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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Elektromotoren für Pumpen zum Pumpen von flüssigen Medien, bei denen der Elektromotor von dem flüssigen Medium durchströmt wird. Insbesondere betrifft die Erfindung Pumpen zum Einsatz in einem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs.
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Stand der Technik
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Ein Elektromotor als Pumpenantrieb für eine Kraftstoffpumpe wird in der Regel in offener Bauweise im Kraftstofftank angeordnet. Der Pumpenantrieb ist dabei nicht vom Kraftstoff isoliert, sondern wird von diesem durchströmt. Dadurch wird eine optimale Kühlung des Pumpenantriebs sowie eine Schmierung der Lager und beweglichen Elemente erreicht.
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Der Pumpenantrieb ist in der Regel mit einem Gleichstrommotor versehen, der eine Bürstenkommutierung aufweisen kann. Der Gleichstrommotor weist ein äußeres Polgehäuse auf, in das Permanentmagnete als Statormagnete eingesetzt sind, um ein Erregermagnetfeld zu erzeugen. Weiterhin weist der Gleichstrommotor einen Rotor mit einem an einer Welle angeordneten Anker auf, der eine oder mehrere Ankerwicklungen trägt. Die Ankerwicklung ist mit einem ebenfalls an der Welle angeordneten Kommutator verbunden, wobei Anschlüsse der einen oder mehreren Wicklungen mit Kommutatorlamellen des Kommutators verbunden sind.
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In der Regel wird das elektrisch leitende Polgehäuse zur Vermeidung elektrostatischer Aufladung sowie zur Schirmung von elektromagnetischen Wellen mit einem Masseanschluss der Batterie, d. h. mit dem negativsten bereitgestellten Versorgungspotential, verbunden.
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Wird der Pumpenantrieb in einem elektrisch leitenden Kraftstoff, wie beispielsweise Kraftstoffe mit Ethanolanteil, betrieben, so dass der Gleichstrommotor von dem Kraftstoff durchströmt wird, so wird in dem elektrisch leitenden Kraftstoff ein Stromfluss zwischen der positiven Spannung am Kommutator sowie der daran angeschlossenen Wicklung und dem Polgehäuse bewirkt. Dadurch kann es zur Elektrolyse kommen, die mit einer chemischen Reaktion im Kraftstoff einhergeht. Die Elektrolyse führt im Allgemeinen zu einer Redoxreaktion, weil am Pluspol – der Anode – die zugehörigen Oxidationsprozesse ablaufen, während am Minuspol – der Kathode – die Reduktionsprozesse stattfinden.
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In der Regel wird die Ankerwicklung aus Kupferdraht gewickelt, der durch eine Lackschicht umgeben ist, um den Kupferdraht zu isolieren. An den Stellen, an denen der Kupferdraht der Ankerwicklung beschädigt ist und es dadurch zu einem Stromfluss durch den elektrisch leitenden Kraftstoff kommt, wird das Kupfer oxidiert und in Folge abgetragen. Dadurch kann der Wicklungsdraht an dieser Stelle vollständig aufgelöst und die Ankerwicklung unterbrochen werden, was zu einem Funktionsausfall des Pumpenantriebs führt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektromotor für eine Pumpe und eine Pumpe zur Verfügung zu stellen, bei denen im Falle einer Beschädigung des Kupferdrahts ein Oxidationsprozess aufgrund einer Elektrolyse verhindert werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch den Elektromotor zur Verwendung in einer Pumpe gemäß Anspruch 1 sowie durch die Pumpe zum Einsatz in einem Kraftstofftank und einem Kraftstoffsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Elektromotor zur Verwendung in einer Pumpe, insbesondere einer Kraftstoffpumpe, vorgesehen. Der Elektromotor umfasst:
- – ein elektrisch leitendes Gehäuse zum Aufnehmen eines Läufers;
- – Anschlüsse zum Erhalten eines hohen und eines niedrigen Versorgungspotenzials einer Versorgungsgleichspannung;
- – eine Spulenwicklung, die über den Gleichspannungsanschluss mit einem Versorgungspotential versorgt wird,
wobei das Polgehäuse mit einem Potential verbunden ist, das größer ist als das niedrigste Potential der Versorgungsgleichspannung.
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Eine Idee des obigen Elektromotors für eine Pumpe besteht darin, das Gehäuse mit einem im Vergleich zu dem negativsten Versorgungspotential, dem Massepotential, erhöhten, d. h. positiveren, Spannungspotential zu belegen, so dass ein etwaig auftretender Elektrolyseprozess zwischen dem Wicklungsdraht der Spulenwicklung und dem Polgehäuse vermindert oder unterbunden werden kann. Dadurch können die Korrosionsvorgänge an den elektrischen Strom führenden Elementen des Ankers bzw. des Läufers reduziert bzw. vermieden werden.
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Weiterhin können dadurch kostenintensive Abdichtungsmaßnahmen am Anker zum Schutz der elektrischen Elemente vermieden werden, wodurch die Standardkomponenten des Ankers auch in elektrisch leitfähigen Kraftstoffen eingesetzt werden können. Insgesamt erhöht sich dadurch die Lebensdauer des Elektromotors für den Pumpenantrieb. Insbesondere bei elektrisch leitfähigen. Kraftstoffen kann dadurch die Robustheit der Pumpenantriebe erheblich verbessert werden.
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Weiterhin kann das Polgehäuse mit dem hohen Versorgungspotential verbunden sein, wodurch die Korrosion lediglich das Polgehäuse betrifft und die Strom führenden Elemente des Ankers bzw. des Läufers vor Korrosion geschützt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Polgehäuse über jeweilige Widerstände mit dem hohen und dem niedrigen Versorgungspotential verbunden sein. Damit können auch Zwischenpotenziale an dem Polgehäuse vorgesehen werden.
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Insbesondere können die Widerstände etwa den gleichen Widerstandswert aufweisen, so dass sich ein Mittenpotential der Versorgungsgleichspannung an dem Polgehäuse einstellt.
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Mindestens einer der Anschlüsse kann über einen Kondensator mit dem Polgehäuse verbunden sein.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Gehäuse gegenüber seiner Umgebung offen sein, um es einem in der Umgebung befindlichen Medium zu ermöglichen, in das Innere des Gehäuses einzudringen und den Läufer zu umströmen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Pumpe mit dem obigen Elektromotor und einer Pumpeneinheit vorgesehen, die mit dem Elektromotor gekoppelt ist, um bei Betrieb des Elektromotors ein flüssiges Medium zu pumpen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Verwendung der obigen Pumpe zum Pumpen von Kraftstoff vorgesehen, wobei die Pumpe in einem Kraftstofftank angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Kraftstoffsystem mit einem Kraftstofftank und der obigen Pumpe vorgesehen, wobei das Polgehäuse des Elektromotors der Pumpe offen ist, so dass ein Läufer des Elektromotors von in dem Kraftstofftank befindlichen Kraftstoff umströmbar ist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Kraftstofftanks eines Kraftfahrzeugs; und
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2 eine schematische Darstellung eines Pumpenantriebs zum Einsatz als Kraftstoffpumpe in einem Kraftfahrzeug.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt schematisch einen Kraftstofftank 20 für ein Kraftfahrzeug. In dem Kraftstofftank 20 ist eine Kraftstoffpumpe 1 angeordnet.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Kraftstoffpumpe 1 in einem Kraftstoffsystem eines Kraftfahrzeugs. Die Kraftstoffpumpe 1 ist vorgesehen, um im Inneren des Kraftstofftanks eingesetzt zu werden, ohne dass eine Isolierung zwischen den Strom führenden Teilen des Pumpenantriebs 1 und dem Kraftstoff besteht. Dadurch kann eine optimale Kühlung der Strom führenden Teile sowie eine Schmierung der beweglichen Teile des Pumpenantriebs gewährleistet werden.
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Die Kraftstoffpumpe 1 umfasst im Wesentlichen einen Elektromotor 2, der über seine Abtriebswelle 3 mit einer Pumpeneinheit 4 verbunden ist. Die Pumpeneinheit 4 wird in diesem Ausführungsbeispiel über die Rotation der Welle 3 angetrieben und ist dadurch in der Lage, Kraftstoff über einen Kraftstoffeinlass 5 anzusaugen und durch den Elektromotor 2 hindurch über einen Kraftstoffauslass 6 in die Kraftstoffzuführungsleitung zu dem Verbrennungsmotor zu pumpen. Die Pumpeneinheit 4 kann dazu ein herkömmliches Pumpsystem und bei Bedarf ein Getriebe oder dergleichen umfassen. Der Elektromotor 2 ist als herkömmlicher Gleichstrommotor ausgebildet. Herkömmliche Gleichstrommotoren weisen in der Regel ein Polgehäuse 8 mit Statormagneten 7 auf, die einen zylindrischen Innenraum 9 umgeben, in dem ein Rotor 10 drehbeweglich an einer Welle 3 angeordnet ist. Der Rotor 10 trägt (nicht gezeigte) Ankerwicklungen, die elektrisch bestrombar sind, um ein Rotormagnetfeld zu erzeugen. Die Statormagnete 7 erzeugen ein Erregermagnetfeld bzw. Statormagnetfeld, das mit dem Rotormagnetfeld wechselwirkt, um den Rotor und damit die Welle 3 anzutreiben.
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Stirnseitig ist das Polgehäuse 8 verschlossen und weist lediglich Öffnungen auf, in denen die Welle 3 gelagert ist, so dass der Rotor 10 konzentrisch in dem zylindrischen Innenraum 9, der durch die Statormagnete 7 gebildet wird, gehalten wird. An der Welle 3 ist weiterhin ein Kommutator 12 mit Kommutatorlamellen 13 angeordnet. Die Kommutatorlamellen 13 sind über elektrische Leiter mit den Ankerwicklungen verbunden. Die Ankerwicklungen werden über Bürsten 14 bestromt, die mit einem positiven Versorgungspotential V+ und einem negativen Versorgungspotential V– über Anschlüsse 11 verbunden sind. Die Bürsten 14 sind in der Regel über eine Feder oder dergleichen mit einer Kraft in Richtung der Kommutatorlamellen 13 beaufschlagt, so dass diese zur Kontaktierung der Kommutatorlamellen 13 auf den Kommutator 12 drücken. Das positive und negative Versorgungspotential V+, V– entspricht der Batteriespannung, die über das Bordnetz 15 des Kraftfahrzeugs bereitgestellt wird.
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Bei einer Beschädigung der Isolation des Wicklungsdrahts, der insbesondere als Kupferdraht mit einer Lackisolation ausgebildet sein kann, kann es aufgrund der positiven Spannung zwischen dem Wicklungsdraht der Ankerwicklung und dem Polgehäuse 8 zu einer Elektrolyse kommen. Die Elektrolyse bewirkt einen Oxidationsprozess an dem als Anode wirkenden Teil, d. h. an dem Wicklungsdraht, wodurch dieser aufgelöst bzw. zerstört wird. Um dies zu vermeiden, ist nun vorgesehen, das Polgehäuse 8 mit einem positiveren Potential zu belegen, beispielsweise mit dem positiven Versorgungspotential V+. Dies kann beispielsweise über eine direkte Verbindung oder über einen ersten Widerstand R1 zwischen einer Zuführungsleitung des positiven Versorgungspotentials V+ und dem Polgehäuse 8 erfolgen. Der erste Widerstand R1 ist vorzugsweise hochohmig ausgebildet.
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Der erste Widerstand R1 ist zum Belegen des Polgehäuses 8 mit dem positiven Potential V+ nicht unbedingt notwendig, außer bei einem Einsatz in brennbaren Umgebungen, wie beispielsweise innerhalb eines Kraftstofftanks 20. Insbesondere bei Unfällen ist es nämlich möglich, dass die Wand des Kraftstofftanks 20 und das Polgehäuse 8 des Elektromotors 2 miteinander in Kontakt kommen, so dass im Falle eines elektrisch leitfähigen Kraftstofftanks bei direkter Kopplung des positiven Versorgungspotentials V+ mit dem Polgehäuse 8 ein Kurzschluss entsteht, der zu einer erhöhten Wärmeentwicklung aufgrund der hohen Ströme oder zu Funkenbildung führen kann. Der Widerstand R1 sollte daher möglichst hochohmig, beispielsweise im Bereich von 1.000 Ω aufwärts, ausgebildet sein. Alternativ kann anstelle des hochohmigen Widerstands R1 auch eine Sicherung vorgesehen sein, die bei einem Kurzschluss, beispielsweise aufgrund eines Unfalls, auslöst und durch Trennen des Polgehäuses 8 von dem positiven Versorgungspotential V+ die Funkenbildung oder den hohen Stromfluss mit Wärmeentwicklung vermeidet.
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In einer alternativen Ausführungsform kann das Polgehäuse 8 weiterhin über einen zweiten, ebenfalls hochohmigen Widerstand R2 mit dem negativen Versorgungspotential V– verbunden sein, so dass sich nun am Polgehäuse 8 bei Wahl gleicher Widerstandswerte der beiden Widerstände R1, R2 die halbe Betriebsspannung bezüglich des negativen Versorgungspotentials V– einstellt. Bei dieser Konfiguration verändert jede Lamelle des Kommutators 12 und jedes Element der Ankerwicklung seine Spannung durch die Drehung der Rotors derart, dass die Potentialdifferenz zum Polgehäuse 8 zwischen +1/2 und –1/2 der angelegten Betriebsspannung schwankt. Es stellt sich also ein elektrisches Wechselfeld zwischen diesen Punkten ein, wobei sich Oxidations- und Reduktionsprozesse einer etwaig auftretenden Elektrolyse kompensieren können
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Durch entsprechende Wahl der Widerstände R1 und R2 kann eine entsprechende Spannung des Polgehäuses 8 eingestellt werden. Zusätzlich kann es aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) erforderlich sein, dass das Polgehäuse 8 über einen oder mehrere Kondensatoren mit einem oder mehreren Versorgungspotentialen V+, V– oder anderen elektrischen Potentialen verbunden ist.
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Je nach Wahl der Spannung des Polgehäuses 8 nimmt das Polgehäuse 8 dauerhaft oder zeitweise die Funktion der Anode ein, so dass Oxidationsprozesse nun am Polgehäuse 8 stattfinden und nicht an der beschädigten Isolation der Ankerwicklung. Weiterhin kann eine Korrosion des Polgehäuses 8 vermieden werden, indem dort eine entsprechende Oberflächenbeschichtung aufgebracht wird.
