專利名稱：一種一體化及液體潤滑永磁無刷直流電機(jī)電動水泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種一體化及液體潤滑永磁無刷直流電機(jī)電動水泵，屬無刷直流微電機(jī)水泵領(lǐng)域，可用作內(nèi)燃機(jī)水冷卻系統(tǒng)電動循環(huán)泵，混合動力汽車、電動汽車電動機(jī)及其功率驅(qū)動器件的水冷卻系統(tǒng)(及暖風(fēng)系統(tǒng))電動循環(huán)泵，或其它電子電器設(shè)備、器件的水冷卻系統(tǒng)電動循環(huán)泵，也可用作機(jī)動車暖風(fēng)系統(tǒng)加壓泵或循環(huán)泵、太陽能熱水系統(tǒng)或其它熱能利用(回收)系統(tǒng)循環(huán)泵，及用于其它方面。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有與本發(fā)明用途類似的電動水泵有以下三類。一、發(fā)動機(jī)水冷卻系統(tǒng)電動循環(huán)泵?，F(xiàn)有發(fā)動機(jī)水冷卻系統(tǒng)多采用同步帶等驅(qū)動的機(jī)械水泵，不能根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)荷和散熱需要調(diào)節(jié)流量和冷卻系統(tǒng)的散熱量，明顯的缺陷是本身消耗功率大、發(fā)動機(jī)升溫慢、控溫精度低。近年來，一些汽車零部件制造商開始嘗試設(shè)計制造電動循環(huán)泵(一般稱為電動水泵，EWP，Electric Water Pump)，一些汽車制造商(寶馬、豐田等)也開始嘗試采用電動水泵?；陔妱友h(huán)泵和電子調(diào)速技術(shù)的冷卻系統(tǒng)，能根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)荷和散熱需要調(diào)節(jié)水泵流量和冷卻系統(tǒng)的散熱量，不僅水泵本身消耗的功率減小，而且發(fā)動機(jī)升溫快、控溫精度高，并能提高發(fā)動機(jī)燃油效率、降低排放等。顯然，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)電動循環(huán)泵應(yīng)是調(diào)速型電動水泵。已公開的這類用途的電動水泵，其輸入電功率在80-120W左右，其壓頭和流量甚至可滿足3-5L大排量發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的需要。其結(jié)構(gòu)是這樣的，水泵為離心泵結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動電機(jī)為三相永磁同步電機(jī)(Three Phase Permanent Magnet SynchronousMotor,可以是(夕卜同步)三相自起動永磁同步電機(jī) (Three Phase Se 1 f-startingPermanent Magnet Synchronous Motor)，或三才目無直電機(jī)(Three PhaseBrushless DC Motor或BLDC Motor)兩類))，所以是所謂三相永磁同步電機(jī)電動水泵。其采用內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，可以采用變頻(VF)或脈寬調(diào)制(PWM)方式調(diào)速；除電機(jī)和水泵共用一個軸外，總體結(jié)構(gòu)上(本質(zhì)上)電機(jī)和水泵是互相獨(dú)立的，其軸上有0型圈 (填料)密封或機(jī)械密封，從而將葉輪和轉(zhuǎn)子分隔開，葉輪在泵殼內(nèi)，而轉(zhuǎn)子等全部電機(jī)部件在泵殼外。這種總體結(jié)構(gòu)的好處是，電機(jī)結(jié)構(gòu)不受水泵結(jié)構(gòu)的限制，特別是，其氣隙可以很小，使磁阻很小、磁通密度很高，電機(jī)扭矩、功率和效率等性能較高。但這種電機(jī)的缺陷也是顯然的，由于軸要有密封，所以其總體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且不緊湊，0型圈(填料)密封的使用壽命很短，機(jī)械密封的使用壽命也較短(實(shí)際使用壽命達(dá)不到制造商聲稱的2000小時)；雖然其合理的水泵內(nèi)部流道設(shè)計可提高水泵的效率等，但由于形狀復(fù)雜，不僅水泵結(jié)構(gòu)件多， 而且制造難度也大，制造所需的注射成型模具非常復(fù)雜；另外，三相無刷直流電機(jī)的驅(qū)動電路(驅(qū)動電路指無刷直流電機(jī)所需的調(diào)速、電子換向和功率開關(guān)電路，下同)比單相電機(jī)的要復(fù)雜得多。二、機(jī)動車暖風(fēng)系統(tǒng)電動循環(huán)泵。還有一種電動水泵是機(jī)動車暖風(fēng)系統(tǒng)電動循環(huán)泵，一般稱為電動加壓泵(EBP，Electric Booster Pump)，其功率相對較小(10W以下)，只能定速工作，一些汽車制造商 (奔馳、寶馬等)已采用其作為(某些豪華車型)暖風(fēng)系統(tǒng)的加壓泵。與此結(jié)構(gòu)和性能相似的電動水泵也作為一般用途的循環(huán)泵及灌溉泵等出售。其水泵為離心泵結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動電機(jī)為一體化單相四極無刷直流電機(jī)，所以是所謂一體化單相四極無刷直流電機(jī)電動水泵。其電機(jī)利用霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置以實(shí)現(xiàn)電子換向，并且電機(jī)的驅(qū)動方式(電路)為非常簡單的雙繞組半波(半控)驅(qū)動方式，電機(jī)為內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，定速工作(此種電機(jī)及其驅(qū)動方式多用于驅(qū)動計算機(jī)CPU冷卻風(fēng)扇(無刷直流風(fēng)扇，Brushless DC FAN)，區(qū)別是后者為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由于采用雙繞組半波(半控)驅(qū)動，許多文獻(xiàn)也稱其為兩相無刷直流電機(jī))。其總體結(jié)構(gòu)是一體化的，特點(diǎn)是，有將轉(zhuǎn)子和定子隔離開的轉(zhuǎn)子水套，轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)子水套內(nèi)、而轉(zhuǎn)子水套與泵相通，這樣轉(zhuǎn)子和葉輪就能制成一體、并一同裝在一個不銹鋼或陶瓷制造的軸上旋轉(zhuǎn)工作(可將此種結(jié)構(gòu)稱為共軸承結(jié)構(gòu)，也有在轉(zhuǎn)子前后各設(shè)置一個軸承并轉(zhuǎn)子和葉輪共用一個軸的共軸結(jié)構(gòu))，軸和軸承間靠冷卻液潤滑。顯然，這樣的一體化結(jié)構(gòu)，軸就不再需要動密封，水泵結(jié)構(gòu)因此極大簡化。但這種一體化結(jié)構(gòu)的電動水泵也有許多缺陷，由于電機(jī)的氣隙長度(轉(zhuǎn)子和定子之間的距離)較大，轉(zhuǎn)子和定子間的磁阻較大、磁通密度較低，電機(jī)功率、扭矩等性能降低；所采用的四極結(jié)構(gòu)，會使定子磁極間的漏磁加大、電機(jī)功率等性能更加降低。受這兩方面限制，這種電動水泵的功率都較小。其它缺陷還有，其共軸承結(jié)構(gòu)易使冷卻液中的異物進(jìn)入到轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子水套之間，使轉(zhuǎn)子發(fā)生卡滯而停轉(zhuǎn)、運(yùn)行可靠性降低；為使制造難度降低，其水泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)都非常簡單，流道不合理，且缺乏平滑的過度， 使水泵效率較低。三、微機(jī)水冷系統(tǒng)用電動循環(huán)泵。這類微機(jī)水冷系統(tǒng)用電動循環(huán)泵的功率相對更小(僅3W左右)，一般用作CPU 等發(fā)熱量大的芯片的水冷系統(tǒng)的循環(huán)泵。其結(jié)構(gòu)與上述一體化單相四極無刷直流電機(jī)電動水泵相似，但采用單相兩極無刷直流電機(jī)，是所謂一體化單相兩極無刷直流電機(jī)電動水泵。其電機(jī)采用具有兩個磁極的U型定子鐵芯，所以也常稱為U型鐵芯單相無刷直流電機(jī) (U-shaped core singlephase BLDC motor),或 U 形鐵心單相永磁電機(jī)(U-shaped core singlephase permanent magnet motor)。其電機(jī)利用霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置以實(shí)現(xiàn)電子換向，并利用所謂不對稱氣隙實(shí)現(xiàn)定向旋轉(zhuǎn)和自起動，有兩個繞組、并半波(半控)驅(qū)動。 這種電動水泵的缺陷是，受永磁轉(zhuǎn)子磁阻較大及兩極結(jié)構(gòu)本身的限制，其電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩等性能較低，振動和噪聲較大、運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)；所采用的較大的氣隙和不合理的鐵心形狀(極靴沒凸出)又使磁阻和漏磁均較大，進(jìn)而使氣隙處的磁通密度低，電機(jī)的起動性能差，功率和轉(zhuǎn)矩等性能低，制成調(diào)速型電動水泵時調(diào)速范圍?。徊粚ΨQ氣隙(一般為階梯型不對稱氣隙)形狀也不合理，會使這些性能進(jìn)一步降低；振動和噪聲較大、運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，會加大軸和軸承的磨損；都采用共軸承結(jié)構(gòu)，也易發(fā)生轉(zhuǎn)子卡滯而停轉(zhuǎn)；也不是按調(diào)速型電動水泵設(shè)計的；為使制造難度降低，其水泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)也非常簡單，流道不合理且缺乏平滑的過度， 使水泵效率較低。由于以上缺陷，現(xiàn)有的這種一體化單相兩極無刷直流電機(jī)電動循環(huán)泵都是功率很小的水泵。綜合上述分析，現(xiàn)有此三類電動水泵都存在不同的缺陷。本發(fā)明認(rèn)為，這些缺陷是由于認(rèn)識偏見所致。首先，這類電動水泵，可靠性是首要指標(biāo)，特別是對發(fā)動機(jī)水冷卻系統(tǒng)電動循環(huán)泵。由于認(rèn)識上的偏差，目前的發(fā)動機(jī)水冷卻系統(tǒng)電動循環(huán)泵結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，其軸所采用的密封結(jié)構(gòu)，壽命和可靠性都存在問題，所以未來的冷卻系統(tǒng)不必要繼續(xù)沿用現(xiàn)有電動循環(huán)泵的結(jié)構(gòu)。其次，多磁極數(shù)0極)電機(jī)有其優(yōu)點(diǎn)，但不一定是較佳的方案。這里要考慮到氣隙長度的影響。對一體化的電動水泵，由于其氣隙長度較大，如采用多磁極，會使磁極間的漏磁顯著加大，使電機(jī)性能降低。例如單相四極無刷直流電機(jī)，其只適用于氣隙很小的無刷直流風(fēng)扇，用于電動水泵時，由于氣隙較大，其四個磁極間的漏磁較大。所以，對較小型的電動水泵，更適合采用單相兩極無刷直流電機(jī)。最后，一體化單相兩極無刷直流電機(jī)電動水泵具有結(jié)構(gòu)簡單的明顯優(yōu)勢。而通過采用直徑較小而軸向尺寸較大的永磁轉(zhuǎn)子能顯著降低其永磁轉(zhuǎn)子的磁阻，從而使主磁路和氣隙處的磁場增強(qiáng)，進(jìn)而可以制成功率較大的電機(jī)；而通過采用其它有針對性的技術(shù)改進(jìn)， 也可以消除其它缺陷。所以本發(fā)明認(rèn)為，一體化單相兩極無刷直流電機(jī)電動水泵具有改進(jìn)潛力，通過有針對性的技術(shù)改進(jìn)，能使其滿足發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)循環(huán)泵的性能和使用要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過對現(xiàn)有一體化單相兩極無刷直流電機(jī)電動水泵進(jìn)行有針對性的技術(shù)改進(jìn)，以提出一種一體化及液體潤滑永磁無刷直流電機(jī)電動水泵，其結(jié)構(gòu)簡單、合理，可達(dá)到消除現(xiàn)有技術(shù)的缺陷、提高性能，并替代上述三種現(xiàn)有電動水泵的目的通過采用灌封等措施來減小氣隙，以提高一體化結(jié)構(gòu)水泵的電機(jī)的功率、扭矩和效率等；通過改進(jìn)鐵心的形狀和不均勻氣隙的形狀，以進(jìn)一步提高一體化結(jié)構(gòu)水泵的電機(jī)的功率、扭矩和效率等，并降低振動和軸承的磨損；改進(jìn)結(jié)構(gòu)及改善潤滑條件等，以顯著延長水泵(軸承)的使用壽命； 改進(jìn)結(jié)構(gòu)使轉(zhuǎn)子不發(fā)生卡滯；新結(jié)構(gòu)應(yīng)使水泵內(nèi)部流道更合理、更平滑、水泵效率更高；在不改變電機(jī)本體的情況下，只要使用或裝配不同的(或簡化的)驅(qū)動電路就能簡便地制成調(diào)速型電動水泵或定速型電動水泵。本發(fā)明裝置是通過這樣的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種一體化及液體潤滑永磁無刷直流電機(jī)電動水泵，由定子槽、轉(zhuǎn)子水套、前蓋、 進(jìn)水口、出水口、轉(zhuǎn)子、軸、轉(zhuǎn)子水套蓋、后軸承、葉輪、密封材料、定子鐵芯、定子繞組、驅(qū)動電路、灌封材料組成，電機(jī)是具有U型定子鐵芯的單相兩極無刷直流電機(jī)，轉(zhuǎn)子采用徑向兩極充磁的磁體(極)結(jié)構(gòu)，U形鐵心端部有兩個相對的極靴，極靴的極弧形狀可形成所謂不對稱氣隙，集中式定子繞組安裝在定子鐵心上組成定子，驅(qū)動電路以全控(全波)或半控 (半波)驅(qū)動方式連接到繞組上，定子安裝在定子槽內(nèi)，定子槽是一個采用塑料注射成型方法制造的、由定子槽側(cè)壁和定子槽底板構(gòu)成的槽，定子槽開口與定子槽底板相對，定子槽底板上還制有凸出到定子槽內(nèi)的轉(zhuǎn)子水套，轉(zhuǎn)子水套口在定子槽底板上，轉(zhuǎn)子水套將轉(zhuǎn)子與定子隔離開，轉(zhuǎn)子安裝在轉(zhuǎn)子水套中并在冷卻液中工作，轉(zhuǎn)子水套、定子槽底板和前蓋構(gòu)成水泵內(nèi)腔，進(jìn)水口、出水口均制在前蓋上，定子槽底板和前蓋之間有密封材料(密封件)密封，除進(jìn)水口、出水口與外部相通外，水泵內(nèi)腔是密閉的，其特征是，轉(zhuǎn)子水套的位置靠近定子槽的上部，定子的極靴在上方并套在轉(zhuǎn)子水套上、定子繞組在下方，需要安裝到定子槽內(nèi)的驅(qū)動電路安裝在定子槽內(nèi)、且在轉(zhuǎn)子水套和定子極靴的上方，灌封材料將定子和需要安裝到定子槽內(nèi)的驅(qū)動電路灌封在定子槽內(nèi)、且灌封材料充滿定子槽，轉(zhuǎn)子和軸制成一體或裝配成一體，后軸承在轉(zhuǎn)子水套的底部，前軸承在轉(zhuǎn)子水套蓋上，轉(zhuǎn)子水套蓋安裝在轉(zhuǎn)子水套口處的定子槽底板上，轉(zhuǎn)子裝在轉(zhuǎn)子水套內(nèi)、后軸承與轉(zhuǎn)子水套蓋之間，軸穿過前軸承延伸到水泵內(nèi)腔里，葉輪安裝在軸的端部，進(jìn)水口與葉輪和轉(zhuǎn)子水套蓋相對，轉(zhuǎn)子水套蓋能嵌入前蓋內(nèi)，轉(zhuǎn)子水套蓋前端面的中部與葉輪相對處向進(jìn)水口方向凸出，前蓋的中部與葉輪相對處向進(jìn)水口方向凹陷，葉輪具有后彎葉片，轉(zhuǎn)子水套蓋前端面、前蓋、及進(jìn)水口和出水口能形成離心泵內(nèi)流道(蝸殼)的典型結(jié)構(gòu)，且當(dāng)轉(zhuǎn)子通過軸驅(qū)動葉輪旋轉(zhuǎn)工作時具有離心泵的功能。本發(fā)明還具有下述技術(shù)特征。從定子槽開口方向看，定子槽的形狀與定子的形狀一致，以減小定子和定子槽側(cè)壁之間的間隙及灌封材料的用量；充滿定子槽的灌封材料具有增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的作用，特別是，能使本發(fā)明采用薄壁的轉(zhuǎn)子水套，從而使氣隙長度減??；U形鐵心具有凸出的極靴，而且其不對稱氣隙的形狀是，每側(cè)極靴中心處的極弧的氣隙長度大，靠近兩端的兩段極弧的氣隙長度小并相等，靠近兩端的兩段極弧中一段的氣隙寬度較大、另一段的氣隙寬度較??；轉(zhuǎn)子水套蓋以耐磨性能好和潤滑(減磨)性能好的材料制造，或轉(zhuǎn)子水套蓋上的前軸承和(或)后軸承另外以耐磨性能和潤滑(減磨)性能好的材料制造再裝配到轉(zhuǎn)子水套蓋上和(或)轉(zhuǎn)子水套底部；軸與前軸承之間有間隙，轉(zhuǎn)子水套蓋與定子槽底板之間也有間隙，此間隙既能使冷卻液進(jìn)入轉(zhuǎn)子水套內(nèi)以實(shí)現(xiàn)對前軸承和后軸承的潤滑，又能過濾冷卻液中的雜質(zhì)防止其進(jìn)入到轉(zhuǎn)子水套內(nèi)；轉(zhuǎn)子水套蓋與前蓋結(jié)合處有縫隙，此縫隙既能利用水泵的壓力在此縫隙和軸與前軸承之間的間隙之間形成壓力差，從而驅(qū)動所輸送液體進(jìn)入轉(zhuǎn)子水套內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)對前軸承和后軸承的潤滑，也能過濾冷卻液中的雜質(zhì)防止其進(jìn)入到轉(zhuǎn)子水套內(nèi)；不改變水泵本體，只要使用或裝配不同的驅(qū)動電路就能簡便地制成調(diào)速型電動水泵或定速型電動水泵；調(diào)速型電動水泵，采用脈寬調(diào)制(PWM)方式調(diào)速；定子槽內(nèi)、安裝驅(qū)動電路的位置有插裝電路板的槽，需要安裝到定子槽內(nèi)的驅(qū)動電路以插裝方式安裝并灌封在定子槽中，只通過導(dǎo)線與外部連接。要說明的是，上述對本發(fā)明內(nèi)容的描述，只表示其結(jié)構(gòu)及各零部件的相對位置關(guān)系(即附圖中的相對位置關(guān)系)，并不是指其工作時在空間上一定具有這樣的上下左右前后位置關(guān)系。本發(fā)明的設(shè)計和工作原理是轉(zhuǎn)子采用徑向兩極充磁的磁極結(jié)構(gòu)。其上的永磁體采用鐵氧體材料制造，包括燒結(jié)、粘結(jié)和塑料磁等工藝方式，具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，能在冷卻液中工作。如采用釹鐵硼等高性能磁材料、或不同磁材料混合制造，但一般要采用特殊的(表面涂覆等)處理工藝， 使轉(zhuǎn)子具有一定的耐腐蝕性能，能在冷卻液中工作。釹鐵硼等強(qiáng)磁材料的磁性能好，可顯著提高電機(jī)的功率、效率等性能。本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)使本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理、緊湊。定子槽內(nèi)的上部空間是專門安裝驅(qū)動電路的空間，是使本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理、緊湊的特特點(diǎn)之一，也使定子槽底板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高；定子槽的截面形狀與定子的截面形狀一致，既能減小定子和定子槽側(cè)壁之間的間隙和灌封材料的用量，復(fù)雜的形狀也能使定子槽側(cè)壁及定子槽底板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高；充滿定子槽的灌封材料不僅具有密封和固定作用，也能使定子槽及定子槽底板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高。電機(jī)的起動原理是，每側(cè)極弧中心處的極弧的氣隙長度大、靠近兩端的兩段極弧的氣隙長度小并相等，靠近兩端的兩段極弧中一段的氣隙寬度較大、另一段的氣隙寬度較小(中心處的極弧的氣隙長度大，但形狀不嚴(yán)格，可以是圓弧或非圓弧形，氣隙長度也可以不相等)，這樣，靜態(tài)時轉(zhuǎn)子能形成一定的起動角(偏轉(zhuǎn)角)，電機(jī)加電時能產(chǎn)生較大的起動轉(zhuǎn)矩以實(shí)現(xiàn)(自)起動。由于有起動角，位置傳感器(常用的霍爾傳感器)能檢測到轉(zhuǎn)子磁極的極性及其改變，從而實(shí)現(xiàn)換(相)控制，使電機(jī)產(chǎn)生定向的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動扭矩。電機(jī)的運(yùn)行原理是，充滿定子槽的灌封材料對轉(zhuǎn)子水套起加強(qiáng)作用，能使本發(fā)明采用薄壁的轉(zhuǎn)子水套，從而使氣隙長度和磁路的磁阻減小、氣隙處的磁通(密度)增強(qiáng)；凸出的極靴也使磁路的磁阻和漏磁減小、氣隙處的磁通(密度)增強(qiáng)；由于運(yùn)行時每側(cè)極弧的不對稱氣隙的對稱性較好(相對于每側(cè)極靴中心(線)，每側(cè)的極弧形狀具有較好的對稱性)，也能磁路的磁阻減小、氣隙處的磁通(密度)增強(qiáng)。這些能提高電機(jī)運(yùn)行時的扭矩、功率和效率等性能。由于運(yùn)行時每側(cè)極弧的不對稱氣隙的對稱性較好，使磁通密度分布更均勻、對稱， 能減小電機(jī)運(yùn)行時的振動和噪聲，改善電機(jī)和水泵的平穩(wěn)性。本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)方案(轉(zhuǎn)子水套蓋的中部向進(jìn)水口方向凸出，使前軸承的長度顯著加大，從而顯著降低軸承的單位面積壓力，所輸送液體形成的潤滑膜受到的沖擊減小、 不易破裂、潤滑可靠)、及轉(zhuǎn)子水套蓋或前軸承和(或)后軸承能另以耐磨性能好和潤滑 (減磨)性能好的材料制造(例如耐磨性能好和潤滑(減磨)性能好的塑料制造、或以添加了減磨和潤滑材料的金屬或塑料制造)，能明顯減小軸和軸承的摩損；轉(zhuǎn)子水套蓋嵌入前蓋中并在結(jié)合處留有縫隙，此縫隙處在水泵內(nèi)壓力最大處，軸和前軸承之間有間隙，轉(zhuǎn)子水套蓋與定子槽底板之間也有間隙，從而在此縫隙和軸承間隙之間形成較大的壓力差，能驅(qū)動水泵所輸送的液體進(jìn)入到轉(zhuǎn)子水套內(nèi)，并在前軸承和后軸承內(nèi)形成穩(wěn)定的潤滑膜，以實(shí)現(xiàn)潤滑、避免磨損；另外，轉(zhuǎn)子振動的減小，也能減輕軸和軸承間的沖擊。這些技術(shù)能保證軸承及整個電動水泵有足夠長的使用壽命。本發(fā)明所確定的轉(zhuǎn)子和軸一體、轉(zhuǎn)子裝在轉(zhuǎn)子水套內(nèi)、及軸和軸承等處的間隙和縫隙能過濾雜質(zhì)防止其進(jìn)入轉(zhuǎn)子水套的措施，能避免轉(zhuǎn)子發(fā)生卡滯而停轉(zhuǎn)，從而保證了電動水泵的可靠性。轉(zhuǎn)子水套蓋前端面、前蓋、及進(jìn)水口和出水口能形成離心泵內(nèi)流道(或蝸殼)的典型結(jié)構(gòu)，且當(dāng)轉(zhuǎn)子通過軸驅(qū)動葉輪旋轉(zhuǎn)工作時具有離心泵的功能。轉(zhuǎn)子水套蓋的前端面面積較大、并且嵌入前蓋(并且，前蓋可采用壓緊的方式將轉(zhuǎn)子水套蓋固定在定子槽底板上)，這樣，轉(zhuǎn)子水套蓋的前端面與前蓋配合就可以形成水泵的內(nèi)流道，不僅制造簡單，而且能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜并非常理想的內(nèi)流道形狀；同時，作為低揚(yáng)程循環(huán)水泵，轉(zhuǎn)子水套蓋前端面的中部與葉輪相對處向進(jìn)水口方向凸出，前蓋的中部與葉輪相對處向進(jìn)水口方向凹陷，葉輪具有后彎葉片。這些技術(shù)改進(jìn)能使水泵具有很高的效率。驅(qū)動電路以全控(全波)或半控(半波)驅(qū)動方式連接到繞組上。全控時，驅(qū)動電路根據(jù)轉(zhuǎn)子位置輸出交流電，驅(qū)動定子繞組產(chǎn)生交變磁場；半控時，驅(qū)動電路根據(jù)轉(zhuǎn)子位置交替向兩個定子繞組輸出直流電，并合成交變磁場。在交變磁場的作用下，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并通過轉(zhuǎn)子軸驅(qū)動水泵葉輪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)上述的離心泵的功能。不需改變水泵本體結(jié)構(gòu)或機(jī)械部分，只要使用或裝配不同的驅(qū)動電路就能簡便地制成調(diào)速型電動水泵或定速型電動水泵，顯然這種生產(chǎn)方式是靈活的。調(diào)速型電動水泵，采用脈寬調(diào)制(PWM)方式調(diào)速。脈寬調(diào)制信號發(fā)生電路或在定子槽外(脈寬調(diào)制信號發(fā)生電路與其它驅(qū)動電路分置、兩部分電路通過導(dǎo)線連接)，或與其它驅(qū)動電路一同制在一片電路板上并一同封裝在定子槽內(nèi)、只把其控制信號占空比的電路或器件(如溫度傳感器)置于定子槽外。定子槽內(nèi)、安裝驅(qū)動電路的位置有插裝電路板的槽，需要安裝到定子槽內(nèi)的驅(qū)動電路以插裝方式安裝并灌封在定子槽中，只通過導(dǎo)線與外部連接。本發(fā)明可產(chǎn)生的有益效果是1、通過上述對本發(fā)明方案的描述、再結(jié)合對其原理的描述和分析，可見，本發(fā)明所提出的一種一體化及液體潤滑永磁無刷直流電機(jī)電動水泵具有簡單、合理和緊湊的(總體)結(jié)構(gòu)。其起動性能、功率、扭矩和效率等性能顯著提高；壽命顯著延長；可靠性顯著提高；更合理(總體)結(jié)構(gòu)，也使水泵具有較大的輸送能力和很高的效率。這些，使本發(fā)明能滿足未來發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)電動水泵等電動水泵的性能和使用要求。2、相比現(xiàn)有三相無刷直流電機(jī)電動水泵，本發(fā)明在許多方面具有明顯優(yōu)勢，其結(jié)構(gòu)極其簡單、驅(qū)動電路也很簡單；結(jié)構(gòu)緊湊，各向尺寸均衡；可靠性高；成本及價格也具有明顯優(yōu)勢。這些優(yōu)勢，對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)電動水泵的實(shí)用化具有特別積極意義。3、本發(fā)明效率很高，因而非常節(jié)能，如用于250mL排量的水冷摩托車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)電動水泵，其輸入電功率只5W左右，對1. 6L排量的小型車發(fā)動機(jī)也不超過25W。作為發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)電動水泵，還將顯著提高發(fā)動機(jī)的燃油效率，進(jìn)一步提高整體節(jié)能效果。4、本發(fā)明在不改變電機(jī)本體的情況下，只要使用或裝配不同的(或簡化的)驅(qū)動電路就能簡便地制成更具成本優(yōu)勢的定速型循環(huán)泵、增壓泵、灌溉泵等。機(jī)動車暖風(fēng)系統(tǒng)簡單地增加一個(調(diào)速型或定速型)加壓泵，就能顯著降低其水冷及暖風(fēng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，并顯著提高暖風(fēng)系統(tǒng)性能；同樣，本發(fā)明對電動汽車水冷卻系統(tǒng)及暖風(fēng)系統(tǒng)的改進(jìn)也具有積極意義，對電子電器設(shè)備、器件的水冷卻系統(tǒng)改進(jìn)也具有積極意義。


附圖1是本發(fā)明電動水泵沿電機(jī)軸和鐵心中心線剖開的剖視圖，其中出水口部分又沿其中心線做了局部剖視；附圖2是附圖1的左視圖；附圖3是沿附圖1中A-A剖開的左剖視圖；附圖4是沿附圖1中A-A剖開的右剖視圖。為使圖形簡潔，各圖中均隱去了一些圖 (虛)線，一些圖線也做了簡化。附圖中各標(biāo)號名稱為1、后軸承，2、定子槽，3、安裝在定子槽的電路，4、轉(zhuǎn)子，5、轉(zhuǎn)子水套，6、軸，7、密封材料，8、前軸承，9、轉(zhuǎn)子水套蓋，10、前蓋，11、葉輪，12、定子槽口，13、 灌封材料，14、定子繞組，15、定子鐵心，16、定子槽底板，17、出水口，18、進(jìn)水口，19、極靴。附圖5是本發(fā)明使用的一種調(diào)速型驅(qū)動電路的原理圖。圖中以虛線將圖分成兩部分，左側(cè)部分是由ICl和IC2及外圍元件構(gòu)成脈沖寬度調(diào)制PWM信號發(fā)生電路，ICl和IC2是555時基芯片(或用一片556時基芯片)，Rt是PTC熱敏電阻。右側(cè)部分是由IC3及其外圍元件構(gòu)成的(功率)驅(qū)動電路，IC3是UDN3625M單相雙繞組無刷直流(風(fēng)扇)電機(jī)專用(功率)驅(qū)動芯片，Li、L2為無刷直流電機(jī)的兩個定子繞組。這里要特別說明的是，圖中所示的進(jìn)水口(18)和出水口(17)連接方式不是必要的，可以采用其它的連接方式同水管、散熱器或發(fā)動機(jī)等相連接。另外前蓋(10)可以同其它零件制成一體，例如直接將前蓋(10)制在發(fā)動機(jī)缸體上(利用缸體作為前蓋(10))。
具體實(shí)施例方式附圖1、附圖2、附圖3和附圖4以圖形的形式說明了本發(fā)明的技術(shù)方案、技術(shù)特征和工作原理。詳細(xì)的說明如前述。附圖1、附圖2、附圖3、附圖4和附圖5也公開了本發(fā)明在摩托車發(fā)動機(jī)水冷系統(tǒng)上的具體實(shí)施方式
。由于發(fā)動機(jī)的散熱量的變化范圍特別大，所以在本實(shí)施例中，在附圖5左側(cè)部分電路中，增加一個溫度控制的機(jī)械或電子開關(guān)Si，發(fā)動機(jī)機(jī)體溫度低時Sl斷開，達(dá)到某個溫度(例如60°c)以上而需要本發(fā)明所構(gòu)成的冷卻系統(tǒng)介入自動控溫時，開關(guān)Sl接通，這樣既可使系統(tǒng)簡單，又可發(fā)揮本發(fā)明自動冷卻控溫的能力。下面結(jié)合附圖5來說明采用本發(fā)明電動水泵的發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的原理。圖5左側(cè)部分，ICl及其外圍元件構(gòu)成矩形波信號發(fā)生帶電路，IC2及其外圍元件構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路，兩個電路連接后，構(gòu)成脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號發(fā)生電路，其PWM信號的占空比受PTC 熱敏電阻Rt的控制。溫度傳感器PTC熱敏電阻Rt具有在其開關(guān)溫度(動作溫度)附近阻值快速增大的溫變特性，其開關(guān)溫度和溫變特性可根據(jù)冷卻系統(tǒng)的設(shè)定溫度需要確定， 選開關(guān)溫度為85°C，并安裝在上水管上，用來感知發(fā)動機(jī)缸體的溫度。PWM信號的占空比在85°C附近具有隨缸體溫度升高而增大、并在超過85°C顯著增大的特性，例如由低溫時的 30%到高溫時的接近90%。圖5右側(cè)部分，UDN3625M是單相雙繞組無刷直流(風(fēng)扇)電機(jī)專用(功率)驅(qū)動芯片，其內(nèi)部帶有霍爾型轉(zhuǎn)子位置傳感器，所以只需要幾個外圍元件就能構(gòu)成單相無刷直流電機(jī)的半控型(功率)驅(qū)動電路，實(shí)現(xiàn)可靠的換向(相)驅(qū)動，使兩個定子繞組(14)交替工作，產(chǎn)生(合成)交流磁場。UDN3625M還有PWM信號輸入端，將圖5左側(cè)部分的PWM信號接入其PWM信號輸入端，即可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)及水泵的調(diào)速控制，從而改變冷卻系統(tǒng)的散熱量，溫度低是散熱量小、發(fā)動機(jī)升溫快，溫度高時散熱量顯著增大，使發(fā)動機(jī)溫度穩(wěn)定。根據(jù)此實(shí)施例制作了一個模擬的內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)表明本實(shí)施例具有較理想的冷卻性能。模擬系統(tǒng)還表明，本發(fā)明具有很好的起動性能、具有理想的功率、扭矩和效率性能；具有足夠長的使用壽命；高可靠性。這些，使本發(fā)明能滿足未來發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)電動水泵的性能和使用要求。作為另一個實(shí)施例，附圖1、附圖2、附圖3、附圖4和附圖5所公開的電動水泵也可用作機(jī)動車暖風(fēng)系統(tǒng)加壓泵(也可簡化為定速型)。
權(quán)利要求
1.一種一體化及液體潤滑永磁無刷直流電機(jī)電動水泵，由定子槽、轉(zhuǎn)子水套、前蓋、進(jìn)水口、出水口、轉(zhuǎn)子、軸、轉(zhuǎn)子水套蓋、后軸承、葉輪、密封材料、定子鐵芯、定子繞組、驅(qū)動電路、灌封材料組成，電機(jī)是具有U型定子鐵芯的單相兩極無刷直流電機(jī)，轉(zhuǎn)子采用徑向兩極充磁的磁體(極)結(jié)構(gòu)，U形鐵心端部有兩個相對的極靴，極靴的極弧形狀可形成所謂不對稱氣隙，集中式定子繞組安裝在定子鐵心上組成定子，驅(qū)動電路以全控(全波)或半控(半波)驅(qū)動方式連接到繞組上，定子安裝在定子槽內(nèi)，定子槽是一個采用塑料注射成型方法制造的、由定子槽側(cè)壁和定子槽底板構(gòu)成的槽，定子槽開口與定子槽底板相對，定子槽底板上還制有凸出到定子槽內(nèi)的轉(zhuǎn)子水套，轉(zhuǎn)子水套口在定子槽底板上，轉(zhuǎn)子水套將轉(zhuǎn)子與定子隔離開，轉(zhuǎn)子安裝在轉(zhuǎn)子水套中并在冷卻液中工作，轉(zhuǎn)子水套、定子槽底板和前蓋構(gòu)成水泵內(nèi)腔，進(jìn)水口、出水口均制在前蓋上，定子槽底板和前蓋之間有密封材料(密封件)密封， 除進(jìn)水口、出水口與外部相通外，水泵內(nèi)腔是密閉的，其特征是，轉(zhuǎn)子水套的位置靠近定子槽的上部，定子的極靴在上方并套在轉(zhuǎn)子水套上、定子繞組在下方，需要安裝到定子槽內(nèi)的驅(qū)動電路安裝在定子槽內(nèi)、且在轉(zhuǎn)子水套和定子極靴的上方，灌封材料將定子和需要安裝到定子槽內(nèi)的驅(qū)動電路灌封在定子槽內(nèi)、且灌封材料充滿定子槽，轉(zhuǎn)子和軸制成一體或裝配成一體，后軸承在轉(zhuǎn)子水套的底部，前軸承在轉(zhuǎn)子水套蓋上，轉(zhuǎn)子水套蓋安裝在轉(zhuǎn)子水套口處的定子槽底板上，轉(zhuǎn)子裝在轉(zhuǎn)子水套內(nèi)、后軸承與轉(zhuǎn)子水套蓋之間，軸穿過前軸承延伸到水泵內(nèi)腔里，葉輪安裝在軸的端部，進(jìn)水口與葉輪和轉(zhuǎn)子水套蓋相對，轉(zhuǎn)子水套蓋能嵌入前蓋內(nèi)，轉(zhuǎn)子水套蓋前端面的中部與葉輪相對處向進(jìn)水口方向凸出，前蓋的中部與葉輪相對處向進(jìn)水口方向凹陷，葉輪具有后彎葉片，轉(zhuǎn)子水套蓋前端面、前蓋、及進(jìn)水口和出水口能形成離心泵內(nèi)流道(蝸殼)的典型結(jié)構(gòu)，且當(dāng)轉(zhuǎn)子通過軸驅(qū)動葉輪旋轉(zhuǎn)工作時具有離心泵的功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種一體化及液體潤滑永磁無刷直流電機(jī)電動水泵，其特征是，從定子槽開口方向看，定子槽的形狀與定子的形狀一致，以減小定子和定子槽側(cè)壁之間的間隙及灌封材料的用量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種一體化及液體潤滑永磁無刷直流電機(jī)電動水泵，其特征是，充滿定子槽的灌封材料具有增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的作用，特別是，能使本發(fā)明采用薄壁的轉(zhuǎn)子水套，從而使氣隙長度減小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種一體化及液體潤滑永磁無刷直流電機(jī)電動水泵，其特征是，U形鐵心具有凸出的極靴，而且其不對稱氣隙的形狀是，每側(cè)極靴中心處的極弧的氣隙長度大，靠近兩端的兩段極弧的氣隙長度小并相等，靠近兩端的兩段極弧中一段的氣隙寬度較大、另一段的氣隙寬度較小。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種一體化及液體潤滑永磁無刷直流電機(jī)電動水泵，其特征是，轉(zhuǎn)子水套蓋以耐磨性能好和潤滑(減磨)性能好的材料制造，或轉(zhuǎn)子水套蓋上的前軸承和(或)后軸承另外以耐磨性能和潤滑(減磨)性能好的材料制造再裝配到轉(zhuǎn)子水套蓋上和(或)轉(zhuǎn)子水套底部。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種一體化及液體潤滑永磁無刷直流電機(jī)電動水泵，其特征是，軸與前軸承之間有間隙，轉(zhuǎn)子水套蓋與定子槽底板之間也有間隙，此間隙既能使冷卻液進(jìn)入轉(zhuǎn)子水套內(nèi)以實(shí)現(xiàn)對前軸承和后軸承的潤滑，又能過濾冷卻液中的雜質(zhì)防止其進(jìn)入到轉(zhuǎn)子水套內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、5或6所述的一種一體化及液體潤滑永磁無刷直流電機(jī)電動水泵， 其特征是，轉(zhuǎn)子水套蓋與前蓋結(jié)合處有縫隙，此縫隙既能利用水泵的壓力在此縫隙和軸與前軸承之間的間隙之間形成壓力差，從而驅(qū)動所輸送液體進(jìn)入轉(zhuǎn)子水套內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)對前軸承和后軸承的潤滑，也能過濾冷卻液中的雜質(zhì)防止其進(jìn)入到轉(zhuǎn)子水套內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種一體化及液體潤滑永磁無刷直流電機(jī)電動水泵，其特征是，不改變水泵本體，只要使用或裝配不同的驅(qū)動電路就能簡便地制成調(diào)速型電動水泵或定速型電動水泵。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的一種一體化及液體潤滑永磁無刷直流電機(jī)電動水泵，其特征是，調(diào)速型電動水泵，采用脈寬調(diào)制(PWM)方式調(diào)速。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、8或9所述的一種一體化及液體潤滑永磁無刷直流電機(jī)電動水泵， 其特征是，定子槽內(nèi)、安裝驅(qū)動電路的位置有插裝電路板的槽，需要安裝到定子槽內(nèi)的驅(qū)動電路以插裝方式安裝并灌封在定子槽中，只通過導(dǎo)線與外部連接。
全文摘要
一種一體化及液體潤滑永磁無刷直流電機(jī)電動水泵，屬無刷直流微電機(jī)水泵領(lǐng)域，可用作內(nèi)燃機(jī)水冷系統(tǒng)電動循環(huán)泵等。發(fā)明的目的是替代較復(fù)雜的三相無刷直流電機(jī)電動水泵。其特征是，單相無刷直流電機(jī)驅(qū)動的一體化電動水泵，灌封材料將定子和驅(qū)動電路灌封在定子槽內(nèi)，具有凸出的極靴和對稱性較好的不均勻氣隙，轉(zhuǎn)子水套蓋能過濾異物防止其進(jìn)入轉(zhuǎn)子水套內(nèi)，水泵的壓力能驅(qū)動冷卻液進(jìn)入轉(zhuǎn)子水套內(nèi)以保證軸承的潤滑，轉(zhuǎn)子水套蓋前端面、前蓋構(gòu)成水泵內(nèi)流道。
文檔編號F04D29/06GK102242717SQ20101018564
公開日2011年11月16日 申請日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者于佳衣, 于昊昱, 衣美鳳 申請人:于佳衣