DE102018105732A1

DE102018105732A1 - Baukastensystem eines axial integrierten Pumpenaufbaus

Info

Publication number: DE102018105732A1
Application number: DE102018105732.6A
Authority: DE
Inventors: Conrad Nickel; Franz Pawellek
Original assignee: Nidec GPM GmbH
Current assignee: Nidec GPM GmbH
Priority date: 2018-03-13
Filing date: 2018-03-13
Publication date: 2019-09-19
Also published as: CN111836946A; EP3765712A1; US20210040949A1; WO2019174773A1; BR112020015740A2

Abstract

Baukastensystem eines Pumpenaufbaus zur axialen Integration einer Auswahl von elektrischen Antriebsbaugruppen (1) an einer Auswahl von Pumpenbaugruppen (2) und einer Wellen-Lager-Baugruppe (3), die eine Pumpenwelle (31) und ein Wellenlager (32) mit wenigstens zwei Wälzlagerreihen umfasst, wobei das Wellenlager (32) die Pumpenwelle (31) zwischen einem Motorrotor (11) der elektrischen Antriebsbaugruppe (11) und einem Pumpenrotor (21) der Pumpenbaugruppe (2) an einem Pumpengehäuse (20) der Pumpenbaugruppe (2) abstützt; wobei die Auswahl von Pumpenbaugruppen (2) gemeinsam einen Kragenabschnitt (23) am Pumpengehäuse (20) aufweist, der das Wellenlager (32) in einer Durchgangsöffnung des Pumpengehäuses (20) aufnimmt und zu einer Aufnahmeseite für eine elektrische Antriebseinheit (1) hervorsteht; und sich die Auswahl von Pumpenbaugruppen (2) in Bezug auf den Pumpenrotor (21) und/oder eine Pumpenkammer (22) unterscheidet; die Auswahl von Antriebsbaugruppen (1) gemeinsam einen Motorrotor (11) aufweist, der an einem radial äußeren Abschnitt in Form einer Rotorglocke (13) ausgebildet ist, wobei die Rotorglocke (13) den Kragenabschnitt (23) den jedes Pumpengehäuse (20) aus der Auswahl von Antriebsbaugruppen (1) gemeinsam aufweist, radial umläuft und axial überschneidet; und sich die Auswahl von Antriebsbaugruppen (1) in Bezug auf einen Stator (12) unterscheidet; und wobei für jede Kombination aus der Auswahl von elektrischen Antriebsbaugruppen (1) und der Auswahl von Pumpenbaugruppen (2) wenigstens eine radiale Abmessung der Pumpenwelle, des Wellenlagers, des Kragenabschnitts (23) und/oder der Rotorglocke (13) gleich ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Baukastensystem für einen kompakten Pumpenaufbau zur axialen Integration einer elektrischen Antriebsbaugruppe an einer Pumpenbaugruppe mit einer gemeinsamen Wellenlagerung.
Ein vorteilhafter Pumpenaufbau mit einer kompakten axialen Abmessung ist beispielsweise aus der zum Anmeldetag dieser Patentanmeldung noch nicht offengelegten Patentanmeldung DE 10 2016 119 985 A1 derselben Anmelderin bekannt, die eine Pendelkolben-Vakuumpumpe beschreibt. Der genannte Pumpenaufbau integriert den elektrischen Antrieb auf geringem Bauraum mit den übrigen Bauteilen der Pumpe und weist nur ein einziges Wellenlager mit zwei Kugellager-Laufbahnen auf. Im Vergleich zu einem Pumpenaufbau mit zwei Wellenlagern und einer axial benachbarten Anordnung von Antrieb und Pumpe, bietet ein solcher Pumpenaufbau eine Verkürzung in axialer Länge und bietet eine vorteilhafte Basis für einen Pumpenaufbau von verschiedenen Pumpen mit kompakter Bauform und geringer axialer Abmessung. Ferner muss kein Zentriertoleranz zwischen den Lagersitzen in den Lagerspielen berücksichtigt werden und ein Montageaufwand mit Zentrierung entfällt für das zweite Wellenlager. Ein verringertes Lagerspiel führt zu einem geringeren Verkippen der Welle und somit zu weniger Verschleiß des Wellenlagers.
Herkömmlicherweise wird bei der Konstruktion eines Pumpenaufbaus zunächst der Pumpentyp und die Verwendung bestimmt, wonach sich eine Dimensionierung von Bauteilen, wie einer Wellenlagerung und einer Wellendichtung anhand der anwendungsgemäß auftretenden Kräfte und Drücke bestimmt. Eine Ausgestaltung des Pumpengehäuses wird abschließend zur relativen Fixierung und Lagerung der Baugruppen um die ausgewählten Bauteile herum individuell konstruiert.
Daraus ergibt sich der Umstand, dass zur Herstellung einer Produktpalette verschiedener Pumpen, die sich vom Pumpentypen, der volumetrischen Auslegung oder der Antriebsleistung unterscheiden, nach der genannten Vorgehensweise für jede Pumpe ein individueller Pumpenaufbau mit einer großen Anzahl unterschiedlicher Bauteile, insbesondere Formteile erforderlich ist, die in Abhängigkeit eines Typs einer Baugruppe oder deren Parameter stets variieren. Folglich ist die Herstellung einer Produktpalette aus verschiedenen Pumpen mit einem erheblichen Kostenaufwand zur Bereitstellung einer großen Auswahl an Formwerkzeugen zum Gießen von Gehäuseteilen oder der Beschaffung und Lagerhaltung der zahlreichen Komponenten und Einzelteile verbunden. Darüber hinaus ziehen verschiedene Pumpenaufbauten unter den Produkten individuelle Montageabläufe in der Fertigung nach sich. Demnach besteht Raum für kostensenkende Vereinfachungen bei der Herstellung und Montage von verschiedenen Pumpen aus einer Produktpalette.
Es besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Auswahl von gemeinsamen und unterscheidenden konstruktiven Merkmalen zwischen Baugruppen zutreffen, welche eine Vereinheitlichung des Pumpenaufbaus ermöglicht, ohne eine Ausnutzung des Bauraums zur beeinträchtigen. In letzterer Bedingung besteht insbesondere die Zielsetzung, eine Verschlechterung einer kompakten Bauform zu vermeiden, wie sie beispielsweise durch Bereitstellung eines großen universalen Bauraums im Pumpengehäuse bestände, der in verschiedenen Ausführungen ineffizient genutzt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Baukastensystem eines Pumpenaufbaus mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Das Baukastensystem eines Pumpenaufbaus zur axialen Integration einer elektrischen Antriebsbaugruppen an einer Pumpenbaugruppe umfasst: eine Auswahl von elektrischen Antriebsbaugruppen mit unterschiedlicher Antriebsleistung; eine Auswahl von Pumpenbaugruppen mit unterschiedlicher volumetrischer Leistung und/oder unterschiedlicher Bauform; und eine Wellen-Lager-Baugruppe, die eine Pumpenwelle und ein Wellenlager mit wenigstens zwei Wälzlagerreihen umfasst, wobei das Wellenlager die Pumpenwelle zwischen einem Motorrotor der elektrischen Antriebsbaugruppe und einem Pumpenrotor der Pumpenbaugruppe an einem Pumpengehäuse der Pumpenbaugruppe abstützt; die Auswahl von Pumpenbaugruppen gemeinsam einen Kragenabschnitt am Pumpengehäuse aufweist, der das Wellenlager in einer Durchgangsöffnung des Pumpengehäuses aufnimmt und zu einer Aufnahmeseite für eine elektrische Antriebseinheit hervorsteht; und sich die Auswahl von Pumpenbaugruppen in Bezug auf den Pumpenrotor und/oder eine Pumpenkammer unterscheidet; die Auswahl von Antriebsbaugruppen gemeinsam einen Motorrotor aufweist, der an einem radial äußeren Abschnitt in Form einer Rotorglocke ausgebildet ist, wobei die Rotorglocke den Kragenabschnitt, den jedes Pumpengehäuse aus der Auswahl von Antriebsbaugruppen gemeinsam aufweist, radial umläuft und axial überschneidet; und sich die Auswahl von Antriebsbaugruppen in Bezug auf einen Stator unterscheidet; und wobei für jede Kombination aus der Auswahl von elektrischen Antriebsbaugruppen und der Auswahl von Pumpenbaugruppen, wenigstens eine radiale Abmessung der Pumpenwelle, des Wellenlagers, des Kragenabschnitts und/oder der Rotorglocke gleich ist.
Die Erfindung sieht somit erstmals ein Baukastensystem vor, das eine axiale Überschneidung der Baugruppen als eine räumliche Schnittstelle zwischen Auswahlkombinationen unter den Baugruppen definiert, um eine konstruktive Vereinheitlichung des Pumpenaufbaus oder die Verwendung gleicher Bauteile zu ermöglichen. Das Baukastensystem ermöglicht eine universale Integration einer individuellen Kombination von Baugruppen aus einer Auswahl von Baugruppen in einem kompakten Pumpenaufbau. Die Vereinheitlichung von Bauteilen sowie einer relativen Anordnung derselben zueinander verschafft in der Fertigung von Pumpen Kostenvorteile durch eine Verringerung der Herstellung unterschiedlicher Formteile und eine Verringerung von unterschiedlichen Vorgängen und Werkzeugen bei der Montage der Pumpen.
Durch die erfindungsgemäße Festlegung gleicher Merkmale und unterscheidender Merkmale oder Parameter innerhalb einer Auswahl der jeweiligen Baugruppen, wird erstmals eine räumliche Schnittstelle für einheitliche Bauteile zwischen drei Baugruppen in einem Pumpenaufbau ausgewählt. Diese konstruktive Schnittstelle definiert zugleich eine axiale Überschneidung der Baugruppen, wodurch ein integrierter kompakter Pumpenaufbau für jede Kombination der Baugruppen erzielt wird.
Beispielsweise kann durch eine Breite des Stators des elektrischen Antriebs die mittels größerer Feldspulen eine Antriebsleistung erhöht werden, während sämtliche anderen Bauteile einschließlich der Rotorglocke gleich bleiben. Ebenso kann eine Größe des Pumpenrotors und der Pumpenkammer variieren, während alle anderen Bauteile und Baugruppen des Pumpenaufbaus gleich bleiben. Darüber hinaus kann eine Pumpenbaugruppe von einem anderen Pumpentyp an derselben Pumpenwelle angeschlossen werden, während alle anderen Bauteile und Baugruppen des Pumpenaufbaus gleich bleiben.
Durch die Übernahme einer gemeinsamen radialen Abmessung innerhalb der räumlichen Schnittstelle ist nicht nur sichergestellt, dass sich die Baugruppen in einer axialen Überschneidung integrieren lassen, sondern auch identische Bauteile oder Bauteile mit gleichen Abmessungen, wie beispielsweise ein identisches Wellenlager und eine Pumpenwelle aus einem Rohling mit gleichem Durchmesser verwendet werden können.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann für jede Kombination aus der Auswahl von elektrischen Antriebsbaugruppen und der Auswahl von Pumpenbaugruppen seitens des Pumpengehäuses ein Kragenabschnitt mit demselben Außendurchmesser und seitens des Motorrotors eine Rotorglocke mit demselben Innendurchmesser bereitgestellt sein.
Durch eine Festlegung des Verhältnisses der Durchmesser zwischen dem Kragenabschnitt und der Rotorglocke kann ein Abstand zwischen den Bauteilen in radialer Richtung definiert werden. Dieser radiale Abstand zueinander ist vorzugsweise gering gewählt. Durch einen definierten geringen Abstand bei jeder Auswahlkombination wird eine optimale Ausnutzung des Bauraums im Pumpengehäuse sichergestellt, und die Zielsetzung eines universalen und dennoch kompakten Pumpenaufbaus erreicht.
Ferner verschafft die genannte Festlegung der Durchmesser die Möglichkeit, für alle elektrischen Antriebsbaugruppen denselben Grundkörper für den Motorrotor zu verwenden. Die Rotorglocke des Rotors braucht lediglich ggf. in einer axialen Länge angepasst zu werden. Ferner kann der Außendurchmesser der Rotorglocke eines solchen gleichen Grundkörpers des Motorrotors für alle elektrischen Antriebsbaugruppen lediglich durch eine geänderte Bestückung und Befestigung von Magnetkörpern als Rotorpole an einen betreffenden Stator einer jeweiligen elektrischen Antriebsgruppe angepasst werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann für jede Kombination aus der Auswahl von elektrischen Antriebsbaugruppen und der Auswahl von Pumpenbaugruppen seitens des Pumpengehäuses ein Kragenabschnitt mit demselben Innendurchmesser, dasselbe Wellenlager und eine Pumpenwelle mit demselben Außendurchmesser bereitgestellt sein.
Somit ist sichergestellt, dass stets dasselbe Wellenlager oder ein Wellenlager mit demselben Außendurchmesser für jede Auswahlkombination der Baugruppen verwendet werden kann, wodurch eine optionale Vereinheitlichung des Baukastensystems geschaffen wird. Ferner ist somit die Möglichkeit gegeben, für verschiedene Pumpenbaugruppen in Kombination mit elektrischen Antriebsbaugruppen vom Trockenläufertyp eine gleichartige oder dieselbe Wellendichtung zu verwenden, die innerhalb des Kragenabschnitts angeordnet wird.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann für jede Kombination aus der Auswahl von elektrischen Antriebsbaugruppen und der Auswahl von Pumpenbaugruppen in dem Pumpengehäuse eine Motorkammer mit demselben Innenumfangsabschnitt ausgebildet sein.
Durch die Festlegung eines gleichen Innendurchmessers und ggf. eines Stufenabschnitts ist es möglich, für alle Statortypen aus der Auswahl von elektrischen Antriebsbaugruppen eine Fixierung bereitzustellen, wodurch eine Konstruktion und Fertigung des Pumpengehäuses, oder zumindest eines Gehäuseabschnitts desselben und ein Montage vereinfacht werden. Andererseits kann ein gleicher Außenumfang eines jeden Statorjochs zum Pumpengehäuse bei variierender Breite in axialer Richtung vorgesehen sein.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Motorkammer zu einer axialen Seite des Pumpengehäuses durch einen Motordeckel mit einem integralen Stiftkühlkörper abgeschlossen sein, in dem eine Steuerungselektronik für eine elektrische Antriebsbaugruppe aufnehmbar ist.
Durch das gemeinsame Merkmal eines Deckels für die Motorkammer wird ein einheitlicher Montageablauf beim Zusammensetzen der elektrischen Antriebsbaugruppe ermöglicht. Ein Stiftkühler, der in jedem Deckel integrierbar ist, kann derselbe sein ebenso wie eine universale Aufnahme zur Innenseite, die dazu geeignet ist, verschiedene Steuerungselektronik von jeder elektrischen Antriebsbaugruppe in thermischen Kontakt zu bringen. Insofern die Pumpen einen festgelegten Gehäuseumfang bzw. eine Kontur zur Aufnahme der verschiedenen Statortypen der elektrischen Antriebsgruppen aufweisen, kann der gesamte Deckel für alle oder viele Auswahlkombination der Baugruppen dasselbe Bauteil sein, wobei für flüssiggekühlte Antriebe eine Ausprägung des Stiftkühlers entfällt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann wenigstens ein Teil des Pumpengehäuses, der die Durchgangsöffnung und den Kragenabschnitt umfasst, und/oder der Motordeckel aus einem fließpressgeeigneten, vorzugsweise kaltfließpressgeeigneten Material gefertigt sein.
Fließpressteile weisen bedingt durch das Verfügungsverfahren eine geringere Bildung von Luftblasen und Lunkern sowie Einschlüsse von Fremdkörpern auf haben eine bessere thermische und mechanische Eigenschaften als herkömmliche Druckgussteile. Ein besserer Wärmeleitkoeffizient wirkt sich besonders vorteilhaft in einem Gehäuseabschnitt zwischen der elektrischen Antriebsbaugruppe und der Pumpenbaugruppe aus, da somit ein verbesserter Wärmeübergang der elektrischen Verlustleistung aus dem Stator der elektrischen Antriebsbaugruppe auf die Pumpenkammer erzielt werden kann. In der Pumpenkammer wird die Abwärme durch den Massestrom des geförderten Mediums schnell abgeführt. Dadurch wird die Kühlung des Stators verbessert. Ebenso vorteilhaft wirkt sich eine bessere Wärmeleitfähigkeit im Bereich des Deckels der Motorkammer aus, wobei insbesondere ein verbesserter Wärmeübergang der Steuerungselektronik über den Stiftkühler an die Umgebung erzielt werden kann.
Eine höhere mechanische Festigkeit, insbesondere Steifigkeit von Fließpresskörpern im Vergleich zu einem herkömmlichen Druckgusskörper, wie einem Aluminiumdruckguss, bringt darüber hinaus Vorteile im Bereich der Aufnahme der Wellenlagerung, d.h. dem Kragenabschnitt mit sich. Insbesondere bei Verdrängerpumpen treten Kippmoment an der Pumpenwelle auf, die über die Wellenlagerung vom Pumpengehäuse aufgenommen werden. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Druckgussteil kann der Kragenabschnitt zur Aufnahme des Wellenlagers zur Erzielung einer vergleichbaren mechanischen Steifigkeit mit einer geringeren Wandstärke ausgelegt werden. Eine geringere Wandstärke in diesem sowie weiteren Gehäuseabschnitten spart wiederum Materialkosten und Gewicht.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen zu verschiedenen Ausführungsformen, die sich aus verschiedenen Auswahlkombinationen aus den Baugruppen des Baukastensystems ergeben, näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Wasserpumpe, deren elektrischer Antrieb als Trockenläufer ausgestaltet ist;
2 eine Wasserpumpe, deren elektrischer Antrieb in einem separaten Kühlmedium läuft, das von dem geförderten Kühlwasser getrennt ist;
3 eine Spül-/Luftpumpe, deren elektrischer Antrieb als Trockenläufer ausgestaltet ist;
4 eine Ölpumpe, deren elektrischer Antrieb als Trockenläufer ausgestaltet ist;
5 eine Ölpumpe, deren elektrischer Antrieb als Nassläufer ausgestaltet ist; und
6 eine Vakuumpumpe, deren elektrischer Antrieb als Trockenläufer ausgestaltet ist.

1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Pumpe aus dem Baukastensystem in Form einer Wasserpumpe, deren elektrischer Antrieb als Trockenläufer ausgelegt ist. Die Pumpenbaugruppe 2 ist eine Kreiselpumpe vom Radialpumpentyp. Auf der rechten Seite ist die Pumpenbaugruppe 2 nur teilweise dargestellt, wobei ein Pumpendeckel entfernt wurde, der eine Pumpenkammer 22 radial umschließt und axial begrenzt. Der Pumpenrotor 21 ist in dieser Ausführungsform als ein radiales Flügelrad 21a ausgebildet und weist eine zentrale Ansaugöffnung auf, durch die ein Fördererstrom eines Kühlwassers angesaugt wird, und radial in die Pumpenkammer 20 beschleunigt wird. Um einen Austrittsbereich des radialen Flügelrads 21a herum ist ein nicht dargestellter Spiralgehäuseabschnitt in dem nicht dargestellten Pumpendeckel vorgesehen, durch den der Fördererstrom durch einen Pumpenauslass tangential abgeführt wird. Derartige allgemein bekannte Details zur Pumpenbaugruppe 2 vom Typ einer Radialpumpe werden zur Verkürzung der Offenbarung nicht weiter ausgeführt.
Eine Rückseite der Pumpenkammer 22 hinter dem Flügelrad 21a wird durch den dargestellten Teil eines Pumpengehäuses 20 gebildet. Das Pumpengehäuse 20 weist eine Durchgangsöffnung für eine Pumpenwelle 31 auf, die mittels einer Wellendichtung 33 zu der Pumpenkammer 22 abgedichtet ist. Die Pumpenwelle 31 erstreckt sich von dem Flügelrad 21a durch die Durchgangsöffnung des Pumpengehäuses 20 zu einer elektrischen Antriebsbaugruppe 1 und ist mittels eines einzigen Wellenlagers 32 an dem Pumpengehäuse 20 gelagert. Das Wellenlager 32 weist zwei Wälzkörperreihen mit kugelförmigen Wälzkörpern auf, um sowohl radiale und axiale Kräfte als auch Kippmomente der Pumpenwelle 31 innerhalb eines einzigen Wellenlagers 32 aufnehmen zu können. Das Wellenlager 32 ist in einen Kragenabschnitt 23 des Pumpengehäuses 20 eingepasst. Der Kragenabschnitt 23 steht konzentrisch zu der Durchgangsöffnung des Pumpengehäuses 20 zu der Seite des der elektrischen Antriebsbaugruppe 1 hervor.
Die elektrische Antriebsbaugruppe 1 umfasst einen Motorrotor 11 und einen Stator 12 sowie eine Steuerungselektronik 14. Zu derselben Seite weist das Pumpengehäuse 20 eine zylindrische Außenwand auf, die eine Motorkammer 10 zur Aufnahme der elektrischen Antriebsbaugruppe 1 umschließt. Die äußere Gehäusewand des Pumpengehäuses 20 verläuft konzentrisch zu dem Kragenabschnitt 23, sodass in der Motorkammer 10 ein ringförmiges Volumen zur Aufnahme des Stators 12 der elektrischen Antriebsbaugruppe 1 bereitgestellt ist. Eine äußere Umfangskante des Stators 12 steht mit einem Stufenabschnitt einer Innenfläche der Motorkammer 10 in Kontakt und ist somit radial und axial festgelegt.
Der Motorrotor 11 ist auf einem freien Ende der Pumpenwelle 31, das aus dem Kragenabschnitt 23 heraus tritt, fixiert. Der Motorrotor 11 weist an einem radial äußeren Abschnitt eine Rotorglocke 13 auf, die sich axial mit dem Kragenabschnitt 23 des Pumpengehäuses 20 überschneidet und diesen radial außerhalb umläuft. Eine axiale Abmessung und Position der Rotorglocke 13 entspricht einer zugewandten Innenfläche des Stators 12. Die Rotorglocke 13 dient als Magnetträger für die Rotorpole. Somit verbleibt innerhalb der Rotorglocke 13 ein Hohlzylinder, der im Wesentlichen dem Außendurchmesser des Kragenabschnitts 23 zuzüglich eines Abstandsspalts entspricht.
Die Wicklungen der Feldspulen des Stators 12 erstrecken sich nach links und rechts von dem Statorjoch in die Motorkammer 10 hinein. Das Pumpengehäuse 20 ist zu einer axialen Seite des der Motorkammer 10 offen. Die geöffnete Seite des Pumpengehäuses 20 ist durch einen Motordeckel 24 verschlossen. Der Motordeckel 24 weist zu einer Außenseite eine Vielzahl von parallel hervorstehenden Stiften auf und bildet einen sogenannten Stiftkühlkörper. Auf der Innenseite weist der Motordeckel 24 eine Fläche auf, die mit einer Steuerungselektronik 14 der elektrischen Antriebsbaugruppe 1 in thermischem Kontakt steht. Insbesondere weist die Steuerungselektronik 14 elektronische Bausteine einer Leistungselektronik, wie beispielsweise Kondensatoren und Transistoren auf, die auf einer Leiterplatte verschaltet sind, und die Leiterplatte steht in einem Flächenkontakt mit der Aufnahmefläche des Motordeckels 24. Zwischen dem Pumpengehäuse 20 und dem Motordeckel 24 ist ein zur oberen Gehäuseseite abgebildeter Stecker angeordnet, der Leitungen zu einer elektrischen Leistungsversorgung führt.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Pumpe aus dem Baukastensystem in Form einer Kühlmittelpumpe, deren elektrische Antriebsbaugruppe unter Hilfe eines Bads in einem separaten Medium gekühlt wird. Die Pumpenbaugruppe 2 entspricht im Wesentlichen derjenigen der ersten Ausführungsform und weist wieder das radiale Flügelrad 21a als Pumpenrotor 21 auf. In der freigestellten Darstellung der 2 ist ein Teil des Pumpengehäuses 20, der die Pumpenkammer 22 umgibt, zur Verkürzung der Offenbarung auf das Wesentliche der Erfindung nicht weiter ausgeführt.
Zu einer Rückseite des radialen Flügelrads 21a weist das Pumpengehäuse 20 eine Druckausgleichskammer 26 auf, über deren Umfang eine Druckausgleichsmembran 27 gespannt ist. Eine Rückseite der Druckausgleichskammer 26 ist über eine Bohrung mit der Motorkammer 10 verbunden. Die Motorkammer 10 ist mit einem dielektrischen Kühlmedium befüllt, das durch eine verschließbare Öffnung in das Pumpengehäuse 20 eingefüllt wird. Das dielektrische Kühlmedium umgibt die Feldspulen des Stators 12 und führt eine Abwärme der Verlustleistung des Stators über das Pumpengehäuse 20 zur Umgebung und insbesondere zu einem Fördererstrom in der Pumpenkammer 22 der Pumpenbaugruppe 2 ab.
Druckschwankungen, die in dem abgeschlossenen Volumen der Motorkammer 10 aufgrund der Temperaturschwankungen der elektrischen Antriebsbaugruppe 1 entstehen, werden durch die Druckausgleichskammer 26 über die Druckausgleichsmembran 27 auf die Pumpenkammer 20 übertragen, so dass sich ein Druckgleichgewicht zwischen der Motorkammer 10 und der Pumpenkammer 22 einstellt.
Die erste Ausführungsform und die zweite Ausführungsform weisen die gleiche Pumpenwelle 31 und das Wellenlager 32 auf. Ferner entsprechen sich Teile des Pumpengehäuses 20 zur Aufnahme der elektrischen Antriebsbaugruppe 1, wie der Kragenabschnitt 23 und eine Außenwand der Pumpenkammer 10, sowie der Motordeckel 24. Ebenso entspricht ein Innendurchmesser der Rotorglocke 13 am Motorrotor 11 demjenigen der vorhergehenden Ausführungsformen.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Pumpe aus dem Baukastensystem in Form einer Spül- oder Luftpumpe, deren elektrische Antriebsbaugruppe als Trockenläufer ausgelegt ist. Der Pumpenrotor 21 ist als ein Peripheralrad 21b ausgebildet. Das Pumpengehäuse 20 bildet einen Ringkanal als Pumpenkammer 22 um das Peripheralrad 21b herum aus. Ein Pumpeneinlass und ein Pumpenauslass sind benachbart zueinander am Umfang des Ringkanals der Pumpenkammer 22 angeordnet. Dieser Pumpentyp kann sowohl flüssige als auch gasförmige Fluide sowie ein Gemisch der beiden Phasen fördern und wird beispielsweise für eine Brennstoffzelle eingesetzt.
Der Stator 12 der elektrischen Antriebsbaugruppe 1 weist im Vergleich zu den vorhergehenden Ausführungsformen eine geringere Antriebsleistung auf. Der Stator 12 dieser Ausführungsform wurde derart gestaltet, dass eine axiale Abmessung einschließlich der Feldspulen im Vergleich zu den vorhergehenden Ausführungsformen verringert wurde. Teile des Pumpengehäuses 20 zur Aufnahme der elektrischen Antriebsbaugruppe 1, wie der Kragenabschnitt 23 und eine Außenwand der Pumpenkammer 10, sowie der Motordeckel 24 entsprechen dagegen weiterhin denjenigen der vorhergehenden Ausführungsformen. Ebenso entspricht ein Innendurchmesser der Rotorglocke 13 am Motorrotor 11 demjenigen der vorhergehenden Ausführungsformen. Das Wellenlager 32 und ein Rohling als Ausgangskörper der Pumpenwelle 31 sind gleich.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform einer Pumpe aus dem Baukastensystem in Form einer Ölpumpe, deren elektrische Antriebsbaugruppe 1 als Trockenläufer ausgelegt ist. Eine Wellendichtung 33 zur Abdichtung der trockenlaufenden Antriebsbaugruppe 1 ist hinter dem Wellenlager 32 in dem Kragenabschnitt 23 angeordnet, sodass das Wellenlager 32 von dem geförderten Öl geschmiert wird.
Die Pumpenbaugruppe 2 ist eine Verdrängerpumpe vom Gerotortyp. Der Pumpenrotor 21 ist als ein Gerotorinnenelement 21c ausgebildet, dessen außenliegende Rotorverzahnung mit einer innenliegenden Rotorverzahnung eines drehbaren Gerotoraußenelement 28 in einem Kämmeingriff steht. Der Pumpendeckel 25 weist einen zentralen Pumpeneinlass auf. Der Pumpenauslass ist in dieser Schnittdarstellung nicht dargestellt. Darüber hinaus werden weitere Einzelheiten der Pumpenbaugruppe 2 zur Verkürzung der Offenbarung auf wesentliche Merkmale der Erfindung nicht weiter beschrieben.
Die elektrische Antriebsbaugruppe 1 der vierten Ausführungsform weist eine größere Antriebsleistung, insbesondere ein dem Bedarf einer Verdrängerpumpe entsprechendes höheres Antriebsdrehmoment im Vergleich zu den vorhergehenden Ausführungsformen auf. Der Stator 12 der elektrischen Antriebsbaugruppe 1 dieser Ausführungsform wurde derart gestaltet, dass eine axiale Abmessung einschließlich der Feldspulen im Vergleich zu den vorhergehenden Ausführungsformen länger ist. Demnach sind ein Durchmesser der Feldspulen des Stators 12 sowie eine axiale Abmessung der magnetischen Pole auf der Rotorglocke 13 größer als bei den vorhergehenden Ausführungsformen. Eine axiale Abmessung von Teilen des Pumpengehäuses 20 zur Aufnahme der elektrischen Antriebsbaugruppe 1, wie der Kragenabschnitt 23 und eine Außenwand der Pumpenkammer 10, sowie der Motordeckel 24 entsprechen dagegen weiterhin denjenigen der vorhergehenden Ausführungsformen. Ebenso entspricht ein Innendurchmesser der Rotorglocke 13 am Motorrotor 11 demjenigen der vorhergehenden Ausführungsformen. Das Wellenlager 32 und ein Rohling als Ausgangskörper der Pumpenwelle 31 sind gleich.
5 zeigt eine fünfte Ausführungsform einer Pumpe aus dem Baukastensystem in Form einer Ölpumpe, deren elektrische Antriebsbaugruppe 1 als Nassläufer ausgelegt ist. Die Pumpenbaugruppe 2, auf deren Details zur Verkürzung der Offenbarung nicht weiter eingegangen wird, ist wiederum eine Gerotorpumpe mit einem Gerotorinnenelement 21c als Pumpenrotor 21 und einem drehbaren Gerotoraußenelement 28, die im Wesentlichen denjenigen der vierten Ausführungsform entsprechen.
Auch die Antriebsleistung der elektrischen Antriebsbaugruppe 1 entspricht im Wesentlichen derjenigen der vierten Ausführungsform, sie ist jedoch nicht mittels einer Wellendichtung 33 abgedichtet und steht somit mit dem geförderten Öl in Kontakt. Der Motordeckel 24 unterscheidet sich zu der vierten Ausführungsform, indem dieser die Steuerungselektronik 14 von dem Öl in der Motorkammer 10 abgrenzt. Die Steuerungselektronik 14 kann wiederum durch eine nicht dargestellt Abdeckung zur Außenseite abgedeckt sein. Das Wellenlager 32 und ein Rohling als Ausgangskörper der Pumpenwelle 31 sind gleich.
6 stellt eine sechste Ausführungsform einer Pumpe aus dem Baukastensystem in Form einer ölfreien, trockenlaufenden Vakuumpumpe dar. Die Pumpenbaugruppe 2 besteht aus einem Pendelkolben 29, welcher in der Pumpenkammer 22 oszillierend bewegt wird, und dabei zugleich einerseits Luft durch einen Einlass ansaugt und andererseits Luft verdrängt und durch Druckventile in einen Auslass ausschiebt.
Der Pendelkolben 29 wird durch einen Kurbelzapfen an einem Drehteller 21d angetrieben, der in ein Langloch in dem Pendelkolben 29 eingreift. Der Pumpenrotor 21 der sechsten Ausführungsform ist somit als Drehteller 21d mit einem Kurbelzapfen ausgebildet.
Der Stator 12 der elektrischen Antriebsbaugruppe 1 in der sechsten Ausführungsform weist im Vergleich zu der vierten und fünften Ausführungsform einer Ölpumpe eine geringere Antriebsleistung auf. Der Stator 12 dieser Ausführungsform wurde derart gestaltet, dass eine axiale Abmessung einschließlich der Feldspulen im Vergleich zu der vierten und fünften Ausführungsformen verringert wurde. Teile des Pumpengehäuses 20 zur Aufnahme der elektrischen Antriebsbaugruppe 1, wie der Kragenabschnitt 23 und eine Außenwand der Pumpenkammer 10, sowie der Motordeckel 24 entsprechen dagegen weiterhin denjenigen aus vorhergehenden Ausführungsformen. Ebenso entspricht ein Innendurchmesser der Rotorglocke 13 am Motorrotor 11 demjenigen der vorhergehenden Ausführungsformen. Das Wellenlager 32 und ein Rohling als Ausgangskörper der Pumpenwelle 31 sind gleich.
Alle Ausführungsformen der Pumpen aus dem Baukastensystem haben gemeinsam, dass die elektrische Antriebs Baugruppe 1, das Pumpengehäuse 20 der Pumpenbaugruppe 2 und die Wellen-Lager-Baugruppe 3 in dem Pumpenaufbau derart integriert angeordnet sind, dass sie sich axial überschneiden. Dabei liegt in radialer Richtung von innen nach außen stets die gleiche Reihenfolge von Bauteilen der Baugruppen vor, nämlich die Pumpenwelle 31, das Wellenlager 32, der Kragenabschnitt 23, die Rotorglocke 13, der Stator 12 und eine die Motorkammer 10 begrenzende Außenwand des Pumpengehäuses 20.
Ob eine Wellendichtung 33 verwendet wird und ob die Wellendichtung 33 vor oder hinter dem Wellenlager 32 angeordnet wird, kann anhand einer Positionierung der Wellendichtung 33 in dem einheitlichen Kragenabschnitt 23 für verschiedene Typen von elektrischen Antriebsbaugruppen 1, wie Trockenläufern und Nassläufern anhand von Montagevorgängen variiert werden, ohne unterschiedliche Formteile für das Pumpengehäuse fertigen zu müssen. Die Bereitstellung des Wellenlagers 32 und eine Pumpenwelle 31 oder ein Rohling derselben mit gleichem Durchmesser können bei jeder Pumpe aus einer Auswahlkombination der Baugruppen aus denselben Bauteilen erfolgen.
Um eine möglichst große Anzahl von gemeinsamen Bauteilen für eine universale Integration von individuellen Auswahlkombinationen unter den Baugruppen zu erzielen, ist ein Abschnitt des Pumpengehäuses 20, der die Pumpenkammer 22 und die Motorkammer 10 abgrenzt, und der den Kragenabschnitt 23 sowie einen Stufenabschnitt umfasst, an dessen Innenfläche der Stator 12 axial festgelegt wird, mit denselben radialen Abmessungen ausgeführt und als einheitliches Kaltfließpressteil mit oder ohne Ausprägung eines Stiftkühlers gefertigt. Ebenso wird der Motordeckel 24 für mehrere Ausführungsformen mit denselben Abmessungen ausgeführt und als einheitliches Kaltfließpressteil gefertigt, wobei für flüssiggekühlte elektrische Antriebsbaugruppen 1 vom Nassläufertyp ein integrierter Stiftkühlkörper zur Außenseite entfallen kann. Ferner wird der Motorrotor 11 mit der Rotorglocke 13 mit denselben radialen Abmessungen, zumindest vor einer Bestückung mit Rotorpolen mit demselben Innendurchmesser ausgeführt und als ein einheitliches Tiefziehteil oder Sinterteil mit guten magnetischen Eigenschaften gefertigt.
Die Anpassung auf die elektrischen Antriebsbaugruppen 1 erfolgt somit durch eine Länge der axialen Abmessung des Pumpengehäuses 20 und der Rotorglocke 13 sowie durch eine Bestückung der magnetischen Pole in Abhängigkeit der Feldspulen eines gewählten Stators 12. Zudem wird eine Gestaltung der Pumpenbaugruppe 2 in Abhängigkeit der gewählten Kombination aus Pumpenrotor 21 und Pumpenkammer 22 in Bezug auf das Pumpengehäuse 20 vereinheitlicht, indem spezifische Merkmale wie ein Pumpeneinlass und Pumpenauslass oder ein Spiralgehäuse nicht seitens des zuvor genannten einheitlichen Abschnitts des Pumpengehäuses 20, sondern seitens eines individuellen Pumpendeckels 25 realisiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Elektrische Antriebsbaugruppe
2: Pumpenbaugruppe
3: Wellen-Lager-Baugruppe
10: Motorkammer
11: Motorrotor
12: Stator
13: Rotorglocke
14: Steuerungselektronik
20: Pumpengehäuse
21a: radiales Flügelrad
21b: Peripheralrad
21c: Gerotorinnenelement
21d: Drehteller mit Kurbelzapfen
22: Pumpenkammer
23: Kragenabschnitt
24: Motordeckel
25: Pumpendeckel
26: Druckausgleichskammer
27: Druckausgleichsmembran
28: Gerotoraußenelement
29: Pendelkolben
31: Pumpenwelle
32: Wellenlager
33: Wellendichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016119985 A1 [0002]

Claims

Baukastensystem eines Pumpenaufbaus zur axialen Integration einer elektrischen Antriebsbaugruppen (1) an einer Pumpenbaugruppen (2), umfassend: eine Auswahl von elektrischen Antriebsbaugruppen (1) mit unterschiedlicher Antriebsleistung; eine Auswahl von Pumpenbaugruppen (2) mit unterschiedlicher volumetrischer Leistung und/oder unterschiedlicher Bauform; und eine Wellen-Lager-Baugruppe (3), die eine Pumpenwelle (31) und ein Wellenlager (32) mit wenigstens zwei Wälzlagerreihen umfasst, wobei das Wellenlager (32) die Pumpenwelle (31) zwischen einem Motorrotor (11) der elektrischen Antriebsbaugruppe (11) und einem Pumpenrotor (21) der Pumpenbaugruppe (2) an einem Pumpengehäuse (20) der Pumpenbaugruppe (2) abstützt; wobei die Auswahl von Pumpenbaugruppen (2) gemeinsam einen Kragenabschnitt (23) am Pumpengehäuse (20) aufweist, der das Wellenlager (32) in einer Durchgangsöffnung des Pumpengehäuses (20) aufnimmt und zu einer Aufnahmeseite für eine elektrische Antriebseinheit (1) hervorsteht; und sich die Auswahl von Pumpenbaugruppen (2) in Bezug auf den Pumpenrotor (21) und/oder eine Pumpenkammer (22) unterscheidet; die Auswahl von Antriebsbaugruppen (1) gemeinsam einen Motorrotor (11) aufweist, der an einem radial äußeren Abschnitt in Form einer Rotorglocke (13) ausgebildet ist, wobei die Rotorglocke (13) den Kragenabschnitt (23) den jedes Pumpengehäuse (20) aus der Auswahl von Antriebsbaugruppen (1) gemeinsam aufweist, radial umläuft und axial überschneidet; und sich die Auswahl von Antriebsbaugruppen (1) in Bezug auf einen Stator (12) unterscheidet; und wobei für jede Kombination aus der Auswahl von elektrischen Antriebsbaugruppen (1) und der Auswahl von Pumpenbaugruppen (2), wenigstens eine radiale Abmessung der Pumpenwelle, des Wellenlagers, des Kragenabschnitts (23) und/oder der Rotorglocke (13) gleich ist.
Baukastensystem nach Anspruch, wobei für jede Kombination aus der Auswahl von elektrischen Antriebsbaugruppen (1) und der Auswahl von Pumpenbaugruppen (2) seitens des Pumpengehäuses (20) ein Kragenabschnitt (23) mit demselben Außendurchmesser und seitens des Motorrotors (11) eine Rotorglocke (13) mit demselben Innendurchmesser bereitgestellt ist.
Baukastensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei für jede Kombination aus der Auswahl von elektrischen Antriebsbaugruppen (1) und der Auswahl von Pumpenbaugruppen (2) seitens des Pumpengehäuses (20) ein Kragenabschnitt (23) mit demselben Innendurchmesser, dasselbe Wellenlager (32) und eine Pumpenwelle (31) mit demselben Außendurchmesser bereitgestellt ist.
Baukastensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei für jede Kombination aus der Auswahl von elektrischen Antriebsbaugruppen (1) und der Auswahl von Pumpenbaugruppen (2) in dem Pumpengehäuse eine Motorkammer (10) mit demselben Innenumfang ausgebildet ist.
Baukastensystem nach Anspruch 4, wobei die Motorkammer (10) zu einer axialen Seite des Pumpengehäuses (20) durch einen Motordeckel (24) mit einem integralen Stiftkühlkörper abgeschlossen ist, in dem eine Steuerungselektronik (14) für eine elektrische Antriebsbaugruppe (1) aufnehmbar ist.
Baukastensystem nach Anspruch 4 oder 5, wobei wenigstens ein Teil des Pumpengehäuses (20), der die Durchgangsöffnung und den Kragenabschnitt (23) umfasst, und/oder der Motordeckel (24) aus einem fließpressgeeigneten, vorzugsweise kaltfließpressgeeignetem Material gefertigt ist.