專利名稱：一種新能源汽車的冷卻水泵的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于油電混合、純電動汽車的動力裝置冷卻以及空調系統PTC加熱裝置冷卻系統，具體的涉及一種新能源汽車的冷卻水泵。
背景技術：
新能源(油電混合、純電動)車型的動力裝置主要包括發動機(僅限混合動力車輛)、電機、逆變器和電機控制器。這些動力裝置的冷卻方式一般采用水冷方式，而如何為除發動機外其他動力裝置的冷卻系統提供冷卻液循環動力成為一個重要問題。因為諸多原因，新能源車型的動力裝置的冷卻系統不能采用傳動車輛發動機用的機械水泵，而且，即使裝有發動機的混合動力車型，除發動機外其他的動力裝置的冷卻不能與發動機冷卻采用同一個冷卻液循環回路，所以也就不能與發動機冷卻系統共用發動機水泵。因此，開發應用于新能源車型的水泵變得日益重要。目前，常見的水泵體積比較大，往往應用于工業方面，并且這類水泵主要采用有刷直流電機。有刷直流電機最大的缺點是有換向器和電刷，維護不方便，使用壽命短。隨著高性能永磁材料、微電子技術、自動控制技術和電力電子技術特別是大功率半導體器件的快速發展，永磁同步電機得到了迅速的發展，無刷直流電機應運而生。無刷直流電機繼承了有刷直流的優勢，并且其調速性能優越、體積小、重量輕、效率高、轉動慣量小、不存在勵磁損耗問題，同時壽命比有刷直流電機長，因此在各個領域具有廣闊的應用前景，在電動汽車上也得到了廣泛的應用。目前國外新能源車用的水泵均是采用這種小型的無刷直流電機，水泵的驅動和控制模塊是分開的，而國內在這些方面還未取得產業化的實質性突破，車用的水栗廣品市場基本空白。旋轉著的液體在離心力的作用下，從葉輪中心被拋向外緣并獲得能量，以高速離開葉輪外緣進入水泵前端蓋與葉輪殼體形成的蝸殼流道中。液體由于蝸殼流道的截面積逐漸擴大而減速，又將部分動能轉變為靜壓能，最后以較高的壓力流入排出口。液體由葉輪中心流向外緣時，在葉輪中心形成了一定的真空，水泵液體吸入口前端的冷卻液在壓力的作用下流向葉輪中心，液體便被連續壓入葉輪中。只要葉輪不斷地轉動，液體便會不斷地被吸入和排出。但是由于葉輪高速旋轉，為避免摩擦，葉輪與水泵前端蓋之間必須保證有一定間隙，因此部分液體會從這些間隙中泄露出去而沒有經過葉輪加壓，從而造成功率損失。
發明內容
本發明的目的就是針對上述缺陷，提供一種能防止液體泄漏、增大泵水功率的新能源汽車的冷卻水泵。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:提供一種新能源汽車的冷卻水泵，包括水泵殼體、水泵前端蓋、水泵后端蓋、葉輪軸、葉輪及電機；水泵前端蓋與水泵殼體圍合形成有泵腔，并且水泵前端蓋上設置有連通泵腔的進水口和出水口 ；葉輪軸通過配合的軸承套固定在水泵殼體內，葉輪殼體的軸孔套置在葉輪軸上；還包括連接在所述葉輪上的葉輪蓋，所述葉輪蓋包括中間段及連接在中間段兩端的第一段和第二段；所述葉輪蓋的第一段和第二段與水泵前端蓋內壁之間分別形成流體阻尼間隙，所述葉輪蓋中間段與水泵前端蓋內壁之間形成的空腔截面積大于流體阻尼間隙的截面積；所述水泵前端蓋的進水口連通葉輪蓋內腔。所述葉輪蓋位于水泵前端蓋進水口的后方。所述葉輪設置在葉輪殼體的葉輪安裝支座上。所述葉輪蓋的中間段為曲面，所述葉輪蓋的第一段沿垂直方向延伸，所述葉輪蓋的第二段沿水平方向延伸。與所述葉輪蓋中間段配合的水泵前端蓋內壁為曲面。與所述葉輪蓋中間段配合的水泵前端蓋內壁設計成臺階形狀。所述流體阻尼間隙截面積與所述空腔截面積的比為l:9(Tl:100。還包括設置在水泵殼體內控制水泵電機驅動單元和風扇驅動單元的控制單元；控制單元將接收到的信號處理成PWM信號發送給水泵電機驅動單元和/或風扇驅動單元；控制單元根據水泵電機驅動單元和/或風扇驅動單元的反饋信號調整PWM信號。所述水泵殼體、電機的定子、葉輪軸及軸承套采用注塑的方式集成在一起形成水泵殼體總成；所述葉輪殼體和電機的轉子采用注塑的方式集成在一起，與葉輪形成葉輪總成。所述水泵后端蓋圓周上的凹槽內設置有0形密封圈I形成圓周密封，所述水泵殼體上端面的凹槽內設置有0形密封圈II形成端面密封。所述葉輪殼體軸孔端面與水泵前端蓋的接觸面處設置有葉輪擋圈，葉輪軸的上部設置有固定葉輪擋圈的限位面。所述葉輪擋圈采用的是碳化硅制成的葉輪擋圈。所述水泵前端蓋的進水口處的下方設置有將所述葉輪擋圈壓在所述葉輪殼體軸孔端面的軸撐結構，所述軸撐結構與葉輪軸間隙配合。所述葉輪殼體的軸孔內壁開有供水循環的導流槽，所述葉輪殼體軸孔端面開有供水循環的導流槽，并且軸孔內壁的導流槽與軸孔端面的導流槽連通。所述出水口沿所述葉輪切線方向分布。本發明與現有技術相比，有益效果為:1、葉輪上連接固定有葉輪蓋，葉輪蓋與水泵前端蓋之間的流道截面設計成中間大兩端小的結構，根據流體特性，截面積的突變會造成較大的流動阻力，從而降低了液體的泄漏量，在功率相等的情況下，提高了水泵的泵水揚程；2、本發明的水泵包括了控制水泵電機驅動單元和風扇驅動單元的控制單元，能根據動力裝置和空調系統PTC加熱裝置冷卻需求的變化來調節水泵的轉速，同時實現對整車冷卻風扇的控制，該水泵既是水泵也是控制器，減少了新能源車型的能耗和成本；3、水泵殼體與定子和葉輪軸的一體化設計、葉輪殼體與轉子的一體化設計，有效解決了水泵密封性的問題；4、葉輪擋圈使葉輪殼體軸孔端面在水泵工作時與水泵前端蓋上的軸撐結構脫離接觸，避免了二者之間的摩擦，延長了水泵的使用壽命；5、葉輪殼體軸孔的內壁和葉輪殼體軸孔端面都開有供水循環的導流槽，一方面葉輪總成與水泵殼體總成、葉輪軸與葉輪殼體軸孔之間的雜質被帶出，另一方面，同時在葉輪殼體軸孔端面與葉輪擋圈端面之間生成一層水膜，減少了葉輪殼體與葉輪擋圈之間的摩擦，導流槽內的液體還起到潤滑葉輪殼體軸孔與葉輪軸摩擦副的作用，從而有效延長了水泵的使用壽命。
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中:圖1為本發明剖切的裝配爆炸圖；圖2為本發明的剖視圖；圖3為圖2的局部放大圖；圖4為本發明控制原理圖；圖5為本發明葉輪殼體軸孔內壁開導流槽的示意圖；圖6為本發明葉輪殼體軸孔端面開導流槽示意圖；圖7為本發明整車網絡控制示意圖。圖8為本發明泵水控制原理圖
具體實施例方式圖1所示為本發明新能源汽車的冷卻水泵軸線剖去60度后的裝配爆炸圖。結合圖2可知,冷卻水泵包括水泵后端蓋I, 0形密封圈12,控制板3、水泵殼體4、電機(定子5和轉子10)、0形密封圈116、軸襯套7、葉輪軸8、減震護套9、葉輪殼體11、葉輪17、葉輪蓋
12、葉輪擋圈13、水泵前端蓋14、水泵接線端子15。本發明的葉輪采用的是離心式葉輪，電機采用的是無位置傳感器的無刷直流電機，電樞繞組作為電機的定子與水泵殼體一體化設計，永磁體作為電機的轉子與葉輪殼體一體化設計。葉輪軸8與軸承套7過盈配合后與定子5和水泵殼體4采用注塑的方式集成在一起形成水泵殼體總成，使定子5和葉輪軸8安裝在水泵殼體4內，一體成型設計既保證了定子的密封性，又解決了定子的防水問題；葉輪殼體11和轉子10采用注塑的方式集成在一起，同樣解決了轉子的密封性和防水問題；葉輪蓋12通過焊接方式焊在葉輪殼體4上的葉輪17上；即轉子10、葉輪殼體
11、葉輪17、葉輪蓋12固定在一起，構成了葉輪總成。葉輪殼體11開有套置在葉輪軸8上的軸孔11.1，軸孔11.1與葉輪軸8間隙配合，使葉輪殼體11安裝在水泵殼體4內，從而使得葉輪總成安裝在水泵殼體總成內。軸孔11.1與葉輪軸8間隙配合增加了二者的接觸面積，同時，間隙配合有利于冷卻液對葉輪軸8和葉輪總成之間進行潤滑，減少磨損，提高效率，改善使用壽命；水泵前端蓋14與水泵殼體4圍合形成有泵腔，水泵前端蓋14上設有連通泵腔的進水口 18和出水口 19，進水口 18開在水泵前端蓋的中央，水泵前端蓋14的圓周切線方向開出水口 19 ;該水泵前端蓋14通過進水口 18處下方的軸撐結構20與葉輪軸8間隙配合，該軸撐結構20將葉輪擋圈13壓在葉輪殼體軸孔端面上，保證葉輪總成在運轉時的軸向位置。水泵前端蓋的進水口與葉輪總成中央相通，液體經過進水口進入水泵前端蓋、水泵殼體總成、葉輪總成三者形成的空腔內，然后經水泵前端上的出水口流出，該出水口沿葉輪切線方向分布。本發明中的水泵前端蓋采用端面密封、水泵后端蓋采用的是圓周密封，具體結構為:0形密封圈I 2安裝在水泵后端蓋I圓周上的凹槽內，0形密封圈II 6安裝在水泵殼體上端面的凹槽內，水泵前端蓋14和水泵后端蓋I分別將0形密封圈I 2、0形密封圈II 6壓于水泵殼體4與水泵前端蓋14和水泵后端蓋I的接觸面上，然后通過緊固件將水泵前端蓋和水泵后端蓋與水泵殼體固定，形成一個完整的水泵。再次如圖2所示為，為了減少液體的泄露量，本發明設計了如圖3所示的結構，此結構特點是:葉輪蓋12通過焊接方式焊在葉輪殼體11上的葉輪17上，葉輪17焊接在葉輪殼體11的葉輪安裝支座11.2上，葉輪蓋12位于水泵前端蓋進水口 18的后方，與水泵前端蓋進水口 18連通。本發明的葉輪蓋包括三段，葉輪蓋12的中間段12.1及連接在中間段12.1兩端的第一段12.2和第二段12.3，其中葉輪蓋的中間段12.1為曲面，葉輪蓋的第一段12.2沿垂直方向延伸，葉輪蓋的第二段12.3沿水平方向延伸；葉輪蓋的第一段12.2和第二段12.3與水泵前端蓋14內壁之間分別形成流體阻尼間隙22，葉輪蓋中間段12.1與水泵前端蓋14內壁之間形成的空腔23截面積大于流體阻尼間隙22的截面積，且流體阻尼間隙截面積與空腔截面積的比為1:90 100，優選為1:98。為了增大空腔23截面的面積，可以將與葉輪蓋中間段配合的水泵前端蓋內壁設計成曲面，也可以將與葉輪蓋中間段配合的水泵前端蓋內壁為設計成臺階形狀。即將葉輪蓋與水泵前端蓋之間的流道截面設計成中間大兩端小的結構，根據流體特性，截面積的突變會造成較大的流動阻力，從而降低了液體的泄漏量，提高了水泵的泵水揚程。通過多次試驗得出，利用具有該結構的水泵，在功率相等的情況下，提高了水泵的泵水揚程。如圖4所示，本發明還包括控制水泵電機驅動單元和風扇驅動單元的控制單元，其中控制單元和水泵電機驅動單元設置在控制板3上，水泵電機驅動單元驅動水泵電機運轉，風扇驅動單元驅動風扇運轉(風扇驅動單元設置在風扇內)；控制單元將接收到的信號處理成PWM信號發送給水泵電機驅動單元和/或風扇驅動單元；控制單元根據水泵電機驅動單元和/或風扇驅動單元的反饋信號調整PWM信號。將本發明的水泵串聯于動力裝置A(由驅動電機、逆變器和電機控制器構成)冷卻回路中，水泵的控制單元接收由整車的網絡發出的信息，來控制水泵本身和風扇的啟停、調速功能。接收并處理的信息有動力裝置A各出口的冷卻液溫度、空調系統管路壓力、空調系統運行信號等信息。水泵接線端子15通過緊固件固定在水泵殼體總成的接線口端面上，控制板3通過水泵殼體內部的卡口結構固定在水泵殼體4下方。考慮水泵的安裝環境及減震要求，在泵體中部套上一個橡膠材質的減震護套9。如圖5、6所示為水泵葉輪總成與水泵前端蓋減小摩擦結構示意圖。當水泵工作時，由于定子和轉子間的相互電磁作用，一方面，將使葉輪殼體軸孔端面24與水泵前端蓋14的相抵觸，而葉輪殼體11高速旋轉，這將很快地導致葉輪殼體軸孔端面24與水泵前端蓋14接觸面嚴重磨損，另一方面，葉輪蓋12也會與水泵前端蓋14相碰撞。為防止該情況的發生，在葉輪殼體軸孔端面24與水泵前端蓋14接觸面之間設有葉輪擋圈13，同時在葉輪軸8上開有限位面8.1，套置在葉輪軸8上的葉輪擋圈13固定在該限位面8.1上，水泵前端蓋的軸撐結構20將葉輪擋圈13壓在葉輪殼體軸孔端面24上；葉輪擋圈13將水泵殼體軸孔端面與水泵前端蓋的軸撐結構20隔開，從而避免了二者的相互摩擦，同時也對葉輪蓋12起到限位作用，避免葉輪蓋12與水泵前端蓋14的碰撞。當水泵不運轉時，葉輪總成的下端面是與軸襯套7上端面接觸；當水泵運轉時，葉輪殼體的軸孔11.1與葉輪軸8之間會產生摩擦，并且葉輪總成會因為定子5與轉子10之間產生的磁力作用沿軸向上方懸浮，此時葉輪殼體軸孔端面24被頂在葉輪擋圈13的端面上，使用葉輪擋圈13雖然避免了葉輪殼體軸孔端面24碰上水泵前端蓋14的軸撐結構20而造成硬摩擦，但是高速旋轉的葉輪殼體11會與葉輪擋圈13之間產生摩擦。若這兩處的摩擦得不到改善，會造成葉輪總成磨損嚴重，水泵異響聲大，甚至卡死以至于電機損壞。為改善這兩處的摩擦，本發明在葉輪殼體的軸孔11.1內壁和葉輪殼體軸孔端面24開有供水循環的導流槽25、21，軸孔內壁的導流槽25與軸孔端面的導流槽21連通，并且采用碳化硅材質制成的葉輪擋圈13。導流槽主要作用包括:其一，去除細小雜物，防止卡死。在葉輪高速旋轉時，其軸向的壓力小，葉輪邊緣的壓力大，使得少量的水從葉輪邊緣流入水泵殼體總成與葉輪總成形成的腔室中，由于壓差，這些泄漏液體會沿著腔室向下，然后順著導流槽25向上移動，最后經葉輪殼體軸孔端面24的導流槽21又流回葉輪的葉輪17間重新參與循環。在這過程中，葉輪總成與水泵殼體總成、葉輪軸8與葉輪總成的軸孔11.1之間的雜質都被帶出，同時在葉輪殼體軸孔端面24與葉輪擋圈13端面之間會生成一層水膜，減少葉輪殼體軸孔端面24與葉輪擋圈13之間的摩擦。其二，導流槽11.1內液體起到潤滑葉輪殼體軸孔11.1和葉輪軸8摩擦副的作用。如圖7所示為水泵整車網絡控制原理圖。在新能源車型上，發動機散熱器、動力裝置A散熱器及空調系統的冷凝器都是依靠車上的風扇來完成散熱的，風扇的控制需要考慮這三方的散熱需求。本發明將水泵的泵水功能及風扇的控制功能集成于一體，通過接收三方的散熱需求，在內部控制板的控制策略中進行判定，然后發出PWM信號，驅動水泵和風扇以某一轉速運轉。具體過程是這樣的，在車輛運行過程中，水泵中的控制板會隨時監聽整車網絡中的發動機水溫信號、動力裝置A回路中的水溫信號以及空調系統散熱需求的信號，收到這些信號后控制板中的控制策略會對其進行解讀和判斷，以“就高不就低”的原則選取水泵、風扇在某層次上的最高轉速，然后將PWM信號發給驅動單元，從而完成水泵和風扇的啟停運轉。目前新能源車輛上的冷卻風扇主要由兩級調速風扇和PWM調速風扇構成，本發明已實現對這兩類型風扇的兼容控制。如圖8所示為本發明水泵的控制原理圖。水泵內部的控制板3既具有控制模塊又具有水泵電機驅動模塊。當車輛運行后，控制單元會接收到來自整車網絡的信息，控制板將這些信息帶入已寫好的控制單元中的控制策略中進行判定，然后向水泵電機驅動單元發出PWM信號，水泵電機驅動單元按照PWM信號為水泵中的三相電機提供相應的具有某占空比的脈沖形式的三相電壓。水泵的電機通電后，其轉子會高速旋轉，而與轉子注塑成一體的葉輪殼體也會隨之運轉，使葉輪也隨著葉輪殼體一起運轉，從而推動回路中冷卻液的循環。在整個循環中，水泵電機驅動單元會將水泵的電機轉速信息反饋給控制單元，水泵的PWM信號是可以根據輸入的整車信息來調節的，當控制單元判定熱負荷較小或冷卻能力富余時，會提供小占空比的PWM信號給驅動單元，使水泵功率、轉速、流量、有效工作時間減小。反之，當熱負荷較大或冷卻能力不足時，控制單元會提供大占空比的PWM信號，水泵的流量和轉速也會上升以滿足冷卻系統散熱的要求。這種PWM控制機制可以根據實際需求來設定，其“按需分配”的方式能夠滿足新能源車型的節能要求。上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種新能源汽車的冷卻水泵，包括水泵殼體、水泵前端蓋、水泵后端蓋、葉輪軸、葉輪及電機；水泵前端蓋與水泵殼體圍合形成有泵腔，并且水泵前端蓋上設置有連通泵腔的進水口和出水口 ；葉輪軸通過配合的軸承套固定在水泵殼體內，葉輪殼體的軸孔套置在葉輪軸上；其特征在于，還包括連接在所述葉輪上的葉輪蓋，所述葉輪蓋包括中間段及連接在中間段兩端的第一段和第二段；所述葉輪蓋的第一段和第二段與水泵前端蓋內壁之間分別形成流體阻尼間隙，所述葉輪蓋中間段與水泵前端蓋內壁之間形成的空腔截面積大于流體阻尼間隙的截面積；所述水泵前端蓋的進水口連通葉輪蓋內腔。
2.根據權利要求1所述的新能源汽車的冷卻水泵，其特征在于，所述葉輪蓋位于水泵前端蓋進水口的后方。
3.根據權利要求1所述的新能源汽車的冷卻水泵，其特征在于，所述葉輪設置在葉輪殼體的葉輪安裝支座上。
4.根據權利要求1所述的新能源汽車的冷卻水泵，其特征在于，所述葉輪蓋的中間段為曲面，所述葉輪蓋的第一段沿垂直方向延伸，所述葉輪蓋的第二段沿水平方向延伸。
5.根據權利要求4所述的新能源汽車的冷卻水泵，其特征在于，與所述葉輪蓋中間段配合的水泵前端蓋內壁為曲面。
6.根據權利要求4所述的新能源汽車的冷卻水泵，其特征在于，與所述葉輪蓋中間段配合的水泵前端蓋內壁設計成臺階形狀。
7.根據權利要求1所述的新能源汽車的冷卻水泵，其特征在于，所述流體 阻尼間隙截面積與所述空腔截面積的比為1:9(T100。
8.根據權利要求1所述的新能源汽車的冷卻水泵，其特征在于，還包括設置在水泵殼體內控制水泵電機驅動單元和風扇驅動單元的控制單元；控制單元將接收到的信號處理成PWM信號發送給水泵電機驅動單元和/或風扇驅動單元；控制單元根據水泵電機驅動單元和/或風扇驅動單元的反饋信號調整PWM信號。
9.根據權利要求1所述的新能源汽車的冷卻水泵，其特征在于，所述水泵殼體、電機的定子、葉輪軸及軸承套采用注塑的方式集成在一起形成水泵殼體總成；所述葉輪殼體和電機的轉子采用注塑的方式集成在一起，與葉輪形成葉輪總成。
10.根據權利要求1所述的新能源汽車的冷卻水泵，其特征在于，所述水泵后端蓋圓周上的凹槽內設置有O形密封圈I形成圓周密封，所述水泵殼體上端面的凹槽內設置有O形密封圈II形成端面密封。
11.根據權利要求1所述的新能源汽車的冷卻水泵，其特征在于，所述葉輪殼體軸孔端面與水泵前端蓋的接觸面處設置有葉輪擋圈，葉輪軸的上部設置有固定葉輪擋圈的限位面。
12.根據權利要求11所述的新能源汽車的冷卻水泵，其特征在于，所述葉輪擋圈采用的是碳化硅制成的葉輪擋圈。
13.根據權利要求12所述的新能源汽車的冷卻水泵，其特征在于，所述水泵前端蓋的進水口處的下方設置有將所述葉輪擋圈壓在所述葉輪殼體軸孔端面的軸撐結構，所述軸撐結構與葉輪軸間隙配合。
14.根據權利要求1所述的新能源汽車的冷卻水泵，其特征在于，所述葉輪殼體的軸孔內壁開有供水循環的導流槽，所述葉輪殼體軸孔端面開有供水循環的導流槽，并且軸孔內壁的導流槽與軸孔端面的導流槽連通。
15.根據權利要求1所述的新能源汽車的冷卻水泵，其特征在于，所述出水口沿所述葉輪切線方向分 布。
全文摘要
本發明涉及新能源汽車的冷卻水泵，包括水泵殼體、水泵前端蓋、水泵后端蓋、葉輪軸、葉輪及電機；還包括連接在所述葉輪上的葉輪蓋，所述葉輪蓋包括中間段及連接在中間段兩端的第一段和第二段；所述葉輪蓋的第一段和第二段與水泵前端蓋內壁之間分別形成流體阻尼間隙，所述葉輪蓋中間段與水泵前端蓋內壁之間形成的空腔截面積大于流體阻尼間隙的截面積；根據流體特性，截面積的突變會造成較大的流動阻力，從而降低了液體的泄漏量，提高了水泵的泵水揚程。還包括設置在水泵殼體內控制水泵電機驅動單元和風扇驅動單元的控制單元，采用PWM脈寬調頻調制方式來調節電動水泵的轉速，同時實現對整車冷卻風扇的控制，減少了新能源車型的能耗和成本。
文檔編號F04D15/00GK103195745SQ20131014479
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月24日 優先權日2013年4月24日
發明者殷生岱, 石俠紅, 萬鑫, 蔡文新 申請人:東風汽車公司