DE102011085674A1

DE102011085674A1 - Maschinenelement einer Kraftstoffpumpe mit Oberflächen-Mikrostrukturierung

Info

Publication number: DE102011085674A1
Application number: DE201110085674
Authority: DE
Inventors: Alexis Spinner; Joost Nowak; Jan Schlegel; Jochen Weidlich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2011-11-03
Publication date: 2013-05-08
Also published as: CN103089502A; FR2982326A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Maschinenelement (10, 110) für eine elektrische Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Oberfläche (O) des Maschinenelements (10, 110) mit einer Polymerschicht (18, 118) bedeckt ist, wobei die Oberfläche (O) an einem Grenzbereich (22, 122) der Polymerschicht (18, 118) zu einem nicht beschichteten Bereich eine Mikrostrukturierung aufweist.

Description

Technisches Gebiet
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.
Stand der Technik
Bei den Elektromotoren, die bei Intank-Kraftstoffpumpen eingesetzt werden, wird üblicherweise der Anker mit einer Polymerschicht umspritzt, beispielsweise mit Polyoxmethylen, um Wirbelverluste zu minimieren.
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.
Alternativ ist es bekannt, Rotoren von EC-Motoren, welche beispielsweise bei Kraftstoffpumpen eingesetzt werden, in einem Edelstahlgehäuse zu verkapseln. Eine derartige Verkapselung besteht aus mehreren Einzelteilen, welche miteinander verschweißt werden. Dafür sind mehrere Schweißungen an unterschiedlichen Schweißpositionen nötig.
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.
Offenbarung der Erfindung
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.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Maschinenelement gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Maschinenelements gemäß Anspruch 8 bereitgestellt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. 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.
Durch die Mikrostrukturierung kann die Haftung zwischen der Metall- oder Duroplast-Oberfläche des Maschinenelements und der Polymerschicht verbessert werden, so dass das Eindringen von korrosiven Kraftstoffen zwischen die Oberfläche und die Polymerschicht verhindert werden kann. Eine elektrische Maschine, welche ein erfindungsgemäßes Maschinenelement umfasst, weist demnach eine verbesserte Medienbeständigkeit auf.
Insbesondere kann das Maschinenelement 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- bzw. Duroplast-Oberfläche verhindert werden.
Alternativ kann das Maschinenelement einen Anker und eine Welle eines EC-Motors umfassen, wobei die Außenfläche des Ankers mit einer Polymerschicht bedeckt ist, und wobei wenigstens eine Oberfläche der Welle, welche an die Polymerschicht angrenzt, mit einer Mikrostrukturierung versehen ist. Auch mit dieser Ausführungsform kann wirksam das Eindringen korrosiver Kraftstoffe zwischen der Polymerschicht des Ankers und der Metall-Oberfläche der Welle verhindert werden.
Bei jeder der beiden voranstehend beschriebenen Ausführungsformen kann die Mikrostrukturierung eine unregelmäßige Struktur aufweisen, welche durch teilweises Verdampfen und anschließendes Kondensieren einer Metall- bzw. Duroplast-Oberfläche erzeugt ist. Eine derartige unregelmäßige Struktur hat den Vorteil, dass eine besonders gute Verbindung zwischen der mikrostrukturierten Oberfläche und der Polymerschicht erreicht wird.
Alternativ ist es aber auch möglich, eine regelmäßige Mikrostrukturierung der Oberfläche vorzusehen.
Der mittlere Abstand zwischen zwei benachbarten Erhebungen und/oder zwei benachbarten Vertiefungen der Mikrostrukturierung beträgt gemäß einer Ausführungsform zwischen 1 µm und 999 µm, vorzugsweise zwischen 2 µm und 500 µm.
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.
Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Kraftstoffpumpe bereit, welche ein voranstehend beschriebenes Maschinenelement umfasst.
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.
Die Mikrostrukturierung kann hierbei mittels eines Lasers aufgebracht werden.
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- bzw. Duroplast-Oberfläche verhindert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Mikrostrukturierung auf wenigstens eine Oberfläche in einem Grenzbereich zwischen einer Welle des Maschinenelements und einer einen Anker des Maschinenelements umschließenden Polymerschicht aufgebracht werden.
Die Polymerschicht kann bei beiden voranstehend beschriebenen Ausführungsformen jeweils 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.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Maschinenelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Maschinenelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
3 eine schematische Darstellung einer mikrostrukturierten und mit einer Polymerschicht bedeckten Oberfläche bei dem in 1 gezeigten Maschinenelement.
Beschreibung von Ausführungsformen
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.
Der Anker 12 ist mit einer Polymerschicht 18 umspritzt, um Verwirbelungen des um den Anker 12 strömenden Kraftstoffs zu minimieren.
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. Da Kommutatoren üblicherweise aus Duroplast hergestellt werden, stellt sich das gleiche Problem für die Duroplast-Oberfläche des Kommutators 14 und die Polymerschicht 18 des Ankers 12. 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- bzw. Duroplast-Oberfläche und Polymerschicht 18 abzudichten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 2 ein Maschinenelement 110 gezeigt, welches einen Anker 112 und eine Welle 116 eines EC-Motors umfasst. Auch das Maschinenelement 110 kann beispielsweise in einer Kraftstoffpumpe eingesetzt werden. Der Anker 112 umfasst mindestens einen Magneten 124 und Wellenpakete 126 und ist mit der Welle 116 drehfest verbunden. Der mindestens eine Magnet 124 kann ringförmig oder scheibenförmig ausgebildet sein.
Bei dem Anker 112 der in 2 gezeigten Ausführungsform erstreckt sich eine Kunststoff-Umspritzung 118 jeweils um die komplette Außenfläche des Ankers 112 herum bis zur Welle. In den Grenzbereichen 122, an denen die Endbereiche der Polymerschicht 118 an die Welle 116 anstoßen, können korrosive Kraftstoffe zwischen das Metall der Welle 116 und die aufgebrachte Polymerschicht 118 des Ankers 112 eindringen. Auch bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ist es daher wünschenswert, die Grenzbereiche 122 zwischen der Beschichtung 118 und benachbarten, nichtbeschichteten Bereichen der Welle 116 gegen das Eindringen von Kraftstoffen zwischen Metall-Oberfläche und Polymerschicht 118 abzudichten.
Daher ist, wie in 3 schematisch bezüglich der Ausführungsformen der 1 und 2 gezeigt, wenigstens eine Oberfläche O des Ankers 12, 112 oder eines benachbarten Bauteils in einem Grenzbereich 22, 122 mit einer Mikrostrukturierung versehen.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform erstreckt sich der Grenzbereich 22, 122 hierbei von einem Rand der Polymerschicht 18 aus um eine Breite von 0,5mm bis 10mm entlang der zu beschichtenden Oberfläche des Ankers 12, 112.
Die Breite des mit einer Mikrostrukturierung versehenen Grenzbereichs 22, 122 ist hierbei so groß gewählt, dass eine ausreichende Abdichtung gegen ein Eindringen von Kraftstoffen zwischen die Metall- bzw. Duroplast-Oberfläche O und die aufgebrachte Polymerschicht 18, 118 erreicht wird. In Abhängigkeit der Tiefe der Mikrostrukturierung und der Materialeigenschaften der Polymerschicht 18, 118 können demnach unterschiedliche Werte für die Breite des mit der Mikrostrukturierung versehenen Grenzbereichs 22, 122 ermittelt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Polymerschicht auch bei der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform auf an den Anker 12, 112 angrenzende Bauteile aufgebracht werden. Um eine mediendichte Verbindung zwischen Metall und Polymerschicht auch beispielsweise an der Welle 16, 116 zu erhalten, kann daher auch eine Oberfläche O der Welle 16 in einem Grenzbereich zum Anker 12, 112 mit einer Mikrostrukturierung, wie beispielhaft in 3 gezeigt, versehen und mit einer Polymerschicht bedeckt sein. In diesem Fall ist dann ein (nicht in den Figuren gezeigter) Grenzbereich an der Welle 16, 116 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.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die Mikrostrukturierung vorzugsweise über den gesamten Bereich der Oberfläche der Welle 116 im Grenzbereich 122 aufgebracht, welcher nach der Umspritzung mit der Polymerschicht 118 mit dem Polymer-Material in Kontakt ist. Alternativ kann lediglich ein Teilbereich der Kontaktfläche 122 zwischen der Welle 116 und der Polymerschicht 118 mit einer Mikrostrukturierung versehen sein. Die Breite des mikrostrukturierten Abschnitts kann in Abhängigkeit der Eigenschaften der Mikrostruktur und des verwendeten Polymer-Materials so gewählt werden, dass eine ausreichende Abdichtung gegen das Eindringen von Kraftstoffen zwischen die Polymerschicht 118 und die Welle 116 erreicht wird.
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.
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.
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.
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, 118 erreicht werden kann.
Nachdem die Oberflächen der Grenzbereiche 22, 122 des Ankers 12, 112 bzw. der Welle 16, 116 jeweils eine Mikrostrukturierung erhalten haben, wird die Polymerschicht 18, 118 mittels eines Spritzguss-Verfahrens aufgebracht. Hierbei fließt der Kunststoff, wie beispielsweise Polyoxymethylen, in die Vertiefungen der Mikrostruktur. Somit sind die Endbereiche des Ankers 12 bzw. die dem Anker 112 benachbarten Bereiche der Welle 116 gegen ein Eindringen korrosiver Kraftstoffe zwischen Metall-Oberfläche und Polymerschicht 18, 118 abgedichtet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008040782 A1 [0005]
DE 102008040782 [0037]

Claims

Maschinenelement (10, 110) für eine elektrische Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Oberfläche (O) des Maschinenelements (10, 110) mit einer Polymerschicht (18, 118) bedeckt ist, wobei die Oberfläche (O) an einem Grenzbereich (22, 122) der Polymerschicht (18, 118) zu einem nicht beschichteten Bereich eine Mikrostrukturierung aufweist.
Maschinenelement (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine eine Kraftstoffpumpe umfasst, wobei eine Oberfläche eines Ankers (12) eines Motors der Kraftstoffpumpe mit einer Polymerschicht (18) bedeckt ist, und wobei wenigstens eine Oberfläche (O) in einem Grenzbereich (22) zwischen einem beschichteten und einem nicht beschichteten Bereich des Ankers (12) und/oder einer dem Anker (12) benachbarten Komponente (14, 16) des Maschinenelements (10) mit einer Mikrostrukturierung versehen ist.
Maschinenelement (110) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement einen Anker (112) und eine Welle (116) eines EC-Motors umfasst, wobei die Außenfläche des Ankers (112) mit einer Polymerschicht (118) bedeckt ist, und wobei wenigstens eine Oberfläche (O) der Welle (116), welche an die Polymerschicht (118) angrenzt, mit einer Mikrostrukturierung versehen ist.
Maschinenelement (10, 110) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturierung eine unregelmäßige Struktur aufweist, welche durch punktuelles Verdampfen und Kondensieren einer Metall- oder Duroplast-Oberfläche (O) erzeugt ist.
Maschinenelement (10, 110) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Abstand (d) zwischen zwei benachbarten Erhebungen und/oder zwei benachbarten Vertiefungen der Mikrostrukturierung zwischen 1 µm und 999 µm, vorzugsweise zwischen 2 µm und 500 µm beträgt.
Maschinenelement (10, 110) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschicht (18, 118) mittels eines Spritzguss-Verfahrens, mittels eine Spritzpress-Verfahrens oder mittels eines Pressverfahrens aufgebracht ist.
Kraftfahrzeug, umfassend eine Kraftstoffpumpe mit einem Maschinenelement (10, 110) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Verfahren zur Herstellung eines Maschinenelements (10, 110) für eine elektrische Maschine, umfassend: – Aufbringen einer Mikrostrukturierung auf eine Oberfläche (O) des Maschinenelements in einem Grenzbereich (22, 122) zwischen einem mit einer Polymerschicht (18, 118) zu beschichtenden Bereich und einem nicht mit der Polymerschicht (18, 118) zu beschichtenden Bereich; und – Aufbringen einer Polymerschicht (18, 118) auf die mikrostrukturierte Oberfläche (O).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturierung mittels eines Lasers aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturierung auf wenigstens eine Oberfläche (O) in einem Grenzbereich (22) zwischen einem zu beschichtenden und einem nicht zu beschichtenden Bereich des Ankers (12) und/oder einer dem Anker (12) benachbarten Komponente (14, 16) des Maschinenelements (10) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturierung auf wenigstens eine Oberfläche (O) in einem Grenzbereich (122) zwischen einer Welle (116) des Maschinenelements (110) und einer einen Anker (112) des Maschinenelements (110) umschließenden Polymerschicht (118) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschicht (18, 118) mittels eines Spritzguss-Verfahrens, mittels eine Spritzpress-Verfahrens oder mittels eines Pressverfahrens auf die mikrostrukturierte Oberfläche (O) aufgebracht wird.