心孔，且所述内侧槽孔的尾端在所述中心孔的周向上相互内勾设有成对的下卡齿；一个所述H型结构齿的两个下卡齿之间的距离等于该述H型结构齿一个下卡齿与相邻H型结构齿的相邻下卡齿之间的距离。

作为优选，防氢蚀电机的定子包括多个沿轴向相互堆叠的定子冲片，每个所述定子冲片均包括所述轭部和所述齿部，每个所述定子冲片的H型结构齿对应重叠组成嵌线槽。

一种氢气循环泵，使用上述的防氢蚀电机作为动力源，且所述防氢蚀电机转子的轴伸出所述电机外壳的部分与氢气循环泵的循环叶轮相连。

本发明相对于现有技术优势在于：

1、本发明所述防氢蚀密封装置、防氢蚀电机及氢气循环泵，采用绝缘的防氢蚀非金属合成材料制成锥形盆状本体，将电机定子和转子进行分离，即将氢气循环泵中的氢气与定子隔离；该防氢蚀内衬安装结构简单；既可以保证强度，同时不影响定子和转子之间的磁场转换，该防氢蚀密封装置本体的锥形盆状结构可承受3bar压力，且不会产生因定子磁路和转子旋转引起的变形。

2、本发明所述使用防氢蚀密封装置隔离所述电机的定子与转子的防氢蚀电机，相当于在电机转子和定子之间增加防氢蚀内衬，该防氢蚀内衬同时具备如下优点：由于在防氢蚀密封装置的轴向、所述锥形部分的表面设有与定子槽口相嵌合的肋部，其上沿和/或所述盆底部设有密封定位凸起，使得轴向与径向定位密封性好，不会因振动和气体扰动发生位移；且该防氢蚀内衬可保护电机绕组不会从定子的环形卡槽中跑出；该防氢蚀内衬采用锥形支撑和肋部加强筋并行结构有很好的强度，不易损坏。一旦氢气从从增压腔进入电机该防氢蚀密封装置可防止氢气泄漏到定子中，形成除机壳本身密封外的第二道防护，与机壳本身密封共同组成两道密封保证氢气不会泄漏到电机外及大气中。

3、本发明所述防氢蚀密封装置采用绝缘结构，降低了定子电压拉弧产生电火花的风险，且一旦转子部分零件损坏，该防氢蚀内衬能防止旋转体飞溅打伤定子造成整个电机烧损。

4、本发明所述防氢蚀电机及氢气循环泵采用H型结构齿，且在H型结构齿的外侧槽孔和内侧槽孔共同组成的嵌线槽内设置对插式绝缘卡外侧的环形卡槽内绕线组成绕组线圈，且一个H型结构齿上绕制一个绕组线圈，当向绕组通电时，一个H型结构齿的空间位置形成定子圆周切向的N/S两个磁极；即当轭部存在4个齿部（H型结构齿）时，可以产生8个磁极，能够获得传统8齿型定子结构相当的转矩和转速，且材料用量小，尺寸比传统结构减小近一倍；与分布式绕组定子相比，由于所述防氢蚀密封装置的肋部直接卡接到绕线槽内，不需要槽楔。且无需单独引出插接线，在定子上并联的多个绕组线圈可直接与控制板对应触点焊接，无需在定子结构的端面走线，绕组浪费较少，也无需设置绝缘端板，绕组端部短铜线用量少，电阻小，发热量小，电机重量小，损耗降低，且易于制造。

附图说明

图1是本发明防氢蚀密封装置的一实施例主视剖视结构示意图；

图2是本发明防氢蚀密封装置另一实施例的三维结构示意图；

图3是本发明防氢蚀密封装置另一实施例的俯视结构的示意图；

图4是本发明防氢蚀电机的剖视结构示意图；

图5是本发明防氢蚀电机一种实施例的防氢蚀密封装置隔离定子和转子的截面结构示意图；

图6是本发明防氢蚀电机另一种实施例的防氢蚀密封装置隔离定子和转子的截面结构示意图；

图7是本发明防氢蚀电机的定子三维结构示意图；

图8是本发明防氢蚀电机的定子端面结构示意图。

附图标记列示如下：

1—防氢蚀密封装置（防氢蚀内衬），11—本体，111—盆底部，112—锥形部分，113—上沿，114—肋部，115—密封定位凸起，1151—第一密封定位凸起，1152—第二密封定位凸起，

2—定子，21—定子铁心，22—定子绕组，211—轭部,212—H型结构齿（齿部），2121—外侧槽孔，21211—上卡齿，2122—内侧槽孔，21221—下卡齿，213—对插式绝缘卡，2131—环形卡槽，214—中心孔，215—槽口，

3—转子，4—前端盖，5—轴承，6—电机外壳，7—后端盖，8—防氢蚀端盖，9—O型密封圈。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图1-8和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。

实施例1

一种防氢蚀密封装置1，如图-3所示，包括防氢蚀非金属合成材料（比如PEEK+30%GF聚醚醚酮+30%玻纤材料）制成的锥形盆状本体11，所述锥形盆状本体11包括盆底部111、锥形部分112和上沿113，所述锥形部分112的小径侧（即所述本体的盆底部111）密封组成所述盆底部111，且所述盆底部111中心位置开孔，以使电机的转子3轴顺利通过；所述上沿113位于所述锥形部分112的大径侧（即所述本体11的顶部），且通过其大径侧沿其径向方向向外延伸而成。

作为优选，所述本体11的锥形部分112的锥度不大于5度，沿其轴向在所述锥形部分112的表面设有与定子2槽口215相嵌合的肋部114。如图1所示6个所述肋部114中心对称设于所述锥形部分112的外表面。

作为优选，所述肋部114从所述上沿113一直延伸至所述盆地部111，且其厚度均匀设置。

作为优选，所述上沿113和/或所述盆底部111设有环状的密封定位凸起115。所述密封定位凸115起为环状，与电机前端盖4和/或后端盖7上设置的定位槽相配合，将定子2与转子3相互隔离。

实施例2

一种防氢蚀电机，如图4-5所示，使用上述的防氢蚀密封装置1隔离所述电机的定子2与转子3，所述防氢蚀密封装置1此时为防氢蚀内衬，其盆底部111通过其上设置的第一密封定位凸起1151与所述电机前端盖4设置的前定位槽相互配合，实现密封定位，所述上沿113通过在其上设置的第二密封定位凸起1152与所述电机的后端盖7密封定位，所述定子2被隔离在所述防氢蚀密封装置1与所述电机的外壳6等组成的密闭空间内。

在所述防氢蚀电机的内部，通过增压泵室溢散到电机内的氢气仅仅存在于所述防氢蚀密封装置1（即防氢蚀内衬）与前端盖4和后端盖7组成的转子室内，转子3本身没有设置线圈等，且易于涂加防氢蚀涂料，故而溢散的氢气不会对转子3造成威胁，同时增加双保险，即在后端盖7的后侧加装防氢蚀端盖8，且通过O型密封圈9密封所述防氢蚀端盖8和所述后端盖7，并通过O型密封圈密封所述前端盖4、后端盖7与电机外壳6相连接的部位，充分保证氢气不会通过电机泄露到外部空气中。且溢散的氢气对电机造成的损伤仅仅控制在用于辅助转子3转动的轴承5上，由于轴承5本身为标准件且易于更换，极大降低了电机的维修成本。

作为优选，与上述方案不同地是，如图6-8所示，所述定子2包括定子铁心21和定子绕组22，所述定子铁心21包括轭部211和沿所述轭部211中心对称分布的多个齿部212，所述齿部212为沿所述轭部的径向布置的H型结构齿212，一个所述H型结构齿212的外侧槽孔2121和内侧槽孔2122共同组成一个绕组线圈的嵌线槽，所述嵌线槽内设有对插式绝缘卡213，所述对插式绝缘卡213分别沿轴向对***所述H型结构齿212的外侧槽孔2121和内侧槽孔2122内；所述对插式绝缘卡213的外侧形成用于沿轴向缠绕所述绕组线圈的环形卡槽2131。当缠绕好定子绕组22后，一个H型结构齿212的空间位置形成定子2圆周切向的N/S两个磁极；即当轭部211存在4个齿部（H型结构齿）212时，可以产生如图8所示的8个磁极，即能够获得传统8齿型定子结构相当的转矩和转速，且材料用量小，尺寸比传统结构减小近一倍；与分布式绕组定子相比，不需要槽楔，进而为所述防氢蚀密封装置1的肋部114卡接形成较好的卡槽。

作为优选，所述的防氢蚀电机的定子铁心21包括多个沿轴向相互堆叠的定子冲片，每个所述定子冲片均包括所述轭部211和所述齿部212，每个所述定子冲片的H型结构齿212对应重叠组成嵌线槽。

作为优选，所述H型结构齿212外侧槽孔2121的尾端与所述轭部211的外表面相重合，且所述外侧槽孔2121的尾端在轭部211的周向上相互内勾设有成对的上卡齿21211；所述H型结构齿212内侧槽孔2122的尾端构成所述定子结构的中心孔214，且所述内侧槽孔2122的尾端在所述中心孔214的周向上相互内勾设有成对的下卡齿21221；一个所述H型结构齿212的两个下卡齿之间的距离等于该述H型结构齿一个下卡齿与相邻H型结构齿的相邻下卡齿之间的距离，每两个相邻下卡齿之间组成一个槽口215。即一个带有4个H型结构齿212的定子2，在其中心孔214位置形成8个宽度相等的槽口215，以使中心对称分布的所述防氢蚀密封装置的8个肋部114能够卡接到槽口215内，一方面能保护定子绕组22的绕组线圈并能对堆叠的定子冲片起到骨架支撑的作用，另一方面还能加强所述防氢蚀密封装置1锥形部分12的强度，使其不会因转子3的旋转或电机的振动而变形。

实施例3

一种氢气循环泵，使用上述的防氢蚀电机作为动力源，且所述防氢蚀电机的转子3的轴伸出所述电机外壳6的部分与氢气循环泵的循环叶轮相连。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改变，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。

Claims (9)

1.一种防氢蚀密封装置，其特征在于，包括防氢蚀非金属合成材料制成的锥形盆状本体，所述本体的盆底部外径小于其顶部外径，所述盆底部中心位置开设有内径稍大于转子轴的通孔，所述本体的顶部沿其径向方向向外延伸有上沿。

2.根据权利要求1所述的防氢蚀密封装置，其特征在于，所述本体的锥形部分的锥度不大于5度，且在所述锥形部分的表面中心对称设有用于卡接定子卡槽的肋部。

3.根据权利要求2所述的防氢蚀密封装置，其特征在于，所述肋部从所述盆底部一直延伸至所述上沿，且其厚度均匀设置。

4.根据权利要求1所述的防氢蚀密封装置，其特征在于，所述上沿和/或所述盆底部设有密封定位凸起。

5.一种防氢蚀电机，其特征在于，使用权利要求1-4之一所述的防氢蚀密封装置隔离所述电机的定子与转子，所述防氢蚀密封装置的盆底部与所述电机的一侧端盖密封定位，所述防氢蚀密封装置的上沿与所述电机的另一侧端盖密封定位，所述定子被隔离在所述防氢蚀密封装置与所述电机的外壳组成的密闭空间内。

6.根据权利要求5所述的防氢蚀电机，其特征在于，所述定子包括定子铁心和定子绕组，所述定子铁心包括轭部和沿所述轭部中心对称分布的多个齿部，所述齿部为沿所述轭部的径向布置的H型结构齿，一个所述H型结构齿的外侧槽孔和内侧槽孔共同组成一个绕组线圈的嵌线槽，所述嵌线槽内设有对插式绝缘卡，所述对插式绝缘卡分别沿轴向对***所述H型结构齿的外侧槽孔和内侧槽孔内；所述对插式绝缘卡的外侧形成用于沿轴向缠绕所述绕组线圈的环形卡槽。

7.根据权利要求6所述的防氢蚀电机，其特征在于，所述H型结构齿外侧槽孔的尾端与所述轭部的外表面相重合，且所述外侧槽孔的尾端在轭部的周向上相互内勾设有成对的上卡齿；所述H型结构齿内侧槽孔的尾端构成所述定子结构的中心孔，且所述内侧槽孔的尾端在所述中心孔的周向上相互内勾设有成对的下卡齿；一个所述H型结构齿的两个下卡齿之间的距离等于该述H型结构齿一个下卡齿与相邻H型结构齿的相邻下卡齿之间的距离。

8.根据权利要求6或7所述的防氢蚀电机，其特征在于，包括多个沿轴向相互堆叠的定子冲片，每个所述定子冲片均包括所述轭部和所述齿部，每个所述定子冲片的H型结构齿对应重叠组成嵌线槽。

9.一种氢气循环泵，其特征在于，使用权利要求6-8之一所述的防氢蚀电机作为动力源，且所述防氢蚀电机转子的轴伸出所述电机外壳的部分与氢气循环泵的循环叶轮相连。

Images