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Die
Erfindung betrifft eine Kühlmittelpumpe mit
elektronisch kommutiertem Elektromotor vorzugsweise zur Kühlmittelumwälzung bei
Brennkraftmaschinen.
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In
der
DE 44 11 960 A1 wird
bereits eine Kühlmittelpumpe
mit elektronisch kommutiertem Elektromotor vorbeschrieben. In dieser
Bauform sind eine Pumpenkammer mit einem Pumpenradrotor und eine
Polkammer hermetisch voneinander abgedichtet. Ein wesentlicher Nachteil
dieser Bauform besteht in den mit der hermetischen Abdichtung verbundenen
hohen Fertigungskosten, die insbesondere auf die technisch zwingend
erforderliche geringe Spaltweite und die damit verbundenen Toleranzen
zurückzuführen sind.
Darüber
hinaus treten aufgrund des bei dieser Bauform verwendeten „Spalttopfes” zwangsläufig magnetische
Verluste auf. Zudem bedingt die viskose Reibung in den engen vg.
Spalten hohe Reibungsverluste. Gleichzeitig erhöht der glockenförmig auszuführende Pumpenradrotor
und dessen fliegende Lagerung zwangsläufig nochmals die Fertigungskosten.
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Die
DE 196 46 617 A1 beschreibt
nun eine weitere Lösung
einer Kühlmittelpumpe
mit elektronisch kommutiertem Elektromotor. Nachteilig ist bei dieser
Bauform wiederum die technisch zwingend erforderliche großflächige hermetische
Abdichtung zwischen den Baugruppen des Motors mit all den daraus resultierenden
bereits in Verbindung mit der vorgenannten Bauform beschriebenen
Nachteilen wie magnetische Verluste, hohe viskose Reibung in engen Spalten
und erhöhte,
toleranzbedingte Fertigungsaufwendungen. Zu diesem erhöhten, toleranzbedingten
Fertigungsaufwand erfordert die im
DE 196 46 617 A1 vorgestellte Lösung einen
sehr hohen spezifischen Fertigungsaufwand, der daraus resultiert, dass
für jede
Pumpenbauform und Pumpenbaugröße jeweils
speziell angepasste Elektromotore bereitgestellt werden müssen. Zudem
treten bei dieser Lösung
in Verbindung mit dem im Kühlmittel
umlaufenden Magnetring auch hohe Reibungsverluste in Form von Panschverlusten
auf.
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Zudem
ist diesen beiden im Stand der Technik vorbeschriebenen Bauformen
gemeinsam, dass die vorgestellten Lösungen mit bereits existierenden Motorfamilien
mit Keilriemenantrieb nicht kompatibel sind.
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Weiterhin
ist aus der
DE 44 46
915 A1 ein magnetischer Pumpenantrieb mit einem von einem Piezo-Wanderwellenmotor
angetriebenen äußeren, „trocken” laufenden
Rotor der über
Magnete einen hermetisch von diesem abgedichteten inneren, „nass” laufenden
Pumpenradrotor antreibt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühlmittelpumpe
mit elektronisch kommutiertem Elektromotor zu entwickeln, welche
die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist,
sich insbesondere durch deutlich verringerte Verlustleistungen und
somit einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet, gleichzeitig eine fertigungstechnisch
optimale, kostengünstige
Spulenabdichtung gegenüber
dem Kühlmittel
ermöglicht,
kompatibel zu bereits existierenden Motorfamilien mit Keilriemenantrieb
ist, und zudem eine hohe Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit
bei minimiertem Fertigungs- und Montageaufwand gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch eine Kühlmittelpumpe
mit elektronisch kommutiertem Elektromotor für Brennkraftmaschinen erreicht,
die sich dadurch auszeichnet, dass der Spulenkörper (6) eines als
Trockenläufer
ausgebildeten elektronisch kommutierten Elektromotors auf einem
Flansch (2) drehfest befestigt ist, welcher am Brennkraftmotorgehäuse (1)
selbst oder an einem am Brennkraftmotorgehäuse (1) angeordneten
Dichtflansch (17) befestigt ist, wobei der Außenläufer (8)
des elektronisch kommutierten Elektromotors mit einer im Flansch
(2) gelagerten Flügelradwelle
(5) drehfest verbunden ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Gestaltung
der Kühlmittelpumpe,
die die Verwendung eines als Trockenläufer ausgebildeten elektronisch
kommutierten Elektromotors ermöglicht,
wird eine fertigungstechnisch optimale, kostengünstige Spulenabdichtung möglich, so
dass auf die Verwendung eines Spalttopfes oder einer sonstigen hermetischen
Abdichtung zwischen den einzelnen Baugruppen des Motors verzichtet
werden kann. Somit können
die Fertigungskosten aufgrund der sinkenden toleranzbehafteten Baugruppen
deutlich gesenkt und andererseits die magnetischen Verluste minimiert
werden, da der Einsatz einer hermetischen Trennwand zwischen den Baugruppen
des Motors entfällt.
Darüber
hinaus werden gleichzeitig die durch die Baugruppen des Motors bedingten
Flüssigkeitsreibungs-
und Panschverluste vermieden, so dass der Wirkungsgrad der Pumpe
sich deutlich verbessert. Zudem ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung den
Einsatz „eines” Bautyps
des elektronisch kommutierten Elektromotors für mehrere Pumpenbauformen und
senkt auch dadurch merklich den Fertigungs- und Montageaufwand bei der
Kühlmittelpumpenherstellung.
Besonders hervorzuheben ist auch, dass die erfindungsgemäße Lösung mit
sehr geringem Änderungsaufwand
in bereits existierenden Motorfamilien eingesetzt werden kann.
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Die
geringe Bautiefe der erfindungsgemäßen Lösung ermöglicht insbesondere auch den
Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung mit
elektronisch kommutiertem Elektromotor an Stelle einer Kühlmittelpumpe
mit Keilriemenscheibe und bietet so die Möglichkeit der Umrüstung auf
eine vom Motormanagement regelbare Kühlmittelpumpe mit den daraus resultierenden
Vorteilen, wie der Kraftstoff- und Emissionseinsparung.
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Weitere
Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
dem Wortlaut der Ansprüche
sowie aus den nachfolgenden Erläuterungen
zu den beiden Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den zugehörigen
Zeichnungen.
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Dabei
zeigen:
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1:
die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe
mit Dichtflansch im Schnitt in der Seitenansicht
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2:
die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe
ohne Dichtflansch mit Gleitlagerhülse im Schnitt in der Seitenansicht
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In
der 1 ist eine erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe mit Dichtflansch 17 in
der Seitenansicht im Schnitt dargestellt.
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Zum
Antrieb des Flügelrades 13 ist
erfindungsgemäß ein als
Trockenläufer
ausgebildeter elektronisch kommutierter Elektromotor vorgesehen, der
durch das von der Brennkraftmaschine angetriebene Generatorsystem
mit Gleichstrom betrieben wird. Der Spulenkörper 6 des als Trockenläufer ausgebildeten
elektronisch kommutierten Elektromotors ist auf einem Flansch 2 drehfest
angeordnet. Dieser Flansch 2 selbst ist an dem am Brennkraftmotorgehäuse 1 angeordneten
Dichtflansch 17 befestigt. Der dem Spulenkörper 6 zugeordnete
Außenläufer 8 des elektronisch
kommutiertem Elektromotors ist über eine
Außenläuferhülse 7 drehfest
mit der im Flansch 2 gelagerten Flügelradwelle 5 verbunden.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Verwendung
eines Trockenläufers
kann auf jedwede hermetische Abdichtung zwischen den einzelnen Baugruppen
des Motors verzichtet werden, so dass einerseits die magnetischen Verluste
minimiert und gleichzeitig die Fertigungskosten deutlich gesenkt
werden. Darüber
hinaus werden gleichzeitig die Flüssigkeitsreibungsverluste in den
engen Spalten des Motors vermieden, so dass der Wirkungsgrad der
erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe
gegenüber
den im Stand der Technik bekannten Bauformen mit elektronisch kommutiertem Elektromotor
deutlich verbessert werden konnte.
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Die
geringe Bautiefe der erfindungsgemäßen Lösung ermöglicht den Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung mit
elektronisch kommutiertem Elektromotor an Stelle einer Kühlmittelpumpe
mit Keilriemenscheibe und bietet so die Möglichkeit der Umrüstung auf
eine vom Motormanagement regelbare Kühlmittelpumpe mit den daraus
resultierenden Vorteilen, wie der Kraftstoff- und Emissionseinsparung.
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Die
Lagerung der Flügelradwelle 5 selbst
erfolgt bei dieser Bauform mittels zweier hier als Wälzlager
ausgebildeten Lager 19 im Flansch 2. Der Flansch 2 ist
dabei mit dem Brennkraftmotorgehäuse 1 über einen
mit einer Innenbohrung versehenen Dichtflansch 17 verbunden.
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Auf
dem der Außenläuferhülse 7 gegenüberliegenden
freien Ende der Flügelradwelle 5 ist
drehfest eine Zwischenhülse 20 angeordnet.
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Der
Raum zwischen der Zwischenhülse 20 und
der Innenbohrung des Dichtflansches 17 wird von einer auf
der Zwischenhülse 20 angeordneten Gleitringdichtung 18 abgedichtet.
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Auf
dem freien Ende der Zwischenhülse 20 ist
nun die Flügelradhülse 12 mit
dem Flügelrad 13 drehfest
angeordnet.
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In
der Innenbohrung des Dichtflansches 17 befinden sich Leckagekanäle 21 zum
ringförmig
ausgebildeten, außen
am Dichtflansch angeordneten Leckagespeicher 22.
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Über die
Leckagekanäle 21 wird
nun der Abfluß von
eventuell durch die Gleitringdichtung 18 hindurchtretender
Leckageflüssigkeit
ermöglicht,
und so eine Beschädigung
der Lager 19 vermieden.
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Im
unteren Bereich der Mittenachse des Flansches 2 befindet
sich eine in der Nähe
des Innenringes des Leckagespeichers 22 mündende Durchgangsbohrung,
der Überlaufkanal 23, über den ein
Verdunsten oder Abfließen
der Leckageflüssigkeit
aus dem Leckagespeicher 22 ermöglicht wird. Im Betriebszustand
der Kühlmittelpumpe
wird die aus dem Leckagespeicher 22 austretende Leckageflüssigkeit
durch den umlaufenden Außenläufer 8 vernebelt.
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Zur
Vermeidung von Leckageverlusten zwischen dem Brennkraftmotorgehäuse 1 und
dem Dichtflansch 17 ist zwischen beiden Bauteilen eine Dichtung 15 angeordnet.
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Die 2 zeigt
in einer Schnittdarstellung eine weitere, sehr optimale Bauform
der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe
für eine
Brennkraftmaschine, ohne Dichtflansch 17 und mit einer
Gleitlagerhülse 4.
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Der
Spulenkörper 6 des
wiederum als Trockenläufer
ausgebildeten elektronisch kommutierten Elektromotors ist bei dieser
Bauform drehfest auf einem unmittelbar am Brennkraftmotorgehäuse 1 angeordneten
Flansch 2 befestigt. Der zugeordnete Außenläufer 8 des elektronisch
kommutiertem Elektromotors ist ebenfalls drehfest mit der im Flansch 2 gelagerten
Flügelradwelle 5 verbunden.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Verwendung
eines Trockenläufers
kann wiederum auf jedwede hermetische Abdichtung zwischen den einzelnen
Baugruppen des Motors verzichtet werden, so dass einerseits die
magnetischen Verluste minimiert, aber gleichzeitig auch die Fertigungskosten
deutlich gesenkt werden. Zudem werden auch in dieser Bauform die
Flüssigkeitsreibungsverluste
in den engen Spalten des Motors vermieden, wodurch der Wirkungsgrad
der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe
gegenüber
den im Stand der Technik bekannten Bauformen mit elektronisch kommutiertem
Elektromotor deutlich verbessert werden konnte.
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Diese
in der 2 vorgestellte erfindungsgemäße Bauform zeichnet sich dabei
insbesondere durch die Verwendung der in der Lagerbohrung 3 des Flansches 2 angeordneten
Gleitlagerhülse 4 aus.
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Der
Einsatz dieser vorzugsweise aus Keramik oder Kunststoff, wie beispielsweise
PEEK, hergestellten Gleitlagerhülse 4 minimiert
nochmals deutlich den Fertigungs- und Montageaufwand.
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Für den Einbau
der erfindungsgemäßen Gleitlagerhülse 4 ist
es wesentlich, dass an den Bohrungsenden des Flansches 2 Bohrungsfreisitze 11 angeordnet
sind.
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Aufgrund
dieser Bohrungsfreisitze 11 wird eine Pressverbindung an
den Lagerstellen der Flügelradwelle 5 vermieden.
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Kennzeichnend
ist in diesem Zusammenhang auch, dass der Innendurchmesser der Gleitlagerhülse 4 im
Bereich zwischen den Bohrungsfreisitzen 11 einen Wellenfreisitz 10 aufweist.
Dieser Wellenfreisitz 10 gewährleistet einerseits eine definierte radiale
Lagerung der Flügelradwelle 5,
reduziert zudem deutlich die Lagerreibungsverluste und gewährleistet
gleichzeitig eine optimale Schmierung der Lagerstellen der Flügelradwelle 5.
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Weiterhin
ist für
die erfindungsgemäße axiale
Lagerung der Flügelradwelle 5 in
der Gleitlagerhülse 4 kennzeichnend,
dass an der einen Stirnseite der Gleitlagerhülse 4 die drehfest
mit der Flügelradwelle 5 verbundene
Flügelradhülse 12,
und an der anderen Stirnseite der Gleitlagerhülse 4, die ebenfalls
drehfest mit der Flügelradwelle 5 verbundene
Außenläuferhülse 7 anliegt.
Auf der Flügelradhülse 12 ist
das Flügelrad 13 und
auf der Außenläuferhülse 7 der
Außenläufer 8 angeordnet.
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Wesentlich
ist dabei, dass die Stirnflächen der
Gleitlagerhülse 4 sowohl
mit der unmittelbar benachbarten Stirnfläche der Flügelradwelle 5 wie
auch mit der Stirnfläche
der Außenläuferhülse 7,
welche beide jeweils eine hohe Oberflächengüte sowie eine entsprechende
Lagerhärte
aufweisen, je ein Axiallager bilden, so dass diese Axiallager in
der Lage sind, die im Betriebszustand der Kühlmittelpumpe auftretenden
Axialkräfte
der Flügelradwelle 5 aufzunehmen.
Insbesondere die beidseitige axiale Lagerung der Flügelradwelle 5 an
der Gleitlagerhülse 4 ermöglicht,
neben einer kostengünstigen
Herstellung und Montage, zudem eine exakte axiale Lagerung der Flügelradwelle 5 bei
definierter beidseitiger Aufnahme der im Betriebszustand auftretenden
axialen Lagerkräfte.
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Der
speziell zwischen dem Spulenkörper 6 und
der Außenläuferhülse 7 angeordnete
Radialwellendichtring 9 ermöglicht zudem ein definiertes
Abfließen
von Leckagen in den Läufertopf 16,
welcher selbst bei Stillstand der Kühlmittelpumpe ein relativ großes Leckagevolumen
aufnehmen kann. Im Betriebszustand wird dann die Leckageflüssigkeit
vernebelt und verdampft. Die Spulen des elektronisch kommutierten
Elektromotors wirken dabei wie ein „Tauchsieder”, wobei
die erfindungsgemäß verdampfte
Leckageflüssigkeit
zugleich eine optimale Kühlung
des Elektromotors gewährleistet.
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In
der Lagerbohrung 3 des Flansches 2 ist ein Axialkanal 14 angeordnet.
Dieser im Flansch 2 angeordnete Axialkanal 14 gewährleistet
ein kontinuierliches Zurückfließen der
zur Gleitlagerschmierung der Flügelradwelle 5 verwendeten
Kühlflüssigkeit
in den Kühlmittelkreislauf.
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Zwischen
dem Brennkraftmotorgehäuse 1 und
dem Flansch 2 ist eine Dichtung 15 zur Vermeidung
von Leckagen zwischen diesen Baugruppen angeordnet.
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Mittels
der erfindungsgemäßen Lösung ist
es somit gelungen, eine Kühlmittelpumpe
mit elektronisch kommutiertem Elektromotor zu entwickeln, welche
sich insbesondere durch deutlich verringerte Verlustleistungen und
somit einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet, gleichzeitig eine fertigungstechnisch optimale,
kostengünstige
Spulenabdichtung gegenüber
dem Kühlmittel
ermöglicht,
kompatibel mit bereits existierenden Motorfamilien mit Keilriemenantrieb
ist, und zudem eine hohe Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit
bei minimiertem Fertigungs- und Montageaufwand gewährleistet.
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- 1
- Brennkraftmotorgehäuse
- 2
- Flansch
- 3
- Lagerbohrung
- 4
- Gleitlagerhülse
- 5
- Flügelradwelle
- 6
- Spulenkörper
- 7
- Außenläuferhülse
- 8
- Außenläufer
- 9
- Radialwellendichtring
- 10
- Wellenfreisitz
- 11
- Bohrungsfreisitz
- 12
- Flügelradhülse
- 13
- Flügelrad
- 14
- Axialkanal
- 15
- Dichtung
- 16
- Läufertopf
- 17
- Dichtflansch
- 18
- Gleitringdichtung
- 19
- Lager
- 20
- Zwischenhülse
- 21
- Leckagekanal
- 22
- Leckagespeicher
- 23
- Überlaufkanal