DE69203258T2

DE69203258T2 - Elektrische Pumpe zur Förderung einer Flüssigkeit, z.B. in Brennkraftmaschinen.

Info

Publication number: DE69203258T2
Application number: DE69203258T
Authority: DE
Inventors: Francesco Cuniberti
Original assignee: Iveco Fiat SpA
Current assignee: Iveco SpA
Priority date: 1991-03-19
Filing date: 1992-03-18
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2012-03-19
Also published as: EP0504863A1; ITTO910197A0; US5269663A; ITTO910197A1; JP3190104B2; EP0504863B1; ES2074752T3; DE69203258D1; IT1245466B; JPH06173893A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Pumpe zum Umwälzen einer Flüssigkeit, beispielsweise im Kreislauf einer Brennkraftmaschine.
Üblicherweise werden Pumpen zum Umwälzen einer Flüssigkeit, beispielsweise eines Maschinenkühlmittels, durch die Antriebswelle mit Hilfe von Übertragungsorganen, wie etwa Riemenscheiben und/oder Zahnrädern angetrieben. Diese Einrichtungen erfordern Rollenlager, die ihrerseits geschmiert werden müssen, und erfordern die fluiddichte Abdichtung der drehenden Teile; jede Einschränkung in der Brauchbarkeit der letzteren führt oft zu einer Betriebsunterbrechung der gesamten Anordnung. Ein typisches Antriebssystem verwendet Riemen oder Zahnräder mit einem festen Übertragungsverhältnis zu der Maschine; folglich werden die abgegebene und auch die absorbierte Leistung bestimmt durch die Maschinendrehzahl, und nicht durch die tatsächlichen Erfordernisse. Daher erfolgt in zahlreichen Betriebsbereichen eine unnötig hohe Leistungabgabe mit entsprechender Energieverschwendung.
Es gibt auch elektrische Pumpen der obigen Art, bei denen der Stator und/oder der Läufer in das stationäre Gehäuse und das Pumpenrad des Motors eingefügt sind. Diese bekannten Pumpen sind jedoch im allgemeinen unzuverlässig und teuer in der Herstellung. Zum Stand der Technik gehörende elektrische Pumpen werden beispielsweise offenbart in der DE-A 39 05 278, der EP-A 240 674, der GB-A 2 042 279, der US-A 3 932 069 und der US-A 3 194 165.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Pumpe für die Umwälzung von Flüssigkeiten zu schaffen, die besonders einfach ist und bei der die oben erwähnten Nachteile der herkömmlichen Pumpen überwunden werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die elektrische Pumpe gemäß der Erfindung, die ein stationäres Gehäuse zur Begrenzung einer Flüssigkeitssammelkammer, ein Pumpenrad, das drehbar in dem stationären Gehäuse angebracht und mit Pumpengliedern für die Flüssigkeit in der Kammer versehen ist, und einen Elektromotor umfaßt, der einen Stator und einen Rotor aufweist, die jeweils mit einem der Teile Gehäuse und Pumpenrad verbunden sind, die aus einem Kunststoffmaterial oder nichtmagnetischem metallischem Material bestehen, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Stator eine elektrische Wicklung enthält, die auf eine Anzahl von Polen gewickelt ist, die einstückig mit einem ersten Ring aus ferromagnetischem Material ausgebildet sind und eine Einlage bilden, die in das Material eines stationären Gehäuses eingebettet ist, welcher Läufer eine Anzahl von Dauermagneten umfaßt, die an einem zweiten Ring aus ferromagnetischen Material angebracht sind und einen Einsatz bilden, der in das Material des Pumpenrades eingebettet ist.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden bevorzugte Ausführungsformen der elektrischen Pumpe anschließend anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert, in der:
Fig. 1 ein schematischer Längsschnitt einer elektrischen Pumpe zum Umwälzen eines Kühlmittels für eine Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist;
Fig. 2 ein Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1 ist;
Fig. 3 eine Zylinderabwicklung einer Einzelheit in Fig. 2 ist;
Fig. 4 ein Längsschnitt der elektrischen Pumpe gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist;
Fig. 5 ein Schnitt entlang der Linie V-V in Fig. 4 ist;
Fig. 6 ein schematischer Schnitt einer anderen Ausführungsform der elektrischen Pumpe zum Umwälzen von Öl ist.
In Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 10 allgemein eine elektrische Pumpe zum Umwälzen einer Flüssigkeit, insbesondere Kühlwasser, das in einen geeigneten Kreis in dem Zylinderblock und anderen Teilen der Brennkraftmaschine befördert wird. Die elektrische Pumpe 10 umfaßt ein stationäres Gehäuse 11, das eine Kammer 12 in der Form eines Rotationskörpers begrenzt. Die umgewälzte Flüssigkeit wird in die Kammer 12 durch eine Einlaßleitung 20 und zwei Kanäle 15 innerhalb des Gehäuses 11 gefördert.
Das Gehäuse 11 ist weiterhin mit einer Axialbohrung 13 versehen, in der drehbar eine Welle 14 montiert ist, die einstückig mit einem Pumpenradkörper ausgebildet ist, der im folgenden kurz Pumpenrad genannt werden soll. Das letztere ist mit einer Reihe von Schaufeln 17 (Fig. 2) versehen, die in Richtung einer Rotationsfläche 18 des stationären Gehäuses 11 vorspringen. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 ist die Fläche 18 kegelstumpfförmig, und die Schaufeln 17 sind auf einem scheibenförmigen Bereich 19 des Pumpenrades 16 angeordnet und wirken als Schublager. Jede Schaufel 17 ist im wesentlichen in der Form eines Spiralabschnitts ausgebildet. Daher stoßen während der Drehung des Pumpenrades 16 die Schaufeln 17 die Flüssigkeit aus der Kammer 12 in die durch die Pfeile E in Fig. 1 angegebene Richtung aus. Auf der der Oberfläche 18 gegenüberliegenden Seite ist das Gehäuse 11 fluiddicht mit der Leitung 20 über eine Anzahl von Schrauben 22 verbunden.
Die Pumpe wird durch eine elektrische Antriebsanordnung angetrieben, die einen Gleichstrom-Elektromotor 23 in der Form eines an sich bekannten, bürstenlosen Motors umfaßt. Erfindungsgemäß weist der Elektromotor einen Stator 23 und einen Rotor 24 auf, die in das stationäre Gehäuse 11 und das Pumpenrad 16 eingefügt sind. Das Gehäuse 11 und das Pumpenrad 16 können aus verschiedenen Materialien bestehen und mit Hilfe geeigneter Formen hergestellt werden. Vorzugsweise bestehen diese Elemente aus Kunststoffmaterial wegen der vorteilhaften Eigenschaften in bezug auf einfache Formbarkeit, elektrische Isolation, Gleitfähigkeit, Gleiteingriff in Anwesenheit von Flüssigkeiten, die nicht besonders schmierfähig sind (beispielsweise Wasser), Korrosionswiderstand etc. Der Stator 23 und der Rotor 24 des Elektromotors sind wenigstens teilweise in das Material des Gehäuses 11 und des Laufrades 16 eingebettet.
Insbesondere bestehen das Gehäuse 11 und das Laufrad 16 aus Kunststoffmaterialien. Der Stator 23 seinerseits wird gebildet durch eine elektrische Wicklung 26, die auf einem Ring 27 aus ferromagnetischem Material angeordnet ist, der herkömmliche Polschuhe 28 aufweist. Die Wicklung 26 ist mit einem herkömmlichen elektronischen Impulsgeneratorkreis verbunden, der für sich bekannt ist und der durch den Stator 23 getragen wird.
Der Stator 23 ist in den Bereich des Gehäuses 11 angrenzend an die Oberfläche 18 eingebettet, und zwar in der Form eines Einsatzes während des Formvorganges. Die Polschuhe 28 können mit der Oberfläche 18 fluchten oder können mit einer dünnen Schicht des Kunststoffmaterials 29 überzogen sein, die die Polschuhe gegenüber Korrosion durch die zu pumpende Flüssigkeit schützt.
Der Rotor 24 seinerseits wird gebildet durch eine Reihe von Permanentmagneten 31, die insgesamt während des Formens als Einsatz am Ende der Schaufeln 17 des Pumpenrades 16 eingebettet werden. Diese Magneten 31 werden in abwechselnder Richtung entgegengesetzt magnetisiert, so daß sie dem Stator 23 jeweils abwechselnd einen Nordpol und einen Südpol zuwenden.
Zum Schließen des Magnetkreises sind die Magneten 31 an einem Verbindungsring 32 aus ferromagnetischem Material befestigt, der in den scheibenförmigen Bereich 19 des Pumpenrades 16 eingebettet ist. Der Ring 32 ist mit einer Anzahl im wesentlichen radialer Vorsprünge 33 versehen. Am Ende jedes Vorsprungs ist ein entsprechender Magnet 31 befestigt.
Der Rotor 24 ist in das Pumpenrad 16 so eingebettet, daß jeder Vorsprung 33 einen Kern für die entsprechende Schaufel 17 bildet. Der entsprechende Magnet 31 kann mit der konischen äußeren Oberfläche der Schaufel 17 fluchten. Da jedoch im Gebrauch die Schaufeln in die umgewälzte Flüssigkeit eintauchen, sind die Magneten 31 vorzugsweise so eingebettet, daß sie vollständig durch eine dünne Schicht des Kunststoffmaterials 34 überzogen sind, das Schutz für den Magneten 31 gegen Korrosion durch die Flüssigkeit bietet.
Außerdem werden zur korrekten Positionierung des Einsatzes 23 in der Form für das Gehäuse 11 und des Einsatzes 24 in der Form für das Pumpenrad 16 vor dem Formvorgang Laschen 26 und 37 aus nichtrostendem Stahl an die beiden Ringe 27 und 32 geschweißt. Die Laschen 36 und 37 sind so angeordnet, daß sie aus der Form in einem Punkt herausragen, der von den Polschuhen 28 und Magneten 31 abgewandt ist. Nach dem Formvorgang wird der herausstehende Bereich oder Schwanz der Laschen 36,37 abgeschnitten, so daß nur dessen Querschnitt freiliegt, der in jedem Falle nicht der Korrosion ausgesetzt ist.
Die oben beschriebene Anordnung des Stators 23 und des Rotors 24 hat den Vorteil, daß die in diesen Teilen erzeugte Wärme durch Erregung der Wicklung 26 kontinuierlich durch die zirkulierende Flüssigkeit abgeführt wird, so daß jede Überhitzung vermieden wird, insbesondere wenn Kunststoffmaterial als geeignetes Material gewählt ist.
Gemäß der Ausführungsform der Fig. 4 und 5, die eine Axial-Version der elektrischen Pumpe mit Magneten in den Schaufeln zeigen, die den Schub der Flüssigkeit dem elektromagnetischen Schub entgegensetzen und so die Ausbalancierung verbessern, weist das stationäre Gehäuse 51 eine zylindrische Form mit einer zylindrischen inneren Oberfläche 58 auf. Das Laufrad 56 besitzt ebenfalls eine zylindrische Form mit einer Reihe von radial gerichteten Schaufeln 57, die im wesentlichen schraubenförmig ausgebildet sind. Daher bildet das stationäre Gehäuse 51 mit dem Laufrad 56 eine ringförmige Kammer 52 zum Sammeln der Flüssigkeit, die gepumpt werden soll.
An seinem beiden Enden ist das stationäre Gehäuse 51 mit zwei ringförmigen Sitzen 59 und 60 versehen, in die zwei entsprechende Ringe 61 und 62 eingefügt sind, die zwei Lager für die Drehung der beiden Bereiche 63 des Schaufelrades 56 mit reduziertem Durchmesser ermöglichen. Jeder der beiden Ringe 61 und 62 ist mit einer Anzahl von auf dem Umfang angeordneten Löchern 63 versehen, die es gestatten, daß die Flüssigkeit durch die Kammer 52 hindurchgeht. Daher bildet der Ring 61 einen Diffusor für die Flüssigkeit in der Kammer 52, während der Ring 42 einen Verteiler für die Flüssigkeit in Richtung des Umwälzkreises bildet.
Der Stator 23 ist in das stationäre Gehäuse 11 bündig mit dessen innerer Oberfläche eingebettet, wie es in entsprechender Weise bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 der Fall ist. Auch in diesem Falle weist der Rotor 24 einen Ring 32 auf, der eine Reihe von radialen Vorsprüngen 33 zum Befestigen der Magneten 31 besitzt. Er ist in das Pumpenrad 56 so eingebettet, daß jeder Vorsprung 33 den Kern der entsprechenden Schaufel 57 bildet, wie es bei Fig. 1 der Fall ist. Die vorliegende Ausführungsform hat ebenfalls den Vorteil, daß die während des Betriebs erzeugte Wärme durch die zirkulierende Flüssigkeit abgeführt wird.
Im übrigen sind die Vorsprünge 33 jeweils mit einer Anzahl von Löchern 64 versehen, die eine Verankerung des Materials des Pumpenrades 56 während des Formvorganges gestatten. Auch in diesem Falle können der Stator 23 und der Rotor 24 mit Vorsprüngen aus nichtrostendem Stahl zur Positionierung in den Formen während des Formvorganges versehen sein.
Die elektrische Pumpe 10, die, wie in Fig. 6 gezeigt ist, zum Pumpen von Öl vorgesehen ist, weist ein stationäres Gehäuse 71 auf, das mit einer zylindrischen Kammer 72 versehen ist, die frei drehbar eine Scheibe 73 aufnimmt, die ein Ringrad 24 bildet, das mit einer Innenverzahnung versehen ist. Das feststehende Gehäuse 71 nimmt in eingebetteter Form gegenüber dem Ringrad 74 analog zu der Ausführungsform gemäß Fig. 4 und 5 die Wicklungen 26, die Polschuhe 28 und den Ring 27 zur Bildung des Stators 23 auf, während das Ringrad 24 in der Nähe seines äußeren Umfangs eine Anzahl von Permanentmagneten 31 aufnimmt, die durch den Ring 32 zur Bildung des Rotors 24 verbunden sind. Die Innenverzahnung des Ringrades 74 kämmt mit einem entsprechenden Zahnrad 76, dessen Dimensionen in bezug auf den Innendurchmesser des Ringrades 74 kleiner sind und das exzentrisch und drehbar durch das stationäre Gehäuse 71 abgestützt wird.
Ein Trennelement 78, das an dem stationären Gehäuse 71 befestigt ist, ist in den Zwischenraum zwischen dem Ringrad 74 und dem Zahnrad 76 im Bereich maximalen gegenseitigen Abstands angeordnet und unterteilt den Zwischenraum in einen Einlaßbereich 79, der mit einer Öleinlaßöffnung 80 verbunden ist, die sich in dem stationären Gehäuse 71 befindet, und einen Abgabebereich 81, der mit einer Auslaßöffnung 82 verbunden ist, die ebenfalls in dem stationären Gehäuse 71 auf der Seite gegenüber der Öffnung 80 ausgebildet ist.
Die Stromzufuhr zu dem Stator 23 bewirkt die Drehung des Ringrades 74 und daher des Zahnrades 76, so daß in bekannter Weise das Öl, das sich zwischen den Zähnen des Zahnrades 76 und des Ringrades 74 befindet, von dem Einlaßbereich 79 zu dem Abgabebereich 81 überführt wird.
Die Vorteile der elektrischen Pumpe 10 der Erfindung in bezug auf herkömmliche Pumpen ergeben sich von selbst aus der vorangegangenen Beschreibung. Tatsächlich ist die elektrische Pumpe 10 einerseits sehr einfach herzustellen und zu montieren, da keinerlei Antriebsübertragungsmechanismen zwischen der Maschinenwelle und der Pumpe erforderlich sind. Andererseits ist die Drehzahl des Elektromotors, der die Pumpe antreibt, leicht durch elektronische Mittel regelbar, so daß es möglich ist, den Verbrauch durch Reduzierung des Ausstoßes der Pumpe zu senken, wenn die Maschine kalt ist, und zu erhöhen, wenn die Maschinentemperatur ihren normalen Betriebsbereich erreicht, und allgemein durch Anpassung der Leistung an die tatsächlichen Anforderungen durch die Maschine.
Es liegt auf der Hand, daß die elektrische Pumpe, die oben beschrieben wurde, verschiedene andere Abwandlungen und Verbesserungen ermöglicht, ohne daß dadurch der Schutzbereich der Ansprüche verlassen wird. Beispielsweise könnten die Form des stationären Gehäuses und des Pumpenrades weiter abgewandelt werden. Insbesondere bei der Variante der Fig. 1 ist es möglich, einen Ring aus dem Material des Pumpenrades zu verwenden, der alle Enden der Schaufeln verbindet und der es gestattet, die Permanentmagneten 31 unterhalb ihrer Oberfläche gegenüber dem Stator 23 einzubetten, und zugleich als eine Schublagerfläche dient. Andererseits kann die Schaltung, die Betätigungsimpulse erzeugt, von der elektrischen Pumpe entfernt angeordnet sein. Ferner kann der elektrische Motor anderer Art sein, beispielsweise ein Wechselstrommotor mit Käfigrotor.

Claims

1. Elektrische Pumpe zum Umwälzen einer Flüssigkeit, beispielsweise im Kreislauf einer Brennkraftmaschine, mit einem stationären Gehäuse (11, 51, 71) zur Begrenzung einer Flüssigkeitssammelkammer (12, 52, 72), einem Pumpenrad (16, 56, 73), das drehbar an dem stationären Gehäuse (11, 51, 71) angebracht und mit Pumpgliedern (17, 57, 74) für die Flüssigkeit in der Kammer (12, 52, 72) versehen ist, und einem Elektromotor (23, 24) mit einer Induktionsspule (23) und einem Läufer (24), die jeweils mit einem der Teile Gehäuse (11, 51, 71) und Pumpenrad (16, 56, 73) verbunden sind, die aus Kunststoffmaterial oder nichtmagnetischem metallischem Material bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule (23) eine elektrische Wicklung (26) enthält, die auf eine Anzahl von Polen (28) gewickelt ist, die einstückig mit einem ersten Ring (27) aus ferromagnetischem Material ausgebildet sind und eine Einlage bilden, die in das Material des stationären Gehäuses (11, 51, 71) eingebettet sind, welcher Läufer (24) eine Anzahl von Dauermagneten (31) aufweist, die an einem zweiten Ring (32) aus ferromagnetischem Material befestigt sind und einen Einsatz bilden, der in das Material des Pumpenrades (16, 56, 73) eingebettet ist.

2. Elektrische Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gehäuse und Pumpenrad (11, 51, 71; 16, 56, 73) aus Kunststoffmaterial bestehen, daß die Induktionsspule (23) und der Läufer (24) vollständig in das Kunststoffmaterial des Gehäuses (11, 51, 71) bzw. des Pumpenrades (16, 56, 73) während des Formens dieser Teile eingebettet sind, daß jeder der Ringe (27, 32) mit wenigstens einer entsprechenden Lasche (37, 38) verbunden ist, die anschließend bündig mit einer Oberfläche des stationären Gehäuses (11, 51, 71) und des Pumpenrades (16, 56, 73) abgeschnitten wird.

3. Elektrische Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpenrad eine Scheibe (73) umfaßt, die ein inneres Ringzahnrad (74) aufweist, und daß ein Zahnrad (76) vorgesehen ist, das drehbar durch das stationäre Gehäuse (71) abgestützt wird, welches Zahnrad (76) kleiner in den Abmessungen ist als das Ringzahnrad (74) und exzentrisch in bezug auf das Ringzahnrad (74) angeordnet ist, wobei die Magneten (31), die durch den zweiten Ring (32) verbunden sind, in die äußere Oberfläche der Scheibe (73) eingebettet sind und die Pole (28), die durch den ersten Ring (27) verbunden sind, in eine innere zylindrische Oberfläche des stationären Gehäuses (71) gegenüber den Magneten (31) eingebettet sind.

4. Elektrische Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Trennelement (78) eingefügt ist zwischen das Zahnrad (76) und das Ringzahnrad (74), welches Trennelement (78) den Raum zwischen dem Zahnrad (76) und dem Ringzahnrad (74) in einen Einlaßbereich (79) und einen Abgabebereich (81) unterteilt, wobei die Scheibe (73) in einer zylindrischen Kammer (72) im stationären Gehäuse (71) liegt.

5. Elektrische Pumpe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (23, 24) ein bürstenloser Gleichstrommotor ist, daß die Pumpe verwendet wird zum Umwälzen des Schmieröls der Maschine, daß elektronische Einrichtungen vorgesehen sind zur Steuerung der Drehzahl des Elektromotors (23, 24) unabhängig von der Drehzahl der Welle der Maschine.

6. Elektrische Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpenrad (16, 56) eine Reihe von Flügeln (17-57) umfaßt, die in Richtung eines Bereichs des stationären Gehäuses (51, 71) vorspringen, der eine Rotationsfläche (18, 58) aufweist und mit den Flügeln (17, 57) ausgerichtet ist.

7. Elektrische Pumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ring mit einer Reihe von Vorsprüngen (33) versehen ist, die jeweils mit einem der Magneten (31) verbunden sind, daß jeder der Vorsprünge (33) einen Kern des entsprechenden Flügels (17, 57) bildet und daß der entsprechende Magnet (31) auf einem Bereich des Flügels (17, 57) angrenzend an die Rotationsfläche (18, 58) angeordnet ist.

8. Elektrische Pumpe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsfläche (18) kegelstumpfförmig ist, daß die Flügel (17) im wesentlichen spiralförmig verlaufen und die Magneten (31) in einen Bereich der Flügel (17) tragen.

9. Elektrische Pumpe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsfläche (58) zylindrisch ist, daß die Flügel (57) im wesentlichen spiralförmig sind und jeden der Magnete (31) auf dem Bereich eines der Flügel (57) angrenzend an die zylindrische Oberfläche (58) tragen.

10. Elektrische Pumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauermagneten (31) vollständig in das Kunststoffmaterial eines der Flügel (57) eingebettet sind und daß jeder der Vorsprünge (33) mit wenigstens einer Öffnung (64) versehen ist, die eine Verankerung in dem Kunststoffmaterial des entsprechenden Flügels (57) gestattet.

11. Elektrische Pumpe nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (23, 24) ein bürstenloser Gleichstrommotor ist, daß die Pumpe zum Umwälzen von Kühlwasser der Maschine eingesetzt wird und daß elektronische Einrichtungen zur Steuerung der Drehzahl des Elektromotors (23,24) unabhängig von der Drehzahl der Welle der Maschine vorgesehen sind.