CN102788022B - 一种高可靠性的微型机械泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高可靠性的微型机械泵，包括泵体、泵腔、流体入口、流体出口，叶轮以及无刷电机，其中泵体由蜗壳、电机保护外壳及其盖板共同联接构成，并形成用于容纳叶轮和无刷电机的泵腔；流体入口和流体出口分别设置在蜗壳上并与泵腔相连通；无刷电机设置在电机保护外壳及其盖板内部的泵腔中，其输出轴与叶轮的主轴相联接，并包括永磁转子组件和绕组线圈定子组件，其中转子与定子组件之间设置有金属套筒，并且定子线圈表面形成有防水密封胶层将其包裹封闭。本发明还公开了其他的结构调整。通过本发明，能够解决电机的防水问题并提高其散热性能，进一步简化泵的零部件结构使其紧凑化，同时实现泵腔的有效密封及叶轮的精确同心定位。
Description
技术领域
本发明属于流体泵技术领域，更具体地，涉及一种高可靠性的微型机械泵。
背景技术
通常把提升、输送或使液体或气体增加压力，即把原动机的机械能变为液体或气体的能量从而达到抽送液体或气体目的的机器统称为泵。目前常规泵的种类非常多，机械型泵因为原理简单，制造工艺成熟，易于控制，所以被广泛应用。微型机械泵作为微机电系统的一个重要研究方向，在药物输运系统、电子器件冷却系统、热控系统等、微化学分析系统等领域得到广泛应用。
对于微型泵来说，因为尺度很小，造成了相对表面粗糙度和相对间隙较大，工艺误差的影响更加显著，加工困难，组装工艺也很复杂；但是对其可靠性要求又非常高，这就给设计、制造和装配带来了很大困难。
首先，微型泵要做到高可靠性，需要解决好微型泵内的动力源也即电机的防水特性，尤其当采用无刷电机时，由于处在潮湿或浸水的环境中线圈定子容易受潮而产生锈蚀、短路及电解，导致型泵工作性能降低直至失效。同时，现有的机械泵驱动单元与泵功能单元一般都相对独立，装配结构上大都较为复杂，并且增大了密封难度。
其次，电机的发热也是可靠性的一个影响因素。如果电机温升过大，由于电机内部各部分热膨胀系数不同导致结构应力的变化和内部气隙的微小变化，会影响电机的动态响应，发热严重时将导致绝缘老化甚至烧毁。微型泵的驱动电机一般都要放置在泵外壳内，以保护电机。常见的电机只能通过电机外壳将热量导出，同时热量还需通过电机外壳与泵外壳之间的空气传导给泵外壳，再散发到环境中，传热路径漫长，散热效率低。
再次，对于微型泵来说，泵送效率的维持要求泵体各部件比如叶轮等和电机进行有效的装配和组合：例如叶轮和电机轴的连接如果不牢固，会出现叶轮轴向串动，周向滑移甚至脱落。而对于微型泵来说，由于主轴的尺寸很小，因此无法采用大型常规机械泵中销钉、键和螺纹等连接方式。此外，如何保证叶轮能够精确定位在在泵腔中心也是需要考虑的问题。在微小尺度下，如果叶轮安装时稍微存在偏差，就可能造成叶轮与蜗壳的干涉，并对泵送效率有直接影响。
最后，保证泵腔的密封性是使维持微型泵正常工作的前提，其密封性能的好坏也会影响到其工作性能。由于尺寸微小，常规泵的密封方式如迷宫密封，螺纹密封等均无法实现。另外为了降低加工上的难度，一般泵的进出口管路与蜗壳都采用分开后再组装的方式，如果两者之间装配时不能保证密封也会造成液体泄漏。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷和技术需求，本发明的目的在于提供一种微型机械泵，其能够解决泵自身电机的防水问题并提高其散热性能，进一步简化泵的零部件结构使其紧凑化，同时通过结构上的设计来实现泵腔的有效密封及叶轮的精确同心定位，由此获得高可靠性。
按照本发明，提供了一种微型机械泵，该微型机械泵包括泵体、泵腔、流体入口、流体出口，叶轮以及无刷电机，其特征在于：
所述泵体由蜗壳、电机保护外壳及其盖板共同联接构成，其中蜗壳内部形成用于容纳叶轮的第一泵腔，电机保护外壳及其盖板的内部形成用于容纳所述无刷电机的第二泵腔；
所述流体入口和流体出口分别设置在蜗壳上并与蜗壳内部的第一泵腔相连通，流体由此在叶轮的驱动下从流体入口朝向流体出口输送；
所述无刷电机设置在电机保护外壳及其盖板内部的第二泵腔中，其输出轴与叶轮的主轴相联接，并包括永磁转子组件和围绕该永磁转子组件而设置的绕组线圈定子组件，其中所述转子组件与定子组件之间设置有金属套筒，并且所述定子组件的绕组线圈表面形成有一层防水密封胶层将其包裹封闭。
通过以上构思，可以将无刷电机的保护外壳与蜗壳等结构集成设计为一体，由此简化了产品构成，使得微型机械泵的整体结构更为紧凑，并能够减小电机发热时的传热路径，提高散热效率；通过在微型泵内使用无刷电机，能够利用其运行效率高、无碳刷磨损、调速性能好和易于驱动控制等特点，由此获得更高性能的微型泵产品；此外，通过对绕组线圈通过防水密封胶层进行包裹密封，保证了线圈定子组件的防水功能，在此基础上，通过金属套筒使得无刷电机的定子组件与转子组件完全隔离，从而能够进一步确保无刷电机定子组件的防水性。
作为进一步优选地，所述金属套筒的两端与所述盖板和电机保护外壳之间通过无缝压合方式连接，所述防水密封胶层通过灌封工艺形成。
通过采用无缝压合方式来完成金属套筒与电机保护外壳、盖板之间的连接，能够确保它们彼此之间的无缝式连接，由此更好地实现对电机定子组件的防水密封；此外，灌封工艺能够简便、高效地实现对绕组线圈的包裹，并保证密封胶层的成型和密封性能。
作为进一步优选地，当通过灌封工艺来形成防水密封胶层时，采用模芯套入到所述永磁转子组件与绕组线圈定子组件之间，然后在模芯外表面与电机保护外壳之间的空隙中执行灌封，其中所述模芯由圆柱体形状的聚四氟乙烯棒和设置其内部的金属芯共同组成。
通过采用模芯来执行灌封过程，金属芯插入到电机保护外壳的轴孔中并与之过渡配合以保证模芯与电机保护外壳之间的同心度，而模芯外表面处于永磁转子组件与绕组线圈定子组件之间，这样，可以将防水密封胶从开口一侧灌入，将定子组件、电机保护外壳以及模芯之间的空隙完全填满，待密封剂固化后取出模芯，即可形成防水密封胶层；此外，模芯的材质及构造能够提高灌封工艺的灌封效果，并有助于提高操作便利度。
作为进一步优选地，所述金属套筒由铝、铜或钛材料制成，所述防水密封胶层由以环氧树脂为基材的双组份胶粘剂构成并具备热传导性。
由于金属套筒由例如铝、铜或钛的材料制成，这些金属材料不会对电机内部电磁场造成不利影响，相应保证了无刷电机的正常工作；此外，通过对防水密封胶层材质的进一步限定，能够在完成对绕组线圈包裹密封的同时，实现电机主要发热部件也即定子组件的内外层双向传热，从而能够增强电机的散热性能，进一步提高微型泵的可靠性。
作为进一步优选地，所述永磁转子组件由上轴承、下轴承以及设置在两个轴承之间的永磁转子组成，并且所述上轴承和下轴承为自润滑陶瓷轴承；所述绕组线圈定子组件由与电源相连的导线、与该导线电连接的绕组线圈以及围绕该绕组线圈设置的磁极片组成。
通过对电机转子组件的以上具体限定，能够确保即便在长时间工作条件下转子组件也能顺利运行，减少维修成本，同时能够充分利用无刷电机自身的特点来提高本发明的微型机械泵的性能。
作为进一步优选地，所述蜗壳与电机保护外壳之间通过螺钉相联接，并且蜗壳的端面上设置有定位凹槽结构，电机保护外壳的端面上设置相应的定位凸台结构，当蜗壳与电机保护外壳相联接时，所述定位凹槽结构与定位凸台结构之间实现相互配合。
由于在蜗壳与电机保护外壳之间通过螺钉方式联接并且通过定位凸台和凹槽结构相互配合，一方面可以以简单的方式执行两者的集成化装配和组装，另一方面还能够保证在叶轮组装完毕后，叶轮在泵腔中具备更为精确的同心定位，防止叶轮偏心安装所带来的机械干涉及对其性能造成的不利影响。
作为进一步优选地，在所述蜗壳端面的定位凹槽结构或者电机保护外壳端面的定位凸台结构上，设置有环形的密封槽并在该密封槽中安装密封圈，由此确保蜗壳与电机保护外壳两者端面之间的密封。
通过在蜗壳或电机保护外壳的端面上设置密封槽及密封圈，能够更全面地确保泵产品的密封性能，进一步提高对电机部件的防水密封效果。
作为进一步优选地，所述无刷电机的输出轴端部加工有台阶形结构，所述叶轮的主轴具备与该输出轴端部相匹配的安装孔，无刷电机与叶轮之间的连接为过盈配合方式，并通过粘结剂予以固定。
由于微型泵的尺寸很小，传动的叶轮安装方式皆不方便采用。在本发明中，通过在电机的输出轴端部加工有譬如扁平状的台阶形结构，并且叶轮主轴的安装孔与电机端面形状相匹配，这样当完成叶轮与电机之间的组装后，台阶形结构既能有效防止叶轮的轴向窜动，又能防止叶轮的轴向滑移，同时平面接触面的存在也利于过盈配合的实现，并有助于提高粘结效果。
作为进一步优选地，所述流体入口和流体出口分别安装有进口管路和出口管路，所述进口管路、出口管路与蜗壳相配合连接的部位设置有环形凹槽，并通过粘结剂予以固定。
通过在各个管路与蜗壳相配合连接的部位设置有环形的凹槽，有助于提高它们之间的连接强度；此外，当粘结剂固化时能够在该部位形成齿状的结构，从而进一步强化连接效果，并有助于提高各部件之间的密封效果。
总体而言，按照本发明的微型泵与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1、通过在泵内部采用无刷电机并将无刷电机结构与泵体外壳集成设计成一体，简化了产品构成，使得微型机械泵的整体结构更为紧凑，并有助于提高散热效率；
2、通过对绕组线圈通过防水密封胶层进行包裹密封并使用金属套筒，保证了线圈定子组件的防水功能，在此基础上，通过使用金属套筒能够进一步确保无刷电机定子组件的防水性；
3、通过采用导热灌封胶作为防水密封胶层的材料，能够实现电机定子的内外层双向传热，提高电机的散热性能；
4、通过在电机输出轴端部设置台阶形结构，与单纯的圆轴加粘结方式相比更为可靠，并能够有效防止叶轮的轴向窜动和轴向滑移；
5、由于在电机保护外壳与蜗壳的接触端面上分别设置定位凹槽和定位凸台结构，不仅能够实现两者之间的可靠联接，还能够确保叶轮在泵腔中具备更为精确的同心定位；
6、通过在流体管路与蜗壳之间的连接部位设置环形凹槽并通过粘结方式固定，不仅能够提高连接强度，还能进一步提高各个管路与蜗壳之间的密封性能。
附图说明
图1是按照本发明的高可靠性的微型机械泵的整体结构剖视图；
图2a是用于显示采用模芯对电机定子组件执行灌封工艺的示意图；
图2b是用于显示执行灌封工艺后的无刷电机结构示意图；
图3是用于显示蜗壳与电机保护外壳之间的联接方式的示意图；
图4是用于显示叶轮与电机输出轴之间的连接方式的示意图；
图5是用于显示流体管路与蜗壳之间的连接部位及其环形凹槽的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。
图1是按照本发明的微型机械泵的整体结构剖视图。如图1所示，本发明的微型机械泵主要包括泵体、泵腔、流体入口、流体出口，叶轮以及无刷电机。泵体由蜗壳7、电机保护外壳12及电机的盖板15共同联接构成为一体，并在其内部形成了泵腔，其中蜗壳7所包围形成的内部空间为第一泵腔，在该泵腔内容纳有叶轮10；而电机保护外壳12及设置其上的盖板15所共同包围形成的内部空间为第二泵腔，在该泵腔内容纳有无刷电机。流体入口和出口8、9分别设置在蜗壳7上，在图1中譬如分别设置在其左侧和下侧，并与蜗壳7内部的第一泵腔相连通。此外，流体入口8和流体出口9处分别安装有进口管路23和出口管路24，这样流体可以在叶轮10的驱动下，从流体入口8朝向流体出口9输送并经由出口管路泵出。
所述无刷电机设置在电机保护外壳12及其盖板15内部的第二泵腔中，其输出轴与叶轮10的主轴相联接，由此为叶轮的驱动提供动力。作为无刷电机的具体构造，其包括永磁转子组件20和围绕该永磁转子组件而设置的绕组线圈定子组件21。具体而言，永磁转子组件20由上轴承14、下轴承13以及设置在两个轴承之间的永磁转子11组成。在一个优选实施例中，上、下轴承可以由自润滑陶瓷轴承构成，以支持较长时间工作的要求。绕组线圈定子组件21由与电源相连的导线1、与该导线1电连接的内层绕组线圈3以及围绕该绕组线圈设置的外层磁极片2组成。为了充分利用无刷电机的特性，必须保证其具备完善的防水性能。为此目的，可以在定子组件21的绕组线圈表面譬如通过灌注工艺形成一层防水密封胶层5，将其完全包裹封闭，由此为线圈定子提供防水效果。在此基础上，还可以在转子组件与定子组件之间设置金属套筒6，该金属套筒6的两端与盖板15与电机保护外壳12之间分别通过无缝压合方式连接，从而将定子组件21与转子及外空间完全隔离，进一步实现对线圈定子及线路的保护。盖板15的内侧壁面与电机保护外壳12上部的连接部分也可以加工螺纹，两者通过螺纹连接固定。
下面将参照图2a和2b来具体描述按照本发明的用于对无刷电机实现防水密封的工艺实施过程。图2a是用于显示采用模芯对电机定子组件执行灌封工艺的示意图，图2b是用于显示执行灌封工艺后的无刷电机结构示意图。如图2a中所示，在灌注密封胶前，先将线圈定子组件21放入电机保护壳12的腔体内，并与电机保护外壳12粘结在一起。定子组件在高度方向上的定位可以通过限位块4（参看图1）来实现。在一个优选实施例中，通过将模芯22插入电机保护外壳12中心，并在模芯和线圈定子之间的空隙中灌注防水胶，由此在防水胶固结后形成包覆定子组件21的防水密封胶层5。所述模芯22由圆柱体形状的聚四氟乙烯棒17和设置其内部的金属芯16共同组成，金属芯16的作用是加固模芯22，防止其发生形变，金属芯16与聚四氟乙烯圆柱棒17譬如通过螺纹连接固定。
参看图2a至图2b，模芯22外径较永磁转子11稍大，以保证灌胶后转子留有足够的旋转空隙，间隙的大小需通过电磁特性加以设计。模芯表面可涂抹一薄层有机硅脂以封闭金属芯16和聚四氟乙烯棒17之间的间隙，以防止防水密封胶渗入间隙造成固结后无法脱模。金属芯16插入电机保护外壳12的轴孔25并与之过渡配合，以保证模芯22与电机保护外壳12的同心度。模芯安装到位后，将防水密封胶从开口处一侧灌入，将定子组件21、电机保护外壳12、模芯22之间的空隙完全填满，直至将电机保护外壳12的腔体填平。待密封胶固结后，轻敲金属芯，16取出模芯22，即形成将定子组件完全包覆的防水密封胶层5。接着，可以在防水密封胶层5的内表面上贴合金属套筒6，譬如通过无缝压合工艺来简单实现金属套筒与盖板15和电机保护外壳12之间的无缝式连接。从而实现将定子组件21与转子及外空间完全隔绝，进一步实现防水密封。最后，在电机保护外壳12和盖板15的轴承座中安放好下轴承13和上轴承14，并装入永磁转子13，在盖板15的内侧面涂覆密封胶，并将其与电机保护外壳12粘结好后即完成微型泵无刷电机结构部分的安装。
在一个优选实施例中，所述金属套筒6可以由例如铝、铜或钛等材料或其他具备类似性能的材料制成，防水密封胶层5可以由以环氧树脂为基的双组份胶粘剂构成并具备热传导性。由于金属套筒由例如铝、铜或钛这类的材料制成，这些金属材料不会对电机内部电磁场造成不利影响，相应保证了无刷电机的正常工作；此外，通过对防水密封胶层材质的进一步限定，能够在完成对绕组线圈包裹密封的同时，实现电机主要发热部件也即定子组件的内外层双向传热，从而能够增强电机的散热性能，进一步提高微型泵的可靠性。
参看图1和图3，电机保护外壳12同时也是泵体的组成部件，它与蜗壳7共同构成微型泵的泵腔。电机保护外壳12与蜗壳7相接触的接触端面上设置有定位凸台，蜗壳7与电机保护外壳12相接触的接触端面相应设置有定位凹槽，两者配合以保证叶轮安装定位时的叶轮与泵腔体的同心，防止叶轮偏心安装带来的机械干涉和对性能的不利影响。电机保护外壳12上设置有螺纹孔，蜗壳在相应位置开设通孔，两者通过螺钉完成连接。在一个优选实施例中，蜗壳的凹槽部分可以设有密封槽，用以安装密封圈26。密封圈26可以采用O型密封圈，也可以采用D型密封圈或异形密封圈等。密封圈靠螺钉连接的压力压紧，从而实现端面上的密封。当然，密封圈26也可以设置在电机保护外壳12的凸台位置上。
由于微型泵的尺寸很小，传统的叶轮的安装方式无法采用。为实现叶轮的可靠安装，参见图4，本发明中叶轮10与永磁转子11的电机输出轴19至今啊为过盈配合，并通过粘结剂固定。其中电机输出轴19的端部加工有扁平状的台阶形结构，叶轮主轴的中心安装孔形状与电机轴端面形状相配合，台阶形结构既能有效防止叶轮的轴向串动，又能防止叶轮的周向滑移。同时，平面接触面的存在有利于提高粘结效果。
参看图5，泵的进、出口管路23、24与蜗壳配合连接部位可以加工有环形的凹槽。进、出口管路23和24与蜗壳之间通过粘结剂粘结固定时，粘结剂固化时在该段可形成齿状结构，从而强化连接强度，并提高密封性能。此外，当电机保护外壳12与蜗壳7和管路23、24采用金属材料时，电机保护外壳12与蜗壳7的端面密封、以及管路和蜗壳之间的连接和密封还可以采用激光焊接的方式。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于微机电系统的微型机械泵，该微型机械泵包括泵体、泵腔、流体入口、流体出口，叶轮以及无刷电机，其特征在于：
所述泵体由蜗壳(7)、电机保护外壳(12)及其盖板(15)共同联接构成，其中蜗壳(7)内部形成用于容纳所述叶轮(10)的第一泵腔，电机保护外壳(12)及其盖板(15)的内部形成用于容纳所述无刷电机的第二泵腔；此外，电机保护外壳(12)与蜗壳(7)相接触的端面上设置有定位凸台，蜗壳(7)与电机保护外壳(12)相接触的端面相应设置有定位凹槽，由此通过两者的配合来保证叶轮(10)安装定位时的同心；
所述流体入口(8)和流体出口(9)分别设置在所述蜗壳(7)上并与此蜗壳(7)内部的第一泵腔相连通，流体由此在所述叶轮(10)的驱动下从流体入口(8)朝向流体出口(9)输送；
所述无刷电机设置在电机保护外壳(12)及其盖板(15)内部所形成的第二泵腔中，其输出轴与所述叶轮(10)的主轴相联接，并包括永磁转子组件(20)和围绕该永磁转子组件而设置的绕组线圈定子组件(21)，其中永磁转子组件(20)由上轴承(14)、下轴承(13)以及设置在这两个轴承之间的永磁转子(11)共同组成，并且所述上轴承和下轴承均为自润滑陶瓷轴承；绕组线圈定子组件(21)由与电源相连的导线(1)、与该导线(1)电连接的内层绕组线圈(3)以及围绕该内层绕组线圈(3)设置的外层磁极片(2)共同组成，并且在所述内层绕组线圈(3)表面通过灌封工艺形成有一层防水密封胶层(5)，由此将其完全包裹封闭；此外，在所述永磁转子组件(20)与绕组线圈定子组件(21)之间还设置有由铝、铜或钛材质制成的金属套筒(6)，该金属套筒(6)的两端分别与盖板(15)和电机保护外壳(12)之间通过无缝压合方式连接，从而将绕组线圈定子组件(21)与永磁转子组件(20)及外空间完全隔离；
所述无刷电机的输出轴端部(19)加工有扁平状的台阶形结构，所述叶轮(10)主轴的中心安装孔形状与该无刷电机的输出轴端部的形状相配合，并且两者之间采用过盈配合方式相互联接，然后通过粘结剂予以固定。
2.如权利要求1所述的微型机械泵，其特征在于，在所述蜗壳(7)端面的定位凹槽或者电机保护外壳(12)端面的定位凸台上，设置有环形的密封槽并在该密封槽中安装密封圈(26)，由此确保蜗壳与电机保护外壳两者端面之间的密封。
3.如权利要求1或2所述的微型机械泵，其特征在于，所述流体入口(8)和流体出口(9)分别安装有进口管路(23)和出口管路(24)，所述进口管路(23)和出口管路(24)与所述蜗壳(7)相配合连接的部位设置有环形凹槽，并通过粘结剂予以固定。
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