CN103195745B - 一种新能源汽车的冷却水泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新能源汽车的冷却水泵，包括水泵壳体、水泵前端盖、水泵后端盖、叶轮轴、叶轮及电机；还包括连接在所述叶轮上的叶轮盖，所述叶轮盖包括中间段及连接在中间段两端的第一段和第二段；所述叶轮盖的第一段和第二段与水泵前端盖内壁之间分别形成流体阻尼间隙，所述叶轮盖中间段与水泵前端盖内壁之间形成的空腔截面积大于流体阻尼间隙的截面积；根据流体特性，截面积的突变会造成较大的流动阻力，从而降低了液体的泄漏量，提高了水泵的泵水扬程。还包括设置在水泵壳体内控制水泵电机驱动单元和风扇驱动单元的控制单元，采用PWM脉宽调频调制方式来调节电动水泵的转速，同时实现对整车冷却风扇的控制，减少了新能源车型的能耗和成本。

Description

一种新能源汽车的冷却水泵

技术领域

本发明涉及用于油电混合、纯电动汽车的动力装置冷却以及空调系统PTC加热装置冷却系统，具体的涉及一种新能源汽车的冷却水泵。

背景技术

新能源（油电混合、纯电动）车型的动力装置主要包括发动机（仅限混合动力车辆）、电机、逆变器和电机控制器。这些动力装置的冷却方式一般采用水冷方式，而如何为除发动机外其他动力装置的冷却系统提供冷却液循环动力成为一个重要问题。因为诸多原因，新能源车型的动力装置的冷却系统不能采用传动车辆发动机用的机械水泵，而且，即使装有发动机的混合动力车型，除发动机外其他的动力装置的冷却不能与发动机冷却采用同一个冷却液循环回路，所以也就不能与发动机冷却系统共用发动机水泵。因此，开发应用于新能源车型的水泵变得日益重要。

目前，常见的水泵体积比较大，往往应用于工业方面，并且这类水泵主要采用有刷直流电机。有刷直流电机最大的缺点是有换向器和电刷，维护不方便，使用寿命短。随着高性能永磁材料、微电子技术、自动控制技术和电力电子技术特别是大功率半导体器件的快速发展, 永磁同步电机得到了迅速的发展，无刷直流电机应运而生。无刷直流电机继承了有刷直流的优势，并且其调速性能优越、体积小、重量轻、效率高、转动惯量小、不存在励磁损耗问题, 同时寿命比有刷直流电机长，因此在各个领域具有广阔的应用前景，在电动汽车上也得到了广泛的应用。目前国外新能源车用的水泵均是采用这种小型的无刷直流电机，水泵的驱动和控制模块是分开的，而国内在这些方面还未取得产业化的实质性突破，车用的水泵产品市场基本空白。

旋转着的液体在离心力的作用下，从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入水泵前端盖与叶轮壳体形成的蜗壳流道中。液体由于蜗壳流道的截面积逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出口。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，水泵液体吸入口前端的冷却液在压力的作用下流向叶轮中心，液体便被连续压入叶轮中。只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。但是由于叶轮高速旋转，为避免摩擦，叶轮与水泵前端盖之间必须保证有一定间隙，因此部分液体会从这些间隙中泄露出去而没有经过叶轮加压，从而造成功率损失。

发明内容

本发明的目的就是针对上述缺陷，提供一种能防止液体泄漏、增大泵水功率的新能源汽车的冷却水泵。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种新能源汽车的冷却水泵，包括水泵壳体、水泵前端盖、水泵后端盖、叶轮轴、叶轮及电机；水泵前端盖与水泵壳体围合形成有泵腔，并且水泵前端盖上设置有连通泵腔的进水口和出水口；叶轮轴通过配合的轴承套固定在水泵壳体内，叶轮壳体的轴孔套置在叶轮轴上；还包括连接在所述叶轮上的叶轮盖，所述叶轮盖包括中间段及连接在中间段两端的第一段和第二段；所述叶轮盖的第一段和第二段与水泵前端盖内壁之间分别形成流体阻尼间隙，所述叶轮盖中间段与水泵前端盖内壁之间形成的空腔截面积大于流体阻尼间隙的截面积；所述水泵前端盖的进水口连通叶轮盖内腔。

所述叶轮盖位于水泵前端盖进水口的后方。

所述叶轮设置在叶轮壳体的叶轮安装支座上。

所述叶轮盖的中间段为曲面，所述叶轮盖的第一段沿垂直方向延伸，所述叶轮盖的第二段沿水平方向延伸。

与所述叶轮盖中间段配合的水泵前端盖内壁为曲面。

与所述叶轮盖中间段配合的水泵前端盖内壁设计成台阶形状。

所述流体阻尼间隙截面积与所述空腔截面积的比为1:90~1:100。

还包括设置在水泵壳体内控制水泵电机驱动单元和风扇驱动单元的控制单元；控制单元将接收到的信号处理成PWM信号发送给水泵电机驱动单元和/或风扇驱动单元；控制单元根据水泵电机驱动单元和/或风扇驱动单元的反馈信号调整PWM信号。

所述水泵壳体、电机的定子、叶轮轴及轴承套采用注塑的方式集成在一起形成水泵壳体总成；所述叶轮壳体和电机的转子采用注塑的方式集成在一起，与叶轮形成叶轮总成。

所述水泵后端盖圆周上的凹槽内设置有O形密封圈I形成圆周密封，所述水泵壳体上端面的凹槽内设置有O形密封圈II形成端面密封。

所述叶轮壳体轴孔端面与水泵前端盖的接触面处设置有叶轮挡圈，叶轮轴的上部设置有固定叶轮挡圈的限位面。

所述叶轮挡圈采用的是碳化硅制成的叶轮挡圈。

所述水泵前端盖的进水口处的下方设置有将所述叶轮挡圈压在所述叶轮壳体轴孔端面的轴撑结构，所述轴撑结构与叶轮轴间隙配合。

所述叶轮壳体的轴孔内壁开有供水循环的导流槽，所述叶轮壳体轴孔端面开有供水循环的导流槽，并且轴孔内壁的导流槽与轴孔端面的导流槽连通。

所述出水口沿所述叶轮切线方向分布。

本发明与现有技术相比，有益效果为：

1、叶轮上连接固定有叶轮盖，叶轮盖与水泵前端盖之间的流道截面设计成中间大两端小的结构，根据流体特性，截面积的突变会造成较大的流动阻力，从而降低了液体的泄漏量，在功率相等的情况下，提高了水泵的泵水扬程；

2、本发明的水泵包括了控制水泵电机驱动单元和风扇驱动单元的控制单元，能根据动力装置和空调系统PTC加热装置冷却需求的变化来调节水泵的转速，同时实现对整车冷却风扇的控制，该水泵既是水泵也是控制器，减少了新能源车型的能耗和成本；

3、水泵壳体与定子和叶轮轴的一体化设计、叶轮壳体与转子的一体化设计，有效解决了水泵密封性的问题；

4、叶轮挡圈使叶轮壳体轴孔端面在水泵工作时与水泵前端盖上的轴撑结构脱离接触，避免了二者之间的摩擦，延长了水泵的使用寿命；

5、叶轮壳体轴孔的内壁和叶轮壳体轴孔端面都开有供水循环的导流槽，一方面叶轮总成与水泵壳体总成、叶轮轴与叶轮壳体轴孔之间的杂质被带出，另一方面，同时在叶轮壳体轴孔端面与叶轮挡圈端面之间生成一层水膜，减少了叶轮壳体与叶轮挡圈之间的摩擦，导流槽内的液体还起到润滑叶轮壳体轴孔与叶轮轴摩擦副的作用，从而有效延长了水泵的使用寿命。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明剖切的装配爆炸图；

图2为本发明的剖视图；

图3为图2的局部放大图；

图4为本发明控制原理图；

图5为本发明叶轮壳体轴孔内壁开导流槽的示意图；

图6为本发明叶轮壳体轴孔端面开导流槽示意图；

图7为本发明整车网络控制示意图。

图8为本发明泵水控制原理图

具体实施方式

图1所示为本发明新能源汽车的冷却水泵轴线剖去60度后的装配爆炸图。结合图2可知，冷却水泵包括水泵后端盖1，O形密封圈I2，控制板3、水泵壳体4、电机（定子5和转子10）、O形密封圈II6、轴衬套7、叶轮轴8、减震护套9、叶轮壳体11、叶轮17、叶轮盖12、叶轮挡圈13、水泵前端盖14、水泵接线端子15。本发明的叶轮采用的是离心式叶轮，电机采用的是无位置传感器的无刷直流电机，电枢绕组作为电机的定子与水泵壳体一体化设计，永磁体作为电机的转子与叶轮壳体一体化设计。

叶轮轴8与轴承套7过盈配合后与定子5和水泵壳体4采用注塑的方式集成在一起形成水泵壳体总成，使定子5和叶轮轴8安装在水泵壳体4内，一体成型设计既保证了定子的密封性，又解决了定子的防水问题；

叶轮壳体11和转子10采用注塑的方式集成在一起，同样解决了转子的密封性和防水问题；叶轮盖12通过焊接方式焊在叶轮壳体4上的叶轮17上；即转子10、叶轮壳体11、叶轮17、叶轮盖12固定在一起，构成了叶轮总成。

叶轮壳体11开有套置在叶轮轴8上的轴孔11.1，轴孔11.1与叶轮轴8间隙配合，使叶轮壳体11安装在水泵壳体4内，从而使得叶轮总成安装在水泵壳体总成内。轴孔11.1与叶轮轴8间隙配合增加了二者的接触面积，同时，间隙配合有利于冷却液对叶轮轴8和叶轮总成之间进行润滑，减少磨损，提高效率，改善使用寿命；

水泵前端盖14与水泵壳体4围合形成有泵腔，水泵前端盖14上设有连通泵腔的进水口18和出水口19，进水口18开在水泵前端盖的中央，水泵前端盖14的圆周切线方向开出水口19；该水泵前端盖14通过进水口18处下方的轴撑结构20与叶轮轴8间隙配合，该轴撑结构20将叶轮挡圈13压在叶轮壳体轴孔端面上，保证叶轮总成在运转时的轴向位置。水泵前端盖的进水口与叶轮总成中央相通，液体经过进水口进入水泵前端盖、水泵壳体总成、叶轮总成三者形成的空腔内，然后经水泵前端上的出水口流出，该出水口沿叶轮切线方向分布。

本发明中的水泵前端盖采用端面密封、水泵后端盖采用的是圆周密封，具体结构为：O形密封圈I 2安装在水泵后端盖1圆周上的凹槽内，O形密封圈II 6安装在水泵壳体上端面的凹槽内，水泵前端盖14和水泵后端盖1分别将O形密封圈I 2、O形密封圈II 6压于水泵壳体4与水泵前端盖14和水泵后端盖1的接触面上，然后通过紧固件将水泵前端盖和水泵后端盖与水泵壳体固定，形成一个完整的水泵。

再次如图2所示为，为了减少液体的泄露量，本发明设计了如图3所示的结构，此结构特点是：叶轮盖12通过焊接方式焊在叶轮壳体11上的叶轮17上，叶轮17焊接在叶轮壳体11的叶轮安装支座11.2上，叶轮盖12位于水泵前端盖进水口18的后方，与水泵前端盖进水口18连通。

本发明的叶轮盖包括三段，叶轮盖12的中间段12.1及连接在中间段12.1两端的第一段12.2和第二段12.3，其中叶轮盖的中间段12.1为曲面，叶轮盖的第一段12.2沿垂直方向延伸，叶轮盖的第二段12.3沿水平方向延伸；叶轮盖的第一段12.2和第二段12.3与水泵前端盖14内壁之间分别形成流体阻尼间隙22，叶轮盖中间段12.1与水泵前端盖14内壁之间形成的空腔23截面积大于流体阻尼间隙22的截面积，且流体阻尼间隙截面积与空腔截面积的比为1:90~100，优选为1：98。

为了增大空腔23截面的面积，可以将与叶轮盖中间段配合的水泵前端盖内壁设计成曲面，也可以将与叶轮盖中间段配合的水泵前端盖内壁为设计成台阶形状。

即将叶轮盖与水泵前端盖之间的流道截面设计成中间大两端小的结构，根据流体特性，截面积的突变会造成较大的流动阻力，从而降低了液体的泄漏量，提高了水泵的泵水扬程。通过多次试验得出，利用具有该结构的水泵，在功率相等的情况下，提高了水泵的泵水扬程。

如图4所示，本发明还包括控制水泵电机驱动单元和风扇驱动单元的控制单元，其中控制单元和水泵电机驱动单元设置在控制板3上，水泵电机驱动单元驱动水泵电机运转，风扇驱动单元驱动风扇运转（风扇驱动单元设置在风扇内）；控制单元将接收到的信号处理成PWM信号发送给水泵电机驱动单元和/或风扇驱动单元；控制单元根据水泵电机驱动单元和/或风扇驱动单元的反馈信号调整PWM信号。将本发明的水泵串联于动力装置A（由驱动电机、逆变器和电机控制器构成）冷却回路中，水泵的控制单元接收由整车的网络发出的信息，来控制水泵本身和风扇的启停、调速功能。接收并处理的信息有动力装置A各出口的冷却液温度、空调系统管路压力、空调系统运行信号等信息。

水泵接线端子15通过紧固件固定在水泵壳体总成的接线口端面上，控制板3通过水泵壳体内部的卡口结构固定在水泵壳体4下方。考虑水泵的安装环境及减震要求，在泵体中部套上一个橡胶材质的减震护套9。

如图5、6所示为水泵叶轮总成与水泵前端盖减小摩擦结构示意图。当水泵工作时，由于定子和转子间的相互电磁作用，一方面，将使叶轮壳体轴孔端面24与水泵前端盖14的相抵触，而叶轮壳体11高速旋转，这将很快地导致叶轮壳体轴孔端面24与水泵前端盖14接触面严重磨损，另一方面，叶轮盖12也会与水泵前端盖14相碰撞。为防止该情况的发生，在叶轮壳体轴孔端面24与水泵前端盖14接触面之间设有叶轮挡圈13，同时在叶轮轴8上开有限位面8.1，套置在叶轮轴8上的叶轮挡圈13固定在该限位面8.1上，水泵前端盖的轴撑结构20将叶轮挡圈13压在叶轮壳体轴孔端面24上；叶轮挡圈13将水泵壳体轴孔端面与水泵前端盖的轴撑结构20隔开，从而避免了二者的相互摩擦，同时也对叶轮盖12起到限位作用，避免叶轮盖12与水泵前端盖14的碰撞。

当水泵不运转时，叶轮总成的下端面是与轴衬套7上端面接触；当水泵运转时，叶轮壳体的轴孔11.1与叶轮轴8之间会产生摩擦，并且叶轮总成会因为定子5与转子10之间产生的磁力作用沿轴向上方悬浮，此时叶轮壳体轴孔端面24被顶在叶轮挡圈13的端面上，使用叶轮挡圈13虽然避免了叶轮壳体轴孔端面24碰上水泵前端盖14的轴撑结构20而造成硬摩擦，但是高速旋转的叶轮壳体11会与叶轮挡圈13之间产生摩擦。

若这两处的摩擦得不到改善，会造成叶轮总成磨损严重，水泵异响声大，甚至卡死以至于电机损坏。为改善这两处的摩擦，本发明在叶轮壳体的轴孔11.1内壁和叶轮壳体轴孔端面24开有供水循环的导流槽25、21，轴孔内壁的导流槽25与轴孔端面的导流槽21连通，并且采用碳化硅材质制成的叶轮挡圈13。导流槽主要作用包括：其一，去除细小杂物，防止卡死。在叶轮高速旋转时，其轴向的压力小，叶轮边缘的压力大，使得少量的水从叶轮边缘流入水泵壳体总成与叶轮总成形成的腔室中，由于压差，这些泄漏液体会沿着腔室向下，然后顺着导流槽25向上移动，最后经叶轮壳体轴孔端面24的导流槽21又流回叶轮的叶轮17间重新参与循环。在这过程中，叶轮总成与水泵壳体总成、叶轮轴8与叶轮总成的轴孔11.1之间的杂质都被带出，同时在叶轮壳体轴孔端面24与叶轮挡圈13端面之间会生成一层水膜，减少叶轮壳体轴孔端面24与叶轮挡圈13之间的摩擦。其二，导流槽11.1内液体起到润滑叶轮壳体轴孔11.1和叶轮轴8摩擦副的作用。

如图7所示为水泵整车网络控制原理图。在新能源车型上，发动机散热器、动力装置A散热器及空调系统的冷凝器都是依靠车上的风扇来完成散热的，风扇的控制需要考虑这三方的散热需求。本发明将水泵的泵水功能及风扇的控制功能集成于一体，通过接收三方的散热需求，在内部控制板的控制策略中进行判定，然后发出PWM信号，驱动水泵和风扇以某一转速运转。具体过程是这样的，在车辆运行过程中，水泵中的控制板会随时监听整车网络中的发动机水温信号、动力装置A回路中的水温信号以及空调系统散热需求的信号，收到这些信号后控制板中的控制策略会对其进行解读和判断，以“就高不就低”的原则选取水泵、风扇在某层次上的最高转速，然后将PWM信号发给驱动单元，从而完成水泵和风扇的启停运转。目前新能源车辆上的冷却风扇主要由两级调速风扇和PWM调速风扇构成，本发明已实现对这两类型风扇的兼容控制。

如图8所示为本发明水泵的控制原理图。水泵内部的控制板3既具有控制模块又具有水泵电机驱动模块。当车辆运行后，控制单元会接收到来自整车网络的信息，控制板将这些信息带入已写好的控制单元中的控制策略中进行判定，然后向水泵电机驱动单元发出PWM信号，水泵电机驱动单元按照PWM信号为水泵中的三相电机提供相应的具有某占空比的脉冲形式的三相电压。水泵的电机通电后，其转子会高速旋转，而与转子注塑成一体的叶轮壳体也会随之运转，使叶轮也随着叶轮壳体一起运转，从而推动回路中冷却液的循环。在整个循环中，水泵电机驱动单元会将水泵的电机转速信息反馈给控制单元，水泵的PWM信号是可以根据输入的整车信息来调节的，当控制单元判定热负荷较小或冷却能力富余时，会提供小占空比的PWM信号给驱动单元，使水泵功率、转速、流量、有效工作时间减小。反之，当热负荷较大或冷却能力不足时，控制单元会提供大占空比的PWM信号，水泵的流量和转速也会上升以满足冷却系统散热的要求。这种PWM控制机制可以根据实际需求来设定，其“按需分配”的方式能够满足新能源车型的节能要求。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种新能源汽车的冷却水泵，包括水泵壳体、水泵前端盖、水泵后端盖、叶轮轴、叶轮及电机；水泵前端盖与水泵壳体围合形成有泵腔，并且水泵前端盖上设置有连通泵腔的进水口和出水口；叶轮轴通过配合的轴承套固定在水泵壳体内，叶轮壳体的轴孔套置在叶轮轴上；其特征在于，还包括连接在所述叶轮上的叶轮盖，所述叶轮盖包括中间段及连接在中间段两端的第一段和第二段；所述叶轮盖的第一段和第二段与水泵前端盖内壁之间分别形成流体阻尼间隙，所述叶轮盖中间段与水泵前端盖内壁之间形成的空腔截面积大于流体阻尼间隙的截面积；所述水泵前端盖的进水口连通叶轮盖内腔；

所述叶轮壳体轴孔端面与水泵前端盖的接触面处设置有叶轮挡圈，叶轮轴的上部设置有固定叶轮挡圈的限位面；所述水泵前端盖的进水口处的下方设置有将所述叶轮挡圈压在所述叶轮壳体轴孔端面的轴撑结构，所述轴撑结构与叶轮轴间隙配合；

所述叶轮壳体的轴孔内壁开有供水循环的导流槽，所述叶轮壳体轴孔端面开有供水循环的导流槽，并且轴孔内壁的导流槽与轴孔端面的导流槽连通。

2.根据权利要求1所述的新能源汽车的冷却水泵，其特征在于，所述叶轮盖位于水泵前端盖进水口的后方。

3.根据权利要求1所述的新能源汽车的冷却水泵，其特征在于，所述叶轮设置在叶轮壳体的叶轮安装支座上。

4.根据权利要求1所述的新能源汽车的冷却水泵，其特征在于，所述叶轮盖的中间段为曲面，所述叶轮盖的第一段沿垂直方向延伸，所述叶轮盖的第二段沿水平方向延伸。

5.根据权利要求4所述的新能源汽车的冷却水泵，其特征在于，与所述叶轮盖中间段配合的水泵前端盖内壁为曲面。

6.根据权利要求4所述的新能源汽车的冷却水泵，其特征在于，与所述叶轮盖中间段配合的水泵前端盖内壁设计成台阶形状。

7.根据权利要求1所述的新能源汽车的冷却水泵，其特征在于，所述流体阻尼间隙截面积与所述空腔截面积的比为1:90～100。

8.根据权利要求1所述的新能源汽车的冷却水泵，其特征在于，还包括设置在水泵壳体内控制水泵电机驱动单元和风扇驱动单元的控制单元；控制单元将接收到的信号处理成PWM信号发送给水泵电机驱动单元和/或风扇驱动单元；控制单元根据水泵电机驱动单元和/或风扇驱动单元的反馈信号调整PWM信号。

9.根据权利要求1所述的新能源汽车的冷却水泵，其特征在于，所述水泵壳体、电机的定子、叶轮轴及轴承套采用注塑的方式集成在一起形成水泵壳体总成；所述叶轮壳体和电机的转子采用注塑的方式集成在一起，与叶轮形成叶轮总成。

10.根据权利要求1所述的新能源汽车的冷却水泵，其特征在于，所述水泵后端盖圆周上的凹槽内设置有O形密封圈I形成圆周密封，所述水泵壳体上端面的凹槽内设置有O形密封圈II形成端面密封。

11.根据权利要求1所述的新能源汽车的冷却水泵，其特征在于，所述叶轮挡圈采用的是碳化硅制成的叶轮挡圈。

12.根据权利要求1所述的新能源汽车的冷却水泵，其特征在于，所述出水口沿所述叶轮切线方向分布。