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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpe mit Elektromotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Hochdruckeinspritzsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 10.
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Stand der Technik
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Pumpen mit Elektromotor werden für die verschiedensten technischen Anwendungen zum Fördern eines Fluides eingesetzt. Beispielsweise dienen Kraftstoffpumpen zum Fördern von Kraftstoff zu einem Verbrennungsmotor. Der Elektromotor der Pumpe umfasst einen Stator sowie einen Rotor mit Permanentmagneten.
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Dabei ist der Elektromotor und die Pumpe innerhalb eines Gehäuses angeordnet. Innerhalb des Gehäuses entsteht somit ein Raum, insbesondere ein Arbeitsraum, in dem sich das zu fördernde Fluid befindet. Außerhalb des Gehäuses können Stoffe angeordnet sein, zum Beispiel Flüssigkeiten, wie Salzwasser, deren Eindringen innerhalb des Gehäuses der Pumpe zu verhindern ist, weil diese beispielsweise Schäden an dem Stator durch Korrosion verursachen können. Auch Feststoffe, wie beispielsweise Staubverschmutzungen oder kleinste Partikel, können bei einem Eindringen in dem von dem Gehäuse eingeschlossenen Innenraum sowohl am Elektromotor als auch an der Pumpe Schäden verursachen. Aus diesem Grund ist es erforderlich, die Pumpe mit dem Elektromotor dauerhaft fluiddicht abzudichten, um einerseits ein Austreten des zu fördernden Fluides, zum Beispiel Kraftstoff nach außerhalb des Gehäuses zu verhindern und andererseits schädigende Stoffe oder Medien vor dem Eindringen in dem von dem Gehäuse eingeschlossenen Innenraum mit der Pumpe und dem Elektromotor zu verhindern. Hierzu ist es Stand der Technik, den Stator von einer Dichthülle zu umschließen.
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Die
DE 299 13 367 U1 zeigt eine Innenzahnradpumpe mit wenigstens einem innenverzahnten Hohlrad und einem damit kämmenden, außen verzahnten Laufrad, mit oder ohne Sichel, und mit einem elektrischen Antrieb, der dadurch gebildet ist, dass das Hohlrad das Innere eines Rotors eines bürstenlosen Elektromotors und dem Rotor benachbart ein Stator angeordnet ist, wobei der das Hohlrad enthaltende Rotor außenseitig von einem Lager oder einem Gleitlager drehbar gehalten ist, wobei der Stator gegenüber dem Rotor und gegenüber dem Inneren der Pumpe dadurch abgeschirmt und abgedichtet ist, dass das zwischen Stator und Rotor befindliche Lager oder Gleitlager für Flüssigkeit undurchlässig und an seinen beiden Stirnseiten jeweils mit einem Abschlussdeckel dicht verbunden ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäße Pumpe mit Elektromotor, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zum Fördern eines Fluides, umfassend ein Laufrad mit Förderelementen, von dem um eine Rotationsachse eine Rotationsbewegung ausführbar ist, einen an dem Laufrad vorhandenen Arbeitsraum, einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor, ein Gehäuse, wobei das Laufrad mit den Förderelementen und der Elektromotor innerhalb des Gehäuses angeordnet sind und vorzugsweise die Pumpe in den Elektromotor integriert ist oder umgekehrt, indem der Rotor von dem Laufrad gebildet ist, der Stator wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, von einer Dichthülle umschlossen ist, wobei die Dichthülle mehrteilig ist und die Dichthülle wenigstens eine Abdeckplatte und/oder wenigstens eine Abdeckfolie umfasst.
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In einer weiteren Variant umfasst die Dichthülle eine Gleitlagerbuchse und vorzugsweise einen Steckkragen und/oder die Dichthülle einen Dichtring umfasst.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die wenigsten eine Abdeckplatte und/oder die wenigstens eine Abdeckfolie und/oder der Dichtring an der Gleitlagerbuchse und/oder an dem Steckkragen befestigt, insbesondere stoffschlüssig, z. B. mit einer Schweiß- oder Klebeverbindung.
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Zweckmäßig ist die wenigstens eine Abdeckplatte und/oder die wenigstens eine Abdeckfolie und/oder der Dichtring in radialer Richtung außerhalb der Gleitlagerbuchse ausgebildet und/oder zwischen dem Steckkragen und der Gleitlagerbuchse. Der Dichtring ist vorzugsweise nicht zwischen dem Steckkragen und der Gleitlagerbuchse, sondern nur in radialer Richtung außerhalb der Gleitlagerbuchse und axial zwischen den Abdeckplatten oder Abdeckfolien ausgebildet.
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In einer ergänzenden Ausgestaltung besteht die Dichthülle wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus einem, vorzugsweise thermoplastischen, Kunststoff, z. B. PPA. Wichtige Eigenschaften des Kunststoffes sind, dass dieser kraftstoffbeständig und schweißbar oder klebbar ist.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform weist die Gleitlagerbuchse eine andere Stoffzusammensetzung auf als die übrige Dichthülle, insbesondere umfasst die Gleitlagerbuchse Zusatzstoffe zur Verringerung der Reibung an der Gleitlagerbuchse. Mit den Zusatzstoffen kann die Reibung des Außenzahnrades an der Gleitlagerbuchse verringert werden.
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In einer ergänzenden Ausgestaltung umfasst der Stator einen weichmagnetischen Kern, insbesondere ein Blechpaket, Wicklungen als Elektromagnete und vorzugsweise elektrische Kontaktelemente.
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In einer weiteren Variante sind der weichmagnetische Kern und die Wicklungen als Elektromagnete vollständig von der Dichthülle umschlossen und die elektrischen Kontaktelemente sind teilweise von der Dichthülle umschlossen, so dass ein Teil der Kontaktelemente außerhalb der Dichthülle angeordnet ist.
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Vorzugsweise sind der Stator, insbesondere der weichmagnetische Kern, die Wicklungen und teilweise die elektrischen Kontaktelemente, fluiddicht von der Dichthülle eingeschlossen.
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Der Stator ist von der Dichthülle bzw. einer Kapselung umschlossen und dadurch ist der Stator, das heißt wenigstens eine Komponente des Stators, zum Beispiel eine weichmagnetischer Kern und/oder Wicklungen und/oder elektrische Kontaktelemente, von der Dichthülle umschlossen und dadurch ist wenigstens eine Komponente des Stators fluiddicht bezüglich der den Stator umgebenden Fluiden abgedichtet. Dadurch kann zu dem Stator in vorteilhafter Weise nicht das zu fördernde Fluid, zum Beispiel Kraftstoff, vordringen und außerdem können an den Stator auch nicht schädigende Medien oder Stoffe, zum Beispiel Salzwasser, zu Komponenten des Stators vordringen, weil die wenigstens eine Komponente von der Dichthülle umschlossen und dadurch fluiddicht abgedichtet ist.
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Pumpen mit Elektromotor werden insbesondere als auch Vorförderpumpen an einem Hochdruckeinspritzsystem eines Verbrennungsmotors eingesetzt. Hierzu ist die elektrische Vorförderpumpe an einer Hochdruckpumpe angeordnet und die Hochdruckpumpe ist dabei wiederum an dem Verbrennungsmotor befestigt. Aufgrund dieser Befestigung der elektrischen Vorförderpumpe mittelbar an dem Verbrennungsmotor ist die elektrische Vorförderpumpe als Pumpe mit Elektromotor hohen mechanischen Belastungen, insbesondere aufgrund von Vibrationen und thermischen Belastungen, ausgesetzt. Dies führt zu Relativbewegungen zwischen Komponenten des Stators. Aufgrund der Umhüllung bzw. Kapselung bzw. Dichthülle, welche den Stator umgibt, werden diese Komponenten des Stators mechanisch befestigt, sodass Relativbewegungen zwischen den Komponenten des Stators im Wesentlichen ausgeschlossen werden können und dadurch ein daraus resultierender Verschleiß des Stators verringert werden kann was die Lebensdauer der Pumpe mit dem Elektromotor wesentlich verlängert.
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In einer ergänzenden Ausführungsform sind in das Laufrad Permanentmagnete integriert, so dass der Rotor von dem Laufrad gebildet ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind die Förderelemente Schaufeln oder Zähne eines Zahnrades.
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In einer ergänzenden Variante ist die Pumpe eine Zahnradpumpe, insbesondere Innenzahnradpumpe.
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Erfindungsgemäßes Hochdruck-Einspritzsystem für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Hochdruckpumpe, ein Hochdruck-Rail, eine elektrische Vorförderpumpe zum Fördern eines Kraftstoffes von einem Kraftstofftank zu der Hochdruckpumpe, wobei die elektrische Vorförderpumpe als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Pumpe ausgebildet ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung bildet das Laufrad den Rotor und/oder an oder in dem Laufrad sind die Permanentmagnete angeordnet oder integriert, d. h. vorzugsweise ist die Pumpe in den Elektromotor integriert oder umgekehrt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Pumpe in den Elektromotor oder umgekehrt integriert, vorzugsweise stellen die Pumpe und der Elektromotor untrennbare Baueinheiten dar.
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In einer weiteren Ausgestaltung besteht der Rotor teilweise aus Blechplatten. Vorzugsweise sind die Blechplatten mit einer Isolierschicht umgegeben. Die Isolierung um die Blechplatten sowie die Ausbildung des übrigen Rotors aus Blechplatten hat die Aufgabe, dass im Rotor keine oder nur sehr geringe Wirbelströme auftreten.
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In einer weiteren Ausgestaltung besteht der Rotor wenigstens teilweise, insbesondere vollständig aus Sinterstahl.
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In einer weiteren Variante umfasst die Pumpe mit Elektromotor eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung für das Fluid, die in den Arbeitsraum münden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Pumpe eine Außenzahnradpumpe oder eine Kreiselpumpe oder eine Flügelzellenpumpe.
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Zweckmäßig umfasst die Pumpe mit, vorzugsweise integriertem, Elektromotor eine, vorzugsweise elektronische, Steuerungseinheit zur Steuerung der Bestromung der Elektromagnete.
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Zweckmäßig besteht das Gehäuse der Vorförderpumpe und/oder das Gehäuse der Hochdruckpumpe und/oder das Innen- und/oder Außenzahnrad wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Metall, z. B. Stahl oder Aluminium.
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Insbesondere ist die Förderleistung der elektrischen Vorförderpumpe steuerbar und/oder regelbar.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
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1 eine stark schematisierte Ansicht eines Hochdruckeinspritzsystems,
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2 eine perspektivische Ansicht einer Vorförderpumpe ohne Gehäuse und eines Stators ohne Dichthülle,
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3 eine Explosionsdarstellung der Vorförderpumpe gemäß 2 mit Gehäuse,
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4 eine perspektivische Ansicht des Stators mit Dichthülle in einem Schnitt in einem ersten Ausführungsbeispiel und
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5 einen Teilschnitt des Stators mit Dichthülle gemäß 4.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine Pumpenanordnung 1 eines Hochdruckeinspritzsystems 2 dargestellt. Eine elektrische Vorförderpumpe 3 fördert aus einem Kraftstofftank 41 durch eine Kraftstoffleitung 35 Kraftstoff. Anschließend wird der Kraftstoff von der elektrischen Vorförderpumpe 3 zu einer Hochdruckpumpe 7 gefördert. Die Hochdruckpumpe 7 ist von einem Verbrennungsmotor 39 mittels einer Antriebswelle 44 angetrieben.
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Die elektrische Vorförderpumpe 3 weist einen Elektromotor 4 und eine Pumpe 5 auf (2 und 3). Dabei ist der Elektromotor 4 der Pumpe 5 in die Pumpe 5 integriert und ferner ist die elektrische Vorförderpumpe 3 an der Hochdruckpumpe 7 unmittelbar angeordnet. Die Hochdruckpumpe 7 fördert Kraftstoff unter Hochdruck, beispielsweise einem Druck von 1000, 3000 oder 4000 bar, durch eine Hochdruckkraftstoffleitung 36 zu einem Hochdruck-Rail 42. Von dem Hochdruck-Rail 42 wird der Kraftstoff unter Hochdruck von einem Injektor 43 einem nicht dargestellten Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors 39 zugeführt. Der nicht für die Verbrennung benötigte Kraftstoff wird mittels einer Rücklaufkraftstoffleitung 37 wieder zu dem Kraftstofftank 41 zurückgeführt. Die Portingöffnungen 28 (2) der elektrischen Vorförderpumpe 3 sind ohne eine externe Verbindung mit der Hochdruckpumpe 7 verbunden. Die Anbauposition der elektrischen Vorförderpumpe 3 an der Hochdruckpumpe 7 ist dabei dahingehend gewählt, dass durch kurze hydraulische Verbindungen der Kraftstoff von der Druckseite der Vorförderpumpe 3 zu der Saugseite der Hochdruckpumpe 7 geleitet werden kann. In der Kraftstoffleitung 35 von dem Kraftstofftank 41 zu der elektrischen Vorförderpumpe 3 ist ein Kraftstofffilter 38 eingebaut. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die Kraftstoffleitung 35 vom Kraftstofftank 41 zu der elektrischen Vorförderpumpe 3 kostengünstig ausgebildet werden, da sie keinem Überdruck standhalten muss. Der Elektromotor 4 (2 und 3) der elektrischen Vorförderpumpe 3 wird mit Drehstrom bzw. Wechselstrom betrieben und ist in der Leistung steuerbar und/oder regelbar. Der Drehstrom bzw. Wechselstrom für den Elektromotor 4 wird von einer nicht dargestellten Leistungselektronik aus einem Gleichspannungsnetz eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges 40 zur Verfügung gestellt. Die elektrische Vorförderpumpe 3 ist damit eine elektronisch kummutierte Vorförderpumpe 3.
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Die elektrische Vorförderpumpe 3 weist ein Gehäuse 8 mit einem Gehäusetopf 10 und einem Gehäusedeckel 9 auf (3). Innerhalb des Gehäuses 8 der Vorförderpumpe 3 sind die Pumpe 5 als Innenzahnradpumpe 6 bzw. Zahnradpumpe 26 und der Elektromotor 4 angeordnet. Der Gehäusetopf 10 ist mit einer Aussparung 57 versehen. Der Elektromotor 4 weist einen Stator 13 mit Wicklungen 14 als Elektromagnete 15 und einen Weicheisenkern 45 als weichmagnetischen Kern 32 auf, der als ein Blechpaket 33 ausgebildet ist. Innerhalb des Stators 13 ist die Pumpe 5 als Innenzahnradpumpe 6 mit einem Innenzahnrad 22 mit einem Innenzahnring 23 und ein Außenzahnrad 24 mit einem Außenzahnring 25 positioniert. Das Innen- und Außenzahnrad 22, 24 stellt damit ein Zahnrad 20 und ein Laufrad 18 dar und der Innen- und Außenzahnring 23, 25 weisen Zähne 21 als Förderelemente 19 auf. Zwischen dem Innen- und Außenzahnrad 22, 24 bildet sich ein Arbeitsraum 47 aus. In das Außenzahnrad 24 sind Permanentmagnete 17 eingebaut, so dass das Außenzahnrad 24 auch einen Rotor 16 des Elektromotors 4 bildet. Der Elektromotor 4 ist damit in die Pumpe 5 integriert bzw. umgekehrt. Die Elektromagnete 15 des Stators 13 werden abwechselnd bestromt, so dass aufgrund des sich an den Elektromagneten 15 entstehenden Magnetfeldes der Rotor 16 bzw. das Außenzahnrad 24 in eine Rotationsbewegung um eine Rotationsachse 27 versetzt wird.
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Der Gehäusedeckel 9 dient als Lager 11 bzw. Axiallager 11 bzw. Gleitlager 11 für das Innen- bzw. Außenzahnrad 22, 24. Ferner sind in den Gehäusedeckel 9 eine Saug-Portingöffnung 29 und eine Druck-Portingöffnung 30, jeweils als Portingöffnungen 28, eingearbeitet. Durch die Saug-Portingöffnung 29 strömt das zu fördernde Fluid, nämlich Kraftstoff, in die Vorförderpumpe 3 ein aus der Druck-Portingöffnung 30 strömt der Kraftstoff wieder aus der Vorförderpumpe 3 aus. Außerdem weist der Gehäusetopf 9 und der Gehäusedeckel 10 jeweils drei Bohrungen 46 auf, in denen nicht dargestellte Schrauben zum Zusammenschrauben des Gehäusetopfes 9 und des Gehäusedeckels 10 positioniert sind.
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In 4 und 5 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des Stators 13 dargestellt, welcher von einer Dichthülle 31 als Kapselung umschlossen ist. Dabei sind von der Dichthülle 31 die Komponenten des Stators 13, nämlich die Elektromagnete 15 als auch der Weicheisenkern 45, von der Dichthülle 31 vollständig umschlossen. Die elektrischen Kontaktelemente 34 als weitere Komponente des Stators 13 umfassen das Kontaktpin 48 und die Kontaktleitung 49. An dem Stator 13 sind dabei mehrere Kontaktpins 48 mit zugeordneten Kontaktleitungen 49 vorhanden, sodass der Stator 13 damit auch mehrere elektrische Kontaktelemente 34 aufweist. In 5 ist nur ein elektrisches Kontaktelement 34 dargestellt. Mittels der elektrischen Kontaktelemente 34 werden die Wicklungen 14 des Stators 13 bestromt. Die Kontaktpins 48 sind dabei teilweise nicht von der Dichthülle 31 aus thermoplastischem Kunststoff umschlossen, sodass an diesem, nicht von der Dichthülle 31 umschlossenen Teil der elektrischen Kontaktelemente 34 diese mit nicht dargestellten Gegenkontaktelementen in mechanische und elektrische Verbindung gebracht werden können zur Bestromung der Wicklungen 14 mit Wicklungsdrähten 56 des Stators 13. Die Dichthülle 31 weist dabei ferner einen Steckkragen 55 auf. Der Steckkragen 55 (4 und 5) ist dabei nach der Montage der elektrischen Vorförderpumpe 3 in der Aussparung 57 des Gehäusestopfes 10 angeordnet (nicht dargestellt). Die Dichthülle 31 ist ferner mit Funktionsgeometrien 50 versehen. In dem in 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel des Stators 13 mit der Dichthülle 31 weist die Dichthülle 31 die zwei gegenüberliegenden Nuten 51 zur Aufnahme je eines Dichtringteils 54 auf. Mittels der beiden vollständig umlaufenden Dichtringteile 54 als Dichtungen 53 und den Nuten 51 kann der Dichthülle 31 bezüglich des Gehäusetopfes 10 und des Gehäusedeckels 9 fluiddicht abgedichtet werden. Die Dichtringteile 54 verhindert somit einerseits ein Eindringen von schädigenden Medien in den von dem Gehäuse 8 eingeschlossenen Innenraum und andererseits kann das von der Innenzahnradpumpe 6 geförderte Fluid, nämlich Kraftstoff, nicht nach außerhalb des Gehäuses 8 gelangen. Mittels des Halteringes 52 (5) kann ein Gleitlager aus Metall zur mittelbaren Gleitlagerung des Außenzahnrades 24 an der Dichthülle 31, nämlich einer Gleitlagerbuchse 58 als Bestandteil der Dichthülle 31, befestigt werden. Abweichend hiervon kann an der Gleitlagerbuchse 58 auch kein Haltering 52 angeordnet sein, so dass das Außenzahnrad 24 unmittelbar an der Gleitlagerbuchse 58 gelagert ist (4).
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Die elektrischen Kontaktelemente 34 sind aus Metall, zum Beispiel Kupfer, hergestellt und die Dichthülle 31 besteht aus, vorzugsweise thermoplastischem, Kunststoff. Dabei weist das Metall der elektrischen Kontaktelemente 34 und der Kunststoff der Dichthülle 31 unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Dadurch kann es zu einer Mikroleckage entlang der Kontaktelemente 34 zwischen den elektrischen Kontaktelementen 34 und der Dichthülle 31 kommen. Eine derartige Mikroleckage entlang der elektrischen Kontaktelemente 34 hat jedoch keine Auswirkungen auf eine Abdichtung des Arbeitsraumes 47 mit dem zu fördernden Fluid und der Umgebung der elektrischen Vorförderpumpe 3, weil von der Dichthülle 31 die Wicklungen 14 und der Weicheisenkern 45 vollständig umschlossen und damit fluiddicht bezüglich des Arbeitsraumes 47 im Bereich des Innen- und Außenzahnrades 22, 24 abgedichtet ist.
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Die Dichthülle 31 ist mehrteilig und umfasst neben der Gleitlagerbuchse 58 zwei Abdeckplatten 59 oder Abdeckfolien 60 und einen Dichtring 61 (4 und 5). Die beiden ringförmigen Abdeckplatten 59 bzw. Abdeckfolien 60 sind am äußeren radialen Ende mit dem Dichtring 61 und auch mit dem Steckkragen 55 verschweißt oder verklebt und am radialen inneren Ende mit der Gleitlagerbuchse 58 verschweißt oder verklebt. Dabei sind die Komponenten oder Teile der Dichthülle 31, nämlich der Steckkragen 55, die Gleitlagerbuchse 58, die beiden Abdeckplatten 59 bzw. Abdeckfolien 60 und der Dichtring 61 fluiddicht stoffschlüssig miteinander verbunden. Ein Umspritzung des Stators 13, abgesehen von dem Steckkragen 55, mit thermoplastischen Kunststoff ist somit nicht erforderlich, weil die Komponenten der Dichthülle 31 auf den Stator aufgelegt werden und anschließend mit Schweißen oder Kleben fluiddicht miteinander zu der Dichthülle 31 verbunden werden. Dadurch können Schäden an der elektrischen Isolierung der Wicklungen 14 vermieden werden, weil bei einer Umspritzung mit thermoplastischen Kunststoff die Wicklungen 14 hohen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt werden.
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In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Dichthülle 31 auch keinen Dichtring 31 umfassen und die beiden Abdeckplatten 59 bzw. Abdeckfolien 60 sind an dem äußeren radialen Ende unmittelbar miteinander verbunden.
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Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Pumpe 1 wesentliche Vorteile verbunden. Zur Ausbildung der fluiddichten Dichthülle 31 ist keine Umspritzung des Stator 13 erforderlich, so dass Schäden an dem Stator 13 vermieden werden können. Ferner kann die Gleitlagerbuchse 58 bei einer unmittelbaren Lagerung des Außenzahnrades 24 an der Gleitlagerbuchse 58 aus einem anderen Material bzw. eine andere Stoffzusammensetzung aufweisen als die übrigen Komponenten der Dichthülle 31, um die Reibung an der Gleitlagerbuchse 58 zu verringern. Hierfür sind im Allgemeinen teurere Materialien oder Stoffzusammensetzungen für die Gleitlagerbuchse 58 notwendig und die übrigen Komponenten der Dichthülle 31 können aus preiswerteren Materialien oder Stoffzusammensetzungen gebildet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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