一種高可靠性的微型機械泵的製作方法

2023-04-27 00:34:46

專利名稱：一種高可靠性的微型機械泵的製作方法
技術領域：
本發明屬於流體泵技術領域，更具體地，涉及一種高可靠性的微型機械泵。
背景技術：
通常把提升、輸送或使液體或氣體增加壓力，即把原動機的機械能變為液體或氣體的能量從而達到抽送液體或氣體目的的機器統稱為泵。目前常規泵的種類非常多，機械型泵因為原理簡單，製造工藝成熟，易於控制，所以被廣泛應用。微型機械泵作為微機電系統的一個重要研究方向，在藥物輸運系統、電子器件冷卻系統、熱控系統等、微化學分析系統等領域得到廣泛應用。對於微型泵來說，因為尺度很小，造成了相對表面粗糙度和相對間隙較大，工藝誤·差的影響更加顯著，加工困難，組裝工藝也很複雜；但是對其可靠性要求又非常高，這就給設計、製造和裝配帶來了很大困難。首先，微型泵要做到高可靠性，需要解決好微型泵內的動力源也即電機的防水特性，尤其當採用無刷電機時，由於處在潮溼或浸水的環境中線圈定子容易受潮而產生鏽蝕、短路及電解，導致型泵工作性能降低直至失效。同時，現有的機械泵驅動單元與泵功能單元一般都相對獨立，裝配結構上大都較為複雜，並且增大了密封難度。其次，電機的發熱也是可靠性的一個影響因素。如果電機溫升過大，由於電機內部各部分熱膨脹係數不同導致結構應力的變化和內部氣隙的微小變化，會影響電機的動態響應，發熱嚴重時將導致絕緣老化甚至燒毀。微型泵的驅動電機一般都要放置在泵外殼內，以保護電機。常見的電機只能通過電機外殼將熱量導出，同時熱量還需通過電機外殼與泵外殼之間的空氣傳導給泵外殼，再散發到環境中，傳熱路徑漫長，散熱效率低。再次，對於微型泵來說，泵送效率的維持要求泵體各部件比如葉輪等和電機進行有效的裝配和組合例如葉輪和電機軸的連接如果不牢固，會出現葉輪軸向串動，周向滑移甚至脫落。而對於微型泵來說，由於主軸的尺寸很小，因此無法採用大型常規機械泵中銷釘、鍵和螺紋等連接方式。此外，如何保證葉輪能夠精確定位在在泵腔中心也是需要考慮的問題。在微小尺度下，如果葉輪安裝時稍微存在偏差，就可能造成葉輪與蝸殼的幹涉，並對泵送效率有直接影響。最後，保證泵腔的密封性是使維持微型泵正常工作的前提，其密封性能的好壞也會影響到其工作性能。由於尺寸微小，常規泵的密封方式如迷宮密封，螺紋密封等均無法實現。另外為了降低加工上的難度，一般泵的進出口管路與蝸殼都採用分開後再組裝的方式，如果兩者之間裝配時不能保證密封也會造成液體洩漏。

發明內容
針對現有技術的以上缺陷和技術需求，本發明的目的在於提供一種微型機械泵，其能夠解決泵自身電機的防水問題並提高其散熱性能，進一步簡化泵的零部件結構使其緊湊化，同時通過結構上的設計來實現泵腔的有效密封及葉輪的精確同心定位，由此獲得高可靠性。按照本發明，提供了一種微型機械泵，該微型機械泵包括泵體、泵腔、流體入口、流體出口，葉輪以及無刷電機，其特徵在於所述泵體由蝸殼、電機保護外殼及其蓋板共同聯接構成，其中蝸殼內部形成用於容納葉輪的第一泵腔，電機保護外殼及其蓋板的內部形成用於容納所述無刷電機的第二泵腔；所述流體入口和流體出口分別設置在蝸殼上並與蝸 殼內部的第一泵腔相連通，流體由此在葉輪的驅動下從流體入口朝向流體出口輸送；所述無刷電機設置在電機保護外殼及其蓋板內部的第二泵腔中，其輸出軸與葉輪的主軸相聯接，並包括永磁轉子組件和圍繞該永磁轉子組件而設置的繞組線圈定子組件，其中所述轉子組件與定子組件之間設置有金屬套筒，並且所述定子組件的繞組線圈表面形成有一層防水密封膠層將其包裹封閉。通過以上構思，可以將無刷電機的保護外殼與蝸殼等結構集成設計為一體，由此簡化了產品構成，使得微型機械泵的整體結構更為緊湊，並能夠減小電機發熱時的傳熱路徑，提高散熱效率；通過在微型泵內使用無刷電機，能夠利用其運行效率高、無碳刷磨損、調速性能好和易於驅動控制等特點，由此獲得更高性能的微型泵產品；此外，通過對繞組線圈通過防水密封膠層進行包裹密封，保證了線圈定子組件的防水功能，在此基礎上，通過金屬套筒使得無刷電機的定子組件與轉子組件完全隔離，從而能夠進一步確保無刷電機定子組件的防水性。作為進一步優選地，所述金屬套筒的兩端與所述蓋板和電機保護外殼之間通過無縫壓合方式連接，所述防水密封膠層通過灌封工藝形成。通過採用無縫壓合方式來完成金屬套筒與電機保護外殼、蓋板之間的連接，能夠確保它們彼此之間的無縫式連接，由此更好地實現對電機定子組件的防水密封；此外，灌封工藝能夠簡便、高效地實現對繞組線圈的包裹，並保證密封膠層的成型和密封性能。作為進一步優選地，當通過灌封工藝來形成防水密封膠層時，採用模芯套入到所述永磁轉子組件與繞組線圈定子組件之間，然後在模芯外表面與電機保護外殼之間的空隙中執行灌封，其中所述模芯由圓柱體形狀的聚四氟乙烯棒和設置其內部的金屬芯共同組成。通過採用模芯來執行灌封過程，金屬芯插入到電機保護外殼的軸孔中並與之過渡配合以保證模芯與電機保護外殼之間的同心度，而模芯外表面處於永磁轉子組件與繞組線圈定子組件之間，這樣，可以將防水密封膠從開口一側灌入，將定子組件、電機保護外殼以及模芯之間的空隙完全填滿，待密封劑固化後取出模芯，即可形成防水密封膠層；此外，模芯的材質及構造能夠提高灌封工藝的灌封效果，並有助於提高操作便利度。作為進一步優選地，所述金屬套筒由鋁、銅或鈦材料製成，所述防水密封膠層由以環氧樹脂為基材的雙組份膠粘劑構成並具備熱傳導性。由於金屬套筒由例如鋁、銅或鈦的材料製成，這些金屬材料不會對電機內部電磁場造成不利影響，相應保證了無刷電機的正常工作；此外，通過對防水密封膠層材質的進一步限定，能夠在完成對繞組線圈包裹密封的同時，實現電機主要發熱部件也即定子組件的內外層雙向傳熱，從而能夠增強電機的散熱性能，進一步提高微型泵的可靠性。
作為進一步優選地，所述永磁轉子組件由上軸承、下軸承以及設置在兩個軸承之間的永磁轉子組成，並且所述上軸承和下軸承為自潤滑陶瓷軸承；所述繞組線圈定子組件由與電源相連的導線、與該導線電連接的繞組線圈以及圍繞該繞組線圈設置的磁極片組成。通過對電機轉子組件的以上具體限定，能夠確保即便在長時間工作條件下轉子組件也能順利運行，減少維修成本，同時能夠充分利用無刷電機自身的特點來提高本發明的微型機械泵的性能。作為進一步優選地，所述蝸殼與電機保護外殼之間通過螺釘相聯接，並且蝸殼的端面上設置有定位凹槽結構，電機保護外殼的端面上設置相應的定位凸臺結構，當蝸殼與電機保護外殼相聯接時，所述定位凹槽結構與定位凸臺結構之間實現相互配合。由於在蝸殼與電機保護外殼之間通過螺釘方式聯接並且通過定位凸臺和凹槽結構相互配合，一方面可以以簡單的方式執行兩者的集成化裝配和組裝，另一方面還能夠保·證在葉輪組裝完畢後，葉輪在泵腔中具備更為精確的同心定位，防止葉輪偏心安裝所帶來的機械幹涉及對其性能造成的不利影響。作為進一步優選地，在所述蝸殼端面的定位凹槽結構或者電機保護外殼端面的定位凸臺結構上，設置有環形的密封槽並在該密封槽中安裝密封圈，由此確保蝸殼與電機保護外殼兩者端面之間的密封。通過在蝸殼或電機保護外殼的端面上設置密封槽及密封圈，能夠更全面地確保泵產品的密封性能，進一步提高對電機部件的防水密封效果。作為進一步優選地，所述無刷電機的輸出軸端部加工有臺階形結構，所述葉輪的主軸具備與該輸出軸端部相匹配的安裝孔，無刷電機與葉輪之間的連接為過盈配合方式，並通過粘結劑予以固定。由於微型泵的尺寸很小，傳動的葉輪安裝方式皆不方便採用。在本發明中，通過在電機的輸出軸端部加工有譬如扁平狀的臺階形結構，並且葉輪主軸的安裝孔與電機端面形狀相匹配，這樣當完成葉輪與電機之間的組裝後，臺階形結構既能有效防止葉輪的軸向竄動，又能防止葉輪的軸向滑移，同時平面接觸面的存在也利於過盈配合的實現，並有助於提聞粘結效果。作為進一步優選地，所述流體入口和流體出口分別安裝有進口管路和出口管路，所述進口管路、出口管路與蝸殼相配合連接的部位設置有環形凹槽，並通過粘結劑予以固定。通過在各個管路與蝸殼相配合連接的部位設置有環形的凹槽，有助於提高它們之間的連接強度；此外，當粘結劑固化時能夠在該部位形成齒狀的結構，從而進一步強化連接效果，並有助於提高各部件之間的密封效果。總體而言，按照本發明的微型泵與現有技術相比，主要具備以下的技術優點I、通過在泵內部採用無刷電機並將無刷電機結構與泵體外殼集成設計成一體，簡化了產品構成，使得微型機械泵的整體結構更為緊湊，並有助於提高散熱效率；2、通過對繞組線圈通過防水密封膠層進行包裹密封並使用金屬套筒，保證了線圈定子組件的防水功能，在此基礎上，通過使用金屬套筒能夠進一步確保無刷電機定子組件的防水性；
3、通過採用導熱灌封膠作為防水密封膠層的材料，能夠實現電機定子的內外層雙向傳熱，提高電機的散熱性能；4、通過在電機輸出軸端部設置臺階形結構，與單純的圓軸加粘結方式相比更為可靠，並能夠有效防止葉輪的軸向竄動和軸向滑移；5、由於在電機保護外殼與蝸殼的接觸端面上分別設置定位凹槽和定位凸臺結構，不僅能夠實現兩者之間的可靠聯接，還能夠確保葉輪在泵腔中具備更為精確的同心定位；6、通過在流體管路與蝸殼之間的連接部位設置環形凹槽並通過粘結方式固定，不僅能夠提高連接強度，還能進一步提高各個管路與蝸殼之間的密封性能。


圖I是按照本發明的高可靠性的微型機械泵的整體結構剖視·
圖2a是用於顯示採用模芯對電機定子組件執行灌封工藝的示意圖；圖2b是用於顯示執行灌封工藝後的無刷電機結構示意圖；圖3是用於顯示蝸殼與電機保護外殼之間的聯接方式的示意圖；圖4是用於顯示葉輪與電機輸出軸之間的連接方式的示意圖；圖5是用於顯示流體管路與蝸殼之間的連接部位及其環形凹槽的示意圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。圖I是按照本發明的微型機械泵的整體結構剖視圖。如圖I所示，本發明的微型機械泵主要包括泵體、泵腔、流體入口、流體出口，葉輪以及無刷電機。泵體由蝸殼7、電機保護外殼12及電機的蓋板15共同聯接構成為一體，並在其內部形成了泵腔，其中蝸殼7所包圍形成的內部空間為第一泵腔，在該泵腔內容納有葉輪10 ;而電機保護外殼12及設置其上的蓋板15所共同包圍形成的內部空間為第二泵腔，在該泵腔內容納有無刷電機。流體入口和出口 8、9分別設置在蝸殼7上，在圖I中譬如分別設置在其左側和下側，並與蝸殼7內部的第一泵腔相連通。此外，流體入口 8和流體出口 9處分別安裝有進口管路23和出口管路24，這樣流體可以在葉輪10的驅動下，從流體入口 8朝向流體出口 9輸送並經由出口管路慄出。所述無刷電機設置在電機保護外殼12及其蓋板15內部的第二泵腔中，其輸出軸與葉輪10的主軸相聯接，由此為葉輪的驅動提供動力。作為無刷電機的具體構造，其包括永磁轉子組件20和圍繞該永磁轉子組件而設置的繞組線圈定子組件21。具體而言，永磁轉子組件20由上軸承14、下軸承13以及設置在兩個軸承之間的永磁轉子11組成。在一個優選實施例中，上、下軸承可以由自潤滑陶瓷軸承構成，以支持較長時間工作的要求。繞組線圈定子組件21由與電源相連的導線I、與該導線I電連接的內層繞組線圈3以及圍繞該繞組線圈設置的外層磁極片2組成。為了充分利用無刷電機的特性，必須保證其具備完善的防水性能。為此目的，可以在定子組件21的繞組線圈表面譬如通過灌注工藝形成一層防水密封膠層5，將其完全包裹封閉，由此為線圈定子提供防水效果。在此基礎上，還可以在轉子組件與定子組件之間設置金屬套筒6，該金屬套筒6的兩端與蓋板15與電機保護外殼12之間分別通過無縫壓合方式連接，從而將定子組件21與轉子及外空間完全隔離，進一步實現對線圈定子及線路的保護。蓋板15的內側壁面與電機保護外殼12上部的連接部分也可以加工螺紋，兩者通過螺紋連接固定。下面將參照圖2a和2b來具體描述按照本發明的用於對無刷電機實現防水密封的工藝實施過程。圖2a是用於顯示採用模芯對電機定子組件執行灌封工藝的示意圖，圖2b是用於顯示執行灌封工藝後的無刷電機結構示意圖。如圖2a中所示，在灌注密封膠前，先將線圈定子組件21放入電機保護殼12的腔體內，並與電機保護外殼12粘結在一起。定子組件在高度方向上的定位可以通過限位塊4 (參看圖I)來實現。在一個優選實施例中，通過將模芯22插入電機保護外殼12中心，並在模芯和線圈定子之間 的空隙中灌注防水膠，由此在防水膠固結後形成包覆定子組件21的防水密封膠層5。所述模芯22由圓柱體形狀的聚四氟乙烯棒17和設置其內部的金屬芯16共同組成，金屬芯16的作用是加固模芯22，防止其發生形變，金屬芯16與聚四氟乙烯圓柱棒17譬如通過螺紋連接固定。參看圖2a至圖2b，模芯22外徑較永磁轉子11稍大，以保證灌膠後轉子留有足夠的旋轉空隙，間隙的大小需通過電磁特性加以設計。模芯表面可塗抹一薄層有機矽脂以封閉金屬芯16和聚四氟乙烯棒17之間的間隙，以防止防水密封膠滲入間隙造成固結後無法脫模。金屬芯16插入電機保護外殼12的軸孔25並與之過渡配合，以保證模芯22與電機保護外殼12的同心度。模芯安裝到位後，將防水密封膠從開口處一側灌入，將定子組件21、電機保護外殼12、模芯22之間的空隙完全填滿，直至將電機保護外殼12的腔體填平。待密封膠固結後，輕敲金屬芯，16取出模芯22，即形成將定子組件完全包覆的防水密封膠層5。接著，可以在防水密封膠層5的內表面上貼合金屬套筒6，譬如通過無縫壓合工藝來簡單實現金屬套筒與蓋板15和電機保護外殼12之間的無縫式連接。從而實現將定子組件21與轉子及外空間完全隔絕，進一步實現防水密封。最後，在電機保護外殼12和蓋板15的軸承座中安放好下軸承13和上軸承14，並裝入永磁轉子13，在蓋板15的內側面塗覆密封膠，並將其與電機保護外殼12粘結好後即完成微型泵無刷電機結構部分的安裝。在一個優選實施例中，所述金屬套筒6可以由例如鋁、銅或鈦等材料或其他具備類似性能的材料製成，防水密封膠層5可以由以環氧樹脂為基的雙組份膠粘劑構成並具備熱傳導性。由於金屬套筒由例如鋁、銅或鈦這類的材料製成，這些金屬材料不會對電機內部電磁場造成不利影響，相應保證了無刷電機的正常工作；此外，通過對防水密封膠層材質的進一步限定，能夠在完成對繞組線圈包裹密封的同時，實現電機主要發熱部件也即定子組件的內外層雙向傳熱，從而能夠增強電機的散熱性能，進一步提高微型泵的可靠性。參看圖I和圖3，電機保護外殼12同時也是泵體的組成部件，它與蝸殼7共同構成微型泵的泵腔。電機保護外殼12與蝸殼7相接觸的接觸端面上設置有定位凸臺，蝸殼7與電機保護外殼12相接觸的接觸端面相應設置有定位凹槽，兩者配合以保證葉輪安裝定位時的葉輪與泵腔體的同心，防止葉輪偏心安裝帶來的機械幹涉和對性能的不利影響。電機保護外殼12上設置有螺紋孔，蝸殼在相應位置開設通孔，兩者通過螺釘完成連接。在一個優選實施例中，蝸殼的凹槽部分可以設有密封槽，用以安裝密封圈26。密封圈26可以採用0型密封圈，也可以採用D型密封圈或異形密封圈等。密封圈靠螺釘連接的壓力壓緊，從而實現端面上的密封。當然，密封圈26也可以設置在電機保護外殼12的凸臺位置上。
由於微型泵的尺寸很小，傳統的葉輪的安裝方式無法採用。為實現葉輪的可靠安裝，參見圖4，本發明中葉輪10與永磁轉子11的電機輸出軸19至今啊為過盈配合，並通過粘結劑固定。其中電機輸出軸19的端部加工有扁平狀的臺階形結構，葉輪主軸的中心安裝孔形狀與電機軸端面形狀相配合，臺階形結構既能有效防止葉輪的軸向串動，又能防止葉輪的周向滑移。同時，平面接觸面的存在有利於提高粘結效果。參看圖5，泵的進、出口管路23、24與蝸殼配合連接部位可以加工有環形的凹槽。進、出口管路23和24與蝸殼之間通過粘結劑粘結固定時，粘結劑固化時在該段可形成齒狀結構，從而強化連接強度，並提高密封性能。此外，當電機保護外殼12與蝸殼7和管路23、24採用金屬材料時，電機保護外殼12與蝸殼7的端面密封、以及管路和蝸殼之間的連接和密封還可以採用雷射焊接的方式。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。·
權利要求
1.一種微型機械泵，該微型機械泵包括泵體、泵腔、流體入口、流體出口，葉輪以及無刷電機，其特徵在於 所述泵體由蝸殼(7)、電機保護外殼(12)及其蓋板(15)共同聯接構成，其中蝸殼(7)內部形成用於容納葉輪(10)的第一泵腔，電機保護外殼(12)及其蓋板(15)的內部形成用於容納所述無刷電機的第二泵腔； 所述流體入口(8)和流體出口(9)分別設置在蝸殼(7)上並與蝸殼(7)內部的第一泵腔相連通，流體由此在葉輪(10)的驅動下從流體入口(8)朝向流體出口(9)輸送； 所述無刷電機設置在電機保護外殼(12)及其蓋板(15)內部的第二泵腔中，其輸出軸與葉輪(10)的主軸相聯接，並包括永磁轉子組件(20)和圍繞該永磁轉子組件而設置的繞組線圈定子組件(21)，其中所述轉子組件與定子組件之間設置有金屬套筒(6)，並且所述定子組件的繞組線圈表面形成有一層防水密封膠層(5)將其包裹封閉。
2.如權利要求I所述的微型機械泵，其特徵在於，所述金屬套筒(6)的兩端與所述蓋板(15)和電機保護外殼(12)之間通過無縫壓合方式連接，所述防水密封膠層(5)通過灌封工藝形成。
3.如權利要求2所述的微型機械泵，其特徵在於，當通過灌封工藝來形成防水密封膠層時，採用模芯(22)套入到所述永磁轉子組件(20)與繞組線圈定子組件(21)之間，然後在模芯外表面與電機保護外殼(12)之間的空隙中執行灌封，其中所述模芯(22)由圓柱體形狀的聚四氟乙烯棒(17)和設置其內部的金屬芯(16)共同組成。
4.如權利要求1-3任意一項所述的微型機械泵，其特徵在於，所述金屬套筒由鋁、銅或鈦等材料製成，所述防水密封膠層(5)由以環氧樹脂為基材的雙組份膠粘劑構成並具備熱傳導性。
5.如權利要求1-4任意一項所述的微型機械泵，其特徵在於，所述永磁轉子組件(20)由上軸承(14)、下軸承(13)以及設置在兩個軸承之間的永磁轉子(11)組成，並且所述上軸承和下軸承為自潤滑陶瓷軸承；所述繞組線圈定子組件(21)由與電源相連的導線(I)、與該導線(I)電連接的繞組線圈(3)以及圍繞該繞組線圈設置的磁極片(2)組成。
6.如權利要求1-5任意一項所述的微型機械泵，其特徵在於，所述蝸殼(7)與電機保護外殼(12)之間通過螺釘相聯接，並且蝸殼(7)的端面上設置有定位凹槽結構，電機保護外殼(12)的端面上設置相應的定位凸臺結構，當蝸殼與電機保護外殼相聯接時，所述定位凹槽結構與定位凸臺結構之間實現相互配合。
7.如權利要求6所述的微型機械泵，其特徵在於，在所述蝸殼(7)端面的定位凹槽結構或者電機保護外殼(12)端面的定位凸臺結構上，設置有環形的密封槽並在該密封槽中安裝密封圈(26)，由此確保蝸殼與電機保護外殼兩者端面之間的密封。
8.如權利要求1-7任意一項所述的微型機械泵，其特徵在於，所述無刷電機的輸出軸端部加工有臺階形結構，所述葉輪(10)的主軸具備與該輸出軸端部相匹配的安裝孔，無刷電機與葉輪之間的連接為過盈配合方式，並通過粘結劑予以固定。
9.如權利要求1-8任意一項所述的微型機械泵，其特徵在於，所述流體入口(8)和流體出口(9)分別安裝有進口管路(23)和出口管路(24)，所述進口管路(23)、出口管路(24)與蝸殼(7)相配合連接的部位設置有環形凹槽，並通過粘結劑予以固定。
全文摘要
本發明公開了一種高可靠性的微型機械泵，包括泵體、泵腔、流體入口、流體出口，葉輪以及無刷電機，其中泵體由蝸殼、電機保護外殼及其蓋板共同聯接構成，並形成用於容納葉輪和無刷電機的泵腔；流體入口和流體出口分別設置在蝸殼上並與泵腔相連通；無刷電機設置在電機保護外殼及其蓋板內部的泵腔中，其輸出軸與葉輪的主軸相聯接，並包括永磁轉子組件和繞組線圈定子組件，其中轉子與定子組件之間設置有金屬套筒，並且定子線圈表面形成有防水密封膠層將其包裹封閉。本發明還公開了其他的結構調整。通過本發明，能夠解決電機的防水問題並提高其散熱性能，進一步簡化泵的零部件結構使其緊湊化，同時實現泵腔的有效密封及葉輪的精確同心定位。
文檔編號F04D29/42GK102788022SQ20121024563
公開日2012年11月21日 申請日期2012年7月16日 優先權日2012年7月16日
發明者段斌, 羅小兵, 郭庭輝 申請人:華中科技大學