DE102004047635A1

DE102004047635A1 - Elektrisch betriebene Pumpe mit Innenrotor

Info

Publication number: DE102004047635A1
Application number: DE200410047635
Authority: DE
Inventors: Dieter Schulz
Original assignee: Webasto SE
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-10-01
Also published as: DE102004047635B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrisch betriebene Pumpe zum Fördern eines Fluids, mit einem Gehäuse (5), das einen fluidführenden Bereich von einem nicht fluidführenden Bereich trennt, wobei in dem fluidführenden Bereich ein Innenrotor (2) angeordnet ist und in dem nicht fluidführenden Bereich ein Stator (8) angeordnet ist und ein Pumpenlaufrad (15) direkt mit dem Innenrotor (2) verbunden ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Pumpenlaufrad (15) nicht separat gelagert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrisch betriebene Pumpe zum Fördern eines Fluids, mit einem Gehäuse, das einen fluidführenden Bereich von einem nicht fluidführenden Bereich trennt, wobei in dem fluidführenden Bereich ein Innenrotor angeordnet ist und in dem nicht fluidführenden Bereich ein Stator angeordnet ist und ein Pumpenlaufrad direkt mit dem Innenrotor verbunden ist.

Umwälzpumpen für Flüssigkeiten, die unter anderem für Heizungen und insbesondere für Fahrzeugheizungen eingesetzt werden, weisen einen elektrischen Motor auf, der über seine Antriebswelle ein Pumpenlaufrad antreibt. Das Pumpenlaufrad rotiert in einem abgedichteten Pumpengehäuse. Somit wird elektromagnetische Antriebsleistung in hydrodynamische Leistung umgewandelt.

Es sind Umwälzpumpen unterschiedlicher Bauart bekannt. Bei einer typischen Ausführungsform dichtet eine im Pumpengehäuse flüssigkeitsdicht eingesetzte Gleitringdichtung einen fluidführenden Bereich gegen einen nicht fluidführenden Bereich ab, wobei das Pumpenlaufwerk im fluidführenden Bereich und die Antriebsmaschine im nicht fluidführenden Bereich liegt. Die Antriebsmaschine kann ein AC- oder ein 3-AC-Motor sein. Insbesondere auf dem Fahrzeugsektor werden DC- oder EC-Motoren verwendet. Gleitringdichtungen sind nicht vollständig hermetisch dichtende und dem Verschleiß unterliegende Elemente, so dass Leckagen nach einem Zeitraster auftreten.

Um die mit der Leckage verbundenen Probleme zu überwinden, ist es bekannt, die Kopplung zwischen Antriebsmaschine und Pumpenlaufrad durch eine Magnetkupplung zu realisieren. Eine Gleitringdichtung ist dann nicht mehr erforderlich. Diese Systeme umfassen einen permanentmagnetischen Innenrotor mit Pumpenlaufrad, der in einem hermetisch dichten topfförmigen Gehäuse rotieren kann. An dem Gehäuse ist die Pumpenkappe abdichtend montiert. Eine Rotation findet dann statt, wenn ein permanentmagnetischer Außenrotor, der mit der Antriebswelle des Motors verbunden ist und das topfförmige Gehäuse umschließt, durch die Antriebsmaschine angetrieben wird. Durch die permanentmagnetische Kopplung von Innen- und Außenrotor durch eine zwischen den beiden Rotoren liegende nicht magnetische rohrförmige Trennwand wird eine schlupffreie Übertragung der Motordrehzahl auf das Pumpen system erreicht. Diese Systeme sind leckagefrei und weitestgehend verschleißsicher.

Eine andere bekannte Ausführungsform wird als Spalt- oder Nassläufer bezeichnet. Hier wird ein Innenrotor durch den ihn erregenden Stator angetrieben. Mit der Welle des Rotors ist das Pumpenlaufrad starr gekoppelt, wobei der Rotor mit seinen Lagerstellen selbst in dem zu fördernden Medium dreht und zum Stator hin hermetisch durch ein Spaltrohr und ringförmige Dichtelemente abgedichtet ist. Zwischen dem Pumpenlaufrad und dem Innenrotor befindet sich mindestens eine Lagerstelle für den Innenrotor. Bei entsprechender Lager- und Spaltrohrgestaltung ist auch ein solcher Nassläufer weitestgehend leckage- und verschleißfest. Ein Beispiel für eine Pumpe mit Axialspaltlager ist in der DE 199 21 365 A1 angegeben.

Bei den bekannten Lösungen sind mehrere Nachteile zu verzeichnen. Diese hängen insbesondere mit den erwähnten Leckagen, der großen axialen Baulänge der Pumpen sowie den erforderlichen Dichtungen und Lagerstellen, insbesondere zwischen dem Pumpenlaufrad und dem Rotor, zusammen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pumpe zu schaffen, die einfach aufgebaut ist, eine geringe axiale Länge aufweist und nicht zu Problemen im Hinblick auf Leckagen führen kann.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung baut auf der gattungsgemäßen Pumpe dadurch auf, dass das Pumpenlaufrad nicht separat gelagert ist. Auf dieser Grundlage kann ein kompakter Nassläufer in Spaltrohrtechnik zur Verfügung gestellt werden. Der rotierende Teil des Antriebsmotors, das heißt der Innenrotor, geht direkt in das Pumpenlaufrad über, und es sind keine zusätzlichen Lagerstellen beziehungsweise Dichtelemente zwischen Rotor und Pumpenlaufrad erforderlich. Insbesondere ist es nicht erforderlich, das Pumpenlaufrad gesondert auf einer Rotationsachse zu lagern.

Die Erfindung ist in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass das Pumpenlaufrad und der Innenrotor einstückig ausgebildet sind. Neben einer lösbaren direkten Verbindung zwischen Pumpenlaufrad und Innenrotor besteht also auch die Möglichkeit einer einstückigen Ausführung, um so die direkte Verbindung zwischen Pumpenlaufrad und Innenrotor zu realisieren.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Innenrotor auf einer Achse gelagert ist, die auf einer dem Pumpenlaufrad abgewandten Seite des Innenrotors an dem Gehäuse fixiert ist und zur weiteren Befestigung an ihrer anderen Seite berührungsfrei durch das Pumpenlaufrad hindurchtritt. Das Gehäuse, welches der Trennung von fluidführendem Bereich und nicht fluidführendem Bereich dient, erfüllt somit weiterhin den Zweck, die Achse der Einrichtung zu fixieren. Der wei tere Fixierungspunkt der Achse beziehungsweise eines mit der Achse in Verbindung stehenden Zapfens liegt auf der dem Innenrotor abgewandten Außenseite des Pumpenlaufrades, wobei die Achse beziehungsweise der Zapfen insbesondere berührungsfrei durch das Pumpenlaufrad hindurchtreten. Es ist nicht erforderlich, das Pumpenlaufrad separat auf der Achse zu lagern.

Es kann vorgesehen sein, dass das Pumpengehäuse im Wesentlichen aus Kunststoff besteht. Derartige Kunststoffgehäuse können in einfacher Weise durch Spritzgusstechnik gefertigt werden, und sie ermöglichen den Durchtritt des Magnetfeldes, so dass der auf der einen Seite des Gehäuses liegende Stator mit dem auf der anderen Seite des Gehäuses liegenden Innenrotor kommunizieren kann.

Ebenso ist es möglich, dass das Pumpengehäuse im Wesentlichen aus einer Aluminium enthaltenden Legierung besteht. Derartige Aluminiumgehäuse können durch Druckgussverfahren gefertigt werden.

Gleichermaßen kann vorgesehen sein, dass das Pumpengehäuse im wesentlichen aus einer Zink enthaltenden Legierung besteht.

Gemäß besonders bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Pumpe ist vorgesehen, dass das Pumpengehäuse Träger weiterer Baugruppen ist. Bei diesen weiteren Baugruppen kann es sich beispielsweise um Elektronikplatinen oder sonstige Gehäuseelemente handeln.

Nützlicherweise ist vorgesehen, dass das Pumpengehäuse formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem Stator verbunden ist. Hierdurch kann auf weitere Elemente zur Befestigung des Gehäuses auf dem Stator verzichtet werden. Gleichzeitig wird das Gehäuse durch den Stator zusätzlich stabilisiert, so dass insgesamt ein besonders stabiler Pumpenaufbau zur Verfügung gestellt werden kann.

Es ist bevorzugt, dass ein Ventilator zur Wärmeabführung vorgesehen ist und dass eine an der Achse fixierte Befestigungseinrichtung ein Lager für den Ventilator zur Verfügung stellt. Der Ventilator kann insbesondere im Bereich einer Ansteuerelektronik und im Bereich der freien Seite der Statorwicklungen für eine forcierte Wärmeabführung bei extremer Belastung sorgen. Er kann durch das Prinzip der Stirndrehkupplung in Rotation versetzt werden. In einem solchen Anwendungsfall wird der Innenrotor mit zusätzlichen Permanentmagnetsegmenten bestückt. Je nach Größe der Leistung für die erforderliche Belüftung trägt auch der Ventilator Magnetsegmente zur magnetischen Kopplung mit dem Innenrotor. In kleinen Ausführungsformen genügt eine Gestaltung des Ventilators aus ferromagnetischem Material oder als magnetisches Kunststoffspritzteil.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass auf der Grundlage der direkten Verbindung von Pumpenlaufrad und Innenrotor ein in axialer Richtung kompakter Pumpenaufbau erzielt werden kann, der stabil ist, keine Probleme im Hinblick auf Leckagen zeigt und konstruktiv einfache Möglichkeiten zum Lagern der sich bewegenden Elemente bietet.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitende Zeichnung anhand einer besonders bevorzugten Ausführungsform beispielhaft erläutert.
Es zeigt:
1 eine Schnittdarstellung einer besonders bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Pumpe.
Die dargestellte Pumpe umfasst einen Stator 8. Ein solcher Stator kann beispielsweise eine 1- bis 3-strängige Erregerwicklung 1 aufweisen, die 2- bis mehrpolig ausgeführt sein kann. Der Stator umfasst weiterhin ein Statorblechpaket 7 mit einem Innendurchmesser 4. Das Blechpaket 7 ist in seiner axialen Tiefe mit einem vorzugsweise durch ein Kunststoffspritzgießverfahren hergestellten Gehäuse 5 von topfähnlicher Kontur flüssigkeitsdicht umgeben. Der Boden 6 des Gehäuses 5 reicht mindestens bis an das in der Figur rechts dargestellte axiale Ende des Blechpaketes 7, und es trägt rotationszentrisch eine fest und flüssigkeitsdicht eingebundene Achse 11 mit einem Zapfen 12. Auf der Achse ist über ein Lager ein Innenrotor 2 angeordnet, der von dem Stator 8 um die Achse 11 in Rotation versetzt werden kann. Die Achse 11 kann ein in axiale Richtung verlaufendes Gleitlager 13 aufweisen, das beispielsweise in Oxidkeramik realisiert ist. Ebenfalls ist es möglich, dass die Achse als Element zur Aufnahme von Kugellagern dient. Ein solches Kugellager sollte korrosionsfest und schmierungsfrei sein.
Die topfähnliche Kontur des Gehäuses 5 geht auf der dem Boden 6 gegenüberliegenden axialen Seite des Stators 8 in einen radial nach außen gerichteten flanschähnlichen Kragen 9 über. Der sich in axiale Richtung erstreckende Bereich zwischen Boden 6 und Kragen 9 liegt an dem zylindrischen Innendurchmesser des Stators 8 eng an einer dünnen Haut an. Er verläuft über Stoßzähne und Nuten und hält damit einen Luftspalt zu dem Innenrotor 2 gering. Durch den möglichst geringen Luftspalt 14 wird der Wirkungsgrad des Motors begünstigt. An dem Kragen 9 des Topfes ist eine nach oben gestellte Randkante 10 zur Aufnahme des Pumpendeckels 16 vorgesehen. Der Pumpendeckel 16 weist einen Ansaugstutzen 34 und einen Druckstutzen 35 auf. Der Pumpendeckel 16 wird an der Randkante 10 fest verschraubt oder durch Rasttechnik befestigt. Mittels einer Dichtung 32 an der Randkante 10, die dem Konturverlauf des Pumpendeckels 16 gleicht, wird die Verbindung abgedichtet. Durch die beschriebene und in der Figur im Schnitt erkennbare Struktur des Gehäuses zeigt dieses einen mäanderförmigen Verlauf. Durch diese Bauform werden einerseits der Stator 8 und die Wicklung 1 flüssigkeitsdicht abgeschottet. Durch die mäanderförmige Gestaltung entsteht ein kompaktes, axial sehr kurzes Gehäuse, das den elektromotorischen Teil aufnimmt, und gleichzeitig Trennwand zum fluidführenden Pumpenteil ist. Durch die dargestellte Ausführung des Pumpengehäuses 5, das insbesondere durch Spritzgusstechnik hergestellt ist, mit der radialen Ausdehnung des flanschähnlichen Kragens 9 bis an den äußeren Durchmesser des Statorblechpaketes 7 beziehungsweise mit einer Umklammerung 17 des Paketes wird gleichzeitig eine zusätzliche Arretierung des Pumpengehäuses 5 vorgenom men. Somit ist es möglich, ohne weitere Schraubverbindungen den Festsitz des Pumpengehäuses 5 am Stator 8 zu erreichen.
Der Innenrotor 2 kann als korrosionsfest gestalteter Kurzschlussläufer oder als Dauermagnetläufer realisiert sein, wobei er durch die Erregung des Stators 8 in Rotation versetzt und vom Fördermedium umströmt wird. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Innenrotor 2 eine oxidkeramische Gleitlagerbuchse 30 als Gegenstück zu dem auf der Achse 11 angeordneten oxidkeramischen Lager 13 untergebracht. Ebenfalls ist es möglich, dass eine Bohrung zur Aufnahme von Kugellagern für die Gestaltung der Lagerstelle vorhanden ist.
Der an der Achse 11 angeordnete Zapfen 12 taucht ausgehend von dem Pumpengehäuse 5 berührungsfrei durch den Innenrotor 2 und das daran angebaute Pumpenlaufrad 15 hindurch. Der Zapfen 12 ist an der dem Innenrotor 2 abgewandten Seite des Pumpenlaufrades 15 mittels Sicherungselementen 31 befestigt. Diese umfassen insbesondere eine Gleitscheibe zur axialen Arretierung der Anordnung.
Auf der dem Innenrotor 2 abgewandten Seite des Pumpengehäuses 5 sind Befestigungseinrichtungen 18 für weitere Bauelemente vorgesehen. Beispielsweise kann hier die Befestigung, Zentrierung und Unterbringung der Leiterplatte 19 für die Ansteuerelektronik 20 bei EC-Motoren erfolgen. Die freie, an dieser Seite nicht abgedeckte Wicklung mit Schaltausgängen 21 lässt sich durch Steckkontaktierung 33 an die Ansteuerelektronik heranführen. Alternativ können die Schaltausgänge direkt an einen Klemmkasten 22 für den elektri schen Anschluss von außen überführt werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit der Befestigung einer Schutzkappe 23. Diese schützt die Ansteuerelektronik gegen mechanische Beschädigung, und sie umschließt fest den Außendurchmesser des Stators 8. Bei einer entsprechenden Gestaltung kann in der Schutzkappe 23 auch eine bereits vormontierte Ansteuerelektronik untergebracht sein, die dann durch die Steckkontaktierung 33 am Wicklungsträger mit der Wicklung elektrisch verbunden wird. Die Schutzkappe 23 kann aus einem gut wärmeleitenden Material bestehen und an den Durchmesser des äußeren Pumpengehäuse anschließen. Dies kann der verbesserten Wärmeabführung während des Betriebs dienen. Weiterhin können Rippen 24 an der Außenseite der Kappe 23 zur besseren Wärmeabführung vorgesehen sein. Die Kappe 23 ist mittels einer zentrischen Schraube 25 in die Achse 11 eingeschraubt und hierüber fest mit dem Pumpengehäuse 5 verbunden. Mit der zentrischen Befestigung der Schutzkappe 23 mittels einer Schraube 25 in die Achse 11 kann gleichzeitig eine Lagerstelle 26 für einen Ventilator 27 hergestellt werden. Dieser Ventilator sorgt im Bauraum um die Ansteuerelektronik und an der freien Seite der Wicklung für eine forcierte Wärmeabführung bei extremer Belastung. Er wird durch das Prinzip der Stirndrehkupplung in Rotation versetzt. In einem solchen Anwendungsfall ist der Innenrotor 2 mit zusätzlichen Permanentmagnetsegmenten 28 bestückt. Je nach Größe der Leistung für die erforderliche Ventilation trägt auch der Ventilator 27 Magnetsegmente 29 zur magnetischen Kopplung mit dem Innenrotor 2. In kleineren Ausführungen genügt eine Gestaltung des Ventilators aus ferromagnetischem Material oder als magnetisches Kunststoffspritzteil.
Bei einer präzisen Ausformung des Pumpengehäuses 5, insbesondere im Hinblick auf die Kontur, die über den Innendurchmesser des Stators 8 ragt, ist eine separate Vorfertigung des Pumpengehäuses 5 sowohl im Kunststoffspritzgussverfahren als auch, im Falle einer Fertigung aus beispielsweise Aluminium oder Zink, im Druckgussverfahren möglich, um dieses dann über den Innendurchmesser des Stators 8 zu pressen. Rastungen im Pumpengehäuse 5 ermöglichen ohne zusätzliche Schraubverbindungen eine feste Verbindung an den Stator 8.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

1: Erregerwicklung
2: Innenrotor
4: Innendurchmesser
5: Pumpengehäuse
6: Boden
7: Statorblechpaket
8: Stator
9: Kragen
10: Randkante
11: Achse
12: Zapfen
13: Gleitlager
14: Luftspalt
15: Pumpenlaufrad
16: Pumpendeckel
17: Umklammerung
18: Befestigungseinrichtung
19: Leiterplatte
20: Ansteuerelektronik
21: Schaltausgänge
22: Klemmkasten
23: Schutzkappe
24: Rippen
25: Befestigungseinrichtung/Schraube
26: Lagerstelle
27: Ventilator
28: Permanentmagnetsegmente
29: Magnetsegmente
30: Gleitlagerbuchse
31: Sicherungselemente
32: Dichtung
33: Steckkontaktierung
34: Ansaugstutzen
35: Druckstutzen

Claims

Elektrisch betriebene Pumpe zum Fördern eines Fluids, mit einem Gehäuse (5), das einen fluidführenden Bereich von einem nicht fluidführenden Bereich trennt, wobei in dem fluidführenden Bereich ein Innenrotor (2) angeordnet ist und in dem nicht fluidführenden Bereich ein Stator (8) angeordnet ist und ein Pumpenlaufrad (15) direkt mit dem Innenrotor (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenlaufrad (15) nicht separat gelagert ist.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenlaufrad (15) und der Innenrotor (2) einstückig ausgebildet sind.
Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenrotor (2) auf einer Achse (11) gelagert ist, die auf einer dem Pumpenlaufrad (15) abgewandten Seite des Innenrotors (2) an dem Gehäuse (5) fixiert ist und zur weiteren Befestigung an ihrer anderen Seite berührungsfrei durch das Pumpenlaufrad (15) hindurchtritt.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (5) im Wesentlichen aus Kunststoff besteht.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (5) im Wesentlichen aus einer Aluminium enthaltenden Legierung besteht.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (5) im Wesentlichen aus einer Zink enthaltenden Legierung besteht.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (5) Träger weiterer Baugruppen ist.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (5) formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem Stator (8) verbunden ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilator (27) zur Wärmeabführung vorgesehen ist und dass eine an der Achse (11) fixierte Befestigungseinrichtung (25) ein Lager für den Ventilator (27) zur Verfügung stellt.