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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Stellantriebe, insbesondere für eine Pumpe oder ein Ventil, die mit Hilfe eines Elektromotors betrieben werden. Insbesondere betrifft die Erfindung Stellantriebe einen Elektromotor, deren Rotor im Medium läuft und vollständig von dem Stator des Elektromotors abgetrennt ist.
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Stand der Technik
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Automatische Pumpen zum Fördern von Fluiden und Ventile zum Steuern von Fluidströmen können Elektromotoren als Antrieb eingesetzt werden. Um die Elektronik bzw. die Statorwicklungen vor dem Fluid zuverlässig zu schützen, kann vorgesehen werden, dass der Rotor im Fluid läuft. Der Rotor ist mit einem Pumpenrad oder einer Verstellscheibe gekoppelt, so dass diese direkt vom Rotor angetrieben werden können. Der Rotor läuft dazu in einer Ausnehmung des Gehäuses, die Spaltrohr genannt wird. Die Wandung des Spaltrohrs befindet sich zwischen dem Stator und dem Rotor und trennt den Teil des Gehäuses, in dem das Fluid geführt ist, vom restlichen Gehäuse, das vom Fluid getrennt sein soll, ab. Dadurch ist es möglich, den Stellantrieb lediglich mit Hilfe von statischen Dichtungen aufzubauen, da keine Antriebswelle für das Pumpenrad oder die Verstellscheibe durch einen Durchlass durch den fluidgefüllten Teil und den nicht-fluidgefüllten Teil des Gehäuses abgedichtet werden muss.
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Obwohl der sich aus dem Aufbau mit einem Spaltrohr ergebende große Luftspalt in der Regel zu einer Wirkungsgradverschlechterung führt, sind insbesondere elektronisch kommutierte Motoren wie z. B. Synchronmotoren gut für eine derartige Konstruktion geeignet.
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Aus EMV-Gründen (EMV: Elektromagnetische Verträglichkeit) und zum Einsparen von Verbindungleitungen ist oftmals eine Ansteuerschaltung für den Elektromotor in den Stellantrieb integriert. Die Elektronik umfasst eine Ansteuerschaltung zum Erzeugen von geeigneten Ansteuersignalen und eine Endstufe, um abhängig von den Ansteuersignalen eine elektrische Leistung, z. B. als Phasenspannungen, an die Statorwicklung des Elektromotors anzulegen.
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Die Endstufe ist in der Regel mit Leistungshalbleitern aufgebaut. In der Endstufe entsteht durch Schaltvorgänge eine Verlustleitung, die bei einer Realisierung auf der Leiterplatte der Ansteuerelektronik schlecht thermisch abgeführt werden kann und dadurch im Ergebnis die maximale Umgebungstemperatur, in der der Stellantrieb eingesetzt werden kann, reduziert.
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Es ist also Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stellantrieb mit einem elektronisch kommutierten Elektromotor und einer Ansteuerschaltung zur Verfügung zu stellen, die im Vergleich zu Stellantrieben gemäß des Standes der Technik bei einer höheren Temperatur betrieben werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Anordnung zum Pumpen eines Fluids oder zum Betreiben eines Ventils zum Steuern des Fluids gemäß Anspruch 1 sowie durch die Wasserpumpe und das Ventil gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abghängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Anordnung zum Pumpen eines Fluids oder zum Betreiben eines Ventils zum Steuern des Fluids vorgesehen. Die Anordnung umfasst:
- – ein Gehäuse mit einem fluidführenden Bereich und einem abgegrenzten nicht-fluidführenden Bereich, der gegen ein Eindringen des Fluids isoliert ist;
- – eine elektronische Ansteuereinheit mit mindestens einem wärmeabgebenden elektronisches Bauelement, um eine in dem Gehäuse angeordnete Antriebseinheit zu betreiben,
wobei das Bauelement an einem Abschnitt einer Wandung zwischen dem fluidführenden Bereich und dem nicht-fluidführenden Bereich angeordnet ist.
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Eine Idee der obigen Anordnung besteht darin, elektronische Bauelemente der Anordnung, in denen eine Verlustleistung in Form von Wärme entsteht, so an einem Abschnitt der Wandung, die den fluidführenden Bereich und den nicht-fluidführenden Bereich voneinander trennt, anzuordnen, dass die Wärme durch die Wandung an das Fluid in verbesserter Weise abgegeben werden kann.
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Weiterhin kann die Antriebseinheit einen Rotor, der innerhalb des fluidführenden Bereichs angeordnet ist, und einen Stator, der in dem nicht-fluidführenden Bereich angeordnet ist, aufweisen. Insbesondere kann der Rotor innerhalb einer Ausnehmung des fluidführenden Bereichs angeordnet sein, die von dem Stator umgeben ist, wobei das Bauelement an der Wandung der Ausnehmung angeordnet ist. Da sich bei der Antriebseinheit der Rotor im Fluid bewegt wird das Fluid in dem Bereich des Rotors, d. h. in der Ausnehmung, stark verwirbelt, so dass, an der Wandung der Ausnehmung das Fluid schnell vorbeibewegt wird. Dadurch kann eine Wärme, die über den Abschnitt der Wandung in den fluidführenden Bereich eingekoppelt wird, schnell durch das Fluid abgeführt werden, da ein Wärmestau vermieden wird. Dadurch kann das elektronische Bauelement, das an der Wandung angebracht ist, entsprechend gekühlt werden. Auf diese Weise kann eine Kühlung für das wärmeabgebende Bauelement ohne besondere Maßnahmen vorgesehen werden.
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Weiterhin kann der Abschnitt der Wandung der Ausnehmung schräg oder senkrecht zu einer axialen Richtung des Rotors innerhalb der Ausnehmung verlaufen.
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Die Antriebseinheit kann mit einem Ventilstellglied zum Steuern eines Ventils oder mit einem Pumpenrad zum Pumpen des Fluids gekoppelt sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass bei der obigen Anordnung die Wandung aus einem nicht-magnetischen, wärmeleitenden Material, insbesondere Aluminium, ausgebildet ist.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Die einzige Figur zeigt eine Wasserpumpe 1 mit einem Gehäuse 2. In dem Gehäuse 2 der Wasserpumpe 1 ist ein Flüssigkeitskanal 3 vorgesehen, der durch eine Ausnehmung 5 verläuft. In der Ausnehmung 5 ist ein Pumpenrad 4 angeordnet. Die Ausnehmung 5 wird durch ein sogenanntes Spaltrohr gebildet, das einen zylinderförmigen Hohlraum darstellt. In dem Gehäuse 2 bildet der Flüssigkeitskanal 3 und das Innere des Spaltrohrs einen flüssigkeitsführenden (allgemein: fluidführenden) Bereich während weiterhin ein abgetrennter nicht-flüssigkeitsführenden (allgemein: nicht-fluidführenden) Bereich vorgesehen ist, der von dem flüssigkeitsführenden Bereich isoliert ist, so dass Flüssigkeit nicht eindringen kann.
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In der Ausnehmung 5 ist weiterhin ein Rotor 6 beweglich angeordnet. Der Rotor 6 ist an einer Rotorwelle 7 befestigt, die über ein erstes Lager 8 und ein zweites Lager 9 gelagert ist. Beispielsweise können sich beide Lager 8, 9 vollständig innerhalb der Ausnehmung 5 befinden. Das Pumpenrad 4, der Rotor 6 sowie die Rotorwelle 7 können vollständig im Inneren der Ausnehmung 5 aufgenommen sein, so dass auf das Vorsehen von Wellendichtungen verzichtet werden kann.
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Im abgetrennten Bereich des Gehäuses 2 ist weiterhin ein Stator 10 vorgesehen, der mit dem Rotor 6 einen Elektromotor zum Antreiben des Pumpenrads 4 bildet. Der Stator 10 ist in der Umfangsrichtung um den Rotor 6 angeordnet. Der Rotor 6 und der Stator 10 sind voneinander durch die Wandung des Spaltrohrs, die die Ausnehmung 5 definiert getrennt. Das Spaltrohr, das die Ausnehmung 5 definiert, weist einen wesentlichen zylinderförmigen Querschnitt auf, und ist möglichst aus einem nicht-magnetischem Material aufgebaut. Da Spaltrohr ist vorzugsweise aus einem gut wärmeleitfähigen Material ausgebildet, wie z. B. Aluminium. Jedoch kommen auch andere Materialen (z. B. Kunststoff) in Betracht, die nicht magnetisch sind und gleichzeitig eine gute Beständigkeit gegen Korrosion aufweisen.
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Der Stator 10 trägt eine Statorwicklung 11, die mit Hilfe einer Ansteuereinheit 12, die mit Hilfe einer Ansteuerelektronik auf einer Leiterplatte 12 realisiert ist, angeordnet ist. Die Ansteuereinheit 12 steuert die Statorwicklung 11 gemäß dem Betrieb eines Synchronmotors so an, dass der Rotor 6 angetrieben wird. Der Rotor 6 dreht die Rotorwelle 7 und treibt somit das Pumpenrad 4 an, um eine Flüssigkeit durch den Flüssigkeitskanal 3 zu bewegen.
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Beim Betrieb des durch Stator 10 und dem Rotor 6 gebildeten Synchronmotors mit Hilfe der Ansteuereinheit 12 tritt eine Verlustleistung in Leistungsbauelementen 13, insbesondere in Leistungshalbleiterschaltern, wie z. B. MOSFETs, Thyristoren, IGBTs und dergleichen, oder Leistungswiderständen auf. Um die in den Leistungsbauelementen 13 erzeugte Wärme ableiten zu können, ist nun vorgesehen, mindestens eines der Leistungsbauelemente 13 an einem Abschnitt der Wandung des Spaltrohrs anzubringen. Da die Wandung des Spaltrohrs als Trennung zwischen dem flüssigkeitsführenden Bereich und dem abgetrennten nicht-flüssigkeitsführenden Bereich des Gehäuses 2 der Pumpe dient, ist somit gewährleistet, dass auf der gegenüberliegenden Seite des Abschnitts der Wandung des Spaltrohrs, an dem das mindestens eine Leistungsbauelement 13 angebracht ist, die zu pumpende Flüssigkeit vorbeiströmt. Dadurch kann die in dem Leistungsbauelement 13 erzeugte Wärme an die vorbeiströmende Flüssigkeit abgegeben werden, wodurch dieses gekühlt wird. Die Leistungsbauelemente 13 können beispielsweise mit Halteklammern oder Andruckfedern thermisch gut mit dem Abschnitt der Wandung des Spaltrohrs gekoppelt werden. Alternativ können die Leistungsbauelemente 13 auch an den Abschnitt geklebt werden.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, das der Abschnitt der Wandung des Spaltrohrs, an dem die Leistungsbauelemente 13 angeordnet ist, einem Abschnitt entspricht, der senkrecht zur Achsrichtung der Rotorwelle 7 verläuft. Selbstverständlich kann das Leistungsbauelement 13 bzw. die Leistungsbauelemente 13 an einen beliebigen Abschnitt der Wandung angeordnet werden, jedoch ermöglicht die Anordnung an dem parallel oder schräg verlaufenden Abschnitt der Wandung des Spaltrohrs eine besonders gute Wärmeableitung. Dies resultiert daraus, dass es bei einer Bewegung des Rotors 6 in dem Spaltrohr zu Verwirbelungen der Flüssigkeit kommt, die an Flächen, die nicht parallel zu der axialen Richtung des Rotors verlaufen besonders hoch sind.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass an einem geschlossenen Ende des Spaltrohres die Ansteuereinheit 12 angeordnet ist, so dass die Leistungsbauelemente 13 an dem abgeschlossene Ende des Spaltrohres angeordnet sein können und so die Verbindungsleitungen zwischen der Ansteuereinheit 12 und den Leistungsbauelementen 13 möglichst kurz gehalten werden können. Dadurch werden EMV bedingte Störungen möglichst gering gehalten.
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Beispielsweise kann die Ansteuereinheit 12 auf einer Leiterplatte ausgebildet sein. Die Leiterplatte kann parallel zu dem Abschnitt der Wandung des Spaltrohrs im Wesentlichen daran angrenzend angeordnet sein, so dass das mindestens eine Leistungsbauelement sowohl durch eine übliche Kontaktverbindung (z. B. Lötverbindung) mit der Leiterplatte verbunden ist als auch mit einer wärmeableitenden Fläche an der Wandung des Spaltrohrs anliegt. Eine solche Anordnung ermöglicht einen kompakten Aufbau und erhöht die obere Temperaturgrenze, bei der die Pumpe noch betrieben werden kann.
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Eine derartige Pumpe kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, wobei das Kühlmedium, d. h. das Kühlwasser, noch eine ausreichende Wärmesenke für die Leistungsbauelemente der Endstufe darstellt. Weiterhin kann über eine Auswertung des Verhaltens der Leistungsbauelemente, insbesondere einer Diodenkennlinie, auch eine Kühlmitteltemperatur erfasst werden. Die Diodenkennlinie einer in dem Leistungsbauelement implementierten Diode ist besonders geeignet, da ihr elektrisches Verhalten in der Regel erheblich von der Temperatur abhängt. Dies ist möglich, da die Leistungsbauelemente 13 direkt über die Wandung des Spaltrohrs mit dem Kühlwasser verbunden sind und man daher davon ausgehen kann, dass die Temperatur der Leistungsbauelemente 13 der Temperatur des Kühlwassers ungefähr entspricht. Die Auswertung kann in der Ansteuereinheit 12 durchgeführt werden, die eine Angabe über die erfasste Temperatur des Kühlwassers über eine Kommunikationsschnittstelle zum Abrufen bereitstellt.
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Alternativ kann die obige Anordnung auch als Ventil verwendet werden, wobei der Rotor ein entsprechendes Ventilstellglied antreibt, um einen Flüssigkeitsstrom zu steuern.
