CN116378969B - 一种电子水泵 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种电子水泵，包括泵壳，所述泵壳上设置有进水口和出水口，所述泵壳内设置有电机和叶轮，所述电机包括定子和转子，所述转子与所述叶轮传动连接，其特征在于：所述定子为印刷有磁感线圈的印刷电路板。通过采用印刷有磁感线圈的印刷电路板代替铁芯作为电机定子，能够大幅减小电子水泵的轴向体积。在部分优选实施例中，通过将印刷电路板浸没在冷却介质中，解决了印刷电路板的散热问题。

Description

一种电子水泵

技术领域

本发明涉及水泵技术，尤其涉及一种电子水泵。

背景技术

通常，冷却系统(或称热管理系统)会使用水泵循环冷却液。目前市面上有机械水泵和电子水泵两种主要类型。机械水泵由发动机驱动，电子水泵则电机驱动叶轮以吸入和排出冷却液。相比较于机械水泵，电子水泵整体效率更高，并能给对电机进行实时控制，因此在各种场景中得到广泛应用。

而随着相关技术的不断发展，对电子水泵的要求也越来越高，需要更小的水泵体积和更高的功率。传统的径向电机已经难以进一步缩小体积，因此逐渐采用轴向电机。例如，专利US20230077214A1公开了一种轴向间隙式电机和使用该电机的水泵。但是由于轴向电机的定子通常为绕制在铁芯上的线圈绕组，其限制了水泵体积的进一步缩小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电子水泵，以印刷电路板作为电机定子，大幅减小了水泵的轴向体积。

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

根据本发明的一方面，提供了一种电子水泵，包括泵壳，所述泵壳上设置有进水口和出水口，所述泵壳内设置有电机和叶轮，所述电机包括定子和转子，所述转子与所述叶轮传动连接，其特征在于：所述定子为印刷有磁感线圈的印刷电路板。

在一实施例中，所述泵壳内充满有冷却介质，所述印刷电路板浸没于所述冷却介质中。

在一实施例中，所述冷却介质在所述壳体内的冷却介质流动通道中流动。

在一实施例中，所述冷却介质流动通道包括：由所述叶轮的末端与所述泵壳之间形成的第一缝隙、由所述转子与所述泵壳之间形成的第二缝隙；以及由所述定子与所述转子之间形成的第三缝隙；所述第一缝隙、第二缝隙和第三缝隙相连通。

在一实施例中，所述定子外周侧与所述壳体连接，所述冷却介质流经所述定子内侧。

在一实施例中，所述转子借助转轴与所述叶轮连接，所述冷却介质流动通道还包括开设于所述转轴上的连通孔，所述连通孔的一端与所述第二缝隙或第三缝隙连通，所述连通孔的第二端与所述叶轮中部连通。

在一实施例中，所述泵壳在所述进水口处设置有止推结构，所述转轴的第一端伸入所述止推结构内，所述连通孔的第二端开设于所述转轴的第一端的端面上。

在一实施例中，所述转子包括平行设置的第一磁体和第二磁体，所述定子设置于所述第一磁体和第二磁体之间。

在一实施例中，所述定子包括平行设置的多层印刷电路板，各层所述印刷电路板之间留设有间隙。

在一实施例中，所述印刷电路板包括层叠的多个走线层，每个走线层上印刷有磁感线圈。

本发明实施例的有益效果是：通过采用印刷有磁感线圈的印刷电路板代替铁芯作为电机定子，能够大幅减小电子水泵的轴向体积。在部分优选实施例中，通过将印刷电路板浸没在冷却介质中，解决了印刷电路板的散热问题。在部分优选实施例中，通过设计多层定子或转子结构，保证了电子水泵的功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1是本申请实施例所提供电子水泵的侧面示意图；

图2是本申请实施例所提供电子水泵的爆炸示意图；

图3是本申请实施例所提供电子水泵的印刷电路板示意图；

图4是本申请实施例所提供电子水泵的仰视示意图；

图5是图4中A-A截面的截面图；

图6是图5中B处的放大示意图；

图7是本申请另一实施例所提供的电子水泵的截面放大图；

图8是本申请实施例所提供电子水泵的转轴结构示意图；

其中：1-泵壳；11-增压腔；12-驱动腔；13-进水口；14-出水口；15-泵壳前盖；15a-止推结构；16-泵壳后盖；17-密封圈；18-盖板；19-控制器；

2-叶轮；

311-印刷电路板；312a-线圈组；3211-第一安装座；3212-第二安装座；322-磁体；322a-磁片；33-转轴；33a-第一端；33b-第二端；34-第一轴承；35-第二轴承；36-止推垫圈；

41-第一缝隙；42-第二缝隙；43-第三缝隙；44-连通孔；44a-第一端；44b-第二端。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

本实施例提供了一种电子水泵，可应用于汽车、航空器、家用电器或工业设备等场景，例如，可以用于汽车冷却系统中冷却介质的泵送。

如图1和图2所示，该电子水泵包括泵壳1，在本实施例中，采用蜗形泵壳。泵壳1内形成有相互连通的增压腔11和驱动腔12，增压腔11内设置有叶轮2，驱动腔12内设置有电机。泵壳1上设置有进水口13和出水口14，进水口13沿轴向与增压腔11连通，出水口14沿切向与增压腔11连通。电机包括定子、转子和转轴，定子包括印刷有磁感线圈的印刷电路板311。转子包括安装座和磁体322，磁体322嵌设于安装座内，转子通过轴承套接于转轴33上并与叶轮2连接。

电机启动后，磁感线圈产生变化的磁场，转子带动叶轮2一起作高速旋转运动，迫使预先充灌在增压腔11内的冷却介质(即冷却液)旋转，在惯性离心力的作用下，液体自叶轮2中心向外做径向运动。液体在流经叶轮2的运动过程获得了能量，静压能增高，流速增大。当液体离开叶轮2进入泵壳后，由于壳内流道逐渐扩大而减速，部分动能转化为静压能，最后沿切向流入出水口14。

与现有轴向电机不同的是，本电子水泵采用印刷有磁感线圈的印刷电路板311作为定子。使用PCB的铜迹线作为电磁线圈，使得定子只需要一张PCB的厚度，从而能够大幅度减小电机整体的轴向尺寸。

为了使磁感线圈产生足够大的磁场，需要对磁感线圈和磁体进行进一步优化设计。在本实施例中，为了充分利用空间，磁体包括多个绕转轴布置的磁片，磁片基本为扇形，可以为铁氧体或钕铁硼永磁材料制成的永磁体。

如图3所示，磁感线圈包括多个线圈组312a，线圈组312a基本为扇形。为了进一步提高功率，可以将定子设计为平行设置的多层印刷电路板，各层印刷电路板的磁感线圈之间串联或并联后连接到外部控制器。也可以采用层叠电路板结构，即一个电路板包括层叠的多个走线层(例如4层或6层)，每个走线层上印刷有多层磁感线圈。例如可以如图3中所示，在每层的线圈组中绕设5匝线圈，设置4层走线层，各走线层中的同一线圈组串联，从而整个线圈组可达到20匝，同时电路板面积也不会太大。

如图4和图5所示，在本实施例中，采用两层磁体322中间夹印刷电路板311的结构。如图5所示，转子包括相连接的第一安装座3211和第二安装座3212，磁体322设置于第一安装座3211下表面和第二安装座3212的上表面，印刷电路板311设置于第一安装座3211和第二安装座3212之间。这样的转子和定子组成一个驱动单元，可沿转轴平行设置多个驱动单元以提升功率。

同样，也可以设置两个或两个以上的叶轮2形成多级泵，多个叶轮2可并列设置，也可分开设置在泵壳1的前端和后端。

提高功率的同时，也带来了发热问题。随着磁感线圈线径和圈数的增加，发热量也逐渐增加。为了确保对印刷电路板311的有效散热，本实施例中采用浸没式冷却方案，即在驱动腔12内充满有冷却介质，印刷电路板311的表面涂覆有密封胶水，印刷电路板311完全浸没于冷却介质中。冷却介质流动时能够带走热量，实现对印刷电路板311降温。

因此，为了让冷却介质实现流动，本电子水泵设计了冷却介质流动通道，使得冷却介质能够在增压腔11和驱动腔12之间循环流动。

如图6所示，在本实施例中，冷却介质流动通道各种缝隙组成。首先由叶轮2的末端与增压腔11的内壁之间形成第一缝隙41，然后安装座与驱动腔12的内壁之间形成第二缝隙42，印刷电路板411与安装座(包括磁体322)之间形成的第三缝隙43，第一缝隙41、第二缝隙42和第三缝隙43相连通。叶轮2旋转时，大部分冷却液会由出水口排出，但是少部分冷却液会流入第一缝隙41，并经由第二缝隙42和第三缝隙43流入驱动腔12内，实现对印刷电路板311的降温。冷却液流动方向参见图中箭头。

为了使冷却介质尽可能多地流过印刷电路板311的表面，提高散热效率，可将印刷电路板311与转子设计为交错结构。即将圆环形的印刷电路板311为外侧与泵壳1连接，其内侧与安装座之间分离。从而冷却介质从第二缝隙42进入第三缝隙43后，基本会流经整个PCB板才能流出第三缝隙43，如图6中所示。

进一步地，为了使冷却介质循环起来，冷却介质流动通道还包括开设于转轴33上的连通孔44，连通孔44的一端与驱动腔12连通，另一端与增压腔11连通，从而完整的冷却介质流动过程为：从叶轮2末端进入第一缝隙31，流入驱动腔12，从第二缝隙42流入第三缝隙43，对PCB板进行降温，再从第三缝隙43经由第二缝隙42流入转轴上的连通孔44，回到增压腔11。如图7所示。

由于叶轮末端的冷却介质流速快压强大，中部的流速慢压强小，可以利用压强差实现该循环，即将连通孔44的第一端44a与第二缝隙42连通，连通孔44的第二端44b与叶轮2中部连通。换言之，冷却介质流动通道取了一部分叶轮2产生的高压液体，利用势能差实现电机内的冷却循环。

此外，由于叶轮2前侧液体吸入口处压强低，故液体作用于叶轮2前、后侧的压力不等，便产生了指向叶轮2吸入口侧的轴向推力。该推力会推动叶轮2向吸入口侧移动，引起叶轮2和泵壳1接触处的摩损，严重时造成泵的振动，破坏泵的正常操作。通常可以在叶轮后盖板上钻若干个平衡孔，以减少叶轮2两侧的压力差，从而减轻了轴向推力的不利影响，但同时也降低了泵的效率。

针对该问题，本实施例中进行了相应设计，叶轮2通过第一轴承34套接于转轴33上，安装座通过第二轴承35套接于转轴33上，泵壳1在进水口13处设置有止推结构15a，转轴33的第一端伸入止推结构15a内，转轴33的第二端与壳体1固定连接。连通孔44的第二端44b开设于转轴的第一端33a的端面上，如图8所示。从而连通孔44向止推结构15a排出冷却液时，能够抵消部分推力，减少叶轮2和泵壳1之间的磨损。

进一步地，可在止推结构15a的侧面开设出水口，以连通止推结构15a内与叶轮2中部，是冷却介质顺畅地回到叶轮2中。同时，由于还是不可避免地会存在磨损，可在第一轴承34与止推结构14a之间设置止推垫圈36，以延长工作寿命。

本电子水泵采用浸没式冷却的PCB电机后，防水结构也得以简化，只需在泵壳1的泵壳前盖15和泵壳后盖16之间的接触面上设置密封圈17即可。

印刷电路板311需要和控制器连接。连接方式既可以是从泵壳侧面走线连接到外部的集成式控制器，也可以在泵壳1后端设置盖板18，在盖板18内设置控制器，印刷电路板311从泵壳1内走线与控制器19连接。

此外，印刷电路板311需要做防水处理，例如涂防水漆或过塑覆盖防水薄膜。同时，冷却介质对电机的腐蚀也不容忽视，本实施例中冷却介质优选采用稀释的有机酸防冻液(OAT)，以减少对PCB板的腐蚀，延长电子水泵的使用寿命。有机酸防冻液的比例需至少占50％。

综上所述，本申请实施例提供了一种电子水泵，通过采用印刷有磁感线圈的印刷电路板作为电机定子，能够将电子水泵的轴向体积缩小约二分之一到三分之二。优选地，通过采用多层PCB板、多层线圈等手段提高功率，同等体积下，可以使水泵扬程更远。此外，通过采用浸没式冷却，并设计相应的冷却介质循环回路，确保了PCB板的散热效果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

以上所述仅为本申请的较佳实例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种电子水泵，包括泵壳，所述泵壳上设置有进水口和出水口，所述泵壳内设置有电机和叶轮，所述电机包括定子和转子，所述转子与所述叶轮传动连接，其特征在于：所述定子为印刷有磁感线圈的印刷电路板；所述泵壳内充满有冷却介质，所述印刷电路板浸没于所述冷却介质中，所述冷却介质在所述泵壳内的冷却介质流动通道中流动；

所述冷却介质流动通道包括：由所述叶轮的末端与所述泵壳之间形成的第一缝隙、由所述转子与所述泵壳之间形成的第二缝隙；以及由所述定子与所述转子之间形成的第三缝隙；所述第一缝隙、第二缝隙和第三缝隙相连通；

所述转子借助转轴与所述叶轮连接，所述冷却介质流动通道还包括开设于所述转轴上的连通孔，所述连通孔的第一端与所述第二缝隙或第三缝隙连通，所述连通孔的第二端与所述叶轮中部连通；

所述泵壳在所述进水口处设置有止推结构，所述转轴的第一端伸入所述止推结构内，所述连通孔的第二端开设于所述转轴的第一端的端面上，所述止推结构的侧面开设有出水口。

2.根据权利要求1所述的电子水泵，其特征在于，所述定子外周侧与所述泵壳连接，所述冷却介质流经所述定子内侧。

3.根据权利要求1所述的电子水泵，其特征在于，所述转子包括平行设置的第一磁体和第二磁体，所述定子设置于所述第一磁体和第二磁体之间。

4.根据权利要求1所述的电子水泵，其特征在于：所述定子包括平行设置的多层印刷电路板，各层所述印刷电路板之间留设有间隙。

5.根据权利要求1或4所述的电子水泵，其特征在于：所述印刷电路板包括层叠的多个走线层，每个走线层上印刷有磁感线圈。