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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffpumpe für einen Verbrennungsmotor und insbesondere eine durch einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC-Motor) angetriebene Kraftstoffpumpe.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Kraftstoffpumpen werden in Motorfahrzeugen verwendet, um flüssigen Kraftstoff, normalerweise Benzin oder Diesel, von einem Kraftstofftank in einen Verbrennungsmotor zu leiten. Die Pumpe wird durch einen kleinen Gleichstrommotor angetrieben, und der Kraftstoff wird durch den Innenraum des Motors geleitet, um Leckagen durch Lagerdichtungen etc. auf ein Minimum zu beschränken. Dies funktioniert selbst bei Motoren, die mit Kommutatoren ausgestattet sind, sehr gut, wobei der Kraftstoff den Motor kühlt und eine Funkenbildung zwischen den Bürsten und dem Kommutator ausschließt. Mit der Einführung von hochalkoholischen Kraftstoffen sind chemische Reaktionen zwischen dem Kommutator und dem Kraftstoff jedoch zu einem Problem geworden, das zur Verwendung von Graphit-Kommutatoren und einem erneuten Interesse an bürstenlosen Motoren für den Antrieb der Kraftstoffpumpen führt. Bürstenlose Motoren haben besonders in Kraftfahrzeuganwendungen zahlreiche Vorteile wie zum Beispiel eine längere Lebensdauer durch den Wegfall von Bürsten und Kommutator.
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Ein Problem bei der Verwendung von BLDC-Motoren in Kraftstoffpumpen ist, dass der Pfad durch den Motor hindurch sehr eingeschränkt ist, wodurch wiederum der freie Durchfluss von Kraftstoff erheblich eingeschränkt ist. Ein Grund dafür ist, dass BLCD-Motoren einem bewickelten Stator haben und es wünschenswert ist, die Wicklungen des Stators wegen der aggressiven Beschaffenheit des Kraftstoffs zu schützen. Dies geschieht normalerweise durch ein Umspritzen des Stators, des Kerns und der Wicklungen mit einem Umspritzungsmaterial wie einem Kunststoffmaterial oder einem harzhaltigen Material, vorzugsweise unter Anwendung eines Hinterspritzverfahrens. Dieses Verfahren verwandelt den Stator jedoch in eine feste Masse, wobei die verschiedenen Spalten zwischen dem Statorkern und den Wicklungen verschlossen werden. Da der Stator normalerweise in das Pumpengehäuse eingepresst ist, ist der einzige verbleibende Weg für den Kraftstoff der schmale Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor. Dieser Spalt wird jedoch im Hinblick auf die Effizienz des Motors bewusst so klein wie möglich gehalten. Der Kraftstoff in diesem kleinen Spalt fängt sich zwischen dem sich drehenden Rotor auf der einen Seite und dem stationären Stator auf der anderen Seite, wodurch eine Erwärmung des Kraftstoffs durch Reibung stattfindet und ein beachtlicher Widerstand an dem Rotor entsteht, wodurch die Effizienz des Motors deutlich herabgesetzt wird. Dieses Problem ist bei PMDC-Motoren, deren Stator mit Segmentmagneten gebildet ist, aufgrund von Kanälen zwischen den einzelnen Magneten nicht vorhanden.
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Der in der vorliegenden Beschreibung verwendete Begriff bürstenloser Gleichstrommotor ist in seinem weitesten Sinne zu verstehen und soll auch Sonderformen der BLCD-Motoren einschließen, die als BLAC-Motoren bekannt sind, die eine ähnliche physische Struktur haben, jedoch mit sinusförmigen Stromsignalen aus der Motorsteuerung gespeist werden.
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Aus der
US 5 418 416 A ist ein dreiphasiger BLCD-Motor bekannt, der bewickelte Y-förmige Zähne und unbewickelte Zähne dazwischen aufweist.
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Aus der
DE 10 2009 028 266 A1 ist eine elektrische Kraftstoffpumpe mit einem Elektromotor bekannt, bei der Kraftstoff durch einen Pfad zwischen der Innenfläche eines Gehäuses und der Außenfläche eines Stators des Elektromotors fließt, wobei die Pfade im Bereich bewickelter Zähne des Stators ausgebildet sind.
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AUFGABENSTELLUNG
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Es besteht daher der Wunsch nach einer Kraftstoffpumpe, die durch einen BLDC-Motor angetrieben wird und bei der der Durchfluss von Kraftstoff durch den Motor nicht eingeschränkt ist, so dass die Effizienz des Motors erhalten bleibt.
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Gemäß vorliegender Erfindung wird dies durch Kraftstoffdurchlässe zwischen dem Stator des Motors und dem Kraftstoffpumpengehäuse erreicht.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Kraftstoffpumpe für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt, umfassend: ein Gehäuse; eine in dem Gehäuse angeordnete Pumpe; einen in dem Gehäuse angeordneten Motor, der einen bewickelten Stator mit einer Mehrzahl von nach innen gerichteten, mit einer Statorwicklung bewickelten Zähnen aufweist, wenigstens einen unbewickelten Zahn, wobei eine Außenseite des Motors mit einer Innenseite des Gehäuses in Kontakt ist; und zumindest einen zwischen der Innenfläche des Gehäuse und der Außenfläche des Stators gebildeten Pfad für den Durchfluss von Kraftstoff.
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Gemäß der Erfindung ist der oder jeder Pfad durch eine sich axial erstreckende Ausnehmung gebildet, die an der Außenfläche des Stators gebildet ist, wobei die oder jede Ausnehmung auf einen unbewickelten Zahn des Stators ausgerichtet ist.
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Vorzugsweise ist der oder jeder Pfad durch eine axiale Rinne gebildet, die in der Außenfläche des Stators gebildet ist.
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Vorzugsweise ist die oder jede Rinne auf einen gewählten Zahn des Stators ausgerichtet.
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Vorzugsweise ist der oder jeder gewählte Zahn des Stators nicht bewickelt.
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Vorzugsweise ist der Stator mit einem Material umspritzt, um die Wicklung vor einer chemischen Reaktion mit dem Kraftstoff zu schützen.
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Vorzugsweise ist der Motor ein bürstenloser Gleichstrommotor.
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Vorzugsweise ist der Stator mit einem Kunststoff- oder Harzmaterial umhüllt.
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Vorzugsweise sind drei Pfade vorhanden, und der Motor hat vier Rotorpole und neun Statorpole.
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Vorzugsweise umfasst der Stator eine Vielzahl von zusammengeschichteten Blechen. Eine Außenfläche jedes Blechs definiert eine Vielzahl von beabstandeten Ausschnitten und bildet eine Noppe in den jeweiligen Ausschnitten. Die Ausschnitte entsprechen jeweils den bewickelten Zähnen, wobei die Noppen des Blechs miteinander verschweißt sind, um die Bleche miteinander zu verbinden. Das Material ist in die Ausschnitte zur Ausbildung einer Vielzahl von beabstandeten Stegen gefüllt.
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Vorzugsweise ist ein Bereich der Außenfläche des Stators zwischen benachbarten Stegen nicht mit dem Material bedeckt.
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Vorzugsweise sind die Ausschnitte der Bleche axial ausgerichtet.
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Figurenliste
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels beschrieben, wobei auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, tragen in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, die gleichen Bezugszeichen. Die Dimensionen von Komponenten und in den Figuren dargestellten Merkmalen sind allgemein im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Die Figuren sind im Folgenden aufgelistet.
- 1 ist eine Schnittansicht einer Kraftstoffpumpe gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 ist eine Querschnittsdarstellung der Kraftstoffpumpe von 1 entlang der Linien A-A;
- 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Motors der Kraftstoffpumpe von 1; und
- 4 ist eine schematische Darstellung eines Statorkerns und Rotors für den Motor von 3.
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DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt eine komplette Kraftstoffpumpe 40 in einer Schnittansicht. Die Kraftstoffpumpe hat ein Gehäuse 42 in einer zylindrischen Form, das zwei offene Enden aufweist, die durch Endkappen 44, 45 verschlossen sind, die die Kraftstoffpumpe mit den Kraftstoffleitungen verbinden. Das Gehäuse enthält einen Pumpenabschnitt 46 und einen Motorabschnitt 50, in dem ein Motor untergebracht ist. Der Pumpenabschnitt 46 enthält ein Pumpenlaufrad 47, das durch den Motor in einer Volute 48 gedreht wird, um Kraftstoff von einem Kraftstoffeinlass 49 in der ersten Endkappe 44 in den Pumpenabschnitt anzusaugen und durch den Motorabschnitt 50 und aus einem Kraftstoffauslass 51 in die zweite Endkappe 45 zu bewegen. Der Motorabschnitt 50 nimmt den Motor auf, der den Stator 12 aufweist, der in das Gehäuse 42 gepresst ist, und den Rotor 16 mit dem in dem Stator 12 liegenden Rotorkern 17 und mit einer Rotorwelle 19, die an einem Ende in Lagern in der Pumpenvolute 48 und an dem anderen Ende in der zweiten Endkappe 45 zapfengelagert ist. Der Stator 12 trägt eine Statorwicklung 20 und ist mit einem Material, beispielweise einem Kunststoffmaterial oder Harzmaterial zum Schutz der Wicklung vor einer chemischen Reaktion mit dem gepumpten Kraftstoff geschützt. Die zweite Endkappe ist zweiteilig dargestellt, wobei ein erster Teil das Gehäuse 42 verschließt und den Kraftstoffauslass 51 sowie den Stromanschluss für den Betrieb des Motors bildet und ein zweiter Teil das Lager für die Rotorwelle trägt. Die zweite Endkappe 45 kann ein elektronisches Modul aufweisen, das die Elektronik für den Betrieb des BLDC-Motors enthält. In dieser Ausführungsform ist das Elektronikmodul jedoch außerhalb der Kraftstoffpumpe angeordnet.
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Der Strömungsweg des Kraftstoffs durch die Kraftstoffpumpe verläuft durch den Einlass 49 in die erste Endkappe 44; in die Volute 48, aus der der Kraftstoff durch das Pumpenlaufrad 47 in den Innenraum des Gehäuses 42 bewegt wird; durch die Kraftstoffpfade 52 zwischen dem Statorkern 13 und dem Gehäuse 42 an dem Motor vorbei (wenngleich eine geringe Kraftstoffmenge immer noch zwischen dem Rotorkern 17 und dem Statorkern 13 hindurchströmen kann); in die zweite Endkappe 45 und durch den Kraftstoffauslass 51 der zweiten Endkappe 45 aus der Pumpe, wie das anhand der Blockpfeile 60 dargestellt ist.
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2 zeigt einen Querschnitt durch die Kraftstoffpumpe entlang der Schnittlinien A-A von 1. 2 zeigt den Kraftstoffpfad 52 zwischen dem Stator 12 und dem Gehäuse 42. In der bevorzugten Ausführungsform sind drei Kraftstoffpfade 52 vorgesehen. 2 zeigt auch, in welcher Weise die Spalten in dem Stator mit Umspritzungsmaterial gefüllt wurden, so dass die Endfläche des Stators eine feste Wand präsentiert.
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Die aus dem Stator 12 und dem Rotor 16 bestehende Gruppe ist in 3 dargestellt. Nachdem die Statorwicklung an dem Statorkern 13 hergestellt wurde, wird der Stator 12 mit einem Kunststoffmaterial oder Harzmaterial 30 umspritzt, vorzugsweise durch einen Hinterspritzungsvorgang. Vorzugsweise sind die Polflächen und die radial äußeren Flächen des Statorkerns 13 nicht mit Umspritzungsmaterial überzogen. Dies sichert einen guten Übergang des Magnetflusses zwischen den Polflächen des Stators und des Rotors und ermöglicht auch einen guten Sitz in dem Motorgehäuse, in das der Statorkern vorzugsweise eingepresst ist.
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Für den Anschluss an eine Steuerung können die Wicklungen mit den Statorklemmen verbunden sein oder direkt mit den Motorklemmen, wobei die Klemmen zur Herstellung von weiteren elektrischen Verbindungen gegebenenfalls auch exponierte Bereiche (nicht gezeigt) hätten, die nicht umspritzt sind. Zum Schutz vor Kraftstoff und um die Rückhaltung der Magnete an dem Rotor zu unterstützen, ist der Rotor 17 umspritzt dargestellt. Das Umspritzungsmaterial 30 unterstützt auch die Effizienz der Kraftstoffpumpe, indem es für einen glatten Strömungsweg des Kraftstoffs sorgt und auch für eine glattere Außenfläche des Rotors, um die Luftbewegung zu reduzieren, d.h. den Widerstand, der durch den sich drehenden Körper entsteht.
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4 zeigt ein Wicklungsschema für einen Dreiphasen-BLDC-Motor einer ersten bevorzugten Ausführungsform. 4 zeigt auch die Konfiguration des Statorkerns der bevorzugten Ausführungsform. Der Stator 12 hat einen Statorkern 13 mit sechs Zähnen 14, 15, die, wie später beschrieben, Statorpole bilden. Die Wicklung 20 hat nur drei Spulen 22, die um alternierende Zähne 14 herum gebildet sind. Die Wicklung 20 ist eine Dreiphasen-Deltawicklung mit drei Schenkeln, nämlich ein Schenkel für jede Phase, wobei jedes Ende eines jeden Schenkels mit zwei der drei Statorklemmen A, B, C verbunden ist und wobei jede Klemme mit zwei der Schenkel verbunden ist, so dass die Enden jedes Schenkels mit den anderen beiden Schenkeln elektrisch verbunden sind. Dadurch hat jeder Schenkel lediglich eine Spule 22. Jedoch haben die bewickelten Zähne 14 in Umfangsrichtung eine größere Erstreckung als die nicht bewickelten Zähne 15 und sie haben in der Polfläche eine tiefe Nut 26, die axial über die Länge des Zahns 14 und radial nach außen in den Zahn hinein verläuft und die Polfläche in zwei, vorzugsweise gleiche Abschnitte unterteilt. Die Nut 26 hat den Effekt, dass sie den Zahn 14 in zwei Statorpole unterteilt und einen Blindschlitz bildet. Der Stator hat somit effektiv neun Schlitze oder neun Statorpole. Die Nuten 26 werden als Blindnuten bezeichnet, da die Blindschlitze nicht mit Spulen bewickelt sind, wodurch der Stator eine einfache Wicklung erhält.
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Tatsächlich bietet die Delta-Wicklungskonfiguration einige Vorteile, indem die Wicklungsverbindungen wie in 4 dargestellt vereinfacht werden. Wie dargestellt, ist bei der Delta-Konfiguration einer Dreiphasenwicklung jede Phasenwicklung mit den anderen beiden Phasenwicklungen verbunden. Beim Wickeln wird der Draht somit mit einer ersten Statorklemme A verbunden, zur Bildung der ersten Phasenwicklung um den ersten Statorzahn gewickelt, mit einer zweiten Statorklemme B verbunden, zur Bildung der zweiten Phasenwicklung um einen zweiten Statorzahn gewickelt, mit einer dritten Statorklemme C verbunden, zur Bildung der dritten Phasenwicklung um einen dritten Statorzahn gewickelt und schließlich zur ersten Statorklemme A zurückgeführt und mit dieser verbunden. Der Draht wird erst abgeschnitten, nachdem er zum zweiten Mal mit der ersten Statorklemme verbunden worden ist, wobei die Wicklung durch den Entfall des gemeinsamen Sternverbindungspunkts vereinfacht wird.
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4 zeigt auch die Form des Statorkerns. Der Statorkern 13 hat in Anpassung an die Innenfläche des Gehäuses 42 der Kraftstoffpumpe eine kreisförmige Konstruktion, mit der Ausnahme, dass die radial äußere Fläche des Statorkerns 13 eine Anzahl von sich axial erstreckenden Ausnehmungen 28 aufweist. Die Ausnehmungen 28 bilden Kraftstoffpfade zwischen dem Statorkern 13 und dem Gehäuse 42, die einen Durchfluss des Kraftstoffs an dem Motor vorbei ermöglichen. Die Ausnehmungen 28 sind auf die nicht bewickelten Zähne 15 ausgerichtet dargestellt. Man geht davon aus, dass dies keine negative Einwirkung auf den Magnetkreis des Stators hat und dass gleichzeitig ein maximaler Raum für die an dem bewickelten Zahn 14 gebildete Spule bereitgestellt wird.
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Der Statorkern 13 ist ein Blechpaket, das aus einer Vielzahl von ausgestanzten und geschichteten Stahlblechen gebildet ist. Die Schichten werden durch geeignete Mittel zusammengehalten, zum Beispiel durch eine gegenseitige Verzahnung oder durch Verschweißen. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Schichten miteinander verschweißt. Dies geschieht vorzugsweise durch die Verwendung eines Laser-Schweißgeräts, um eine kleine Noppe 32 zu verschweißen, die zu diesem Zweck in einem Ausschnitt 33 in der Außenfläche des Statorkerns mit dem bewickelten Zahn 14 fluchtend an jeder Schicht gebildet ist, wie das in 4 gezeigt ist. Während des Umspritzens wird dieser Ausschnitt 33 mit Umspritzungsmaterial gefüllt, um die Schweißung zu schützen. Dieses Umspritzungsmaterial bildet an der Außenfläche des Statorkerns einen Steg 31, der in 3 zu erkennen ist und der die Enden Stators verbindet.
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Die vorliegende Erfindung schafft somit eine neuartige Konstruktion für eine Kraftstoffpumpe. Diese Struktur eignet sich bestens zur Verwendung eines BLDC-Motors in der Pumpe, für den Antrieb der Pumpe. Seitens der Kraftstoffpumpe sind die zwischen dem Stator und dem Gehäuse vorgesehenen Kraftstoffpfade als Vorteil anzusehen. Ein zusätzlicher Vorteil ist die Verwendung eines BLDC-Motors, speziell eines BLDC-Motors mit verringertem Rastmoment. Bestimmte Ausführungsformen sind ideal für die Massenherstellung geeignet.
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Wenngleich das Gehäuse der Kraftstoffpumpe als „zylindrisches“ Gehäuse beschrieben wurde und das dargestellte Beispiel ein gerader Kreiszylinder ist, bedeutet dieser Begriff keine Beschränkung auf ein gerades Kreisprofil. Vielmehr sind beliebige rohrförmige Strukturen mit einem konstanten Querschnitt umfasst, deren Enden senkrecht zur Längsachse des Zylinders ausgebildet sein können oder nicht.
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Wenngleich die Erfindung anhand einer oder mehrerer bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass Modifikationen möglich sind und der Schutzrahmen der Erfindung somit durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.
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Verben wie „umfassen“, „aufweisen“, „enthalten“ und „haben“ sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente vorhanden sind.
