DE102012209487A1

DE102012209487A1 - Hydrodynamische Pumpe

Info

Publication number: DE102012209487A1
Application number: DE201210209487
Authority: DE
Inventors: Alfred Elsässer; Achim Gommel; Michael Krappel
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2012-06-05
Filing date: 2012-06-05
Publication date: 2013-12-05
Also published as: CN203466679U

Abstract

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft eine hydrodynamische Pumpe, insbesondere Kühlwasserpumpe für einen Verbrennungsmotor mit einem durch eine Elektromotoranordnung (12) direkt angetriebenen Pumpenrad (8), welches nach Art eines Turbinen- oder Schaufelrades ausgebildet und in einem Pumpenarbeitsraum zwischen zumindest einem Saugstutzen und einem Druckstutzen eines Pumpengehäuses angeordnet ist, wobei die Elektromotoranordnung einen als Innenläufer ausgebildeten Rotor und/oder einen im bzw. am Pumpengehäuse angeordneten Stator aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine hydrodynamische Pumpe, insbesondere Kühlwasserpumpe für einen Verbrennungsmotor, mit einem durch Elektromotor direkt angetriebenen Pumpenrad, welches nach Art eines Schaufelrades ausgebildet und in einem Pumpenarbeitsraum zwischen Saug- und Druckstutzen eines Pumpengehäuses arbeitet.
Eine derartige Pumpe wird in der DE 10 2007 055 907 A1 dargestellt. Bei dieser bekannten Pumpe ist der Saugstutzen axial und der Druckstutzen radial zum Pumpenrad angeordnet, so dass das Pumpfluid in Axialrichtung zum Pumpenrad strömen und von dessen Schaufeln nach radial auswärts in den Druckstutzen gedrängt werden kann. Der elektromotorische Direktantrieb dieser bekannten Pumpe ist auf der vom Saugstutzen abgewandten Seite des Pumpenrades angeordnet und besitzt eine zum Pumpenrad gleichachsige Statorhülse, die axial in einen zylinderförmigen Rotor hineinragt, welcher mit dem Außenumfang des Pumpenrades verbunden ist. Der Rotor arbeitet in einem vom Pumpmedium gefüllten Raum, wobei zwischen dem Außenumfang der Statorhülse und dem Innenumfang des Rotors ein statorseitiger Nassspalt und zwischen dem Außenumfang des Rotors und dem Innenumfang des Pumpengehäuses ein gehäuseseitiger Nassspalt gebildet wird. Im Kunststoffmaterial des zylindrischen Rotors sind Permanentmagnete sowie ein zylindrischer Eisenrückschluss für die Magnete eingebettet. Innerhalb der Statorhülse befinden sich Statorwicklungen, die elektrisch mit unterschiedlicher Stromrichtung beaufschlagbar sind, so dass ein in Umfangsrichtung der Statorhülse wanderndes Magnetfeld erzeugbar ist, dem der Rotor und damit auch das damit einstückig verbundene Pumpenrad unter entsprechender Drehung folgen. Die zur Ansteuerung der Statorwicklung notwendige Elektronik kann zusammen mit den Statorwicklungen in der Statorhülse angeordnet sein. Bei dieser bekannten hydrodynamischen Pumpe arbeitet also der Elektromotor als "bürstenloser Gleichstrommotor mit permanent magnetisiertem Rotor".
Die Konstruktion dieser bekannten Pumpe ist vergleichsweise aufwändig, weil für die Permanentmagnete des Rotors relativ teure Materialien notwendig sind. Darüber hinaus ist die Einbettung bzw. Anordnung der Permanentmagnete und des zugehörigen Eisenrückschlusses im Rotor aufwändig. Schließlich ist nachteilig, dass zwei zueinander konzentrische Nassspalte vorgesehen sind und dementsprechend das Pumpmedium zwischen großflächigen Bereichen des Rotors und benachbarten stationären Flächen am Pumpengehäuse und an der Statorhülse als hydrodynamische Bremse wirksam wird.
Hier setzt die Erfindung an, indem die Aufgabe gestellt wird, einerseits hydrodynamische Verluste gering zu halten und andererseits eine einfache und kostengünstige Herstellbarkeit zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird bei einer hydrodynamischen Pumpe der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Elektromotor einen als Innenläufer ausgebildeten Rotor und/oder einen in das Pumpengehäuse integrierten Stator aufweist.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, für den Elektromotor der hydrodynamischen Pumpe eine andere Konstruktion vorzusehen, bei der der Stator außerhalb des Rotors im bzw. am Gehäuse der Pumpe angeordnet ist, so dass die Verdrahtung des Stators konstruktiv vereinfacht und nur ein einziger Nassspalt erforderlich wird, wenn der Rotor innerhalb des Gehäuses im Pumpmedium arbeiten soll.
Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Rotor permanent magnetische und/oder magnetisierbare Querschnittsbereiche aufweist, die entsprechend dem Querschnitt des schaufelradförmigen Pumpenrades ausgebildet sind. Hier wird die Möglichkeit geboten, die elektromagnetisch wirksamen Bereiche des Rotors in gleicher Weise zu gestalten wie das Pumpenrad, so dass der Rotor zusammen mit dem Pumpenrad herstellbar ist bzw. als Teil des Pumpenrades ausgebildet sein kann und entsprechend pumpwirksam wird. Hier nutzt die Erfindung die Erkenntnis, dass der Rotor oder dessen elektromotorisch wirksame Bereiche bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor oder einem Reluktanzmotor ohne weiteres nach Art eines Schaufelrades ausgebildet sein können, unabhängig davon, ob Raumzonen zwischen den elektromagnetisch wirksamen Bereichen mit nicht magnetisierten bzw. magnetisierbaren "neutralen" Medien ausgefüllt sind oder nicht.
Im Falle eines Reluktanzmotors wird der weitere Vorteil geboten, dass innerhalb des Rotors keinerlei permanent magnetisierte Bereiche erforderlich werden und für die bei diesen Motortyp erforderlichen magnetisierbaren Rotorteile nach Art von Kunststoffen verarbeitbare, insbesondere verspritzbare, Materialien zur Verfügung stehen und der Rotor dementsprechend in prinzipiell gleicher Weise wie ein Pumpenrad aus Kunststoff herstellbar ist.
Außerdem ist bei der Erfindung vorteilhaft, dass ohne weiteres eine "zweiflutige" Bauweise des Pumpenrades ermöglicht wird: Das Pumpenrad kann in einem oder mehreren axial beliebig angeordneten Abschnitten als Rotor eines oder mehrerer Elektromotoren ausgebildet und mit beiden axialen Enden benachbart zu gleichachsig angeordneten Saugstutzen angeordnet sein, so dass das Pumpmedium bei Rotation des Pumpenrades zunächst von beiden Saugstutzen aus zur axialen Mitte des Pumpenrades und dort nach radial außen in einen oder mehrere radiale Druckstutzen gefördert werden kann.
Im Bereich des Druckstutzens oder der Druckstutzen ist im Pumpengehäuse vorzugsweise ein das Pumpenrad in Umfangs- und Rotationsrichtung umfassender Spiralraum angeordnet, um dem vom Pumpenrad nach radial auswärts geförderten Pumpmedium einen strömungsgünstigen Einlauf in den Druckstutzen bzw. die Druckstutzen zu ermöglichen.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen, jeweils schematisch:
1 einen schematisierten Radialschnitt eines bürstenlosen Gleichstrommotors
2 einen schematisierten Radialschnitt eines Reluktanzmotors,
3 einen schematisierten Axialschnitt einer erfindungsgemäßen hydrodynamischen Pumpe,
4 einen weiteren Axialschnitt einer erfindungsgemäßen hydrodynamischen Pumpe
5 eine Variante zur Ausführungsform der 4
6 einen Axialschnitt einer zweiflutigen Ausführungsform der Pumpe
7 eine weitere Variante zur Ausführung der 4 und
8 Querschnitte eines als Rotor einer Elektromotoranordnung ausgebildeten Abschnitts des Pumpenrades.
Der in 1 dargestellte, grundsätzlich bekannte bürstenlose Gleichstrommotor besitzt einen Rotor 1, der um eine zur Zeichnungsebene senkrechte Achse 2 drehbar angeordnet ist. Dieser Rotor ist permanent magnetisiert und besitzt einen magnetischen Nordpol N und einen magnetischen Südpol S. Der Rotor 1 wirkt elektromotorisch mit einem den Rotor 1 ringförmig umschließenden Stator 3 zusammen, der in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Wicklungen W₁ bis W₄ aufweist, die jeweils Polschuhe P₁ bis P₄ umschließen, welche aus magnetisierbarem Material bestehen und über einen ringförmigen Rückschluss 4, welcher ebenfalls aus magnetisierbarem Material besteht, miteinander verbunden sind. Durch elektrisch Bestromung der Wicklungen W₁ und W₃ in entsprechender elektrischer Stromrichtung werden die zugeordneten Polschuhe P₁ und P₃ magnetisch erregt, derart, dass der Polschuh P₁ einen magnetischen Südpol und der Polschuh P₃ einen magnetischen Nordpol bildet. Dies hat zur Folge, dass der Rotor 1 die dargestellte Lage einzunehmen sucht. Wenn nun die Wicklungen W₂ und W₄ entsprechend elektrisch erregt werden, so dass die Polschuhe P₂ und P₄ einen magnetischen Südpol bzw. magnetischen Nordpol bilden, und gleichzeitig Bestromung der Wicklungen W₁ und W₃ abgeschaltet und sodann gegebenenfalls mit zeitlicher Verzögerung umgepolt wird, sucht der Rotor 1 eine gegenüber der dargestellten Lage im Uhrzeigersinn um 90° verdrehte Lage einzunehmen. Durch entsprechende Weiterschaltung der Bestromungen der Wicklungen kann also am Stator 3 ein in Umlaufrichtung wanderndes Magnetfeld erzeugt werden, dem der Rotor 1 folgt.
Bei dem in 2 dargestellten Reluktanzmotor ist ein um die Rotorachse 2 drehbarer Rotor 1 aus magnetisierbarem Material vorgesehen, welcher radiale Fortsätze F₁ bis F₄ aufweist und elektromotorisch mit einem Stator 3 zusammenwirkt, der seinerseits im dargestellten Beispiel Wicklungen W₁ bis W₆ aufweist, die jeweils Polschuhe P₁ bis P₆ aus magnetisierbarem Material umschließen, wobei die Polschuhe P₁ bis P₆ wiederum ringförmig miteinander durch einen Rückschluss 4 aus magnetisierbarem Material verbunden sind. Zunächst mögen die Wicklungen W₃ und W₆ derart elektrisch bestromt sein, dass die zugeordneten Polschuhe P₃ und P₆ Magnetpole mit einander entgegengesetzter magnetischer Polarität bilden. Damit sucht der Rotor 1 mit seinen Fortsätzen F₁ und F₃ die dargestellte Lage einzunehmen, in der das magnetisierbare Material des Rotors 1 eine magnetisch leitende Verbindung zwischen den Polschuhen P₃ und P₆ mit minimalem magnetischen Widerstand und minimalen Luftspalten zwischen den einander gegenüberstehenden Polschuhen P₃ und P₆ sowie den Fortsätzen F₁ und F₃ bilden. Nachfolgend mögen nun die Wicklungen W₁ und W₄ derart elektrisch bestromt werden, dass die Polschuhe P₁ und P₄ Magnetpole mit einander entgegengesetzter magnetischer Polarität bilden, während die Bestromung der zuvor erregten Wicklungen W₃ und W₆ abgeschaltet wird. Nunmehr sucht der Rotor 1 eine Lage einzunehmen, bei der seine Fortsätze F₂ und F₄ mit Polschuhen P₁ und P₄ fluchten.
Durch entsprechende Weiterschaltung der elektrischen Bestromung auf die jeweils in Umlaufrichtung übernächsten Wicklungen wird dann ein magnetisches Wanderfeld erzeugt, dem der Rotor 1 mit seinen den erregten Wicklungen jeweils benachbarten Fortsätzen folgt.
Die Darstellungen der 1 und 2 sind lediglich beispielhaft, insbesondere können die jeweiligen Elektromotoren eine gegenüber der zeichnerischen Darstellung erhöhte Anzahl von Wicklungen aufweisen. Außerdem können die Rotoren 1 andere Querschnitte besitzen, so kann anstelle eines zweipoligen permanent magnetisierten Rotors in 1 ein vielpoliger Rotor vorgesehen sein, bei dem in Umfangsrichtung einander magnetisch entgegengesetzte Pole aufeinanderfolgen. In entsprechender Weise kann der Rotor 1 der 2 weitere Fortsätze aufweisen, die mit einer entsprechend erhöhten Anzahl von Wicklungen bzw. Polschuhen zusammenwirken.
Sowohl beim bürstenlosen Gleichstrommotor als auch beim Reluktanzmotor ist es zweckmäßig, wenn die Anzahl der statorseitigen Wicklungen bzw. Polschuhe deutlich größer ist als die Anzahl der rotorseitigen permanent magnetisierten Pole bzw. magnetisierbaren Fortsätze. Damit kann gewährleistet werden, dass in jeder Drehstellung des Rotors hinreichend viele Statorwicklungen und Polschuhe zur Verfügung stehen, die bei entsprechender elektrischer Bestromung, während der die übrigen Wicklungen gegebenenfalls elektrisch abgeschaltet werden, eine Weiterdrehung des Rotors bewirken.
In 3 ist nun ein stark schematisiertes Axialschnittbild einer erfindungsgemäßen Pumpe dargestellt. Ein bzgl. einer Rotationsachse 5 im Wesentlichen zylindrisches Pumpengehäuse 6 besitzt an einem axialen Ende einen Saugstutzen 7, der zu einem Arbeitsraum eines um die Rotationsachse 5 drehbaren Pumpenrades 8 führt. Das Pumpenrad 8 wird umfangsseitig von einem im Pumpengehäuse 6 ausgebildeten Spiralraum 9 umschlossen, der an seinem den größeren Querschnitt aufweisenden Ende in einen radialen Druckstutzen 10 mündet. Das Pumpenrad ist in grundsätzlich bekannter Weise nach Art eines Turbinenrades ausgebildet, welches über den Saugstutzen 7 zuströmendes Pumpmedium bei Rotation nach radial außen in den Spiralraum 9 und damit zum Druckstutzen 10 drängt.
Auf der vom Saugstutzen 7 abgewandten Seite des Pumpenrades 8 ist der Rotor 11 einer als Direktantrieb des Pumpenrades 8 vorgesehenen Elektromotoranordnung 12 angeformt. Der Rotor 11 ist im dargestellten Beispiel als zylindrischer Walzenkörper aus Kunststoff ausgebildet, wobei in das Kunststoffmaterial im Falle der Ausbildung der Elektromotoranordnung 12 als bürstenloser Gleichstrommotor Permanentmagnete eingebettet sind. Falls die Elektromotoranordnung 12 als Reluktanzmotor ausgebildet ist, muss im Kunststoffmaterial des Rotors eine magnetisierbare Struktur mit einem dem Rotor 1 in 2 entsprechendem Querschnitt eingebettet sein. Bei dem magnetisierbaren Material kann es sich um ein Kunststoffmaterial handeln, das mit einem pulverförmigen magnetisierbaren Material vermischt ist, so dass die Materialmischung in grundsätzlich gleicher Weise wie Kunststoffe verarbeitet werden kann. Wie weiter unten näher erläutert wird, kann zunächst aus dem Pulver-Kunststoff-Gemisch ein dem Rotor 1 in 2 entsprechender Körper, bspw. durch Spritzen, ausgeformt werden, nachfolgend kann dann dieser Körper zwischen seinen radialen Fortsätzen mit Kunststoffmaterial ohne Beimischung eines magnetisierbaren Pulvers zur Bildung des walzenförmigen Rotors 11 ausgefüllt werden. Der walzenförmige Rotor 11 ist innerhalb des Gehäuses 6 mit geringem Radialabstand gegenüber einer zylindrischen Innenumfangswand 13 angeordnet, so dass zwischen dem Außenumfang des Rotors 11 und der Innenumfangswand 13 ein sehr enger Ringspalt 14 vorliegt. Dieser Ringspalt 14 kann mit dem Spiralraum 9 kommunizieren, so dass der Ringspalt 14 beim Betrieb der Pumpe mit Pumpmedium gefüllt ist und einen Nassspalt bildet. Im Übrigen besitzt die Elektromotoranordnung 12 einen den Rotor 11 umschließenden Stator, dessen Elemente vorzugsweise in Kunststoffmaterial eingebettet sind, welches das Pumpengehäuse 6 ausbildet.
Auf der vom Saugstutzen 7 abgewandten Seite des Pumpengehäuses 6 ist eine durch einen stirnseitigen Boden 15 verschließbare Kammer 16 angeordnet, welche von dem das Pumpmedium aufnehmenden Innenraum des Pumpengehäuses 6 hermetisch abgetrennt ist. Diese Kammer 16 ist zur Aufnahme einer elektronischen Steuerschaltung für die Elektromotoranordnung 12 bzw. deren Statoranordnung vorgesehen. Die Steuerschaltung ist also für Reparatur- oder Inspektionszwecke jederzeit zugänglich. In diesem Zusammenhang sei angedeutet, dass die elektronische Steuerung der Elektromotoranordnung 12 sensorlos erfolgen kann, weil anstelle von Sensorsignalen die sich verändernde Impedanz der Statorwicklungen in Abhängigkeit von der Stellung des Rotors 11 erfasst werden kann. Damit wird auch ohne Sensoren die Möglichkeit geschaffen, die Statorwicklungen in Abhängigkeit von der Darstellung des Rotors 11 entsprechend der gewünschten Drehbewegung des Rotors 11 anzusteuern.
In der Gehäusewand zwischen der Kammer 16 und dem den Rotor 11 aufnehmenden Innenraum des Pumpengehäuses 5 ist eine zur Rotationsachse 5 gleichachsige Achse 17 verankert, auf der der Rotor mit dem Pumpenrad, vorzugsweise mittels eines Gleitlagers 18, drehgelagert ist. An dieser Achse 17 ist der Rotor 11 außerdem noch axial gelagert (Axiallager nicht dargestellt).
Die im Bild A der 4 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen hydrodynamischen Pumpe unterscheidet sich von der Ausführungsform nach 3 im Wesentlichen dadurch, dass der Spiralraum 9 mit dem Druckstutzen 10 im Bereich des vom Saugstutzen 7 entfernten Axialendes des Pumpenrades 8 angeordnet ist. Darüber hinaus ist die Elektromotoranordnung 12 axial zwischen dem Saugstutzen 7 und dem Druckstutzen 10 angeordnet. Um dies zu ermöglichen, kann das Pumpenrad 8 die im Bild B der 4 dargestellte Form eines axial langgestreckten Schaufelrades haben.
Für die Elektroanordnung 12 ist dabei wichtig, dass der im Bereich der Elektromotoranordnung 12 angeordnete Axialabschnitt 8' des Pumpenrades 8 gemäß dem Bild C der 4 als Rotor 11 der Elektrorotoranordnung 12 ausgebildet ist. Im Falle einer Ausbildung der Elektromotoranordnung 12 der 4 als Reluktanzmotor genügt es dabei, wenn der den Rotor 11 bildende Axialabschnitt 8' aus magnetisierbarem Material besteht. Im Hinblick auf eine einfache Fertigung des Pumpenrades 8 ist dabei ein Kunststoffmaterial bevorzugt, das mit einem Pulver aus magnetisierbarem Material vermischt ist. Damit kann der Axialabschnitt 8' in prinzipiell gleicher Weise kunststofftechnisch hergestellt werden wie die übrigen Bereiche des Pumpenrades 8.
Im Bild D der 4 ist noch eine abgewandelte Ausführungsform des Pumpenrades 8 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind zwischen den Schaufeln des Axialabschnittes 8' Einsatzstücke 8'', vorzugsweise aus Kunststoff ohne beigemischtes magnetisierbares Pulver, angeordnet, derart, dass der Axialabschnitt 8' eine ringförmig geschlossene Außenumfangsfläche aufweist. Dies kann strömungsdynamisch vorteilhaft sein, da auf diese Weise außenseitig des Axialabschnittes 8' im Bereich der Elektromotoranordnung 12 weniger Verwirbelungen des Pumpmediums auftreten können. Andererseits bleiben radial innerhalb der Einsatzstücke 8'' zwischen den Schaufeln des Pumpenrades Axialkanäle frei, die vom Pumpmedium axial durchsetzt werden, wenn das zwischen den Schaufeln befindliche Pumpmedium im Bereich des Spiralraums 9 vom Pumpenrad 8 nach radial außen gedrängt wird. Ggf. können an den dem Saugstutzen 7 zugewandten Radialkanten der Schaufeln des Pumpenrades 8 gewölbte Fortsätze angeordnet sein, wie sie weiter unten anhand der Bilder B und C der 5 näher beschrieben werden. Derartige Fortsätze bewirken bei Rotation des Pumpenrades 8 eine axiale Bewegungskomponente des Pumpmediums, so dass dieses zwischen den Schaufeln des Pumpenrades 7 in Axialrichtung verschoben wird.
Im Übrigen zeigt 4 im Bild A die Möglichkeit, alle Elemente des Stators 4 der Elektromotoranordnung 12 innerhalb eines im Pumpengehäuse 6 ausgebildeten Ringraumes 19 unterzubringen, welcher gegenüber dem Arbeitsraum des Pumpenrades 8 durch eine Hülse 20 abgesperrt ist. Diese Hülse 20 sollte möglichst dünnwandig ausgebildet sein, um zu gewährleisten, dass der magnetische "Luftspalt" zwischen den Polschuhen des Stators 3 und den damit magnetisch zusammenwirkenden Teilen des Rotors 11 ein möglichst geringes Maß aufweist. Dies ist insbesondere dann wesentlich, wenn die Elektromotoranordnung 12 als Reluktanzmotor ausgebildet ist, im Falle eines bürstenlosen Gleichstrommotors können vergleichsweise breite Luftspalte ermöglicht werden, ohne den Wirkungsgrad des Rotors übermäßig zu vermindern. Im Hinblick auf eine geringe Breite des magnetischen Luftspaltes ist es in der Regel bevorzugt, den Stator 3 in eine entsprechend massive Pumpengehäusewand aus Kunststoff einzubetten. Bei einer solchen Bauweise können die Polschuhe des Stators 3 mit ihren rotorseitigen Endflächen als Teil der Innenumfangsfläche des das Pumpenrad 7 umgebenden Gehäuses ausgebildet sein. Soweit das magnetisierbare Material der Polschuhe des Stators gegenüber dem Pumpmedium nicht hinreichend korrosionsfest sein sollte, sind zumindest die vom Pumpmedium beaufschlagten Teile dieser Polschuhe aus mit magnetisierbarem Pulver versetztem Kunststoff hergestellt, welcher die Pulverpartikel fluiddicht ummantelt und damit gegen Korrosion schützt.
Die im Bild A der 5 dargestellte Ausführungsform entspricht weitestgehend der Ausführungsform im Bild A der 4. Im Wesentlichen ist abweichend von der 4 vorgesehen, die dem Saugstutzen 7 zugewandten Radialkanten der Schaufeln des Pumpenrades 8 gemäß dem Bild B der 5 mit bogenförmigen Fortsätzen 33 zu versehen, so dass dem Pumpmedium bei Rotation des Pumpenrades eine verstärkte Bewegungskomponente in Axialrichtung des Pumpenrades erteilt wird. Ggf. kann das Pumpenrad 8 gemäß dem Bild C der 5 an seinem dem Saugstutzen 7 zugewandten Ende eine ringförmige Versteifung 21 aufweisen, durch die auch die mechanische Stabilität der vorgenannten bogenförmigen Fortsätze 33 erhöht werden kann. Ggf. können die vorgenannten bogenförmigen Fortsätze auch mit der ringförmigen Versteifung 21 eine Montageeinheit bilden, die am saugstutzenseitigen Stirnende des Pumpenrades 8 anbringbar ist.
Im Übrigen zeigt die 5, dass für die elektronische Steuerung der Elektromotoranordnung 12 ggf. auch ein ringförmiges Gehäuseteil 22 auf dem Saugstutzen 7 vorgesehen sein kann.
In 6 ist eine besonders bevorzugte "zweiflutige" Ausführungsform der erfindungsgemäßen hydrodynamischen Pumpe dargestellt. Hier sind zwei zueinander gleichachsige Saugstutzen 7' und 7'' vorgesehen, zwischen denen ein "Doppelpumpenrad" 80 arbeitet, welches das Pumpmedium in den mittig zwischen den Saugstutzen 7' und 7'' angeordneten Spiralraum 9 und damit in den Druckstutzen 10 fördert. Das Doppelpumpenrad 80 stellt eine Kombination von zwei einstückig miteinander verbundenen Pumpenrädern 8 dar, wie sie im Bild C der 4 dargestellt sind. Gemäß 6 ist des Weiteren vorgesehen, die Pumpe mit zwei Elektromotoranordnungen 12 anzutreiben, wobei zweckmäßig vorgesehen sein kann, die Statoranordnungen der beiden Motoren in Umfangsrichtung relativ zueinander etwas versetzt anzuordnen, so dass ein besonders gleichförmiger Lauf des Pumpenrades 80 erreichbar wird.
Grundsätzlich ist es auch möglich, das Doppelpumpenrad 80 durch nur eine einzige Elektromotoranordnung 12 anzutreiben.
Zur Drehlagerung des Pumpenrades sind bei allen oben dargestellten Ausführungsformen vorzugsweise Gleitlager vorgesehen. Gemäß einer ersten Variante kann dabei eine stationär mit dem Pumpengehäuse bzw. gehäusefesten Teilen verbundene Achse vorgesehen sein, auf der das Pumpenrad mit Lagerhülsen gleitgelagert ist. Dies wird bspw. bei der Ausführungsform der 4 dargestellt. Dort ist eine Achse 23 am Gehäuseboden zwischen dem Arbeitsraum des Pumpenrades 8 und dem Aufnahmeraum 16 für die Steuerelektronik fest verankert. Das Pumpenrad 8 besitzt eine von dieser Achse 23 durchsetze zentrale Axialbohrung, in deren Endbereiche Lagerhülsen 24 eingesetzt sind. Damit ist das Pumpenrad 8 radial gelagert. Zur Axiallagerung des Pumpenrades 8 können auf der Achse 23 Ringe oder dergleichen in Umfangsnuten oder dergleichen angeordnet sein, die mit den zugewandten Stirnenden der Lagerhülsen 24 zusammenwirken.
Bei der Ausführungsform der 6 ist die Achse 23 an Dreibein-Lagerböcken 26 verankert, die ihrerseits an den Innenumfangswänden der Saugstutzen 7' und 7'', vorzugsweise kraft-, form- und stoffschlüssig, befestigt sind. Die in der Zentralbohrung des Doppelpumpenrades 80 angeordneten Lagerhülsen 24 gewährleisten einerseits eine weitestgehend spielfreie Radiallagerung des Doppelpumpenrades 80 auf der Achse 23, andererseits wirken diese Lagerhülsen mit zugewandten Ringflächen an den Achsaufnahmen der Dreibein-Lagerböcke 26 zur Axiallagerung des Doppelpumpenrades 80 zusammen.
In 7 ist eine weitere, besonders vorteilhafte Lagerung des Pumpenrades 8 dargestellt, wobei die dargestellte Pumpe im Übrigen der Ausführungsform nach Bild A der 4 entspricht.
An der radialen Gehäusewand zwischen dem Arbeitsraum des Pumpenrades 8 und der Kammer 16 für die Steuerelektronik des Stators der Elektromotoranordnung 12 ist ein erster stationärer Lagerzapfen 28 fest angeordnet, der mit einem kugelkopfförmigen Ende in eine entsprechend gegengleiche Lagerschale 29 am Pumpenrad 8 hineinragt. Ein weiterer gleichartiger Lagerzapfen 28 ist am entgegengesetzten axialen Ende des Pumpenrades 8 am Dreibein-Lagerbock 26 gehaltert und ragt mit seinem kugelkopfförmigen Ende in eine axial bewegliche Lagerschale 30, die innerhalb einer Axialbohrung des Pumpenrades 8 axial verschiebbar angeordnet ist und mittels eines im Pumpenrad 8 angeordneten Federelementes 31, welches bspw. aus einem Elastomermaterial bestehen kann, gegen den Kugelkopf des Lagerzapfens 28 gespannt wird. Auf diese Weise lassen sich Montagetoleranzen ohne Weiteres kompensieren. Eine entsprechende Lagerung ist auch bei dem Doppelpumpenrad 80 der 6 möglich, wobei dann ein am einen Dreibein-Lagerbock 26 angeordneter Lagerzapfen mit einer fest im Doppelpumpenrad angeordneten Lagerschale zusammenwirkt und der am anderen Dreibein-Lagerbock angeordnete Lagerzapfen mit einer im Doppelpumpenrad 80 axial verschiebbaren, gefederten Lagerschale zusammenwirkt.
Bei allen Gleitlagern kann vorgesehen sein, dass die miteinander zusammenwirkenden Lagerflächen mit einer Oberflächenstruktur versehen sind, die bei Rotation des Pumpenrades die Bildung einer tragfähigen Fluidschicht zwischen den sich relativ zueinander bewegenden Lagerflächen begünstigen.
Die 8 zeigt mögliche Querschnitte des als Rotor der Elektromotoranordnung 12 ausgebildeten Abschnittes 8' des Pumpenrades 8 bzw. des Doppelpumpenrades 80. Gemäß dem Bild A der 8 kann der gesamte Querschnitt des schaufelförmigen Pumpenrades aus einem Kunststoffmaterial bestehen, in das ein magnetisierbares Pulver eingebettet ist.
Stattdessen ist es gemäß dem Bild B der 8 auch möglich, einen "Kern" des Pumpenradquerschnittes aus einem Kunststoffmaterial ohne magnetisierbares Pulver auszuformen und sodann einen Überzug aus Kunststoff mit eingelagertem magnetisierbaren Pulver anzuformen, bspw. spritztechnisch. Das mit magnetisierbarem Pulver versetzte Kunststoffmaterial ist in den Bildern A und B der 8 jeweils mit P bezeichnet.
Außerdem verdeutlicht das Bild B der 8 noch eine weitere vorteilhafte Ausführungsform:
Wie bei herkömmlichen Reluktanzmotoren kann der Kern K des Rotos 8 aus Blechen bzw. Blechpaketen, die aus einem magnetisierbaren Eisenmaterial bestehen, aufgebaut sein. Allerdings sind derartige Materialien sehr korrosionsgefährdet und werden daher von wässrigen Pumpmedien schnell zerstört. Wenn nun der korrosionsgefährdete Kern K mit dem Kunststoffmaterial P, das mit dem magnetisierbaren Pulver vermischt ist, überzogen wird, bleiben die weichmagnetischen Eigenschaften des Kerns K praktisch unverändert, gleichzeitig wird ein guter Korrosionsschutz gewährleistet, denn das Kunststoffmaterial ummantelt einerseits das magnetisierbare Pulver und andererseits die magnetisierbaren Bleche.
Da das mit dem magnetisierbaren Pulver versetzte Kunststoffmaterial im Vergleich zu den magnetisierbaren Blechen relativ teuer ist, kann auf diese Weise eine preisgünstige Bauart erreicht werden.
Im Übrigen kann das mit magnetisierbarem Pulver versetzte Kunststoffmaterial auch zur Ausbildung eines permanent magnetisierten Rotors für einen bürstenlosen Gleichstrommotor genutzt werden:
Bspw. können in die Rotorschaufeln gemäß dem Bild A jeweils permanent magnetisierte Stabmagnete angeordnet sein, die abwechselnd mit ihrem magnetischen Nordpol bzw. ihrem magnetischen Südpol nach radial außen weisen. Diese Magnete sind im Bild A der 8 jeweils durch Pfeile 32 symbolisiert. Das permanent magnetisierte Material der Stabmagnete lässt sich praktisch nicht in beliebige Formen bringen. Durch die Anordnung der Stabmagnete in mit magnetisierbarem Pulver versetztem Kunststoffmaterial werden die kleinen Stabmagnete räumlich "fortgesetzt", so dass letztendlich ein permanent magnetisierter Rotor mit praktisch beliebigem Querschnitt für einen bürstenlosen Gleichstrommotor geschaffen werden kann.
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 102007055907 A1 [0002]

Claims

Hydrodynamische Pumpe, insbesondere Kühlwasserpumpe für einen Verbrennungsmotor mit einem durch eine Elektromotoranordnung (12) direkt angetriebenen Pumpenrad (8), welches nach Art eines Turbinen- oder Schaufelrades ausgebildet und in einem Pumpenarbeitsraum zwischen zumindest einem Saugstutzen (7) und einem Druckstutzen (10) eines Pumpengehäuses (6) arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromotoranordnung (12) einen als Innenläufer ausgebildeten Rotor (1) und/oder einen im bzw. am Pumpengehäuse angeordneten Stator (3) aufweist.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator in das Pumpengehäuse (6) integriert und/oder im nicht magnetisierbaren Wandmaterial des Pumpengehäuses eingebettet ist.
Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen mit dem Pumpenarbeitsraum kommunizierenden Nassspalt zwischen Rotor und Stator der Elektromotoranordnung (12).
Hydrodynamische Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor der Elektromotoranordnung als ein schaufelradförmiger Axialabschnitt (8') des Pumpenrades (8, 80) ausgebildet ist.
Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an den radial äußeren Enden der Schaufeln des Rotor Zwischenstücke (8'') aus nicht magnetisierbarem Material zur Bildung einer geschlossenen Außenumfangsfläche des Rotors angeordnet sind.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromotoranordnung als Reluktanzmotor ausgebildet ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln des als Rotor vorgesehenen Axialabschnittes (8') des Pumpenrades (8, 80) aus magnetisierbarem Material (P) bestehen bzw. mit solchem Material ummantelt sind.
Pumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der als Rotor vorgesehene Axialabschnitt (8') des Pumpenrades (8, 80) einen Kernbereich (K) aus magnetisierbaren Blechen bzw. Blechpaketen aufweist und dieser Kernbereich gegenüber dem Pumpmedium durch einen Überzug aus Kunststoffmaterial (P), das mit einem magnetisierbaren Pulver versetzt ist, abgedeckt ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (6) an beiden axialen Enden des Pumpenrades jeweils einen Saugstutzen (7', 7'') aufweist und ein Druckstutzen (10) von einem einen axialen Mittelbereich des Pumpenrades (80) umfassenden Spiralraum (9) abzweigt, der innerhalb des Pumpengehäuses (6) ausgebildet und umfangsseitig des Pumpenrades offen ist und an mindestens einem axialen Ende des Pumpenrades eine Elektromotoranordnung (12) vorgesehen ist.
Pumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden axialen Enden des Pumpenrades jeweils eine Elektromotoranordnung (12) vorgesehen ist die in Umfangsrichtung relativ zueinander versetzte Statoranordungen aufweisen.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass am Pumpengehäuse (6) ein von außen zugänglicher Aufnahmeraum (16) für eine elektronische Steuerung der Elektromotoranordnung vorgesehen ist.
Pumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuerung Impedanzänderungen auswertet, die bei einer Rotation des Rotors bzw. des Pumpenrades an Wicklungen des Stators auftreten.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an den eingangsstutzenseitigen Enden der Schaufeln des schaufelförmigen Pumpenrades (8, 80) bogenförmige Fortsätze (33) angeordnet sind, die jeweils relativ zu Radialachsen des Pumpenrades gekrümmt sind und mit ihren freien Enden in Umlaufrichtung des Pumpenrades weisen.