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Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe als Monoflügelzellenpumpe ausgebildet, umfassend einen Statorring mit Wicklungen, einen Rotor und einen Flügel, der einen zwischen einem Stator und dem Rotor gebildeten Arbeitsraum in Arbeitszellen mit unterschiedlichen Volumina unterteilt.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der Vakuumpumpe.
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Stand der Technik
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Um den erhöhten Anforderungen des Klimaschutzes gerecht zu werden, sehen sich die Automobilhersteller gezwungen, die CO2 Emissionen ihrer Fahrzeugflotten zu reduzieren und so den aufkommenden Normen zu entsprechen. Begleitend zu verschiedenen Maßnahmen sollen die Reibungswiderstände der Verbrennungskraftmaschine beispielsweise Wasser-, Öl- und Vakuumpumpen reduziert werden. Anstatt also einen mit dem Motor mitdrehenden Antrieb für Pumpen zu verwenden, sieht man elektrische Pumpen als Lösung an, die nur bei Bedarf zugeschaltet werden und im Ruhezustand keinerlei zusätzlichen Reibwiderstand aufweisen.
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Eine weitere Herausforderung stellt der Bauraum für eine solche elektrische Pumpe dar, da er den Bauraum für eine mechanische Pumpe nicht übersteigen sollte. Eine Lösung bieten hier Flügelzellenpumpen, die in einem Elektromotor integriert sind. Der Rotor des Elektromotors bildet mit dem Rotor der Pumpe eine Baueinheit und ist vom Stator des Elektromotors umgeben. Eine solche Pumpe ist aus der
WO2012007125 A2 bekannt. In diesem Stand der Technik wird eine mehrflügelige Pumpe trocken betrieben. Allerdings sind trocken betriebene Pumpen in ihrer Lebensdauer limitiert und ihre Pumpleistung sinkt über die Einsatzzeit ab. Zudem ist ihr Einsatz direkt am Verbrennungsmotor nicht optimal.
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Auch die Ausführungsform als Monoflügelzellenpumpen für den Einsatz als Vakuumpumpen ist aus der
WO2010025799 A2 bekannt. Monoflügelzellenpumpen sind durch ihre hohe Pumpeffizienz aktuell als Pumpentyp im Fahrzeug immer stärker im Einsatz.
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EP2219917B1 zeigt eine Vakuumpumpe, die mechanisch betrieben ist. Das Gehäuse der Pumpe im Stand der Technik besitzt ein Bauteil, das drehbar gelagert ist und von einem Riementrieb angetrieben wird. Gleichzeitig wird der Rotor in Drehung versetzt. Das Ziel dieser Anordnung ist es, eine höhere Drehzahl der Pumpe zu erreichen ohne einen hohen Verschleiß zu bewirken. Diese Pumpe kann als mechanische Pumpe keinen Magnetring mit Laufring aufweisen.
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WO2012007125A2 zeigt eine elektrische Pumpe, die aber keinen Laufring aufweist, sondern lediglich einen Haltering, um die Flügel zu führen.
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Vor einem Kaltstart eines Verbrennungsmotors ist die Vakuumpumpe mit Restöl gefüllt. Bei tiefen Temperaturen erhöht sich die Viskosität des Öls und die Pumpe muss bei dem Start des Fahrzeugs das zähflüssige Öl durch einen kleinen Auslass ausschieben. Daraus resultiert eine große Schubspannung in den Lagersitzen und Anlaufflächen, und es wird viel Drehmoment benötigt, um die Pumpe zu bewegen. Während bei mechanisch betriebenen Vakuumpumpen genügend Drehmoment von Verbrennungsmotor zur Verfügung steht, weisen elektrisch, nasslaufend die Vakuumpumpen wesentlich kleinere Drehmomente auf. Durch die Integration der elektrischen Vakuumpumpe in den elektrischen Motor sind die Dimensionen der Pumpe selbst wesentlich kleiner als bei einer mechanisch betriebenen Pumpe, was aber das Drehmoment des elektrischen Motors begrenzt. Im Allgemeinen steht nur ein Drehmoment von ein bis drei Newtonmeter für die eingesetzten kleinen elektrischen Motoren zur Verfügung. Die Leistungsklasse des eingesetzten Motors ist dabei von den Fahrzeugherstellern und durch die Spannung der Bordnetze limitiert.
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Während bei einer mechanischen Pumpe das Rotationssystem so robust ausgelegt ist, dass das notwendige Drehmoment beim Kaltstart zur Verfügung steht, ist das durch die Integration des Rotationssystems in das Innere des Elektromotors nicht möglich, aber auch nicht gewünscht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vakuumpumpe zu schaffen, die nasslaufend direkt am Verbrennungsmotor in einem kleinen Bauraum arbeitet und deren innere Reibung optimiert ist.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einer Vakuumpumpe als Monoflügelzellenpumpe ausgebildet, umfassend einen Statorring mit Wicklungen, einen Rotor und einen Flügel, der einen zwischen dem Stator und einem Rotor gebildeten Arbeitsraum in Arbeitszellen mit unterschiedlichen Volumina unterteilt, wobei innerhalb des Statorrings ein Magnetring mit Laufring mit Führungsschlitz, in dem ein im Wesentlichen plattenförmiger Flügel geführt ist, und der Rotor rotierend gelagert ist und der Laufring topfförmig ausgebildet ist, wobei der Laufring an seiner geschlossenen Seite einen Zapfen besitzt und an seiner offenen Seite eine Ringschulter aufweist. Der Flügel ist dabei aufgrund der Geometrie der Pumpe formschlüssig verbunden.
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Die topfförmige Ausgestaltung macht es möglich, dass der Laufring stark verringerte Reibflächen am Gehäuse aufweist, aber trotzdem optimal radial und axial gelagert ist.
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Vorteilhafterweise besitzt der Laufring an seiner geschlossenen Seite einen Zapfen. Über diesen Zapfen ist eine Lagerung und Führung des Laufrings gesichert darstellbar, ohne dass große Reibflächen entstehen.
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Zudem besitzt der Laufring an seiner offenen Seite eine Ringschulter. Dadurch hat nur die Ringschulter Kontakt mit dem Gehäuse und erzeugt Reibung. Durch Dimensionierung der Ringschulter kann einen Ausgleich zwischen unerwünschter Reibung und gewollter Führung hergestellt werden
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Es ist von Vorteil, dass die Flügelspitze des Flügels sich innerhalb eines im Laufring ausgebildeten Schmiegespalts zwischen den Begrenzungen des Schmiegespalts in einer Wischerbewegung hin und her bewegt. Durch eine solche Ausgestaltung ist der Aufbau des Laufrings im Prinzip kreisförmig und nur im Bereich des Schmiegespalts einer definierten Kontur folgend. Dadurch ist die Herstellung des Laufrings einfach.
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Es ist von Vorteil, dass erfindungsgemäß Zapfen und Laufring-Ringschulter die alleinigen Lagerungen des Laufrings darstellen.
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Es ist von Vorteil, dass die Vakuumpumpe in einem elektrischen, insbesondere BLDC Motor angeordnet ist und mit einer Flüssigschmierung und/oder Flüssigdichtung läuft. Dadurch hat man den Vorteil, dass die Vakuumpumpe baulich an verschiedenen Stellen, unabhängig von der Position der Nockenwelle wie z. B. im Stand der Technik am Verbrennungsmotor angebracht sein kann, gegebenenfalls in der Ölwanne des Verbrennungsmotors. Die Verwendung eines elektrischen Motors stellt einerseits eine Notwendigkeit dar, da nur ein solcher Motor in dem Luft/Öl Gemisch funktioniert, allerdings mit dem Vorteil, dass ein elektrischer Motor dezidiert anzusteuern ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Vakuumpumpe hat den Vorteil, dass die Drehung des Laufrings den Flügel mit dreht, wobei der Flügel den Rotor mitbewegt und eine Bewegung längs seiner Längsachse ausführt, und wobei der Flügel eine Wischerbewegung im Bereich des Schmiegespaltes durchführt.
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Es ist von Vorteil, dass sich der Flügel in Schmiegespalt in Drehrichtung schneller und gegen die Drehrichtung langsamer als der Laufring bewegt.
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Vorteilhafterweise ist die elektrische Vakuumpumpe mit einem einzelnen Flügel aufgebaut, was die Effizienz der Pumpe deutlich erhöht. Durch die Verwendung eines Laufrings, in dem der Flügel einseitig verbunden ist, ist dieser der drehende Teil, der Rotor wird dabei durch den Flügel mitgedreht.
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Es ist von Vorteil, wenn der Rotor nur ein Radiallager besitzt und so durch den Laufring und das Gehäuse der Pumpe axial gelagert ist.
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Beschreibung der Erfindung
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:
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1a und b zeigen einen Schnitt durch eine Vakuumpumpe im Stand der Technik,
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2 zeigt einen Schnitt durch eine Vakuumpumpe ohne erfinderische Lösung und
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3 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vakuumpumpe.
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Die in 1 gezeigte Flügelzellenpumpe umfasst einen zapfenförmigen Rotor 2 mit einer im Querschnitt kreisrunden äußeren Umfangsfläche. Der Rotor 2 ist umfänglich von einem im Schnitt ringförmigen Laufring 3 umgeben, der bezüglich einer Drehachse A zu einer Drehbewegung antreibbar ist. Die Drehachse A des Laufrings 3 ist bezüglich einer Zentralachse B des Rotors 2 versetzt, d. h. der Laufring 3 ist bezüglich des Rotors 2 exzentrisch angeordnet. An der im Querschnitt kreisrunden inneren Umfangsfläche des Laufrings 3 befindet sich ein Führungsschlitz 6. In dem Führungsschlitz 6 ist ein im Wesentlichen plattenförmiger Flügel 5 geführt. Der Flügel 5 ragt durch die Drehachse B des Rotors 2 beidseitig radial nach außen auf den Laufring 3 zu und ist in einer Führung 40 entlang seiner Längsachse beweglich gelagert. Die Flügelspitze 7 des Flügels, d. h. das freie Ende des Flügels 5, trägt eine Kappe 8, die an der äußeren Umfangsfläche des Laufrings 3 anliegt. Der Laufring 3 hat einen inneren Umfang 30, der im Wesentlichen kreisförmig ist und eine Ausnehmung aufweist, die einen Schmiegespalt 16 bildet. Der Schmiegespalt 16 weist eine rechte Begrenzung 15 und eine linke Begrenzung 15' auf. Der Laufring 3 kann also in seinem überwiegenden Teil kreisförmig sein und nur im Bereich, in dem der Flügel 5 sich bewegt, ist die Kontur einer Konchoide folgend ausgestaltet.
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Da die Flügelspitze 7 nicht fest mit dem Laufring 3 verbunden ist, käme es im Betrieb zu einem Leckstrom über die Flügelspitze 7. Daher ist die Kappe 8 auf der Flügelspitze 7 aufbracht. Die Kappe 8 besteht aus Stahl Aluminium oder Kunststoffmaterial, eventuell einem elastischen Kunststoffmaterial, und ist in einer Aussparung der Flügelspitze 7 radial beweglich angeordnet. In 2 wird im Querschnitt deutlich, dass die Kappe 8 über zahnartige Aussparungen im Flügel 5 gehalten ist. Man erkennt auch, dass die Kappe 8 im Betrieb radial nach außen versetzt ist und sich so ein Spalt bildet. In der Drehbewegung wird die Kappe 8 eventuell nach außen gedrückt und liegt vorzugsweise satt an der Innenwand des Laufrings 3 an. Gegebenenfalls kann die Kappe 8 auch noch mit einer Feder vorgespannt sein. Durch den dichtenden Kontakt der Kappe 8 mit dem Innern des Laufrings wird die eigentliche Arbeitszelle gebildet. Um den Leckstrom weiter zu minimieren wird die Flügelspitze 7 nur zwischen den rechten und linken Begrenzungen 15, 15' des Schmiegespalts 16 bewegt. Zwischen dem Rotor 2 und dem Laufring 3 ist ein Arbeitsraum 19 der Pumpe gebildet, der in Kammern oder Zellen unterteilt ist. Dieser ist durch den Flügel 5 in einen Auslasssraum 23 und einen Ansaugraum 22 vom maximalem Arbeitsraum 24 abgeteilt (1a). Während der Drehbewegung des Laufrings 3 entlang einer Drehrichtung C ändert sich aufgrund der exzentrischen Anordnung des Laufrings 4 und des Rotors 2 relativ zueinander die radiale Ausdehnung des jeweiligen Arbeitsraums 19, so dass während der Drehbewegung des Laufrings das Volumen des Arbeitsraums 24 variiert. Hierdurch wird ein Luft/Fluidgemisch, im allgemeinen eine Luft/Öl-Mischung, durch einen Einlass 13 angesaugt, nachfolgend komprimiert und schließlich durch einen Auslass 14 aus dem Auslassraum 23 der Pumpe wieder ausgestoßen. Die Kappe 8 mit dem Flügel 5 führt eine Wischerbewegung im Bereich des Schmiegespaltes 16 aus, während sich der Laufring 3 dreht. Es bleibt bei dieser Ausgestaltung das Problem, dass zusätzlich zum Arbeitsvolumen ein Totvolumen bewegt wird, das nicht gänzlich entleert werden kann. Das Totvolumen 20 wird vom Auslass zum Einlass transportiert.
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Der Antrieb des Rotors 2 und des Laufrings 3 zu der genannten Drehbewegung erfolgt bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel mittels eines Statorrings mit Wicklungen 18 zusammen mit dem Magnetring 4, der als ein bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet ist. Der Rotor des Elektromotors ist hierbei durch den Rotor plus Laufring 3 der Pumpe gebildet. Zu diesem Zweck umfasst der Laufring 3 eine Anordnung von mehreren Permanentmagneten mit alternierender Polrichtung. Der Magnetring 4 ist dabei mit dem Laufring 3 verpresst, wobei auch eine einteilige Ausgestaltung möglich ist. Ein Statorring mit Wicklungen 18 umgibt den Magnetring 4/Laufring 3 des Elektromotors radial außen und wird mittels einer nicht näher dargestellten Steuereinrichtung in geeigneter Weise angesteuert, um den Magnetring 4/Laufring 3 zu einer Drehbewegung mit einer vorzugsweise konstanten Drehgeschwindigkeit anzutreiben. Dazu werden die Wicklungen des Elektromotor-Stators nach Art eines bürstenlosen Gleichstrommotors angesteuert, d. h. sie werden in Umfangsrichtung nacheinander bestromt. Der Elektromotor besitzt somit einen vorteilhaft kompakten Aufbau und kann innerhalb eines Pumpengehäuses 17 angeordnet sein.
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In 2 ist einen Schnitt durch die bekannte Pumpe zu sehen.
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Um den Rotor 2 drehbar gelagert ist ein Flügel 5 zu erkennen. Der Flügel 5 weist zahnförmige Ausnehmung, in dem die Kappe 8 eingreift. Die Kappe 8 liegt am Laufring 3 ein. Direkt am Laufring 3 angebracht befindet sich der Magnetring 4. Der Rotor 2 ist im Pumpengehäuse 17 entlang der Achse B gelagert. Der Laufring 3 sowie die Flügel 5 mit den Kappen 8 reiben an unterschiedlichen Stellen am Gehäuse. An den unterschiedlichen Positionen a, b, c, d, e entsteht Reibung. Im Allgemeinen gilt, je größer die Reibfläche und der Reibradius ist, desto größer ist das aufzubringende Drehmoment. Wenn das Drehmoment steigt, bleibt der Elektromotor stehen, der zu wenig Drehmoment liefert. Verringert man nun einfach nur die Reibfläche beispielsweise nur die axiale oder nur die radiale Reibfläche, besteht die Gefahr, dass der Rotor mit Laufring nicht genügend in axialer oder radiale Richtung geführt ist. Das wiederum führt dazu, dass der Rotor um die Drehachse verkippt und somit eine Leckage zwischen Ansaugkammer und Auslasskammer entsteht. Folglich würde damit die Saugleistung der Pumpe abnehmen und der Verschleiß vergrößert werden.
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3 zeigt die erfindungsgemäße Lösung mit einem topfartig gestalteten Laufring 3. Der Laufring 3 weist eine Ringschulter 53 auf, die im Gehäuse 17 geführt ist. Zudem besitzt er an seinem geschlossenen Ende einen Zapfen 52, der in eine Ausnehmung eines Deckels 54 eingreift. Zwischen dem geschlossenen Bereich des topfförmigen Laufrings 3 und dem Deckel 54 ist ein Spalt 51, indem der Laufring keinen Kontakt mit einem Gehäuseteil besitzt. Der Laufring 3 ist somit in einem Lager 50 gelagert und wird mit seiner Ringschulter 53 im Gehäuse abgestützt.
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Mit einer solchen Ausgestaltung ist eine Reduzierung der Reibflächen sowohl axial als auch radial möglich. Der topfförmige Laufring ist gleichzeitig als Radiallager im Bereich g und als Axiallager im Bereich f aufgebaut. Das kritische Radiallager wandert somit mit seiner Achse A aus dem Rotor in Richtung des Laufrings. Die Rotorachse B im Bereich e' weist somit einen Abstand von der Achse A des Laufrings auf. Dadurch werden auch Momente auf den Zapfen 52 des Laufrings reduziert. Durch diesen Aufbau besitzt der Rotor nur noch ein Radiallager im Bereich e' und wird über dem Laufring 3 und das Gehäuse 17 axial gelagert. Der Deckel 54, der das Gehäuse 17 verschließt, muss weniger genau positioniert werden, da der Zapfen 52 einen Teil des Laufrings 3 darstellt. Der Deckel 54 muss lediglich eine Aussparung für den Zapfen 52 enthalten und kann daher ohne Aufwand hergestellt werden. Auch die Montage des Deckels 54 wird durch die erfindungsgemäße Anordnung vereinfacht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vakuumpumpe
- 2
- Rotor
- 3
- Laufring
- 4
- Magnetring
- 5
- Flügel
- 6
- Führungsschlitz im Rotor
- 7
- Flügelspitze
- 8
- Kappe
- 13
- Einlass
- 14
- Auslass
- 15 15'
- Begrenzungen Schmiegespalt
- 16
- Schmiegespalt
- 17
- Pumpengehäuse
- 18
- Statorring mit Wicklung
- 19
- Arbeitsraum
- 20
- Totvolumen
- 22
- Ansaugraum
- 23
- Auslassraum
- 24
- max. Arbeitsraum
- 30
- Innerer Umfang
- 40
- Führung
- a, b, c, d, e, f, g
- Reibflächen
- 50
- Lager
- 51
- Spalt
- 52
- Zapfen
- 53
- Ringschulter
- 54
- Deckel
- 55
- Radiallager
- A, B
- Achsen
- C
- Drehrichtung
