电动鼓风机组件及其制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于呼吸性治疗应用中的电动鼓风机组件（1）。有源电动机子组件（6、7、9）封装在具有选定的振动消散和热传导特性的二次模制成型的热塑性材料（5）内。与当前市售的类似尺寸和气流能力的鼓风机相比，所产生的鼓风机组件能够在声级降低1.0-3.0dB并且效率提高3-9%的情况下工作。
【专利说明】电动鼓风机组件及其制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明大体上涉及(a)改进的电动鼓风机组件(例如，用于治疗睡眠呼吸暂停的呼吸性疗法)，(b)各种鼓风机组件部件的改进装置和组件，用于在鼓风机组件部件组装时精确地对齐和保持，以及(c)制造这种鼓风机的改进方法。
【背景技术】
[0002]睡眠呼吸暂停机包括专门设计的电动机、电动机控制装置，以及叶轮，叶轮移动空气进入和离开患者呼吸系统。
[0003]用于呼吸性疗法的鼓风机由于其靠近患者而需要安静。目前市场销售的鼓风机的声压级约为42dB。在电动机中发现的固有结构所带来的噪声源包括涡轮扰动、轴承位移以及电磁材料的磁弹性。转子和定子之间的磁力还与电动机结构相互作用。类似地，外壳必须具有足够的硬度以支撑转子。然而，外壳将力传输至电动机内。固有的声音灵敏度取决了电动机的噪声和振动特性。为了将噪声减至最小，一旦可能就应当减少或消除电动机、转子和定子之间的可能振动源。
[0004]高音电动机可以源自于与粗劣的电动机外壳的结构声音灵敏度相关的固有小振动源。通过使用振动消散材料而提高电动机的声音灵敏度可以减少电动机噪声。
[0005]一个有效的振动控制策略允许大的轴承位移，并且形成了低的结构力。一种策略是可以使用弹性轴承底座而实现。这种策略的不足之处包括动态对准和使用寿命问题。例如，转子和定子在临界工作情况下会摩擦，引起过早失效。可以采用公差环、弹性O-环、盖圈环、套筒和各种其他结构，以提供抑制振动的弹性底座。
[0006]在塑料模制产业中一个近期创新是二次模制成型各种电动机部件的能力。已经封装了线圈和定子组件以将其与环境隔离以便于清洗、向下钻孔和其他应用。电动机定子绕组也采用具有相对高导热系数的材料封装以改善电动机的性能。在二次模制成型处理中使用具有各种填充物的各种热塑性弹性体(TPE)。
[0007]鼓风机组件基本上包括电动机、鼓风机叶轮或叶轮以及鼓风机外壳。这些子组件通过合适的机械装置、诸如螺钉或粘合剂而相对于彼此保持工作关系。操纵、对准和定位这些子组件以及随后施加机械保持所需的组装时间可能对最终的鼓风机组件增加了相当大的成本。
[0008]每个前述的子组件具有尺寸公差。当部件相对彼此固定成正确的关系时，这些公差叠加在一起成为累积或合计公差，也称为累积公差。该累积公差已经导致了在移动和固定部件之间间距增大，以防止干扰和卡合。然而，在鼓风机叶轮或叶轮以及外壳之间的增大间隙导致鼓风机效率降低。这种类型的鼓风机中的间隙通常在移动的鼓风机部件和固定的鼓风机部件之间的空隙的0.030英寸±0.018英寸范围内。
[0009]通过将电动机定子和轴承组件同时模制在鼓风机外壳中，可以消除移动部件和固定部件之间的部分累积公差。电动机定子和轴承组件位于外壳下部部分中，其中模压件公差约为±0.0005英寸。外壳上部部分定位远离下部外壳部分，而叶轮由轴承组件定位。合计公差累积减少至约±0.008英寸，允许约0.020英寸的额定间隙。测试证明约0.010英寸的间隙减少通过减少了产生特定气流所需的叶轮速度而形成了约3%的功率节约。该减少的叶轮速度可以形成噪声减少、并且提高鼓风机组件的使用寿命和可靠性。还可以减少鼓风机组件的总尺寸，并且仍然实现了等效于较大的鼓风机组件的空气处理性能的空气处理性能。
[0010]高效运转的电动机可以在较低的温度下运转，并且可以比在较热的温度下运转的电动机具有更长使用寿命和可靠性特征。呼吸性治疗鼓风机中的电动机基本上隔离在静止空气的壳膜内。将热量传导远离电动机将允许其以低温运行，而具有上述的好处。
[0011]美国专利号N0.7，154，200B2 (Neal)描述了形成电动机组件的外壳同时单步骤完成用模制材料封装多个电动机部件，所述文献在此引入作为参考。可以选择模制材料，从而其热膨胀系数类似于组件的金属部件的热膨胀系数，其导热，具有抑制振动和吸收撞击的特性，衰减磁弹性引起的噪声，并且封装电端子。该方法减少了公差累积和组装成本，并且可以包括各种类型的插入件和各种类型的轴承。
[0012]可以对单步骤模制电动机外壳同时还二次模制成型电动机部件进行改进。由于模制需要保持所有壁部件大致具有相同厚度，模制单一材料将需要设计折衷。将部件模制在不同材料制成的预成形外壳内增加了设计的功能性和灵活性。预成形的外壳可以具有组装增强特征，诸如弹簧钩、用于螺钉的突舌等等。选择用于外壳的材料使其消散振动的频率与模制材料消散的振动频率不同。因而，可以实现对大范围频率的抑制。
[0013]通常用于二次模制成型的大部分热塑性弹性体对于0_7kHz频率范围内的振动具有类似的抑制特征。然而，高于7kHz的更软的TPE趋向于更有效地抑制振动。填充物诸如玻璃和陶瓷改变了 TPE抑制特性，并且可以用于定制TPE，用于抑制特定频率范围。通过使用具有不同抑制特性的两个TPE，可以实现更宽和更有效的振动抑制方法。
[0014]在美国专利号N0.6，058，593A (Siess)和 7，012，346B2 (Hoffman 等)中示出和描述了已知电动机设计的其他细节，所述文献的公开内容在此引入作为参考。
【发明内容】
[0015]已经发明了机动鼓风机组件，其包括了现有电动机结构的最佳特征，并且还改进了这些特征。
[0016]本发明的第一方面是一种改进的电动机，其具有共同位于热塑性材料基体内的定子子组件和轴承子组件，所述电动机模制在外壳下部部分中。外壳下部部分还形成鼓风机空气腔的下部部分。
[0017]热塑性材料具有振动抑制特性，导致形成与不具备这种材料的电动机相比更安静的电动机。
[0018]在本发明的另一方面，将插入物二次模制成型在外壳下部部分内，其在随后的组装处理步骤中接收轴承子组件。
[0019]在本发明另一方面，夕卜壳部分由增强上部鼓风机外壳部分或最终组件的其他部件的组装的特征形成。增强的组装特征产生较低的制造成本，并且可以利通自动制造方法以进一步降低成本。
[0020]在本发明另一方面中，热塑性材料可以在外壳部分之间和/或组件的其他部件之间形成垫圈。
[0021]模制材料可以是注模热塑性弹性体、灌注化合物等。其可以是已填充或未填充的单体或聚合物。该材料可导热以实现更高的额定功率。
[0022]在本发明的另一方面，借助于二次模制成型材料将子组件附连在下部鼓风机外壳内，并且与附连子组件的其他手段相比，产生了较低的制造成本和减小的公差累积。
[0023]在本发明的另一方面，外壳下部部分形成用于定子组件端子的出口以及用于接收外部连接器的凹口。
[0024]在本发明的又一方面，上部和下部外壳部分以及轴具有增强自动操纵和组装的特征。附带地参考所公开实施例的相应部件、部分或表面，仅出于说明目的而非限制性目的，本发明在一个方面中宽泛地提供了一种用于呼吸性治疗中的改进的电动鼓风机组件(I )。该改进的鼓风机组件宽泛地包括:外壳(2、3)，具有在入口(11)和出口(12)之间延伸的气流通道；定子组件(6)，位于外壳内并固定至外壳；轴承组件(9)，安装在外壳内相对于定子组件的预先确定位置处；转子组件，具有轴(8)，安装在轴一个边缘端部分上的叶轮(10)，以及安装在轴的中间部分上的磁体(7);其中轴的另一边缘端部分接收在轴承组件中；以及二次模制成型材料(5 )，接合所述外壳并且封装电动机定子组件。
[0025]模制材料可以是热塑性弹性体，或者通过灌注方法施加的灌注化合物。
[0026]模制材料可以具有预定的热膨胀系数和/或预定的热传导系数。
[0027]可以选择模制材料具有预定的振动消散特性，以形成更安静的鼓风操作。
[0028]部件可以具有设计特征以增强自动组装，并减少组装成本。
[0029]二次模制成型部件和组件可以具有减少的公差累积，而形成更有效率和更安静的鼓风机操作。
[0030]可以在外壳之一上模制垫圈以在外壳之间形成密封，而提供更有效率和更安静的鼓风机操作。
[0031]在另一方面，本发明提供了一种制造电动鼓风机组件的一部分的改进方法，包括如下步骤:提供第一模具，其具有在其中限定了第一外壳部件腔的互补性模具半部(13、14);将材料注入所述第一模具腔以形成第一外壳部件(3);通过移动所述第一模具半部而打开第一模具；将所述第一外壳部件(3)从所述打开的第一模具中移出；提供第二模具，其具有在其中限定了定子组件腔的互补性模具半部(15、16);通过移动所述第二模具半部远离彼此而打开所述第二模具；将所述第一外壳组件(3)放入所述第二模具半部之一(15)的腔内；提供定子组件(6)和轴承组件(9);将定子组件和轴承组件放入另一第二模具半部
(16)内；通过移动所述第二模具半部朝向彼此而闭合所述第二模具以相对于彼此精确地定位所述外壳第一部件、所述定子组件和所述轴承组件，并且在其间限定第二模制腔；将热塑性材料(5)注入第二模制腔内以将定子组件和轴承组件二次模制成型在所述第一外壳部件内；通过移动所述第二模具半部远离彼此而打开所述第二模具；以及移动所述第一外壳部件和所述二次模制成型的定子和轴承组件，由此制造了电动鼓风机组件(I)的一部分。
[0032]因此，本发明的基本目的是提供改进的电动鼓风机组件。
[0033]另一目的是提供用于设置和组装各个鼓风机组件部件的改进的方法和装置，用于在将鼓风机组件部件组装在一起时精确地对准和保持。
[0034]另一目的是提供一种制造低成本、高性能、安静电动鼓风机组件的改进方法。[0035]根据上述和下文的说明书、附图和随附权利要求书，这些和其他目的和优点将显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1是改进的鼓风机组件的第一种形式的片段纵向竖直横截面视图。
[0037]图2是图1中所示的鼓风机组件的顶视平面视图，其中切除了一部分以示出叶轮的详细情况。
[0038]图3是模制在第一模具中的外壳下部部分的示意图。
[0039]图4是示意图，示为已经移除第一模具半部，从而可以移除模制的外壳下部部分。
[0040]图5是打开的第二模具的示意图，该视图示出了模制的外壳下部部分已经位于第二模具的上半部分内，而定子组件和轴承组件位于第二模具的下半部分内。
[0041]图6是类似于图5的示意图，但是示出了第二模具半部移动至一起以闭合第二模具并且相对于外壳下部部分定位定子和轴承组件。
[0042]图7是示意图，示出热塑性弹性体已经注入第二模具腔内以将定子和轴承组件二次模制成型在外壳下部部分内。
[0043]图8是类似于图7的示意图，但是示出了第二模具半部移动远离彼此以打开第二模具，并且允许从第二模具中移除鼓风机组件的二次模制成型部分。
[0044]图9是放大的片段纵向竖直横截面视图，示出转子组件已经插入轴承组件中。
[0045]图10是侧视图，示出了外壳上部部分已经安装在外壳下部部分上，其中切除了一部分而以横截面不出两个外壳部分的部分。
[0046]图11是改进的电动鼓风机组件的第二形式的分解侧视图。
[0047]图12是改进的电动鼓风机组件的第三形式的放大片段纵向竖直横截面视图。
【具体实施方式】
[0048]首先，应当清楚理解，在多个附图中，相同的附图标记用于指示相同的结构元件、部分或表面，因为由说明书整体可以进一步描述或解释这些元件、部分或表面，而其详细描述是一个整体。除非另外指出，附图意于结合说明书阅读(例如，截面线、部件的设置、比例、度数等)，并且应当理解为作为本发明的说明书整体的一部分。正如在下文中所使用的，术语“水平”、“竖直”、“左”、“右”、“上”和“下”以及其形容词和副词的派生词(例如“水平地”、“向右地”、“向上地”等)，仅指示当特定附图朝向阅读者时所示结构的方向。类似地，术语“向内地”和“向外地”基本上指的是表面在适当时相对于其延长轴或旋转轴的方向。
[0049]现在参考附图，尤其参考图1，根据本发明的改进电动鼓风机组件的第一实施例通常由附图标记I所指示，并且宽泛地包括外壳下部部分3、外壳上部部分2、位于两个外壳部分之间的垫圈4、缠绕定子组件6、永磁体7、轴8、轴承组件9、二次模制成型的热塑性弹性体材料5以及叶轮10。
[0050]定子组件6首先使用钢叠片构成，其对齐并且堆叠以形成具有多极的磁性可致磁芯，磁芯由绝缘导电线支撑的绕组围绕其缠绕或布置。形成各种结构的极和绕组以形成磁极的技术是众所周知的，并且因而本文无需进一步讨论。
[0051]转子子组件通过将磁体7 二次模制成型在轴8上或者通过使用粘合剂将磁体7粘附在轴8上而构成。磁体7可以在组装到轴之前使用任意数量的所需极磁化。叶轮10模制在轴8上或者单独模制并且通过压紧并且使用粘合剂或者其他合适的手段粘附至轴8上。组装顺序是任选的。
[0052]在操作中，由于电流在定子6的绕组中流动时在定子6和磁体7之间形成的切向力，使得由叶轮10、轴8和磁体7组成的转子子组件旋转。
[0053]现在参考图2，旋转叶轮10引起了鼓风机入口 11和鼓风机出口 12之间的压差，这产生了所需的气流。
[0054]现在参考图3，通过将塑料注入形成在模具半部13、14之间的腔内而形成鼓风机外壳下部部分3。在图4中，模具示为已经打开，而下部外壳部分3示为在移除之前分离。
[0055]图5示出了外壳下部部分3已经放入分离的上部模具半部15内，其类似于模具半部14，但是位于不同的模制机内。引入下部模具半部16，其具有相对于彼此以轴向和径向关系预装载和确切定位的定子组件6和轴承组件9。
[0056]在图6中，模具半部15和16示为已经闭合，其将定子组件6和轴承组件9与下部外壳部分3确切地定位成轴向和径向关系，并且处于模具公差内。模制模具的公差在直径和轴向长度约为±0.0002英寸。下部外壳部分位于模具半部内约±0.003英寸。轴承组件和定子组件之间的轴向和径向公差累积约为±0.0004英寸。它们和外壳之间的轴向和径向公差累积约为±0.0032英寸。
[0057]在图7中，热塑性弹性体5示为已经注入模具中，其将定子组件6和轴承组件9锁定在外壳下部部分3内合适的位置。可以作为选择地使用灌注材料或环氧树脂填充模具中的腔。
[0058]在图8中，两个模具半部15、16示为已经分离，而形成的组件示为已经移除。
[0059]在图9中，通过将轴8压配合入轴承组件9内将预组装的转子组件17附连至已模制的组件18。作为选择地，可以借助于合适的粘合剂或其他手段将轴8粘附至轴承组件9。
[0060]图10示出了上部外壳部分2借助于以20示出几次的搭扣而附连至下部外壳部分
3。在上部外壳部分2和下部外壳部分3之间预先形成的垫圈4防止空气泄漏以提供更高的鼓风机效率，并且形成更安静的操作。作为选择地，上部外壳部分2和下部外壳部分3可以借助于螺钉、钳夹、粘合剂或其他手段而保持在一起。三个端子21由模制材料5固定，并且设计和定位以接收匹配电连接器。
[0061]在图1中，电动机设计(即定子组件6和磁体7的定向)具有径向朝向，其中转子位于定子部件6内。本发明还可以实现具有处于轴向的电动机设计。本发明还可以实现具有径向的电动机设计，其中旋转部件位于固定部件外侧。
[0062]在图1中，电动机是无电刷的直流电动机。这种电动机可以使用反馈装置而运行(例如，霍尔效应装置、分解器、编码器或者其他装置)，或者其可以在无传感器驱动机制中无反馈地运行。本发明还可以实现具有其他电动机类型，诸如无电刷AC电动机、永磁体DC电动机、感应电动机、步进电动机、开关磁阻电动机或者其他电动机类型。
[0063]在图1中，轴承组件9是一个筒，具有两行预装载的滚珠，其模制在外壳下部部分3内。轴承预装载由轴承供应商建立轴承筒的结构中。本发明还可以通过在轴上安装两个独立的轴承而实现，两个轴承彼此相邻作为双对，或者沿着轴相隔一定距离。本发明还可以如图11所示，通过将轴承组件9安装在轴8上并且将轴承组件压入或结合至已经模制在下部外壳组件3内的接收套筒19内。本发明还可以通过将轴承筒组装在磁体和叶轮之间而减少外伸量。本发明还通过使用套筒轴承、磁体轴承、水力轴承或其他类型的轴承系统而实现。
[0064]在图1所示的优选实施例中，可以选择模制材料5以使其具有类似于诸如轴8的组件的塑料部件或金属部件的线性热膨胀系数。还可以选择模制材料5以使其具有增加的热传导性，其基于特定应用的需求可以是各向同性的或是方向性的。还可以对于调至特定频率或频率范围的所需振动抑制特性而选择模制材料5。模制材料5可以是注模热塑性弹性体、灌注化合物等。
[0065]参考附图4-5，从模具半部14移除外壳下部部分3并且使用类似的模具半部15替换其的备选方法，是将外壳下部部分3保持在模具半部14中，由此需要双重模制操作。
[0066]参考图12，示出了备选结构，其中定子和轴承组件替换为完整的电动机组件22，其已经二次模制成型在下部鼓风机外壳3内。在本发明该实施例中，在二次模制成型处理已经完成之后，将叶轮压在电动机22的轴8上。本发明的改进并未因此备选结构而有打折扣。
[0067]如通常实现的，外壳上部分和下部分的最终组装通过使用螺钉、按扣、焊接、连接或其他手段而完成。
[0068]至此所述的本发明已经包括叶轮以在电动鼓风机组件中产生空气移动。本发明的其他实施例包括风扇和鼓风机叶轮，以及多级空气推进器。
[0069]因而，本发明宽泛地提供了:(a)改进的电动鼓风机组件(例如，用于治疗睡眠呼吸暂停的呼吸性疗法中)，(b)各种鼓风机组件部件的改进装置和组件，用于在鼓风机组件部件组装时精确地对齐和保持，以及(C)制造这种鼓风机的改进方法。
[0070]变型
[0071 ] 本发明预期可以进行许多改变和变化。
[0072]例如，外壳可以具有不同的形状、尺寸和/或比例。电动机可以具有不同类型、结构和形状。组装顺序可以改变或修改。鼓风机的类型也可以改变。
[0073]因而，虽然已经示出和描述了改进的电动鼓风机组件的多个优选实施例，并且已经讨论了其多个修改方案，本领域技术人员将易于意识到可以进行各种附加改变和修改方案，而不脱离如下列权利要求中所限定和区别的本发明的精神。
【权利要求】
1.一种电动鼓风机组件,包括: 外壳，具有在入口和出口之间延伸的空气流动通道； 电动机定子组件，定位在所述外壳中并固定至所述外壳； 轴承组件，相对于所述电动机定子组件处于预定位置地安装在所述外壳上； 转子组件，具有轴、安装在所述轴的一个边缘端部分上的叶轮，以及安装在所述轴的中间部分上的磁体； 其中所述轴的另一边缘端部分接收在所述轴承组件中；以及 二次模制成型材料，用于接合所述外壳并且封装所述电动机定子组件。
2.根据权利要求1所述的电动鼓风机组件，其中所述二次模制成型材料是热塑性弹性体。
3.根据权利要求1所述的电动鼓风机组件，其中所述二次模制成型材料具有预定的热膨胀系数。
4.根据权利要求1所述的电动鼓风机组件，其中所述二次模制成型材料具有预定的热传导系数。
5.根据权利要求1所述的电动鼓风机组件，其中所述二次模制成型材料具有预定的振动消散性能，以减少由所述鼓风机组件产生的振动。
6.根据权利要求1所述的电动鼓风机组件，其中所述外壳包括上部外壳部件和下部外壳部件，并且还包括设置在所述上部外壳部件和下部外壳部件之间的垫圈。
7.根据权利要求1所述的电动鼓风机组件，其中所述电动机定子组件包括电端子，并且其中所述电端子被所述二次模制成型材料部分地封装。
8.根据权利要求1所述的电动鼓风机组件，其中所述二次模制成型材料被注模入所述外壳内。
9.一种制造电动鼓风机组件的一部分的方法，包括如下步骤: 提供第一模具，所述第一模具具有在其间限定了第一外壳部件腔的互补性第一模具半部; 将材料注射到所述第一模具部件腔内以形成第一外壳部件； 将第一模具半部移动分开来打开所述第一模具； 从打开的所述第一模具中移除所述第一外壳部件； 提供第二模具，所述第二模具具有在其间限定定子组件腔的互补性第二模具半部； 通过将所述第二模具半部彼此远离移动来打开所述第二模具； 将所述第一外壳部件放入所述第二模具半部的一个的腔内； 提供定子组件和轴承组件； 将所述定子组件和所述轴承组件放入所述第二模具半部的另一个中； 通过将所述第二模具半部朝向彼此移动来闭合所述第二模具，以将所述第一外壳部件、所述定子组件和所述轴承组件精确地相对彼此地定位，并且在其间限定第二模制腔；将热塑性材料注射入所述第二模制腔内，以将所述定子组件和所述轴承组件二次模制成型在所述第一外壳部件内； 通过使得所述第二模具半部彼此远离移动来打开所述第二模具；以及 移除所述第一外壳部件以及所述二次模制成型的定子和轴承组件；由此制造出电动鼓风机组件的一部分。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括如下附加步骤: 提供第二外壳部件；以及 将所述第二外壳部件连接至所述第一外壳部件，以提供具有在入口和出口之间延伸的气流通道的电动鼓风机组件。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一外壳部件、所述定子组件和所述轴承组件被以约±0.0005英寸的精度地布置在所述第二模具中。
【文档编号】H02K1/18GK104011977SQ201180073756
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2011年9月30日 优先权日:2011年9月30日
【发明者】J·M·卡利科, J·S·贝万, D·R·迈科伊 申请人:莫戈公司