DE102010049437B4

DE102010049437B4 - Pumpe mit einem integrierten elektronisch kommutierten Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE102010049437B4
Application number: DE102010049437A
Authority: DE
Inventors: Klaus Weiske; Olai Ihle
Original assignee: Buehler Motor GmbH
Current assignee: Buehler Motor GmbH
Priority date: 2010-10-23
Filing date: 2010-10-23
Publication date: 2013-09-05
Anticipated expiration: 2030-10-24
Also published as: DE102010049437A1

Abstract

Pumpe (1) mit einem integrierten elektronisch kommutierten Gleichstrommotor (2) mit einem permanentmagnetischen in einem Nassraum angeordneten Innenrotor, der mit einem Kreiselpumpenlaufrad (22) eine kompakte Pumpenrotorbaueinheit (3) bildet, einem Klauenpolstator (9) mit Klauenpolblechen (6, 6'), einem auf die Klauenpolbleche montierten und um eine Wicklung (12) herum angeordneten Rückschlussring (13) aus weichmagnetischem Werkstoff und mit einem Isolierstoffkörper (14) zur Aufnahme der ringförmigen Wicklung (12), dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierstoffkörper für eine geordnete Aufnahme der ringförmigen, aus im Querschnitt runden Wicklungsdrähten bestehenden, Wicklung (12) in seiner radialen Drahtaufnahmefläche mit Drahtführungsrillen (33) versehen ist, der Abstand a der Drahtführungsrillen (33), gemessen zwischen den Mittellinien von darin aufgenommenen benachbarten Wicklungsdrähten zumindest der untersten Lage, einen Betrag gemäß folgender Formel aufweist: D < a <= 2·D cos(π/6), wobei D der Drahtdurchmesser ist und dass die Abstände a1, a2, a3...an der Drahtführungsrillen (33) im Isolierstoffkörper (14) über dessen Länge kontinuierlich zunehmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpe (1) mit einem integrierten elektronisch kommutierten Gleichstrommotor (2) mit einem permanentmagnetischen in einem Nassraum angeordneten Innenrotor, der mit einem Kreiselpumpenlaufrad (22) eine kompakte Pumpenrotorbaueinheit (3) bildet, einem Klauenpolstator (9) mit Klauenpolblechen (6, 6'), einem auf die Klauenpolbleche montierten und um eine Wicklung (12) herum angeordneten Rückschlussring (13) aus weichmagnetischem Werkstoff und mit einem Isolierstoffkörper (14) zur Aufnahme der ringförmigen Wicklung (12).
Aus der DE 10 2006 021 242 A1 ist ein gattungsgemäßer elektronisch kommutierter Gleichstrommotor als Antrieb für eine Pumpe bekannt. Der Trend bei der Pumpenentwicklung geht dahin, dass bei gleichbleibendem Bauraum höhere Leistungen oder bei kleinerem Bauraum die gleiche Leistung erreicht werden soll.
Die US 7,053,515 B2 zeigt eine zylindrische Statorspule eines Elektromotors mit Drahtführungsrillen mit einem Rillenabstand zwischen D und D·cos(π/6), Wobei D der Drahtdurchmesser ist. Dadurch wird erreicht, dass sich eine gleichmäßigere Anordnung und Ausrichtung der Drahtwindungen ergibt, weil die Drähte in tiefere Zwischenräume gewickelt werden als bei Rillenabstand D.
Aufgabe der Erfindung ist es eine die Wicklung so auszubilden, dass eine leicht kegelige Gestalt erreicht wird. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Pumpe darzustellen, die bei verringertem Durchmesser mindestens die gleiche Leistung ermöglicht und die Gleichmäßigkeit der Wicklung mit noch größerer Sicherheit erreicht wird, ohne den Herstellaufwand zu erhöhen.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2 gelöst.
In besonderen Fällen könnte es notwendig werden eine kegelförmige oder kegelstumpfförmige Statorwicklung herzustellen. Dies ist erreichbar, indem die Abstände a₁, a₂, a₃...a_n der Drahtführungsrillen (33) im Isolierstoffkörper (14) über dessen Länge kontinuierlich zunehmen. Dadurch fallen die Wicklungsdrähte der zweiten Lage über die Länge kontinuierlich tiefer in die größer werdenden Zwischenräume. Dies wiederholt sich in allen Wicklungslagen und führt schließlich zu der kegeligen Gestalt der Statorwicklung Durch den vergrößerten Abstand der Drahtführungsrillen (33) gemäß Anspruch 2 vergrößert sich auch der Abstand der darin liegenden Wicklungsdrähte. Der größere Abstand führt dazu, dass die Zwischenräume zwischen den Drähten einen größeren Einschnitt bilden, so dass die Drähte der nachfolgenden Wicklungslage leichter und mit größerer Sicherheit geordnet in diesen fallen, wobei die Höhendifferenz zwischen den Wicklungslagen geringer ist als bei herkömmlichen aneinanderliegenden Wicklungsdrähten einer Lage. Durch die untereinander gleich großen Abstände a₁, a₂, a₃...a_n der Drahtführungsrillen (33) im Isolierstoffkörper (14), wird eine gleichmäßig zylindrische Wicklung erreicht. Die größte Packungsdichte und damit der höchste Kupferfüllfaktor ist nicht bei allen Abständen möglich. Bei Isolierstoffkörpern bei denen die Rillenabstände a₁, a₂, a₃...a_n 2·D·cos(π/6) betragen ist von den Rändern abgesehen die gleiche Packungsdichte möglich wie bei aneinanderliegenden Windungen in der untersten Lage.
Häufig besteht das Problem, dass bei vorgegebener Windungszahl das Ende der Wicklung nicht mit dem axialen Ende des Isolierstoffkörpers übereinstimmt. Durch variierende Rillenabstände kann das Wicklungsende genau an die gewünschte Stelle verlagert werden. Das gleiche gilt für die in der Regel gewünschte Anordnung aller Wicklungsanschlüsse am ersten oder am zweiten Ende des Isolierstoffkörpers.
Auch bei Wicklungen mit zwei Spulen sollen in der Regel alle elektrischen Wicklungsanschlüsse die Anfangs- und die Endwindungen der Spulen am gleichen axialen Ende des Isolierstoffkörpers angeordnet sein. Dies kann durch die Anpassung der Rillenabstände erreicht werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht einer Pumpe,
2 eine Explosionsdarstellung von Teilen der Pumpe,
3 einen erfindungsgemäßen Isolierstoffkörper,
4 einen Wicklungskörper gemäß Stand der Technik,
5 einen erfindungsgemäßen Wicklungskörper gemäß einer ersten Variante und
6 einen erfindungsgemäßen Wicklungskörper gemäß einer zweiten Variante.
1 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine Pumpe 1 und einen integrierten elektronisch kommutierten Gleichstrommotor 2, mit Statorblechen 6, 66, bestehend aus Klauenpolen 7, 77 und Ringen 8, 88, wobei diese in einem Isolierstoffkörper 14 eingebettet sind, welcher durch Umspritzen der Klauenpolbleche hergestellt ist. Der Isolierstoffkörper 14 ist ein eigenständiges Bauteil, das als Spulenkörper für eine Wicklung 12 dient. Der Isolierstoffkörper 14 bildet zusammen mit der Wicklung und einem Rückschlussring 13, der durch Umformung von Teilbereichen des Rückschlussringes 13 fest mit den Ringen 8, 88 der Klauenpolbleche 6, 66 verbunden ist, einen Klauenpolstator 9. Der Klauenpolstator 9 trägt durch mechanische Aufnahmemittel 15 eine Leiterplatte 16, die einerseits mit Enden der Wicklung 12 elektrisch verbunden ist und andererseits über Leitbleche 31 mit einem Stecker 30 (2). Der Klauenpolstator 9 ist um einen Spalttopf 10 herum angeordnet und mit diesem kraftschlüssig verbunden. Ein Motorgehäuse 20 bildet zusammen mit dem Spalttopf 10 einen Trockenraum 4 in dem der Klauenpolstator 9 flüssigkeitsdicht aufgenommen ist. Innerhalb des Spalttopfs 10 befindet sich eine permanentmagnetische Pumpenrotoreinheit 3, die aus einem Motorabschnitt und einem Pumpenabschnitt besteht. Der Motorabschnitt ist radial innerhalb der Klauenpole 7, 77 angeordnet und weist einen Permanentmagnetring auf, der aus kunststoffgebundenem Magnetmaterial zusammen mit einem Kreiselpumpenlaufrad 22 und einem Lagerschaft urgeformt ist. Die Pumpenrotoreinheit 3 ist auf einer Achse 29 gelagert, die einerseits in einem Boden 28 des Spalttopfs 10 und andererseits in einem Pumpengehäuse 23 befestigt ist. Die Pumpenrotoreinheit 3 befindet sich in einem Nassraum 5, der durch das Pumpengehäuse 23 und den Spalttopf 10 begrenzt wird. Das Pumpengehäuse 23 umfasst einen achssymmetrischen Saugstutzen 24 und einen Druckstutzen (nicht dargestellt), der radial zur Pumpenachse 11 verläuft. Der Permanentmagnet der Pumpenrotoreinheit kann auch aus gesintertem Ferrit-Material, kunststoffgebundenem Ferrit-Material, kunststoffgebundenem Seltenerdmaterial oder gepresstem Seltenerdmaterial bestehen. Der Ringmagnet kann aus Segmenten zusammengesetzt sein, zusätzlich auch mit Kunststoffmaterial umspritzt oder von einem metallischen Ring umgeben sein. Weiter kann die Pumpenrotoreinheit auch mit einem weichmagnetischen Rückschlussring versehen sein. Der Isolierstoffkörper 14 ist hier vereinfacht ohne Drahtführungsrillen dargestellt.
2 zeigt eine Explosionsdarstellung mit dem Pumpengehäuse 23, dem Spalttopf 10, dem Klauenpolstator 9, mit der Wicklung 12, der Leiterplatte 16, die über Aufnahmemittel 15 am Klauenpolstator befestigt sind, Aufnahmen 17 für Klemmschneidverbinder 18 und mit der Leiterplatte 16 elektrisch verbundene Klemmschneidverbinder 18 (Darstellung ohne Rückschlussring) und dem Motorgehäuse 20 mit einem Stecker 30.
3 zeigt einen stilisiert dargestellten erfindungsgemäßen Isolierstoffkörper 14, dessen Drahtführungsrillen 32 einen Abstand von genau 2·D·cos(30°) aufweist. Um die Wicklungshöhe um einen Drahtdurchmesser zu verringern müssen nur wenige (hier 19) Drahtwindungen entfernt werden. Bei gleicher Windungszahl müsste der Isolierstoffkörper um 1,732·D verlängert werden. Wegen der einseitigen Anschlüsse 18 müssen zwei Drahtlagen entfernt werden, trotzdem verringert sich die Wicklungshöhe hierdurch nur in kleinen Schritten.
In 4 ist ein Isolierstoffkörper 14 gemäß Stand der Technik dargestellt, bei dem der Abstand a der Drahtführungsrillen 32 dem Drahtdurchmesser D des Wicklungsdrahtes entspricht. Um hier die Wicklungshöhe um zwei Lagen zu verringern, wodurch die Höhe um 1,732·D verringert wird, muss bei gleichbleibender Windungszahl der Isolierstoffkörper um 4·D verlängert werden. Eine Verringerung des Außendurchmessers in kleineren Schritten ist wegen der einseitigen Anschlüsse 18 hier nicht möglich.
5 zeigt eine erste Variante der Erfindung, bei der die Abstände der Drahtftührungsrillen 32 zwischen den beiden vorher beschriebenen Werten liegen. Bei diesen Zwischenmaßen kann die Wicklung nicht mit der besten Packungsdichte gewickelt werden, deshalb dürfte diese Variante von untergeordneter Bedeutung sein. Bei speziellen Geometrien kann es jedoch sein, dass eine geringfügige Abweichung von den optimalen Abständen Vorteile bringt, z. B. für die Wicklungsanschlüsse.
6 zeigt eine zweite Variante, bei der die Abstände der Drahtführungsrillen 32 sich kontinuierlich vergrößern. Dadurch sinken die Drahtwindungen an den Stellen mit größerem Abstand tiefer in die Rillen bzw. zwischen die tieferliegende Lage ein und es bildet sich eine kegelsumpfförmige Wicklung. Im gezeigten Beispiel ist auch der Isolierstoffkörper 14 an diese Geometrie angepasst, so kann der Stator auch bei speziellen Einbaubedingungen verwendet werden. Die Packungsdichte der Wicklung ändert sich ebenfalls über die Länge des Isolierstoffkörpers 14. Möglicherweise kann die kegelstumpfartige Form auch die Montage in einen Gehäusetopf erleichtern.
Bezugszeichenliste

1: Pumpe
2: Gleichstrommotor
3: Pumpenrotorbaueinheit
4: Trockenraum
5: Nassraum
6, 66: Klauenpolbleche
7, 77: Klauenpole
8, 88: Ring
9: Klauenpolstator
10: Spalttopf
11: Pumpenachse
12: Wicklung
13: Rückschlussring
14: Isolierstoffkörper
15: Aufnahmemittel für Leiterplatte
16: Leiterplatte
17: Aufnahmemittel für Klemmschneidverbinder
18: Klemmschneidverbinder
20: Motorgehäuse
22: Kreiselpumpenlaufrad
23: Pumpengehäuse
24: Saugstutzen
28: Boden des Spalttopfs
29: Achse
30: Stecker
31: Leitblech
32: Drahtrührungsrillen

Claims

Pumpe (1) mit einem integrierten elektronisch kommutierten Gleichstrommotor (2) mit einem permanentmagnetischen in einem Nassraum angeordneten Innenrotor, der mit einem Kreiselpumpenlaufrad (22) eine kompakte Pumpenrotorbaueinheit (3) bildet, einem Klauenpolstator (9) mit Klauenpolblechen (6, 6'), einem auf die Klauenpolbleche montierten und um eine Wicklung (12) herum angeordneten Rückschlussring (13) aus weichmagnetischem Werkstoff und mit einem Isolierstoffkörper (14) zur Aufnahme der ringförmigen Wicklung (12), dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierstoffkörper für eine geordnete Aufnahme der ringförmigen, aus im Querschnitt runden Wicklungsdrähten bestehenden, Wicklung (12) in seiner radialen Drahtaufnahmefläche mit Drahtführungsrillen (33) versehen ist, der Abstand a der Drahtführungsrillen (33), gemessen zwischen den Mittellinien von darin aufgenommenen benachbarten Wicklungsdrähten zumindest der untersten Lage, einen Betrag gemäß folgender Formel aufweist: D < a <= 2·D cos(π/6), wobei D der Drahtdurchmesser ist und dass die Abstände a₁, a₂, a₃...a_n der Drahtführungsrillen (33) im Isolierstoffkörper (14) über dessen Länge kontinuierlich zunehmen.
Pumpe (1) mit einem integrierten elektronisch kommutierten Gleichstrommotor (2) mit einem permanentmagnetischen in einem Nassraum angeordneten Innenrotor, der mit einem Kreiselpumpenlaufrad (22) eine kompakte Pumpenrotorbaueinheit (3) bildet, einem Klauenpolstator (9) mit Klauenpolblechen (6, 6'), einem auf die Klauenpolbleche montierten und um eine Wicklung (12) herum angeordneten Rückschlussring (13) aus weichmagnetischem Werkstoff und mit einem Isolierstoffkörper (14) zur Aufnahme der ringförmigen Wicklung (12), dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierstoffkörper für eine geordnete Aufnahme der ringförmigen, aus im Querschnitt runden Wicklungsdrähten bestehenden, Wicklung (12) in seiner radialen Drahtaufnahmefläche mit Drahtführungsrillen (33) versehen ist, der Abstand a der Drahtführungsrillen (33), gemessen zwischen den Mittellinien von darin aufgenommenen benachbarten Wicklungsdrähten zumindest der untersten Lage, 2·D·cos(π/6) betragen, wobei D der Drahtdurchmesser ist und dass die Abstände a₁, a₂, a₃...a_n der Drahtführungsrillen (33) im Isolierstoffkörper (14) untereinander gleich groß sind.
Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle elektrischen Wicklungsanschlüsse die Anfangs- und die Endwindungen der Wicklung am gleichen axialen Ende des Isolierstoffkörpers (14) angeordnet sind.
Pumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (12) aus zwei Spulen besteht und alle elektrischen Wicklungsanschlüsse die Anfangs- und die Endwindungen der Spulen am gleichen axialen Ende des Isolierstoffkörpers angeordnet sind.
Pumpe nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Isolierstoffkörpers (14) bei vergrößertem Abstand der Drahtführungsrillen entsprechend größer ist als bei Isolierstoffkörpern mit Rillenabständen für aneinander anliegenden Drähten, so dass die gleiche Windungszahl je Lage erhalten bleibt.