電動鼓風機組件及其制造方法

電動鼓風機組件及其制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種用于呼吸性治療應用中的電動鼓風機組件（1）。有源電動機子組件（6、7、9）封裝在具有選定的振動消散和熱傳導特性的二次模制成型的熱塑性材料（5）內。與當前市售的類似尺寸和氣流能力的鼓風機相比，所產生的鼓風機組件能夠在聲級降低1.0-3.0dB并且效率提高3-9%的情況下工作。
【專利說明】電動鼓風機組件及其制造方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明大體上涉及(a)改進的電動鼓風機組件(例如，用于治療睡眠呼吸暫停的呼吸性療法)，(b)各種鼓風機組件部件的改進裝置和組件，用于在鼓風機組件部件組裝時精確地對齊和保持，以及(c)制造這種鼓風機的改進方法。
【背景技術】
[0002]睡眠呼吸暫停機包括專門設計的電動機、電動機控制裝置，以及葉輪，葉輪移動空氣進入和離開患者呼吸系統。
[0003]用于呼吸性療法的鼓風機由于其靠近患者而需要安靜。目前市場銷售的鼓風機的聲壓級約為42dB。在電動機中發現的固有結構所帶來的噪聲源包括渦輪擾動、軸承位移以及電磁材料的磁彈性。轉子和定子之間的磁力還與電動機結構相互作用。類似地，外殼必須具有足夠的硬度以支撐轉子。然而，外殼將力傳輸至電動機內。固有的聲音靈敏度取決了電動機的噪聲和振動特性。為了將噪聲減至最小，一旦可能就應當減少或消除電動機、轉子和定子之間的可能振動源。
[0004]高音電動機可以源自于與粗劣的電動機外殼的結構聲音靈敏度相關的固有小振動源。通過使用振動消散材料而提高電動機的聲音靈敏度可以減少電動機噪聲。
[0005]一個有效的振動控制策略允許大的軸承位移，并且形成了低的結構力。一種策略是可以使用彈性軸承底座而實現。這種策略的不足之處包括動態對準和使用壽命問題。例如，轉子和定子在臨界工作情況下會摩擦，引起過早失效。可以采用公差環、彈性O-環、蓋圈環、套筒和各種其他結構，以提供抑制振動的彈性底座。
[0006]在塑料模制產業中一個近期創新是二次模制成型各種電動機部件的能力。已經封裝了線圈和定子組件以將其與環境隔離以便于清洗、向下鉆孔和其他應用。電動機定子繞組也采用具有相對高導熱系數的材料封裝以改善電動機的性能。在二次模制成型處理中使用具有各種填充物的各種熱塑性彈性體(TPE)。
[0007]鼓風機組件基本上包括電動機、鼓風機葉輪或葉輪以及鼓風機外殼。這些子組件通過合適的機械裝置、諸如螺釘或粘合劑而相對于彼此保持工作關系。操縱、對準和定位這些子組件以及隨后施加機械保持所需的組裝時間可能對最終的鼓風機組件增加了相當大的成本。
[0008]每個前述的子組件具有尺寸公差。當部件相對彼此固定成正確的關系時，這些公差疊加在一起成為累積或合計公差，也稱為累積公差。該累積公差已經導致了在移動和固定部件之間間距增大，以防止干擾和卡合。然而，在鼓風機葉輪或葉輪以及外殼之間的增大間隙導致鼓風機效率降低。這種類型的鼓風機中的間隙通常在移動的鼓風機部件和固定的鼓風機部件之間的空隙的0.030英寸±0.018英寸范圍內。
[0009]通過將電動機定子和軸承組件同時模制在鼓風機外殼中，可以消除移動部件和固定部件之間的部分累積公差。電動機定子和軸承組件位于外殼下部部分中，其中模壓件公差約為±0.0005英寸。外殼上部部分定位遠離下部外殼部分，而葉輪由軸承組件定位。合計公差累積減少至約±0.008英寸，允許約0.020英寸的額定間隙。測試證明約0.010英寸的間隙減少通過減少了產生特定氣流所需的葉輪速度而形成了約3%的功率節約。該減少的葉輪速度可以形成噪聲減少、并且提高鼓風機組件的使用壽命和可靠性。還可以減少鼓風機組件的總尺寸，并且仍然實現了等效于較大的鼓風機組件的空氣處理性能的空氣處理性能。
[0010]高效運轉的電動機可以在較低的溫度下運轉，并且可以比在較熱的溫度下運轉的電動機具有更長使用壽命和可靠性特征。呼吸性治療鼓風機中的電動機基本上隔離在靜止空氣的殼膜內。將熱量傳導遠離電動機將允許其以低溫運行，而具有上述的好處。
[0011]美國專利號N0.7，154，200B2 (Neal)描述了形成電動機組件的外殼同時單步驟完成用模制材料封裝多個電動機部件，所述文獻在此引入作為參考。可以選擇模制材料，從而其熱膨脹系數類似于組件的金屬部件的熱膨脹系數，其導熱，具有抑制振動和吸收撞擊的特性，衰減磁彈性引起的噪聲，并且封裝電端子。該方法減少了公差累積和組裝成本，并且可以包括各種類型的插入件和各種類型的軸承。
[0012]可以對單步驟模制電動機外殼同時還二次模制成型電動機部件進行改進。由于模制需要保持所有壁部件大致具有相同厚度，模制單一材料將需要設計折衷。將部件模制在不同材料制成的預成形外殼內增加了設計的功能性和靈活性。預成形的外殼可以具有組裝增強特征，諸如彈簧鉤、用于螺釘的突舌等等。選擇用于外殼的材料使其消散振動的頻率與模制材料消散的振動頻率不同。因而，可以實現對大范圍頻率的抑制。
[0013]通常用于二次模制成型的大部分熱塑性彈性體對于0_7kHz頻率范圍內的振動具有類似的抑制特征。然而，高于7kHz的更軟的TPE趨向于更有效地抑制振動。填充物諸如玻璃和陶瓷改變了 TPE抑制特性，并且可以用于定制TPE，用于抑制特定頻率范圍。通過使用具有不同抑制特性的兩個TPE，可以實現更寬和更有效的振動抑制方法。
[0014]在美國專利號N0.6，058，593A (Siess)和 7，012，346B2 (Hoffman 等)中示出和描述了已知電動機設計的其他細節，所述文獻的公開內容在此引入作為參考。

【發明內容】

[0015]已經發明了機動鼓風機組件，其包括了現有電動機結構的最佳特征，并且還改進了這些特征。
[0016]本發明的第一方面是一種改進的電動機，其具有共同位于熱塑性材料基體內的定子子組件和軸承子組件，所述電動機模制在外殼下部部分中。外殼下部部分還形成鼓風機空氣腔的下部部分。
[0017]熱塑性材料具有振動抑制特性，導致形成與不具備這種材料的電動機相比更安靜的電動機。
[0018]在本發明的另一方面，將插入物二次模制成型在外殼下部部分內，其在隨后的組裝處理步驟中接收軸承子組件。
[0019]在本發明另一方面，夕卜殼部分由增強上部鼓風機外殼部分或最終組件的其他部件的組裝的特征形成。增強的組裝特征產生較低的制造成本，并且可以利通自動制造方法以進一步降低成本。
[0020]在本發明另一方面中，熱塑性材料可以在外殼部分之間和/或組件的其他部件之間形成墊圈。
[0021]模制材料可以是注模熱塑性彈性體、灌注化合物等。其可以是已填充或未填充的單體或聚合物。該材料可導熱以實現更高的額定功率。
[0022]在本發明的另一方面，借助于二次模制成型材料將子組件附連在下部鼓風機外殼內，并且與附連子組件的其他手段相比，產生了較低的制造成本和減小的公差累積。
[0023]在本發明的另一方面，外殼下部部分形成用于定子組件端子的出口以及用于接收外部連接器的凹口。
[0024]在本發明的又一方面，上部和下部外殼部分以及軸具有增強自動操縱和組裝的特征。附帶地參考所公開實施例的相應部件、部分或表面，僅出于說明目的而非限制性目的，本發明在一個方面中寬泛地提供了一種用于呼吸性治療中的改進的電動鼓風機組件(I )。該改進的鼓風機組件寬泛地包括:外殼(2、3)，具有在入口(11)和出口(12)之間延伸的氣流通道；定子組件(6)，位于外殼內并固定至外殼；軸承組件(9)，安裝在外殼內相對于定子組件的預先確定位置處；轉子組件，具有軸(8)，安裝在軸一個邊緣端部分上的葉輪(10)，以及安裝在軸的中間部分上的磁體(7);其中軸的另一邊緣端部分接收在軸承組件中；以及二次模制成型材料(5 )，接合所述外殼并且封裝電動機定子組件。
[0025]模制材料可以是熱塑性彈性體，或者通過灌注方法施加的灌注化合物。
[0026]模制材料可以具有預定的熱膨脹系數和/或預定的熱傳導系數。
[0027]可以選擇模制材料具有預定的振動消散特性，以形成更安靜的鼓風操作。
[0028]部件可以具有設計特征以增強自動組裝，并減少組裝成本。
[0029]二次模制成型部件和組件可以具有減少的公差累積，而形成更有效率和更安靜的鼓風機操作。
[0030]可以在外殼之一上模制墊圈以在外殼之間形成密封，而提供更有效率和更安靜的鼓風機操作。
[0031]在另一方面，本發明提供了一種制造電動鼓風機組件的一部分的改進方法，包括如下步驟:提供第一模具，其具有在其中限定了第一外殼部件腔的互補性模具半部(13、14);將材料注入所述第一模具腔以形成第一外殼部件(3);通過移動所述第一模具半部而打開第一模具；將所述第一外殼部件(3)從所述打開的第一模具中移出；提供第二模具，其具有在其中限定了定子組件腔的互補性模具半部(15、16);通過移動所述第二模具半部遠離彼此而打開所述第二模具；將所述第一外殼組件(3)放入所述第二模具半部之一(15)的腔內；提供定子組件(6)和軸承組件(9);將定子組件和軸承組件放入另一第二模具半部
(16)內；通過移動所述第二模具半部朝向彼此而閉合所述第二模具以相對于彼此精確地定位所述外殼第一部件、所述定子組件和所述軸承組件，并且在其間限定第二模制腔；將熱塑性材料(5)注入第二模制腔內以將定子組件和軸承組件二次模制成型在所述第一外殼部件內；通過移動所述第二模具半部遠離彼此而打開所述第二模具；以及移動所述第一外殼部件和所述二次模制成型的定子和軸承組件，由此制造了電動鼓風機組件(I)的一部分。
[0032]因此，本發明的基本目的是提供改進的電動鼓風機組件。
[0033]另一目的是提供用于設置和組裝各個鼓風機組件部件的改進的方法和裝置，用于在將鼓風機組件部件組裝在一起時精確地對準和保持。
[0034]另一目的是提供一種制造低成本、高性能、安靜電動鼓風機組件的改進方法。[0035]根據上述和下文的說明書、附圖和隨附權利要求書，這些和其他目的和優點將顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1是改進的鼓風機組件的第一種形式的片段縱向豎直橫截面視圖。
[0037]圖2是圖1中所示的鼓風機組件的頂視平面視圖，其中切除了一部分以示出葉輪的詳細情況。
[0038]圖3是模制在第一模具中的外殼下部部分的示意圖。
[0039]圖4是示意圖，示為已經移除第一模具半部，從而可以移除模制的外殼下部部分。
[0040]圖5是打開的第二模具的示意圖，該視圖示出了模制的外殼下部部分已經位于第二模具的上半部分內，而定子組件和軸承組件位于第二模具的下半部分內。
[0041]圖6是類似于圖5的示意圖，但是示出了第二模具半部移動至一起以閉合第二模具并且相對于外殼下部部分定位定子和軸承組件。
[0042]圖7是示意圖，示出熱塑性彈性體已經注入第二模具腔內以將定子和軸承組件二次模制成型在外殼下部部分內。
[0043]圖8是類似于圖7的示意圖，但是示出了第二模具半部移動遠離彼此以打開第二模具，并且允許從第二模具中移除鼓風機組件的二次模制成型部分。
[0044]圖9是放大的片段縱向豎直橫截面視圖，示出轉子組件已經插入軸承組件中。
[0045]圖10是側視圖，示出了外殼上部部分已經安裝在外殼下部部分上，其中切除了一部分而以橫截面不出兩個外殼部分的部分。
[0046]圖11是改進的電動鼓風機組件的第二形式的分解側視圖。
[0047]圖12是改進的電動鼓風機組件的第三形式的放大片段縱向豎直橫截面視圖。
【具體實施方式】
[0048]首先，應當清楚理解，在多個附圖中，相同的附圖標記用于指示相同的結構元件、部分或表面，因為由說明書整體可以進一步描述或解釋這些元件、部分或表面，而其詳細描述是一個整體。除非另外指出，附圖意于結合說明書閱讀(例如，截面線、部件的設置、比例、度數等)，并且應當理解為作為本發明的說明書整體的一部分。正如在下文中所使用的，術語“水平”、“豎直”、“左”、“右”、“上”和“下”以及其形容詞和副詞的派生詞(例如“水平地”、“向右地”、“向上地”等)，僅指示當特定附圖朝向閱讀者時所示結構的方向。類似地，術語“向內地”和“向外地”基本上指的是表面在適當時相對于其延長軸或旋轉軸的方向。
[0049]現在參考附圖，尤其參考圖1，根據本發明的改進電動鼓風機組件的第一實施例通常由附圖標記I所指示，并且寬泛地包括外殼下部部分3、外殼上部部分2、位于兩個外殼部分之間的墊圈4、纏繞定子組件6、永磁體7、軸8、軸承組件9、二次模制成型的熱塑性彈性體材料5以及葉輪10。
[0050]定子組件6首先使用鋼疊片構成，其對齊并且堆疊以形成具有多極的磁性可致磁芯，磁芯由絕緣導電線支撐的繞組圍繞其纏繞或布置。形成各種結構的極和繞組以形成磁極的技術是眾所周知的，并且因而本文無需進一步討論。
[0051]轉子子組件通過將磁體7 二次模制成型在軸8上或者通過使用粘合劑將磁體7粘附在軸8上而構成。磁體7可以在組裝到軸之前使用任意數量的所需極磁化。葉輪10模制在軸8上或者單獨模制并且通過壓緊并且使用粘合劑或者其他合適的手段粘附至軸8上。組裝順序是任選的。
[0052]在操作中，由于電流在定子6的繞組中流動時在定子6和磁體7之間形成的切向力，使得由葉輪10、軸8和磁體7組成的轉子子組件旋轉。
[0053]現在參考圖2，旋轉葉輪10引起了鼓風機入口 11和鼓風機出口 12之間的壓差，這產生了所需的氣流。
[0054]現在參考圖3，通過將塑料注入形成在模具半部13、14之間的腔內而形成鼓風機外殼下部部分3。在圖4中，模具示為已經打開，而下部外殼部分3示為在移除之前分離。
[0055]圖5示出了外殼下部部分3已經放入分離的上部模具半部15內，其類似于模具半部14，但是位于不同的模制機內。引入下部模具半部16，其具有相對于彼此以軸向和徑向關系預裝載和確切定位的定子組件6和軸承組件9。
[0056]在圖6中，模具半部15和16示為已經閉合，其將定子組件6和軸承組件9與下部外殼部分3確切地定位成軸向和徑向關系，并且處于模具公差內。模制模具的公差在直徑和軸向長度約為±0.0002英寸。下部外殼部分位于模具半部內約±0.003英寸。軸承組件和定子組件之間的軸向和徑向公差累積約為±0.0004英寸。它們和外殼之間的軸向和徑向公差累積約為±0.0032英寸。
[0057]在圖7中，熱塑性彈性體5示為已經注入模具中，其將定子組件6和軸承組件9鎖定在外殼下部部分3內合適的位置。可以作為選擇地使用灌注材料或環氧樹脂填充模具中的腔。
[0058]在圖8中，兩個模具半部15、16示為已經分離，而形成的組件示為已經移除。
[0059]在圖9中，通過將軸8壓配合入軸承組件9內將預組裝的轉子組件17附連至已模制的組件18。作為選擇地，可以借助于合適的粘合劑或其他手段將軸8粘附至軸承組件9。
[0060]圖10示出了上部外殼部分2借助于以20示出幾次的搭扣而附連至下部外殼部分
3。在上部外殼部分2和下部外殼部分3之間預先形成的墊圈4防止空氣泄漏以提供更高的鼓風機效率，并且形成更安靜的操作。作為選擇地，上部外殼部分2和下部外殼部分3可以借助于螺釘、鉗夾、粘合劑或其他手段而保持在一起。三個端子21由模制材料5固定，并且設計和定位以接收匹配電連接器。
[0061]在圖1中，電動機設計(即定子組件6和磁體7的定向)具有徑向朝向，其中轉子位于定子部件6內。本發明還可以實現具有處于軸向的電動機設計。本發明還可以實現具有徑向的電動機設計，其中旋轉部件位于固定部件外側。
[0062]在圖1中，電動機是無電刷的直流電動機。這種電動機可以使用反饋裝置而運行(例如，霍爾效應裝置、分解器、編碼器或者其他裝置)，或者其可以在無傳感器驅動機制中無反饋地運行。本發明還可以實現具有其他電動機類型，諸如無電刷AC電動機、永磁體DC電動機、感應電動機、步進電動機、開關磁阻電動機或者其他電動機類型。
[0063]在圖1中，軸承組件9是一個筒，具有兩行預裝載的滾珠，其模制在外殼下部部分3內。軸承預裝載由軸承供應商建立軸承筒的結構中。本發明還可以通過在軸上安裝兩個獨立的軸承而實現，兩個軸承彼此相鄰作為雙對，或者沿著軸相隔一定距離。本發明還可以如圖11所示，通過將軸承組件9安裝在軸8上并且將軸承組件壓入或結合至已經模制在下部外殼組件3內的接收套筒19內。本發明還可以通過將軸承筒組裝在磁體和葉輪之間而減少外伸量。本發明還通過使用套筒軸承、磁體軸承、水力軸承或其他類型的軸承系統而實現。
[0064]在圖1所示的優選實施例中，可以選擇模制材料5以使其具有類似于諸如軸8的組件的塑料部件或金屬部件的線性熱膨脹系數。還可以選擇模制材料5以使其具有增加的熱傳導性，其基于特定應用的需求可以是各向同性的或是方向性的。還可以對于調至特定頻率或頻率范圍的所需振動抑制特性而選擇模制材料5。模制材料5可以是注模熱塑性彈性體、灌注化合物等。
[0065]參考附圖4-5，從模具半部14移除外殼下部部分3并且使用類似的模具半部15替換其的備選方法，是將外殼下部部分3保持在模具半部14中，由此需要雙重模制操作。
[0066]參考圖12，示出了備選結構，其中定子和軸承組件替換為完整的電動機組件22，其已經二次模制成型在下部鼓風機外殼3內。在本發明該實施例中，在二次模制成型處理已經完成之后，將葉輪壓在電動機22的軸8上。本發明的改進并未因此備選結構而有打折扣。
[0067]如通常實現的，外殼上部分和下部分的最終組裝通過使用螺釘、按扣、焊接、連接或其他手段而完成。
[0068]至此所述的本發明已經包括葉輪以在電動鼓風機組件中產生空氣移動。本發明的其他實施例包括風扇和鼓風機葉輪，以及多級空氣推進器。
[0069]因而，本發明寬泛地提供了:(a)改進的電動鼓風機組件(例如，用于治療睡眠呼吸暫停的呼吸性療法中)，(b)各種鼓風機組件部件的改進裝置和組件，用于在鼓風機組件部件組裝時精確地對齊和保持，以及(C)制造這種鼓風機的改進方法。
[0070]變型
[0071 ] 本發明預期可以進行許多改變和變化。
[0072]例如，外殼可以具有不同的形狀、尺寸和/或比例。電動機可以具有不同類型、結構和形狀。組裝順序可以改變或修改。鼓風機的類型也可以改變。
[0073]因而，雖然已經示出和描述了改進的電動鼓風機組件的多個優選實施例，并且已經討論了其多個修改方案，本領域技術人員將易于意識到可以進行各種附加改變和修改方案，而不脫離如下列權利要求中所限定和區別的本發明的精神。
【權利要求】
1.一種電動鼓風機組件,包括: 外殼，具有在入口和出口之間延伸的空氣流動通道； 電動機定子組件，定位在所述外殼中并固定至所述外殼； 軸承組件，相對于所述電動機定子組件處于預定位置地安裝在所述外殼上； 轉子組件，具有軸、安裝在所述軸的一個邊緣端部分上的葉輪，以及安裝在所述軸的中間部分上的磁體； 其中所述軸的另一邊緣端部分接收在所述軸承組件中；以及 二次模制成型材料，用于接合所述外殼并且封裝所述電動機定子組件。
2.根據權利要求1所述的電動鼓風機組件，其中所述二次模制成型材料是熱塑性彈性體。
3.根據權利要求1所述的電動鼓風機組件，其中所述二次模制成型材料具有預定的熱膨脹系數。
4.根據權利要求1所述的電動鼓風機組件，其中所述二次模制成型材料具有預定的熱傳導系數。
5.根據權利要求1所述的電動鼓風機組件，其中所述二次模制成型材料具有預定的振動消散性能，以減少由所述鼓風機組件產生的振動。
6.根據權利要求1所述的電動鼓風機組件，其中所述外殼包括上部外殼部件和下部外殼部件，并且還包括設置在所述上部外殼部件和下部外殼部件之間的墊圈。
7.根據權利要求1所述的電動鼓風機組件，其中所述電動機定子組件包括電端子，并且其中所述電端子被所述二次模制成型材料部分地封裝。
8.根據權利要求1所述的電動鼓風機組件，其中所述二次模制成型材料被注模入所述外殼內。
9.一種制造電動鼓風機組件的一部分的方法，包括如下步驟: 提供第一模具，所述第一模具具有在其間限定了第一外殼部件腔的互補性第一模具半部; 將材料注射到所述第一模具部件腔內以形成第一外殼部件； 將第一模具半部移動分開來打開所述第一模具； 從打開的所述第一模具中移除所述第一外殼部件； 提供第二模具，所述第二模具具有在其間限定定子組件腔的互補性第二模具半部； 通過將所述第二模具半部彼此遠離移動來打開所述第二模具； 將所述第一外殼部件放入所述第二模具半部的一個的腔內； 提供定子組件和軸承組件； 將所述定子組件和所述軸承組件放入所述第二模具半部的另一個中； 通過將所述第二模具半部朝向彼此移動來閉合所述第二模具，以將所述第一外殼部件、所述定子組件和所述軸承組件精確地相對彼此地定位，并且在其間限定第二模制腔；將熱塑性材料注射入所述第二模制腔內，以將所述定子組件和所述軸承組件二次模制成型在所述第一外殼部件內； 通過使得所述第二模具半部彼此遠離移動來打開所述第二模具；以及 移除所述第一外殼部件以及所述二次模制成型的定子和軸承組件；由此制造出電動鼓風機組件的一部分。
10.根據權利要求9所述的方法，還包括如下附加步驟: 提供第二外殼部件；以及 將所述第二外殼部件連接至所述第一外殼部件，以提供具有在入口和出口之間延伸的氣流通道的電動鼓風機組件。
11.根據權利要求9所述的方法，其中所述第一外殼部件、所述定子組件和所述軸承組件被以約±0.0005英寸的精度地布置在所述第二模具中。
【文檔編號】H02K1/18GK104011977SQ201180073756
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2011年9月30日 優先權日:2011年9月30日
【發明者】J·M·卡利科, J·S·貝萬, D·R·邁科伊 申請人:莫戈公司