-
Die Erfindung betrifft eine elektrische Kreiselpumpe (1) mit einem in einem Nassraum (12) gelagerten Pumpenlaufrad (2), einem bewickelten Stator (3), einer Medientrennwand (4) und einem Pumpengehäuse (9), wobei das Pumpenlaufrad (2) eine Pumpenflügel (5) tragende Laufradscheibe (6) und eine daran anschließende Hohlwelle (7) aufweist, welche einen Permanentmagneten (8) trägt.
-
Elektrische Kreiselpumpen, insbesondere elektrische Kfz-Kühlwasserpumpen sind kompakt aufgebaut und erzeugen im Betrieb Wärme in der Statorwicklung und in elektrischen Leistungsbauteilen zur Beschaltung der Wicklungsspulen. Eine effektive Methode zur Abführung dieser Wärmeenergie besteht durch den Aufbau eines Sekundärströmungspfads. Ein Druckunterschied zwischen einem zentralen Niederdruckbereich und einem radial außerhalb desselben befindlichen Hochdruckbereich, welcher im Betrieb durch die Wirkung der sich drehenden Pumpenflügel erzeugt wird, dient als Antrieb für die sekundäre Strömung. Das geförderte Kühlmedium dient der Pumpe als Wärmesenke. Der Strömungsweg führt vom Hochdruckbereich entlang der Medientrennwand am motorseitigen Ende des Pumpenlaufrads vorbei radial nach innen und über einen Kanal innerhalb des Pumpenlaufrads zu einem Niederdruckbereich des Pumpenraums.
-
Der Sekundärströmungspfad dient zusätzlich auch dem Abtransport abrasiver Partikel, die durch die entstehende Strömung mitgerissen werden. Der Lagerverschleiß wird hierdurch reduziert.
-
Aus der
DE 10 2016 206 405 A1 ist eine Pumpe bekannt, welche einen Pumpenmotor umfasst, aufweisend einen Stator, einen Permanentmagnetrotor und einen Spalttopf, wobei an einem Pumpenkopf und einem Festlager eine Achse vorgesehen ist. Das Festlager ist innerhalb einer Hohlwelle angeordnet.
-
Aus der
US 3,288,073 ist ferner eine Pumpe bekannt, bei der an dem Rotorschaft des Pumpenrotors Öffnungen vorhanden sind, deren Öffnungsgröße mittels Dichtscheiben eingestellt werden kann.
-
Aufgabe der Erfindung ist es diesen Strömungspfad trotz eines engen Bauraums und unter Aufrechterhaltung der Lagerfunktion und eines optimalen Magnetkreises auf einfache und wirtschaftliche Weise herzustellen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Da die Hohlwelle (7) zumindest eine axial offene Strömungsgeometrie (10) aufweist, lässt sich eine Strömungsverbindung zwischen einem Innenraum (11) der Hohlwelle (7) und einem Niederdruckbereich (17) innerhalb des Pumpengehäuses (9) herstellen. Um die Sekundärströmung gleichmäßig zu verteilen sind mehrere, vorzugsweise drei Strömungsgeometrien vorgesehen. Die Strömungsgeometrien sind beispielhaft nutartig ausgebildet.
Durch die axial offenen Nuten lassen sich diese bei einem Urformvorgang des Pumpenlaufrads ohne zusätzliche radiale Schieber im Spritzgusswerkzeug herstellen. Der zwischen den Strömungsgeometrien (10) verbleibende Bereich der Hohlwelle (7) dient als Aufnahme für ein pumpenseitiges Lager (13).
Dabei ist die Tiefe der Strömungsgeometrie (10) deutlich größer als der Aufnahmebereich des pumpenseitigen Lagers (13). Dadurch verbleibt ein ausreichend großer Strömungsquerschnitt für die sekundäre Strömung.
-
Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen dargestellt. Die Strömungsverbindung zwischen einem Innenraum (11) der Hohlwelle (7) und einem Niederdruckbereich (17) endet vorzugsweise in einem Bereich innerhalb der Pumpenflügel (9). Auf diese Weise wird die größtmögliche Pumpwirkung erzielt.
-
Der Strömungsquerschnitt der Strömungsgeometrie lässt sich deutlich erhöhen, indem sie eine radiale Durchbrechung der Hohlwelle (7) bildet. Auch diese Ausgestaltung lässt sich einfach schieberlos herstellen.
-
Gemäß einem weiteren Optimierungsschritt ist vorgesehen, dass die axiale Tiefe der Strömungsgeometrie (10) am Innenraum (11) deutlich größer ist als am Niederdruckbereich (17). Diese Maßnahme verringert den Strömungswiderstand durch Vergrößerung der Kurvenradien im Strömungsweg.
-
Das Pumpenlaufrad weist auch am motorseitigen Ende ein Lager (14) auf. Um auch in diesem Bereich einen ausreichenden Strömungsquerschnitt zu ermöglichen, ist das Lager mit einem axialen Strömungsdurchlass ausgebildet. Vorzugsweise sind mehrere auf einer Kreisbahn angeordnete Strömungsdurchlässe vorgesehen. Das Lager besteht dabei aus einem für Lagerzwecke optimierten Kunststoffbauteil. Bei engen Platzverhältnissen, insbesondere in radialer Richtung, kann ein Strömungsdurchlass auch segmentartig (bogenförmiges Langloch) ausgeführt sein.
-
Um den Strömungsweg vom motorseitigen Lager (14) zur Hohlwelle zu verbessern, ist vorgesehen, dass der Innenraum (11) der Hohlwelle (7) an ihrem motorseitigen Ende eine Durchmessererweiterung (19) aufweist. Dieser ist vorzugsweise kegelig ausgebildet und verhindert eine Verdeckung der Strömungsdurchlässe durch das Ende der Hohlwelle.
-
Das pumpenseitige Lager (13) ist vorzugsweise auf einer Achse (16) gelagert. Dabei ist der Innenraum (11) der Hohlwelle so dimensioniert, dass ein deutlicher Zwischenraum zwischen der Achse (16) und der Hohlwelle (7) verbleibt, der als Strömungspfad für die Sekundärströmung dient.
-
Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass das motorseitige Lager (14) auf einer bzw. auf der Achse (16) gelagert ist, wobei ein Strömungspfad zwischen der Achse (16) und der Hohlwelle (7) verbleibt.
-
Zweckmäßigerweise ist die Achse (16) einerseits im Pumpengehäuse (9) und andererseits in der Medientrennwand (4) aufgenommen und/oder befestigt. Die Medientrennwand weist dabei einen zylindrischen Bereich auf, der sich in einem Luftspalt zwischen dem bewickelten Stator (3) und dem Permanentmagneten (8) des Pumpenlaufrads (2) befindet und einem Bodenbereich, der die Medientrennwand (4) an seinem motorseitigen Ende mediendicht geschlossen hält. Die Achse (16) ist in diesem Bodenbereich in einer motorseitigen Achsaufnahme (22) aufgenommen. An seinem gegenüberliegenden Ende ist die Achse (16) in einer Achsaufnahme (21) des Pumpengehäuses (9) aufgenommen. Die pumpenseitige Achsaufnahme (21) ist über Speichen (23) mit dem Pumpengehäuse einstückig.
-
Das pumpenseitige Lager (13) liegt an einem axialen Gegenlager (24) axial an, welches im Pumpengehäuse (9) in einer Gegenlageraufnahme (25) aufgenommen ist. Das pumpenseitige Lager (13) und das Gegenlager (24) sind sphärisch ausgebildet, um Winkeltoleranzen ausgleichen zu können und um das Pumpenlaufrad radial zu zentrieren.
-
Im Übrigen ist das motorseitige Lager (14) mit dem Pumpenlaufrad (2) und dem Permanentmagneten (8) durch Urformen formschlüssig verbunden. Dabei sind das Lager (14) und das Pumpenlaufrad (2) als Einlegeteile in eine Spritzgussform eingelegt, welche anschließend mit einem kunststoffgebundenen Permanentmagnetmaterial gefüllt wird, welches die Einlegeteile miteinander verbindet.
-
Alternativ kann das motorseitige Lager (14) mit dem Pumpenlaufrad (2) und/oder dem Permanentmagneten (8) durch Verpressen oder Verprägen kraftschlüssig und/oder formschlüssig verbunden sein.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Kreiselpumpe,
- 2 eine Stirnansicht eines Pumpenlaufrads,
- 3 eine Iso-Ansicht des Pumnenlaufrads und
- 4 ein motorseitiges Lager.
-
1 zeigt eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Kreiselpumpe 1, bestehend aus einem Pumpengehäuse 9, einer Medientrennwand 4, einem Stator 3 (Wicklung nicht dargestellt), einer Leiterplatte 27 und einem Pumpenlaufrad 2. Die Kreiselpumpe ist axial zu einem bürstenlosen Gleichstrommotor angeordnet. Das Pumpenlaufrad 2 weist einen hydraulischen und einen motorischen Abschnitt auf. Die Medientrennwand 4 trennt einen Nassraum 12, in welchem das Pumpenlaufrad 2 angeordnet ist von einem Trockenraum 28, in welchem der Stator 3 und die Leiterplatte 27 angeordnet sind. Die Medientrennwand 4 ist topfförmig ausgebildet und weist einen im Wesentlichen zylindrischen Bereich 29, einen Bodenbereich 30 und einen Flanschbereich 31 auf. Das Pumpenlaufrad 2 ist über ein pumpenseitiges Lager 13 und ein motorseitiges Lager 14 auf einer Achse 16 gelagert. Die Achse 16 ist in einer pumpenseitigen Achsaufnahme 21 des Pumpengehäuses 9 und in einer motorseitigen Achsaufnahme 22 des Bodens 30 der Medientrennwand festgelegt. Die pumpenseitige Achsaufnahme 21 ist über Speichen 23 mit dem Pumpengehäuse 9 einstückig. Das pumpenseitige Lager 13 ist in einer Lageraufnahme 37 festgelegt und weist axial eine sphärische Fläche auf, welche an einer konkaven Gegenfläche eines axialen Gegenlagers 24 anliegt. Das Gegenlager ist in einer Gegenlageraufnahme 25 festgelegt, das an die pumpenseitige Achsaufnahme 21 axial anschließt. Das Pumpenlaufrad besteht aus einem einstückigen Bereich, welcher aus einer Hohlwelle 7, einer Laufradscheibe 6 und mehreren Pumpenflügeln 5 besteht. Die Laufradscheibe 6 ist nahe einem Endbereich der Hohlwelle 7 angeordnet. Ein Großteil der Hohlwelle 7 ragt in einen Bereich innerhalb des Stators 3 und trägt einen ringförmigen Permanentmagneten 8. Zwischen dem Permanentmagneten 8 und der Laufradscheibe verbleibt ein Freiraum 32, der zur Einsparung von Permanentmagnetmaterial dient. Die Pumpenflügel 5 sind durch eine Deckscheibe 20 als Bestandteil des Pumpenlaufrads abgedeckt. Ein Abschnitt der Hohlwelle 7 ragt in den Bereich innerhalb der Pumpenflügel 5 und außerhalb des pumpenseitigen Lagers 13 vor. An drei Stellen ist die Hohlwelle mit einer Strömungsgeometrie 10 versehen, welche in axialer Richtunn zum Pumnennehäuse 9 hin offen gestaltet ist. Auch in radialer Richtung sind die Strömungsgeometrien durchgehend offen. Die Tiefe der Strömungsgeometrien ist zu einem Innenraum 11 hin deutlich tiefer als an seinem radial äußeren Ende, welches zu einem Niederdruckbereich 17 führt. Die Strömungsgeometrien 11 bilden eine Umgehung des pumpenseitigen Lagers 13. Das motorseitige Lager 14 ist ein Festlager, mit einem inneren Lagerring 33 und einem äußeren Befestigungsring 34 und einer Nabe 35, welche mehrere Strömungsdurchlässe 15 aufweist. Das Hohlrad 11 weist eine kegelförmige Durchmessererweiterung 19 auf, welche sich zu den Strömungsdurchlässen 15 hin öffnet. Die Hohlwelle 7 weist in einem Bereich radial außerhalb der Durchmessererweiterung einen ringförmigen Rücksprung 35 auf, welcher den Befestigungsring 34 des motorseitigen Lagers 14 aufnimmt. Der Permanentmagnet 8 ist über einen Formschluss 26 mit dem Lager 24 und über einen weiteren hier nicht dargestellten Formschluss mit der Hohlwelle 7 verbunden. Der sekundäre Strömungspfad ist durch Pfeile angedeutet.
-
2 zeigt eine Stirnansicht eines Pumpenlaufrads 2, mit der Laufradscheibe 6, den Pumpenflügeln 5, der Hohlwelle 7, den Strömungsgeometrien 10, der Lageraufnahme 37 und Verbindungszapfen 36 zur Befestigung mit der Deckscheibe (siehe 1).
-
3 zeigt eine ISO-Ansicht des Pumpenlaufrads 2 mit der Laufradscheibe 6, den Pumpenflügeln 5, der Hohlwelle 7, den Strömungsgeometrien 10, der Lageraufnahme 37 und den Verbindungszapfen 36. Die Lageraufnahme 37 weist Abflachungen 40 auf, die als Verdrehsicherung für das darin aufzunehmende Lager wirken.
-
4 zeigt das motorseitige Lager 14 im Schnitt und eine Seitenansicht, mit dem Lagerring 33, der eine Zentralausnehmung 39 als Achsdurchführung, den Befestigungsring 34, einem Formschluss 26 in Form einer ringförmigen Rippe, die unterbrochen ist, um eine Verdrehsicherung 38 zu bilden. Das motorseitige Lager 14 ist symmetrisch ausgebildet und der Befestigungsring 34 weist an seinem Innenumfang jeweils eine Verjüngung auf, die durch den Winkel φ angedeutet ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kreiselpumpe
- 2
- Pumpenlaufrad
- 3
- Stator
- 4
- Medientrennwand
- 5
- Pumpenflügel
- 6
- Laufradscheibe
- 7
- Hohlwelle
- 8
- Permanentmagnet
- 9
- Pumpengehäuse
- 10
- Strömungsgeometrie
- 11
- Innenraum
- 12
- Nassraum
- 13
- pumpenseitiges Lager
- 14
- motorseitiges Lager
- 15
- Strömungsdurchlass
- 16
- Achse
- 17
- Niederdruckbereich
- 18
- Hochdruckbereich
- 19
- Durchmessererweiterung
- 20
- Deckscheibe
- 21
- pumpenseitige Achsaufnahme
- 22
- motorseitige Achsaufnahme
- 23
- Speiche
- 24
- axiales Gegenlager
- 25
- Gegenlageraufnahme
- 26
- Formschluss
- 27
- Leiterplatte
- 28
- Trockenraum
- 29
- Zylindrischer Bereich
- 30
- Bodenbereich
- 31
- Flanschbereich
- 32
- Freiraum
- 33
- Lagerring
- 34
- Befestigungsring
- 35
- Rücksprung
- 36
- Verbindungszapfen
- 37
- Lageraufnahme
- 38
- Verdrehsicherung
- 39
- Zentralausnehmung
- 40
- Abflachung
