空压机用风冷却单元、空压机及氢燃料电池系统的制作方法

1.本实用新型属于燃料电池技术领域，更具体地说，是涉及一种空压机用风冷却单元、空压机及氢燃料电池系统。


背景技术：

2.氢燃料电池以氢气和空气(空气中的氧气)为燃料，发生电化学反应，将燃料的化学能直接转换成电能的装置，反应生成水，兼备无污染、适用范围广、效率高等特点。研究表明，高压、大流量的空气供应对提高氢燃料电池的发电功率具有明显的提升作用。为此，在空气进入氢燃料电池之前，需要通过空压机(全称为空气压缩机)对空气进行增压。
3.空压机一般采用电机直驱的方式，将电机转子和主轴做成一体化结构，在转子上设置叶轮，将叶轮设于蜗壳内，在转子高速旋转的作用下，叶轮带动气体高速旋转，与蜗壳相互作用产生高压、大流量的空气。由于高速旋转会导致空压机内部产生大量的热量，故为了保证空压机正常运转，需要及时地为空压机散热。
4.传统的空压机一般采用风冷和水冷双冷却设计或单独水冷设计，对内部的电机转子、轴承等零件进行散热，虽然冷却效果相对较高，但整体结构设计和加工较为复杂，对密封性要求极高。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种空压机用风冷却单元、空压机及氢燃料电池系统，旨在解决传统的空压机一般采用风冷和水冷双冷却设计或单独水冷设计，对内部的电机转子、轴承等零件进行散热，虽然冷却效果相对较高，但整体结构设计和加工较为复杂，对密封性要求极高的技术问题。
6.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
7.在第一方面，本实用新型提供一种空压机用风冷却单元，包括：电机壳体，在其壁厚范围内开设有一二级连接风道，还开设有与所述一二级连接风道分隔的出风孔；电机定子，设于所述电机壳体内；电机转子，穿设于所述电机定子所形成的环状空间中，所述电机转子、所述电机定子和所述电机壳体共同形成与所述出风孔连通的电机内部空间；一级安装组件，套设于所述电机转子，具有连通所述一二级连接风道和所述电机内部空间的一级风冷通道；以及二级安装组件，套设于所述电机转子，且与所述一级安装组件间隔设置，具有连通所述一二级连接风道和所述电机内部空间的二级风冷通道；
8.其中，所述二级安装组件还具有连通所述二级风冷通道和所述电机内部空间的增压孔；所述电机壳体或所述一级安装组件还具有进风通道，以使所述进风通道、所述一二级连接风道、所述一级风冷通道、所述二级风冷通道、所述增压孔、所述电机内部空间和所述出风孔构成多个不同的风冷路径，以对所述电机定子、所述电机转子、所述一级安装组件及所述二级安装组件进行单独风冷。
9.在一种可能的实现方式中，所述二级安装组件包括套设于所述电机转子的二级密
封座和二级径向轴承座，所述二级径向轴承座相对于所述二级密封座邻近所述一级安装组件；
10.所述二级径向轴承座具有与所述一二级连接风道连通的二级第一子风道，所述二级径向轴承座与所述二级密封座之间形成有二级第二子风道，所述二级第一子风道、所述二级第二子风道、所述二级径向轴承座的轴承间隙共同构成所述二级风冷通道；
11.所述二级径向轴承座开设有与所述二级第一子风道分隔的所述增压孔，且所述增压孔与所述二级第二子风道连通，自所述进风通道、所述一二级连接风道、所述二级第一子风道、所述二级第二子风道、所述二级径向轴承座的轴承间隙、所述电机内部空间至所述出风孔构成第一风冷路径，自所述进风通道、所述一二级连接风道、所述二级第一子风道、所述二级第二子风道、所述增压孔、所述电机内部空间至所述出风孔构成第二风冷路径。
12.在一种可能的实现方式中，所述增压孔的径向截面轮廓面积小于所述二级第一子风道的径向截面轮廓面积。
13.在一种可能的实现方式中，所述一级安装组件包括依次套设于所述电机转子的一级密封座、止推轴承座、止推盘和一级径向轴承座，所述一级径向轴承座相对于所述止推盘邻近所述二级安装组件；所述止推轴承座开设有用以与一级扩压面连通的内部引气孔，所述内部引气孔构成所述进风通道。
14.在一种可能的实现方式中，所述一级径向轴承座具有与所述内部引气孔连通的一级第一子风道，与所述一级第一子风道连通的一级第二子风道，以及与所述一级第一子风道连通的一级第三子风道，所述一级第二子风道与所述一二级连接风道连通；
15.所述一级径向轴承座与所述止推盘之间形成有与所述一级第三子风道连通的一级第四子风道，所述止推盘与所述止推轴承座之间形成有与所述一级第三子风道连通的一级第五子风道，所述止推轴承座与所述一级密封座之间形成有与所述一级第五子风道连通的一级第六子风道，所述止推轴承座具有与所述一级第六子风道连通的一级第七子风道，所述一级径向轴承座还具有与所述一级第七子风道连通的一级第八子风道，所述一级第八子风道与所述电机内部空间连通；
16.所述一级第一子风道、所述一级第二子风道、所述一级第三子风道、所述一级第四子风道、所述一级第五子风道、所述一级第六子风道、所述一级第七子风道、所述一级第八子风道、所述一级径向轴承座的轴承间隙共同构成所述一级风冷通道；
17.自所述内部引气孔、所述一级第一子风道、所述一级第三子风道、所述一级第四子风道、所述一级径向轴承座的轴承间隙、所述电机内部空间至所述出风孔构成第三风冷路径，自所述内部引气孔、所述一级第一子风道、所述一级第三子风道、所述一级第五子风道、所述一级第六子风道、所述一级第七子风道、所述一级第八子风道、所述电机内部空间至所述出风孔构成第四风冷路径。
18.在一种可能的实现方式中，所述电机壳体开设有与所述一二级连接风道连通的进风孔，所述进风孔构成所述进风通道。
19.在一种可能的实现方式中，所述一二级连接风道沿所述电机壳体的周向间隔地设有多个，每个所述一二级连接风道均与所述进气通道、所述一级风冷通道、所述二级风冷通道连通。
20.在一种可能的实现方式中，所述电机壳体的周向外侧壁具有多个平行于其轴线间
隔设置的散热翅片。
21.本实用新型提供的空压机用风冷却单元至少具有以下技术效果：与传统技术相比，本实用新型提供的空压机用风冷却单元，在电机壳体上仅采用风冷设计，取消水冷设计，能够简化整体结构设计和加工工序，由于取消了水冷设计，能够避免液体泄漏，降低了对密封性的要求，同时，在二级安装组件上设置增压孔，能够平衡二级风冷通道和电机内部空间之间的气流，为电机内部空间及二级安装组件散热提供所需的压力，从而使进风通道、一二级连接风道、一级风冷通道、二级风冷通道、增压孔、电机内部空间、出风孔所构成的多个不同风冷路径能够对电机定子、电机转子、一级安装组件和二级安装组件进行更全面、更稳定、更通畅的散热冷却，保证较高的冷却效果，延长各个部件的使用寿命，满足冷却要求。
22.在第二方面，本实用新型还提供一种空压机，包括如上任一实施例所述的空压机用风冷却单元。
23.本实用新型提供的空压机采用如上任一实施例所述的空压机用风冷却单元，在前述相同技术效果的基础上，通过风冷设计能够实现有效的冷却效果，简化风冷和水冷同时存在时的复杂结构设计，整体结构更加紧凑，更加小型化，整机重量更轻，降低了设计难度、生产难度和生产成本。
24.在第三方面，本实用新型还提供一种氢燃料电池系统，包括如上所述的空压机。
25.本实用新型提供的氢燃料电池系统采用上述空压机，二者技术效果相同，在此不再赘述。
附图说明
26.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本实用新型一实施例空压机用风冷却单元的剖面示意图；
28.图2为本实用新型一实施例空压机用风冷却单元采用内部引气时的另一剖面示意图；
29.图3为本实用新型一实施例空压机用风冷却单元采用内部引气时的风冷路径示意图；
30.图4为本实用新型一实施例空压机用风冷却单元采用电机壳体引气时的剖面示意图；
31.图5为本实用新型一实施例中电机壳体的立体示意图；
32.图6为图5所示电机壳体在径向上的剖面示意图；
33.图7为图5所示电机壳体在轴向上的剖面示意图；
34.图8为图5所示电机壳体在轴向上的另一角度剖面示意图；
35.图9为本实用新型一实施例中二级径向轴承座的立体示意图；
36.图10为图9所示二级径向轴承座的右视示意图；
37.图11为图9所示二级径向轴承座的左视示意图；
38.图12为图11所示二级径向轴承座经过二级第一子风道的剖面示意图；
39.图13为图11所示二级径向轴承座经过增压孔的剖面示意图；
40.图14为本实用新型一实施例空压机的剖面示意图；
41.图15为本实用新型一实施例氢燃料电池系统的系统示意图。
42.图中附图标记为：
43.1、空压机用风冷却单元
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100、电机壳体
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110、一二级连接风道
44.120、出风孔
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130、进风孔
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140、散热翅片
45.200、电机定子
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300、电机转子
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310、电机内部空间
46.400、一级安装组件
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410、一级密封座
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420、止推轴承座
47.421、内部引气孔
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430、止推盘
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440、一级径向轴承座
48.451、一级第一子风道
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452、一级第二子风道
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453、一级第三子风道
49.454、一级第四子风道
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455、一级第五子风道
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456、一级第六子风道
50.457、一级第七子风道
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458、一级第八子风道
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460、第三风冷路径
51.470、第四风冷路径
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500、二级安装组件
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510、二级密封座
52.520、二级径向轴承座
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521、增压孔
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531、二级第一子风道
53.532、二级第二子风道
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540、第一风冷路径
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550、第二风冷路径
54.2、空压机
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610、一级蜗壳
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620、二级蜗壳
55.630、一级叶轮
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640、二级叶轮
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650、级间管道
56.3、氢燃料电池系统
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700、电池本体
具体实施方式
57.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
58.需要说明的是，当一个元件被认为是“连通于”、“连通”另一个元件，它可以是直接连通到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当元件被称为“设置于”、“设于”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元件。“多个”指两个及以上数量。“至少一个”指一个及以上数量。
59.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
60.请一并参阅图1至图15，现对本实用新型实施例提供的空压机用风冷却单元1、空压机2及氢燃料电池系统3进行说明。
61.请参阅图1至图13，本实用新型实施例提供了一种空压机用风冷却单元1，包括：电机壳体100，在其壁厚范围内开设有一二级连接风道110，还开设有与一二级连接风道110分隔的出风孔120；电机定子200，设于电机壳体100内；电机转子300，穿设于电机定子200所形成的环状空间中，电机转子300、电机定子200和电机壳体100共同形成与出风孔120连通的电机内部空间310；一级安装组件400，套设于电机转子300，具有连通一二级连接风道110和电机内部空间310的一级风冷通道；以及二级安装组件500，套设于电机转子300，且与一级安装组件400间隔设置，具有连通一二级连接风道110和电机内部空间310的二级风冷通道。
62.其中，二级安装组件500还具有连通二级风冷通道和电机内部空间310的增压孔
521；电机壳体100或一级安装组件400还具有进风通道，以使进风通道、一二级连接风道110、一级风冷通道、二级风冷通道、增压孔521、电机内部空间310和出风孔120构成多个不同的风冷路径，以对电机定子200、电机转子300、一级安装组件400及二级安装组件500进行单独风冷。当然，在可以实现的基础上，可以在电机壳体100和一级安装组件400上均设有进风通道。
63.可以理解的是，对于一二级连接风道110的数量不做限制，可以是一个、两个、三个、四个、五个等以上数量，根据具体的设计尺寸进行选择。本实用新型实施例中不限定风冷的引气方式，根据进风通道的不同，可以由进风通道、一二级连接风道110、一级风冷通道、二级风冷通道、增压孔521、电机内部空间310和出风孔120构成多个不同的风冷路径，多个不同的风冷路径能够对对电机定子200、电机转子300、一级安装组件400和二级安装组件500进行更全面、更稳定、更通畅的散热冷却，保证冷却效果。其中，增压孔521能够平衡二级风冷通道和电机内部空间310之间的气流，为电机内部空间310及二级安装组件500散热提供所需的压力，保证散热冷却的通畅性和平稳性。
64.传统的冷却方式为水冷和风冷双冷却设计或单独水冷设计，需要在电机壳体上设计冷却液体的连接机构，对水冷通道密封性要求极高，整体部件较多，由于一些工程车辆使用环境或结构所限制，水冷设计并非是必要的，或者是难以安装的。
65.为此，本实用新型实施例中，电机壳体100仅采用风冷设计，不采用水冷设计，避免了上述问题的发生，能够在满足冷却效果的基础上，简化整体结构，降低设计难度。
66.本实用新型实施例提供的空压机用风冷却单元1至少具有以下技术效果：与传统技术相比，本实用新型实施例提供的空压机用风冷却单元1，在电机壳体100上仅采用风冷设计，取消水冷设计，能够简化整体结构设计和加工工序，由于取消了水冷设计，能够避免液体泄漏，降低了对密封性的要求，同时，在二级安装组件500上设置增压孔521，能够平衡二级风冷通道和电机内部空间310之间的气流，为电机内部空间310及二级安装组件500散热提供所需的压力，从而使进风通道、一二级连接风道110、一级风冷通道、二级风冷通道、增压孔521、电机内部空间310、出风孔120所构成的多个不同风冷路径能够对对电机定子200、电机转子300、一级安装组件400和二级安装组件500进行更全面、更稳定、更通畅的散热冷却，保证较高的冷却效果，延长各个部件的使用寿命，满足冷却要求。
67.请参阅图1至图4、图9至图13，在一些可能的实施例中，二级安装组件500包括套设于电机转子300的二级密封座510和二级径向轴承座520，二级径向轴承座520相对于二级密封座510邻近一级安装组件400；二级径向轴承座520具有与一二级连接风道110连通的二级第一子风道531，二级径向轴承座520与二级密封座510之间形成有二级第二子风道532，二级第一子风道531、二级第二子风道532、二级径向轴承座520的轴承间隙共同构成二级风冷通道；二级径向轴承座520开设有与二级第一子风道531分隔的增压孔521，且增压孔521与二级第二子风道532连通。
68.自进风通道、一二级连接风道110、二级第一子风道531、二级第二子风道532、二级径向轴承座520的轴承间隙、电机内部空间310至出风孔120构成第一风冷路径540，自进风通道、一二级连接风道110、二级第一子风道531、二级第二子风道532、增压孔521、电机内部空间310至出风孔120构成第二风冷路径550。如此，可以实现对二级径向轴承座520、二级密封座510的冷却。
69.可以理解的是，二级安装组件500根据安装需要可以适应性地进行子构件的增减。根据一二级连接风道110的数量及位置，二级第一子风道531可以对应地设有一个、两个、三个、四个、五个等以上数量。二级第二子风道532由二级径向轴承座520和二级密封座510之间的间隙构成，该间隙可以是二者上均设有的冷却槽形成，也可以是其中之一设有的冷却槽形成。二级第二子风道532可以是周向一圈设置的，也可以是间隔地对应每个二级第一子风道531设计的。
70.本实施例中，在二级径向轴承座520上设有至少一个与二级第一子风道531分隔且与二级第二子风道532连通的增压孔521，二级第一子风道531可以相对于二级径向轴承座520的轴线倾斜设置，增压孔521可以相对于二级径向轴承座520的轴线平行设置，当然也可以倾斜设置，对此不作限制。增压孔521能够平衡二级第二子风道532与电机内部空间310之间的气流，为电机内部空间310散热提供压力，保证在风冷路径的通畅性。
71.在其中一个实施例中，增压孔521的径向截面轮廓面积小于二级第一子风道531的径向截面轮廓面积。为了保证二级第一子风道531的风能够充分全面地对二级径向轴承座520和二级密封座510进行冷却，将增压孔521的径向截面轮廓面积设为相对更小，防止分流较多而使二级第二子风道532内风量不足导致较低的冷却效果，保证增压孔521的平衡气流作用。
72.请参阅图1至图3，在一些可能的实施例中，一级安装组件400包括依次套设于电机转子300的一级密封座410、止推轴承座420、止推盘430和一级径向轴承座440，一级径向轴承座440相对于止推盘430邻近二级安装组件500；止推轴承座420开设有用以与一级扩压面连通的内部引气孔421，内部引气孔421构成进风通道。可以理解的是，一级安装组件400根据安装需要可以适应性地进行子构件的增减。
73.本实施例中，一级扩压面由一级蜗壳610和止推轴承座420之间所形成的空腔的腔体壁构成。在止推轴承座420上开设有相对于轴线倾斜设置或平行设置的内部引气孔421，能够实现内部引气，提高扩压气体的利用率，减少对电机壳体100的气路设计，减少电机壳体100的加工难度。
74.请参阅图1至图3，在其中一个实施例中，一级径向轴承座440具有与内部引气孔421连通的一级第一子风道451，与一级第一子风道451连通的一级第二子风道452，以及与一级第一子风道451连通的一级第三子风道453，一级第二子风道452与一二级连接风道110连通。
75.一级径向轴承座440与止推盘430之间形成有与一级第三子风道453连通的一级第四子风道454，止推盘430与止推轴承座420之间形成有与一级第三子风道453连通的一级第五子风道455，止推轴承座420与一级密封座410之间形成有与一级第五子风道455连通的一级第六子风道456，止推轴承座420具有与一级第六子风道456连通的一级第七子风道457，一级径向轴承座440还具有与一级第七子风道457连通的一级第八子风道458，一级第八子风道458与电机内部空间310连通。
76.一级第一子风道451、一级第二子风道452、一级第三子风道453、一级第四子风道454、一级第五子风道455、一级第六子风道456、一级第七子风道457、一级第八子风道458、一级径向轴承座440的轴承间隙共同构成一级风冷通道。
77.自内部引气孔421、一级第一子风道451、一级第三子风道453、一级第四子风道
454、一级径向轴承座440的轴承间隙、电机内部空间310至出风孔120构成第三风冷路径460，自内部引气孔421、一级第一子风道451、一级第三子风道453、一级第五子风道455、一级第六子风道456、一级第七子风道457、一级第八子风道458、电机内部空间310至出风孔120构成第四风冷路径470。如此，可以实现对一级径向轴承座440、止推盘430、止推轴承座420、一级密封座410的冷却。
78.具体而言，一级第一子风道451可以相对于一级径向轴承座440的轴线平行设置或倾斜设置，可以由一级径向轴承座440开槽形成。一级第二子风道452与一二级连接风道110的数量和位置对应，可以倾斜设置，也可以平行设置。一级第三子风道453与对应的一级第二子风道452的数量和位置对应，相对于一级径向轴承座440的轴线垂直设置或倾斜设置。一级第四子风道454由一级径向轴承座440和止推盘430之间的间隙构成，该间隙具体可以是二者上均设有的冷却槽形成，也可以是其中之一设有的冷却槽形成。
79.一级第五子风道455可以与一级第四子风道454连通，由止推盘430和止推轴承座420之间的间隙构成，该间隙具体可以是二者上均设有的冷却槽形成，也可以是其中之一设有的冷却槽形成。一级第六子风道456由止推轴承座420和一级密封座410之间的间隙构成，该间隙具体可以是二者上均设有的冷却槽形成，也可以是其中之一设有的冷却槽形成。一级第七子风道457可以由止推轴承座420开孔形成，可以间隔地设有多个。一级第八子风道458与一级第七子风道457的数量和位置对应，可以由一级径向轴承座440开孔形成，并且，一级第八子风道458与一级第二子风道452、一级第三子风道453彼此分隔。
80.可以理解的是，上述风道的设计能够对一级径向轴承座440、止推盘430、止推轴承座420、一级密封座410进行充分全面的冷却。当然，还可以采用其他路径的风道设计，对此不作限制。
81.在本实施例的基础上，一级第二子风道452与一二级连接风道110连通，在第一风冷路径540和第二风冷路径550中，由内部引气孔421、一级第一子风道451、一级第二子风道452为一二级连接风道110提供风源。
82.请参阅图4，在其他一些可能的实施例中，电机壳体100开设有与一二级连接风道110连通的进风孔130，进风孔130构成进风通道。本实施例中，采用从电机壳体100进风的方式，同样也能够实现对一级安装组件400、二级安装组件500、对电机定子200、电机转子300进行充分全面冷却的效果。根据进风孔130的设置位置，为一级风冷通道和二级风冷通道提供的风源可以经由进风孔130、一二级连接风道110来提供。此时，在一级安装组件400中，参考前述实施例，不会设置一级第一子风道451，同时，一级第二子风道452和一级第三子风道453的位置可以进行调整，也可以进行合并。
83.请参阅图5至图8，在一些可能的实施例中，一二级连接风道110沿电机壳体100的周向间隔地设有多个，每个一二级连接风道110均与进气通道、一级风冷通道、二级风冷通道连通。本实施例中，多个一二级连接风道110可以等间隔设置，也可以不等间隔设置，能够与进气通道、一级风冷通道、二级风冷通道、电机内部空间310形成环形循环路径，增大流通量，在很大程度上提高冷却效果，延长各个部件的使用寿命。
84.请参阅图1至图8，在一些可能的实施例中，电机壳体100的周向外侧壁具有多个平行于其轴线间隔设置的散热翅片140。本实施例中，散热翅片140在电机壳体100轴线上的截面可以是矩形、三角形、五边形等规则或不规则形状。不同的相邻两个散热翅片140之间的
间距可以相同，也可以不同。散热翅片140可以在上述实施例的基础上，进一步地提高冷却效果。
85.基于同一发明构思，请继续参阅图14，本实用新型实施例还提供了一种空压机2，包括如上任一实施例所述的空压机用风冷却单元1。本实用新型实施例的空压机2具体可以是离心式空气悬浮永磁驱动空压机。
86.可以理解的是，当空压机2采用两级压缩时，空压机2还包括与电机壳体100两端分别配合的一级蜗壳610和二级蜗壳620，分别设于一级蜗壳610内和二级蜗壳620内的一级叶轮630和二级叶轮640，以及连通一级蜗壳610和二级蜗壳620的级间管道650。当空压机2采用一级压缩带能量回收时，空压机2还包括与电机壳体100两端分别配合的一级蜗壳610和二级蜗壳620，分别设于一级蜗壳610内和二级蜗壳620内的一级叶轮630和二级涡轮。
87.基于此，空压机2还可以根据不同压缩级和回收级适应性调整组成构件。
88.本实用新型实施例提供的空压机2采用如上任一实施例所述的空压机用风冷却单元1，在前述相同技术效果的基础上，通过风冷设计能够实现有效的冷却效果，简化风冷和水冷同时存在时的复杂结构设计，整体结构更加紧凑，更加小型化，整机重量更轻，降低了设计难度、生产难度和生产成本。
89.基于同一发明构思，请继续参阅图15，本实用新型实施例还提供了一种氢燃料电池系统3，包括如上所述的空压机2。可以理解的是，氢燃料电池系统3还包括与空压机2连通的电池本体700，以及其他实现发电的常规构件。
90.本实用新型实施例提供的氢燃料电池系统3采用上述空压机2，二者技术效果相同，在此不再赘述。
91.可以理解的是，上述实施例中的各部分可以进行自由地组合或删减以形成不同的组合实施例，在此不再赘述各个组合实施例的具体内容，在此说明之后，可以认为本实用新型说明书已经记载了各个组合实施例，能够支持不同的组合实施例。
92.以上所述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、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。