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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft das Gebiet von Kraftstoffpumpen, insbesondere Kraftstoffpumpen, die im Inneren des Kraftstofftanks angeordnet sind. Insbesondere betrifft die Erfindung Maßnahmen in Kraftstoffpumpen zum Schutz von Bauteilen gegen korrosive Kraftstoffe.
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Stand der Technik
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Bei den Elektromotoren, die bei Intank-Kraftstoffpumpen eingesetzt werden, wird üblicherweise der Anker mit einer Polymerschicht umspritzt, beispielsweise mit Polyoxmethylen, um Wirbelverluste zu minimieren.
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Diese Umspritzung stellt jedoch keinen Schutz gegen das Eindringen von korrosiven Kraftstoffen an der Grenzfläche zwischen dem Metall des Ankers und der Polymerschicht dar. Insbesondere bei ethanol-, wasser- und salzhaltigen Kraftstoffen können niedermolekulare Bestandteile des Kraftstoffs zwischen Anker und Welle, bzw. zwischen Anker und Kommutator eindringen.
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Aus dem Dokument
DE 10 2008 040 782 A1 ist es bekannt, eine Mikrostrukturierung an Metall-Oberflächen vorzusehen, und anschließend eine Kunststoffschicht auf die mikrostrukturierte Metall-Oberfläche aufzubringen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Maschinenelement für eine elektrische Maschine und ein Verfahren bereitzustellen, wobei ein verbesserter Schutz gegen korrosive Kraftstoffe erreicht wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Maschinenelement gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Maschinenelements gemäß Anspruch 7 bereitgestellt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei einem Maschinenelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist wenigstens eine Oberfläche des Maschinenelements mit einer Polymerschicht bedeckt, wobei die Oberfläche an einem Grenzbereich der Polymerschicht zu einem nicht beschichteten Bereich eine Mikrostrukturierung aufweist.
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Durch die Mikrostrukturierung kann die Haftung zwischen der Metall-Oberfläche des Maschinenelements und der Polymerschicht verbessert werden, so dass das Eindringen von korrosiven Kraftstoffen zwischen die Metall-Oberfläche und die Polymerschicht verhindert werden kann. Eine elektrische Maschine, welche ein erfindungsgemäßes Maschinenelement umfasst, weist demnach eine verbesserte Medienbeständigkeit auf.
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Insbesondere kann die elektrische Maschine eine Kraftstoffpumpe umfassen, wobei eine Oberfläche eines Ankers eines Motors der Kraftstoffpumpe mit einer Polymerschicht bedeckt ist, und wobei wenigstens eine Oberfläche in einem Grenzbereich zwischen einem beschichteten und einem nicht beschichteten Bereich des Ankers und/oder einer dem Anker benachbarten Komponente des Maschinenelements mit einer Mikrostrukturierung versehen ist. Hierdurch kann in den kritischen Grenzbereichen der Beschichtung des Ankers zu einer Welle oder einem Kommutator hin wirksam das Eindringen korrosiver Kraftstoffe zwischen Polymerschicht und Metall-Oberfläche verhindert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Mikrostrukturierung eine unregelmäßige Struktur aufweisen, welche durch teilweises Verdampfen und anschließendes Kondensieren einer Metall-Oberfläche erzeugt ist. Eine derartige unregelmäßige Struktur hat den Vorteil, dass eine besonders gute Verbindung zwischen der mikrostrukturierten Oberfläche und der Polymerschicht erreicht wird.
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Alternativ ist es aber auch möglich, eine regelmäßige Mikrostrukturierung der Oberfläche vorzusehen.
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Der mittlere Abstand zwischen zwei benachbarten Erhebungen und/oder zwei benachbarten Vertiefungen der Mikrostrukturierung beträgt gemäß einer Ausführungsform 1 µm und 999 µm, vorzugsweise zwischen 2 µm und 500 µm.
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Die Polymerschicht kann mittels eines Spritzguss-Verfahrens aufgebracht sein, um sicherzustellen, dass das Polymer besonders gut in die Vertiefungen der mikrostrukturierten Oberfläche eindringen kann. Alternativ ist es auch möglich, die Polymerschicht mittels eines Spritzpress-Verfahren oder eines Pressverfahrens aufzubringen. Bei den hierbei verwendeten Polymer-Materialien kann es sich um Thermoplast- oder um Duroplast-Materialien handeln.
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Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Kraftstoffpumpe bereit, welche ein voranstehend beschriebenes Maschinenelement umfasst.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Maschinenelements für eine elektrische Maschine:
Aufbringen einer Mikrostrukturierung auf eine Oberfläche des Maschinenelements in einem Grenzbereich zwischen einem mit einer Polymerschicht zu beschichtenden Bereich und einem nicht mit der Polymerschicht zu beschichtenden Bereich; und
Aufbringen einer Polymerschicht auf die mikrostrukturierte Oberfläche.
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Die Mikrostrukturierung kann hierbei mittels eines Lasers aufgebracht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Mikrostrukturierung auf wenigstens eine Oberfläche in einem Grenzbereich zwischen einem zu beschichtenden und einem nicht zu beschichtenden Bereich des Ankers und/oder einer dem Anker benachbarten Komponente des Maschinenelements aufgebracht werden. Hierdurch kann in den kritischen Grenzbereichen der Polymerbeschichtung des Ankers zu einer Welle oder zu einem Kommutator hin wirksam das Eindringen korrosiver Kraftstoffe zwischen Polymerschicht und Metall-Oberfläche verhindert werden.
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Die Polymerschicht kann mittels eines Spritzguss-Verfahrens auf die mikrostrukturierte Oberfläche aufgebracht werden. Während des Spritzgusses fließt das Polymer in die Mikrostruktur und dichtet somit die entsprechende Oberfläche ab. Alternativ ist es auch möglich, die Polymerschicht mittels eines Spritzpress-Verfahren oder eines Pressverfahrens aufzubringen. Bei den hierbei verwendeten Polymer-Materialien kann es sich um Thermoplast- oder um Duroplast-Materialien handeln.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Maschinenelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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2 eine schematische Darstellung einer mikrostrukturierten und mit einer Polymerschicht bedeckten Oberfläche bei dem in 1 gezeigten Maschinenelement.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Wie in der Anordnung der 1 gezeigt ist, umfasst ein elektrischer Pumpenmotor einer Intank-Kraftstoffpumpe gemäß einer Ausführungsform einen Anker 12 und einen Kommutator 14. Der Pumpenmotor ist als Bürsten-Elektromotor mit einem Kommutator 14 ausgeführt. Weiterhin ist eine Welle 16 zum Antrieb eines Rotors der Intank-Kraftstoffpumpe mit dem Anker 12 verbunden. Ein Maschinenelement 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst den Pumpenmotor und die Welle 16.
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Der Anker 12 ist mit einer Polymerschicht 18 umspritzt, um Verwirbelungen des um den Anker 12 strömenden Kraftstoffs zu minimieren.
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Insbesondere an den in 1 mit Pfeilen gekennzeichneten Grenzflächen 20 des Ankers 12 in Richtung auf den Kommutator 14 bzw. die Welle 16 hin, d.h. an der Grenzfläche der Polymerschicht 18 zum Kommutator 14 bzw. zur Welle 16, können korrosive Kraftstoffe zwischen das Metall und die aufgebrachte Polymerschicht 18 des Ankers 12 eindringen. Es ist daher wünschenswert, die Grenzbereiche 22 zwischen der Beschichtung 18 und benachbarten, nichtbeschichteten Bereichen des Maschinenelements 10 gegen das Eindringen von Kraftstoffen zwischen Metall-Oberfläche und Polymerschicht 18 abzudichten.
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Daher ist, wie in 2 schematisch gezeigt, wenigstens eine Oberfläche O des Ankers 12 in einem Grenzbereich 22 mit einer Mikrostrukturierung versehen. Der Grenzbereich 22 erstreckt sich hierbei von einem Rand der Polymerschicht 18 aus um eine Breite von 0,5mm bis 10mm entlang der zu beschichtenden Oberfläche des Ankers 12.
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Die Breite des mit einer Mikrostrukturierung versehenen Grenzbereichs 22 ist hierbei so groß gewählt, dass eine ausreichende Abdichtung gegen ein Eindringen von Kraftstoffen zwischen die Metall-Oberfläche O und die aufgebrachte Polymerschicht 18 erreicht wird. In Abhängigkeit der Tiefe der Mikrostrukturierung und der Materialeigenschaften der Polymerschicht 18 können demnach unterschiedliche Werte für die Breite des mit der Mikrostrukturierung versehenen Grenzbereichs 22 ermittelt werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Polymerschicht auch auf an den Anker 12 angrenzende Bauteile aufgebracht werden. Um eine mediendichte Verbindung zwischen Metall und Polymerschicht auch beispielsweise an der Welle 16 zu erhalten, kann daher auch eine Oberfläche O der Welle 16 in einem Grenzbereich zum Anker 12 mit einer Mikrostrukturierung, wie beispielhaft in 2 gezeigt, versehen und mit einer Polymerschicht bedeckt sein. In diesem Fall ist dann ein (nicht in den Figuren gezeigter) Grenzbereich an der Welle 16 zwischen einem zu beschichtenden und einem nicht zu beschichtenden Bereich mit einer Mikrostrukturierung versehen, um dort eine Abdichtung des beschichteten Bereichs gegen ein Eindringen von Kraftstoffen zu erreichen.
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Zum Aufbringen der Mikrostrukturierung wird gemäß der gezeigten Ausführungsform ein Laser verwendet, mittels dessen die Oberfläche O punktuell erhitzt wird, so dass sich durch Verdampfung und anschließende Kondensation eine unregelmäßige Oberflächenstruktur ergibt. Diese unregelmäßige Oberflächenstruktur bildet eine Anordnung aus jeweils unregelmäßig geformten Vertiefungen und Erhebungen.
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Wie in der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2008 040 782 detailliert beschrieben, wird die noch unstrukturierte Fläche mittels eines gepulsten Laserstrahls bestrahlt. Dabei wird der Laserstrahl mittels eines Scannersystems derart abgelenkt, dass er den zu strukturierenden Teil der Oberfläche O abrastert. Zum Erzeugen der gewünschten Oberflächen-Mikrostrukturierung kann dabei ein Femto-, Piko-, oder Nanosekunden-Laser, vorzugsweise mit einer hohen Pulsfolgefrequenz, eingesetzt werden. Der Strukturierungsprozess zur Herstellung der in
2 gezeigten Oberflächenstruktur erfolgt bevorzugt unter Prozessgas, um die Ausbildung einer Oxidschicht auf der aus Aluminium oder Stahl ausgebildeten Oberfläche O zu beeinflussen. Bevorzugt beträgt der Vorschub, mit der sich der Laserstrahl relativ zur Oberfläche O bewegt, zwischen 100 mm/s und 10.000 mm/s.
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Ein mittlerer Abstand d zwischen zwei benachbarten Vertiefungen oder zwei benachbarten Erhebungen dieser unregelmäßigen Oberflächenstruktur liegt bei der gezeigten Ausführungsform in einem Bereich zwischen 1 µm und 999 µm, insbesondere in einem Bereich zwischen 2 µm und 500 µm.
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Es hat sich gezeigt, dass eine derartige unregelmäßige Mikrostrukturierung vorteilhaft gegenüber einer regelmäßigen Strukturierung ist, da durch die unregelmäßige Struktur eine besonders gute Verbindung zwischen der mikrostrukturierten Oberfläche O und der aufgebrachten Polymerschicht 18 erreicht werden kann.
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Nachdem die Oberflächen der Grenzbereiche 22 des Ankers 12 in Richtung zur Welle 16 und zum Kommutator 14 jeweils eine Mikrostrukturierung erhalten haben, wird die Polymerschicht mittels eines Spritzguss-Verfahrens aufgebracht. Hierbei fließt der Kunststoff, wie beispielsweise Polyoxymethylen, in die Vertiefungen der Mikrostruktur. Somit sind die Endbereiche des Ankers 12 in Richtung zur Welle 16 und zum Kommutator 14 gegen ein Eindringen korrosiver Kraftstoffe zwischen Metall-Oberfläche und Polymerschicht 18 abgedichtet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008040782 A1 [0004]
- DE 102008040782 [0030]
