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Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitspumpe, insbesondere Wasserpumpe, mit einer Achse auf der ein permanentmagnetischer Rotor eines Elektromotors mit einer axial daran anschließende Scheibe und einem axial daran anschließendem Flügelrad der Flüssigkeitspumpe über einen Lagerbereich des Rotors gelagert ist.
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Aus der
EP 1 115 981 B1 ist eine gattungsgemäße Flüssigkeitspumpe bekannt, bei welcher das Flügelrad und der Rotor nahezu vollständig aus einem kunststoffgebundenen Magnetmaterial bestehen, wobei der Rotor eine umspritzte Lagerbuchse enthält und einen „leeren Ringraum“ der dazu dient das Gewicht zu verringern, den Materialaufwand zu begrenzen und die Gleichlaufeigenschaften infolge von unvermeidlichen Unwuchten zu verbessern. Da selbst das Flügelrad aus Magnetmaterial besteht, erhöht sich andererseits jedoch unnötig der Materialaufwand. Da eingebettete Magnetpartikel keine Verbindung mit dem Basismaterial eingehen und das Verbundmaterial zum Ausbrechen (Kerbwirkung) an den Werkstückkanten neigt sind dünne Wandstärken mit kunststoffgebundenem Magnetmaterial nur sehr schwierig zu realisieren, worunter der Wirkungsgrad der Pumpe leidet.
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung das Flügelrad und den Rotor so zu gestalten, dass für die jeweiligen Einsatzzwecke das jeweils optimale oder geeignete Material verwendet werden kann, um den Wirkungsgrad zu erhöhen, die Menge des Magnetmaterials unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten und zugleich das Gewicht zu verringern. Weiter soll die Designfreiheit und die Festigkeit vergrößert werden und Das Flügelrad und der Rotor einfach und wirtschaftlich herstellbar sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 und durch den Verfahrensanspruch 11 gelöst. Da das Flügelrad und die Scheibe mit einer Hohlwelle einstückig sind, welche aus einem nichtmagnetischen Material besteht, wird eine große Menge an Magnetmaterial eingespart, wodurch der Rotor wirtschaftlicher herstellbar ist, das Gewicht verringert und die Designfreiheit erhöht wird. Die Flügel des Flügelrads lassen sich hierdurch bei höherer Festigkeit mit dünnerer Wandstärke herstellen wodurch sich auch der Wirkungsgrad der Pumpe verbessert.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen dargestellt. Um den Permanentmagneten sicher auf der Hohlwelle und an der Scheibe zu befestigen ist vorgesehen diesen gegen axiale Verschiebung und Verdrehung zu sichern. Eine Möglichkeit besteht darin dass das Permanentmagnetmaterial des Permanentmagneten die Scheibe an zumindest einer Stelle in einem wellennahen Bereich vollständig oder teilweise axial durchdringt. Der Permanentmagnet kann sich beispielsweise beim Spritzgießvorgang über Ausnehmungen in der Scheibe erstrecken, wodurch sich das Material des Permanentmagneten mit der Scheibe formschlüssig verbindet. Die Ausnehmungen werden zweckmäßigerweise zwischen den Pumpenflügeln angeordnet, wobei die Anzahl gemäß den Anforderungen an die Taktzeit wählbar ist.
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Eine weitere Verbesserung wird erzielt, wenn die Hohlwelle mit Längsnuten versehen ist, in die das kunststoffgebundene Magnetmaterial beim Spritzgießen hineinfließen kann.
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Um die Lagereigenschaften zu verbessern wird vorgeschlagen dass der Lagerbereich des Rotors aus geeignetem Material besteht, insbesondere ist vorgesehen das Lagermaterial mit Hilfe von Füllstoffen, wie Graphitfasern, Kohlepulver oder Wachs zu optimieren.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle selbst aus einem Lagermaterial besteht oder Füllstoffe zur Verbesserung der Lagereigenschaften enthält.
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Alternativ kann die Hohlwelle mit ein oder mehreren Lagerbuchsen durch Urformen (umspritzen) oder durch Einpressen verbunden sein. Um eine dauerhafte Verbindung zwischen den Lagerbuchsen und der Hohlwelle zu gewährleisten empfiehlt es sich das Grundmaterial jeweils gleich zu wählen.
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Weitere Gewichtseinsparungen werden durch die Rotorgeometrie erzielt, wobei ein Bereich zwischen dem Ende des Rotors und dem Beginn des Lagerbereichs und innerhalb des Permanentmagneten als leerer zylindrischer Hohlraum ausgebildet ist.
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Um die Möglichkeit eines Unwuchtausgleichs zu verbessern sind radial zwischen dem Permanentmagneten und dem Lagerbereich mehrere sacklochartige Ausnehmungen vorgesehen, die sich vom Boden des zylindrischen Hohlraums ausgehend achsparallel in Richtung Flügelrad erstrecken. In diese Ausnehmungen können bei Bedarf Ausgleichsgewichte eingebracht werden.
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Die Aufgabe wird auch dadurch gelöst, dass das Flügelrad, und die Hohlwelle aus dem gleichen Grundmaterial als erste Komponente eines Zweikomponenten-Spritzgussverfahren hergestellt werden und dass anschließend das kunststoffgebundene Permanentmagnetmaterial als zweite Komponente gespritzt wird. Hierdurch besteht jeder Bereich aus dem jeweils optimalen Werkstoff.
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Diese Ausgestaltung kann auf unterschiedliche Weise erreicht werden. Zum einen können die beiden Komponenten nacheinander in der gleichen Spritzgussmaschine gespritzt werden oder das Flügelrad mit der Hohlwelle wird in einer ersten Form urgeformt und dann in einer zweiten Form eingelegt und mit dem Magnetmaterial umspritz. Eine dritte Möglichkeit besteht darin das Flügelrad mit der Hohlwelle in einer ersten Form urzuformen, den Permanentmagnetring in einer zweiten Form urzuformen und dann das Flügelrad und die Hohlwelle mit dem Permanentmagnetring mechanisch und/oder thermisch zu verbinden. Die mechanische Verbindung kann durch Schnappen oder durch eine Schraubverbindung hergestellt werden, die thermische Verbindung kann durch Ultraschallschweißen oder Heißverprägen realisiert werden. Es ist auch denkbar, dass in einem dritten Spritzgussprozess ein Lagermaterial an die Hohlwelle angespritzt wird.
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Auch durch einen Pressvorgang kann eine oder mehrere Lagerbuchsen in die Hohlwelle eingefügt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein vereinfachtes Flügelrad mit einer Hohlwelle,
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2 eine räumliche Darstellung des Flügelrads mit einem Rotor,
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3 eine Schnittansicht des Flügelrads mit einem Rotor mit Variationen gegenüber den 1 und 2,
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4 eine Stirnansicht des Rotors,
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5 eine Stirnansicht des Permanentmagneten,
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6 eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Flüssigkeitspumpe und einer Variante des Rotors,
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7 eine Schnittansicht durch die zweite Ausführungsform,
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8 eine räumliche Darstellung der zweiten Ausführungsform und
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9 eine Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform.
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1 zeigt vereinfacht ein Flügelrad 1, eine Scheibe 2a und eine Hohlwelle 3a, welche einstückig aus dem gleichen Grundstoff bestehen. Das Flügelrad besteht aus fünf Flügeln 4, die gleichmäßig auf der Scheibe 2a um eine Drehachse 5 verteilt sind. Die Scheibe 2a weist Durchbrüche 6a auf, welche als Aufnahmeraum für einen Teil des Permanentmagneten eines Rotors (hier nicht dargestellt) dienen. Die Hohlwelle 3a umfasst auf ihrem Außenmantel mehrere achsparallele nutartige Hinterschnitte 29 (in 1 sind der Einfachheit halber nur zwei Hinterschnitte dargestellt), die sich bis in die Durchbrüche 6a fortsetzen. Zwischen einer Innenausnehmung 8 und dem Außenmantel 9 sind eine Vielzahl an Sacklöchern 10 eingeformt, die als Aufnahme für Auswuchtmittel vorgesehen sind. Die Sacklöcher 10 können auch als Aufnahmeraum für Sperrmittel dienen, die einen Schnapphaken 35 sichern; die Funktion eines Sperrmittels können auch die Auswuchtmittel mit übernehmen. Es ist denkbar selbstfurchende Schrauben, insbesondere Madenschrauben als Sperr- und/oder Auswuchtmittel zu verwenden. Die Schnapphaken 35 sind an einem Schnapparm 43 angeordnet, der aus einer Wandung zwischen einem Sackloch 10 und der Hinterschneidung 29 besteht. Um eine radiale Beweglichkeit der Schnapphaken 35 zu gewährleisten sind die Schnapparme 43 durch Schlitze 40, die sich vorzugsweise bis zu einem Boden der Sacklöcher 10 erstrecken freigespart. Die Schnapphaken 35 dienen als Haltemittel für einen ringförmigen Permanentmagneten (hier nicht dargestellt), wobei der Permanentmagnet Gegenschnappmittel aufweist. Um die Montage des Permanentmagneten zu erleichtern sind Einführschrägen 34 an den Schnapphaken vorgesehen. Damit das Flügelrad 1 mit der Hohlwelle 3a durch ein einfaches zweiteiliges Spritzgusswerkzeug hergestellt werden kann, dienen die Durchbrüche 6a als Freisparung für das Spritzgusswerkzeug. Eine Lagerbuchse 12a ist in die Innenausnehmung 8 der Hohlwelle 3a angespritzt. Diese Lagerbuchse besteht aus dem gleichen Grundmaterial wie die Hohlwelle 3a.
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2 zeigt eine räumliche Darstellung des Flügelrads 1 mit einem Rotor 11b. Der Rotor 11b ist durch die Schnappverbindung auf die Hohlwelle und an die Scheibe 2b montiert. Der Permanentmagnet 13b ist von dem an die Scheibe 2b angrenzenden Ende her mehrfach geschlitzt. Die Schlitze 28 weisen eine Länge auf, die etwa der Länge der Hohlwelle entspricht. Im daran anschließenden Bereich ist der Permanentmagnet 13b als Hohlzylinder ausgebildet mit dem Hohlraum 15. Die Schlitze 28 sollen mögliche Temperaturspannungen ausgleichen, die sich zwischen Hohlwelle und Permanentmagnet ausbilden könnten. Die Schlitze 28 sind jedoch nicht unbedingt erforderlich um eine Schnappverbindung zu realisieren. Statt durchgehender Schlitze sind auch schlitzartige Nuten vorstellbar, wobei der Außenmantel des Permanentmagneten eine geschlossene Fläche bildet. Dies wäre auch aus strömungstechnischer Sicht vorteilhaft.
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In 3 wird in einer Schnittansicht insbesondere die Schnappverbindung 30 deutlicher herausgestellt. Dabei sind Variationen gegenüber den 1 und 2 vorhanden. Das Flügelrad 1 ist hier mit den Flügeln 4 erkennbar, welche an die Scheibe 2c anschließen. In der Scheibe 2c sind auch die Durchbrüche 6c zu sehen. Die Durchbrüche 6c entstehen durch Werkzeugbereiche, welche die Hinterschnitte 29 der Schnappverbindung 30 freisparen. Um Wirkungsgradeinbußen zu vermeiden ist vorgesehen, die Durchbrüche 6c durch Vorsprünge 31c des Permanentmagneten 13c zu verschließen. Die Scheibe 2c weist in der gezeigten Variante einen ringscheibenförmigen Rücksprung 32 auf, der als zusätzlicher radialer Formschluss des Permanentmagneten 13c mit der Scheibe 2c dient. Dieser Rücksprung 32 ist jedoch nicht zwingend notwendig. Auf der der Drehachse 5 gegenüberliegenden Seite ist eine andere mögliche Ausbildung des Bereichs zwischen Permanentmagnet 13c und Scheibe 2c gezeigt (hier ohne Schnappverbindung). Ein Sperrmittel 33, das in Form eines Zylinderstifts ausgebildet ist verhindert ein Lösen der Schnappverbindung 30. Die Sperrmittel werden fest eingepresst. Da die Sperrmittel aus unterschiedlichem Material bestehen und unterschiedlich lang sein können, sind sie geeignet auch die Funktion eines Wuchtmittels auszuüben. Die Einführschräge 34 dient der einfacheren Montage des vorgefertigten aus kunststoffgebundenem Magnetmaterial bestehenden Permanentmagneten 13c. Die Schnapphaken 35 sind in einer Wandung der Sacklöcher 10 ausgebildet, welche aufgrund der Längsschlitze 40 (siehe 1 und 4), die zwischen dem Permanentmagneten 13c und dem jeweiligen Sackloch 10 verlaufen, in radialer Richtung auslenkbar sind. Durch Variation der Länge der Längsschlitze 40 und damit der Länge von Schnapparmen 43 kann die Auslenkkraft beeinflusst werden. Die Schnapphaken 35 wirken in axialer Richtung mit Gegenschnappmitteln 37 des Permanentmagneten 13c zusammen wodurch dieser formschlüssig gehalten ist. Die Sperrmittel 33 dienen auch als Spielausgleichsmittel, wodurch der Permanentmagnet sicher und spielfrei gehalten ist.
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4 zeigt eine Stirnansicht des Rotors 11d, mit dem Permanentmagneten 13d, der Scheibe 2, der Hohlwelle 3, dem Lager 12d, den Sacklöchern 10, Nuten 7 welche als zusätzliche Verdrehsicherungen dienen, den Schnapphaken 35, den Einführschrägen 34, den Sperrmitteln 33 und einem Strömungskanalausgang 36, der als halbzylinderförmige radial verlaufende Vertiefung auf der Stirnseite der Hohlwelle 3 ausgeführt ist und sich hinter einem Ringkragen 39 des Lagers 12d bis zu einem achsparallelen Strömungskanal 16 (siehe 8) erstreckt. Die Sperrmittel 33 sind hier nur in den Sacklöchern eingebracht, die auch eine Begrenzung für Schnapphaken 35 bilden, doch auch die übrigen Sacklöcher 10 können mit ähnlich ausgebildeten zylindrischen Auswuchtmitteln versehen sein. Die Anzahl der Sacklöcher 10, deren geometrische Ausbildung und Tiefe kann den Erfordernissen angepasst werden. Die Nuten 7 können auch entfallen, weil die Schnapphaken selbst eine in den meisten Fällen ausreichende Mitnehmerfunktion in tangentialer Richtung übernehmen.
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5 zeigt den Permanentmagneten 13e aus 4 als Einzelteil. Hier sind insbesondere Gegenschnappmittel 37 erkennbar, welche mit den Schnapphaken aus 4 in axialer Richtung zusammenwirken, während Mitnehmer 38 für den Eingriff in die Nuten 7 der Hohlwelle 8 (siehe 4) vorgesehen sind.
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6 zeigt eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Flüssigkeitspumpe
20, mit einem Saugstutzen
17 und einem Druckstutzen
18 (verdeckt) zum Anschluss an einen Flüssigkeitskreislauf. Der Saugstutzen
17 und der Druckstutzen
18 sind einstückig mit einem Pumpengehäuse
19, das flüssigkeitsdicht mit einem Spalttopf
21 verbunden ist. Der Spalttopf
21 bildet mit einem topfförmigen Motorgehäuse
22 einen Aufnahmeraum für den Stator eines Elektromotors, der die Flüssigkeitspumpe
20 in antreibt. Der Elektromotor ist in Form eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors mit Klauenpolstator
23 ausgebildet, sein Stator erzeugt ein Drehfeld, das über den Spalttopf
21 auf den Permanentmagneten
13f des auf einer im Spalttopf
21 befestigten und im Pumpengehäuse abgestützten Achse
26 drehbeweglichen Rotors
11f wirkt und diesen in Drehbewegung versetzt. Der in
6 dargestellte Rotor
11f ist eine Variante zum Rotor
11b aus
2. Der Rotor in
6 weist nur ein einziges Lager
12f, hier in Form einer Lagerbuchse, auf. Jeder Statorpol
24 besteht aus zwei unterschiedlich langen Blechen um den Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen. Die Statorbleche sind in einen Isolierstoffkörper
44 eingespritzt (vgl.
JP 7-208380 ), wobei sie analog zur
DE 10 2010 019 502 ausgebildet sind. Der Isolierstoffkörper
44 dient als Wicklungsaufnahme für eine Wicklung
25 in Form einer Zylinderwicklung.
6 zeigt weiter eine Leiterplatte
41, die mit Anschlüssen
42 eines Steckers (hier nicht dargestellt) elektrisch verbunden ist. Die Leiterplatte
41 ist über Stützpfosten
43 mit dem Isolierstoffkörper
44 verbunden. Die Leiterplatte
41 ist mit dem Boden
45 des Spalttopfs
21 in wärmeleitendem Kontakt (vgl.
JP 8-42482 ). Um Körperschallübertragungen zu minimieren ist der Isolierstoffkörper
44 gemäß der nachveröffentlichten
DE 10 2008 054 037 gestaltet und nicht einstückig mit dem Spalttopf
21.
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7 zeigt eine Schnittansicht des Flügelrads
1 mit einem Rotor
11g, der aus einem hohlzylindrischen Permanentmagneten
13g besteht, der um die Hohlwelle
3g und an die Scheibe
2g montiert ist, wobei das kunststoffgebundene Permanentmagnetmaterial Durchbrüche
6g der Scheibe
2g ausfüllt. Die Durchbrüche
6b sind so geformt, dass sie eine Engstelle
14 aufweisen. Auf der den Flügeln
4 zugewandten Seite der Scheibe
2g sind die Durchbrüche
6g erweitert, wodurch der Permanentmagnet
13g mit der Scheibe
2g formschlüssig verbunden ist. Die Formschlüssige Verbindung wird dabei durch Heißverprägen hergestellt. Weiter zeigt
7 die Sacklöcher
10, die Innenausnehmung
8 und zwei Gleitlagerbuchsen
12g, die beiderseits des Rotorschwerpunkts in der Innenausnehmung
8 angeordnet sind. Die Gleitlagerbuchsen
12g und die Hohlwelle
3g bestehen aus dem gleichen Kunststoff-Grundmaterial, wie bereits aus der
DE 10 2006 021 244 A1 bekannt. An dem Flügelrad
1 gegenüberliegenden Ende des Rotors
11g ist eine zylindrische Ausnehmung
15 vorgesehen, die der Gewichtseinsparung dient.
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8 zeigt eine räumliche Darstellung des Flügelrads 1 aus 7 mit den Flügeln 4, des Rotors 11h und der Scheibe 2h. An die Innenausnehmung 8 der Hohlwelle schließt sich radial ein Strömungskanal 16 an, der zu einer Achse (hier nicht dargestellt) hin offen ist, welche die Hohlwelle drehbeweglich aufnimmt. An der dem Flügelrad 1 zugewandten Seite der Scheibe 2h sind die zu Nietköpfen verformten Vorsprünge 31h des Permanentmagneten 13h zu erkennen, die für die formschlüssige Verbindung mit der Scheibe 2h sorgen.
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9 zeigt eine Schnittdarstellung durch einer dritten Ausführungsform der Erfindung, bei der Permanentmagnet 13i zunächst getrennt vom Flügelrad 1 mit einer Magnethülle 45 aus Kunststoffmaterial versehen wurde, vorzugsweise durch Umspritzen und anschließend durch Heißverprägen an der Scheibe 2i formschlüssig befestigt. Auch eine Schnappverbindung lässt sich auf diese Weise realisieren. Durch diese Vorgehensweise lassen sich beispielsweise eine Vielzahl von Seltenerdmagnetstäben zu einem Ringmagneten verbinden und anschließend montieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flügelrad
- 2a–2d, 2g–2i
- Scheibe
- 3a–3d, 3f–3i
- Hohlwelle
- 4
- Flügel
- 5
- Drehachse
- 6a, 6c, 6g, 6i
- Durchbruch
- 7
- Nut
- 8
- Innenausnehmung
- 9
- Außenmantel
- 10
- Sackloch
- 11b–11g, 11f–11i
- Rotor
- 12a, 12c, 12d, 12f, 12g, 12i
- Lager(bereich)
- 13b–13i
- Permanentmagnet
- 14
- Engstelle
- 15
- Hohlraum
- 16
- Strömungskanal
- 17
- Saugstutzen
- 18
- Druckstutzen
- 19
- Pumpengehäuse
- 20
- Flüssigkeitspumpe
- 21
- Spalttopf
- 22
- Motorgehäuse
- 23
- Klauenpolstator
- 24
- Statorpol
- 25
- Wicklung
- 26
- Achse
- 27
- Elektromotor
- 28
- Schlitze
- 29
- Hinterschnitt
- 30
- Schnappverbindung
- 31c, 31f–31i
- Vorsprung
- 32
- Rücksprung
- 33
- Sperrmittel
- 34
- Einführschräge
- 35
- Schnapphaken
- 36
- Strömungskanalaustritt
- 37
- Gegenschnappmittel
- 38
- Mitnehmer
- 39
- Ringkragen
- 40
- Längsschlitz
- 41
- Leiterplatte
- 42
- Stützpfosten
- 43
- Schnapparm
- 44
- Isolierstoffkörper
- 45
- Magnethülle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1115981 B1 [0002]
- JP 7-208380 [0030]
- DE 102010019502 [0030]
- JP 8-42482 [0030]
- DE 102008054037 [0030]
- DE 102006021244 A1 [0031]
