PPS RYTON R-7-03

PPS材料的應用于電子水泵
一、 電子水泵結構及工作原理

發動機溫度過高會使機油潤滑能力下降，導致機件磨損加劇，溫度高到一定值會導致發動機拉缸或燒瓦等嚴重故障出現，最終導致發動機燒毀報廢。

水泵是汽車發動機冷卻系統的重要組成部件，主要作用是負責驅動冷卻液循環，吸收發動機多余的熱量并通過散熱裝置傳遞到外部空氣中，避免發動機溫度過高。

水泵分為傳統機械水泵和電子水泵兩種。傳統發動機一般使用的是機械水泵，是通過皮帶輪帶動水泵軸承及葉輪轉動，水泵中的冷卻液被葉輪帶動一起旋轉，在離心力的作用下被甩向水泵殼體的邊緣，同時產生一定的壓力，然后從出水道或水管流出。葉輪的中心處由于冷卻液被甩出而壓力降低，水箱中的冷卻液在水泵進口與葉輪中心的壓差作用下經水管被吸入葉輪中，實現冷卻液的往復循環。

傳統機械水泵是基于發動機轉速而工作的，這也就導致了即使在對流量需求不高的冷啟動和低負荷高轉速工況下仍然需要很大功率來驅動，在此時提供的冷卻能力遠大于發動機實際需求，而且需要很大功率來驅動，就會造成發動機的動力性能和經濟性的下降。

電子水泵工作原理如下：ECU（電子控制單元）根據水溫等反饋信號，通過PWM（脈沖寬度調制）調節占空比的大小，并把信號傳到電子水泵內部的控制器，控制器根據占空比大小控制電機轉動，從而驅動葉輪轉子旋轉，進而實現冷卻液循環。

電子水泵

電子水泵可以根據冷卻裝置對冷卻液的需求來精確控制流量。隨著科技的發展及對燃油效率的高要求，電子水泵的應用越來越多，目前市場上混動及新能源發動機都開始使用電子水泵。

電子水泵由泵殼、葉輪、密封圈、電機殼、電器插頭、電機總成、軸承、轉子、控制器、控制器座、后蓋、固定螺栓等組成，如圖所示。

電子水泵結構圖

ECU根據水溫等反饋信號，通過PWM調節占空比的大小，控制器通過電氣插頭連接線束，然后根據占空比大小控制電機驅動葉輪和轉子，進而實現冷卻液循環，確保對冷卻液流量的精確控制；密封圈是保證泵殼和電機殼、控制器座和后蓋之間的密封性；泵殼、電機殼、后蓋是將電子水泵的內部元件密封在一個無塵環境，確保電子水泵工作可靠性，如圖所示。

電子水泵工作原理

二、電子水泵的特點

1）提供適時適量冷卻能力，耗能低、效率高，根據水溫等信息實現對冷卻液流量的精確控制，減少冷卻液流動距離并實現水泵排量降低60%左右。

2）減少摩擦，電子水泵采用電力驅動，相比機械水泵采用附件皮帶驅動，減少了摩擦功，NEDC（新歐洲駕駛周期，是歐洲的續航測試標準）循環可實現油耗降低2%左右。

3）加速暖機，對于混合動力的發動機，由于啟停頻繁，需要較快的暖機速度，電子水泵由于排量可實時控制，因此在冷啟動時降低冷卻液流量可達到加速暖機、降低油耗和排放的效果。

4）使用壽命更長，連續工作時間在2萬小時以上。

5）漏水風險大大降低，機械水泵的葉輪是采用過盈配合壓裝在水泵軸承上的，而電子水泵的集成式磁力葉輪是由安裝在水泵殼體的磁芯驅動的，這樣可實現水腔和外部的分離，可去除水封，也就降低了摩擦損失和漏水的風險。

6）控制方式靈活（PWM、總線）。

7）多重工作保護（過溫、過壓、過流等）。

三、電子水泵失效模式及失效原因

1）水溫異常升高，電子水泵性能降低。性能降低可能發生有兩種原因：

①葉輪組件與空心軸過盈設計過小，導致葉輪與空心軸連接不可靠，葉輪打滑，從而造成葉輪轉速不達標，水泵性能降低；
②鑲嵌件防轉結構設計不合理，導致鑲嵌件與注塑葉輪出現打滑，從而造成葉輪轉速不達標，水泵性能降低。

2）電子水泵轉速時有時無，最終降為零，停止工作。導致水泵不工作的原因總結有以下5點：

①芯片或電子器件失效，銅箔厚度不滿足設計要求，導致溫度升高時銅箔燒斷；
②防水透氣閥密封圈材料選擇不合理，在極限環境下老化，導致氣密性不合格，水汽進入干區，水泵短路，水泵停止工作；
③控制器簧片與漆包線焊接面積設計不合理，接觸段強度不夠，導致簧片與漆包線斷裂，水泵無法工作；
④控制器處的電容之間或者電容和支架之間未涂膠固定，導致電容只依靠針腳與簧片之間的焊接支撐，在振動情況下，電容整體晃動，使針腳受循環負荷引起疲勞斷裂，導致水泵轉速降為零；
⑤散熱膠選擇不合理，導致散熱膠膨脹產生大量空洞，使PCB（印刷線路板）無法正常散熱，導致過溫失效。

四、PPS材料在電子水泵中的應用

電子水泵由泵殼、葉輪、密封圈、電機殼、電器插頭、電機總成、軸承、轉子、控制器、控制座、后蓋、固定螺栓等組成。

電子水泵組成

電子水泵性能好壞除了優秀的結構設計，選擇合適的材料也是至關重要，直接影響到電子水泵是否能正常運作。

電子水泵中的部件常用聚苯硫醚PPS材料，它是的特種工程塑料，具有耐高溫、尺寸穩定不易變形、電氣性能、耐化學性腐蝕、阻燃UL94V-O級、電絕緣性能優、耐水解等綜合性能，同時改性后的PPS具有高流動性、高韌性、高耐磨、高強度、耐冷凍液、高CTI、低介電等多種特性，確保了電子水泵工作的可靠性。

水泵外殼要求與金屬結合力強，耐防凍液，強度高，熔接線強度高（避免產品存放開裂），耐水解，采用PPS料可滿足其材料要求，注塑一體成型，易加工，且結構穩定性強不易變形。電機殼采用高韌PPS料，可達到高功率漏氣開裂改良的效果。

水泵葉輪采用PPS注塑加工成型，其特點是強度高，阻燃耐高溫，高韌性，尺寸穩定，使用壽命長等。

水泵轉子采用PPS注塑加工成型，具有高耐磨、高強度等特點。

綜上：

1）電子水泵相比于機械水泵精度高、耗能低。
2）電子水泵可實現精確控制冷卻液流量，減少冷卻液流動距離并實現水泵排量降低60%左右，從而提升效率。
3）電子水泵水溫異常升高，性能降低或停止工作有多種原因，可針對性處理。
4）聚苯硫醚PPS材料性能優異，可滿足電子水泵多方面性能要求，在電子水泵中應用廣泛。

行業資訊：

特種工程塑料品種眾多，主要包括聚苯硫醚（PPS），液晶聚合物（LCP），聚醚醚酮（PEEK），聚酰亞胺（PI），聚砜(PSF），聚芳酯（PAR），含氟聚合物（PTFE、PVDF、PCTFE、PFA）等。其中聚苯硫醚PPS是其中市場消費量最大、國產化率最高的一種。

聚苯硫醚（Polyphenylene sulfide，PPS）是分子鏈中帶有苯硫基的高性能熱塑性樹脂，在常溫下通常呈粉末狀或顆粒狀。

聚苯硫醚PPS是聚芳硫醚中最重要、最常見的樹脂品種之一。PPS 有十分優異的熱性能、電性能、耐化學性能、耐輻射、阻燃等性能。PPS 的發展成熟、性價比高，是綜合性能優異的熱塑性特種工程塑料，常作為結構性高分子材料使用。

從下游應用看，PPS除了應用在電子、燃油車、航空航天、精密器械等傳統領域，隨著新能源汽車、5G通信、高壓連接器、消費電子、半導體、醫療、能源等行業的快速發展，PPS的應用也不斷擴展。比如，受益于新能源汽車的發展，PPS作為金屬材料的替代品，廣泛應用于新能源汽車HVAC系統、控制系統、傳感器、發電機和驅動電機組件以及電池組件等。據報道，傳統汽車上的PPS用量為700g/車，而在新能源汽車上PPS用量達到2500g/車。

從中游改性和加工看，PPS往往需要進行玻纖/碳纖增強、增韌、礦物填充、抗靜電、潤滑、染色、耐磨、共混合金等改性，以進一步增強其應用價值。其加工及后加工方式包括共混改性、注塑成型、擠出成膜、浸漬復合、棒材型材、機械加工等，其中會使用到各種助劑、加工設備等。從上游聚合看，PPS聚合具有較高的技術門檻，除了吳羽、東麗、DIC、索爾維等傳統國際企業，國內產能目前主要集中在新和成、濱陽燃化、重慶聚獅等少數企業。