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Die Erfindung betrifft eine elektromotorische Wasserpumpe, insbesondere Kreisel- oder Radialpumpe für ein Kraftfahrzeugkühlsystem, mit einem elektronisch kommutierten Elektromotor, dessen um eine, vorzugsweise drehfeste, Motorachse drehbar gelagerter Rotor ein Pumpenrad antreibt.
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Wasserpumpen können grundsätzlich kategorisiert werden in so genannte Nebenstrompumpen und Hauptstrompumpen. Eine Hauptstrompumpe dient vorrangig zur Kühlung des Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs. Herkömmliche Wasserpumpen werden typischerweise über den Keilriemen des Verbrennungsmotors angetrieben. Derartige Wasserpumpen sind daher direkt an die Motordrehzahl des Verbrennungsmotors gekoppelt, was bei bestimmten Betriebssituationen des Fahrzeugs zu einer unausgewogenen Kühlung des Verbrennungsmotors führen kann. So muss ein ausreichender Volumenstrom sowohl im Standgas bei heißem Motor, als auch bei Höchstdrehzahl sichergestellt sein. Dies führt bei Höchstdrehzahl zu ungewollten Turbulenzen und Verlustleistungen durch die mechanische Pumpe.
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Auch ist bereits eine elektromotorische Wasserpumpe für den Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine bekannt, deren Antrieb elektrisch oder elektronisch gesteuert mittels eines Elektromotors erfolgt, der ein Pumpenrad antreibt. Eine elekromotorische Wasserpumpe ist in vielen Bereichen des Motorraums einsetzbar und von der Motordrehzahl praktisch unabhängig (elektronisch) steuerbar, wobei zudem grundsätzlich ein Keilriemen entfallen kann, was wiederum zu einer etwa zehnprozentigen (10%igen) CO2-Einsparung führen kann.
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Eine derartige Wasserpumpe, insbesondere Kreisel- oder Radialpumpe, weist üblicherweise ein Pumpengehäuse mit einem einen Saugstutzen und einen Druckstutzen aufweisenden Pumpendeckel sowie mit einem Motorgehäuseteil auf, das den Stator und den das Pumpenrad antreibenden Rotor des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors aufnimmt. Zur Trennung zwischen einem Trockenraum, in dem der Stator angeordnet ist, und einem Nassraum, in dem der Rotor als Nassläufer angeordnet ist, kann im Pumpengehäuse ein Spalttopf angeordnet sein. Das Pumpenrad ist typischerweise in einem Spiralkanal des Pumpengehäuses angeordnet.
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So ist beispielsweise aus der
EP 1 850 010 B1 eine elektromotorische Wasserpumpe mit integriertem Elektromotor bekannt, dessen Rotor ein dort als Pumpenlaufrad bezeichnetes Pumprad antreibt. Das Pumpenrad ist einstückig mit einer Rotorhohlwelle, in welche ein auf einer feststehenden Achse drehbar gelagertes Festlager eingepresst ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere konstruktiv und montagetechnisch besonders geeignete elektromotorische Wasserpumpe anzugeben.
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Hierzu ist bei einer elektromotorischen Wasserpumpe mit elektronisch kommutiertem Elektromotor vorgesehen, das Pumpenrad über eine Formschlussverbindung mit dem Rotor zu koppeln. Die Formschlussverbindung zwischen dem Pumpendeckel und dem das Pumpenrad antreibenden Rotor ist geeigneterweise durch selbstfindende Formschlusskonturen oder -strukturen am Rotor und am Pumpenrad realisiert. Dadurch wird bei der Montage der Wasserpumpe ein praktisch fehlerfreies Fügen des Pumpenrades mit dem Rotor erreicht. Die Wasserpumpe weist zweckmäßigerweise ein Pumpengehäuse mit einem den Elektromotor aufnehmenden Motorgehäuseteil und mit einem daran vorzugsweise angeflanschten Pumpendeckel auf.
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Der Rotor trägt in vorteilhafter Ausgestaltung an dessen dem Pumpenrad zugewandten Stirnseite eine Formschlussverzahnung, in welche ein an das Pumpenrad angeformte, insbesondere komplementäre, Formschlussverzahnung eingreift. Die Verzahnung ist hierbei zweckmäßigerweise freiendseitig mit axialen Anlaufschrägen versehen, so dass im Zuge der Montage praktisch in jeder beliebigen Drehstellung des Pumpenrades gegenüber dem Rotor die miteinander kämmenden Verzahnungen aneinander entlang gleiten und somit zuverlässig ineinander greifen können.
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In geeigneter Ausgestaltung des Pumpenrades, das vorzugsweise als Kunststoffspritzteil hergestellt wird, weist dieses auf der dem Rotor zugewandten Innenseite einen umlaufenden Außenkragen auf. In der Formschlussverbindung übergreift das Pumpenrad mit dessen Außenkragen den Rotor stirnseitig. Der Rotor ist hierzu zweckmäßigerweise stirnseitig mit einem Innenkragen ausgeführt, von welchem ausgehend eine Anzahl von Formschlusselementen als sternförmig ausgeführte Formschlussverzahnung radial nach innen verlaufen. Auch weist das Pumpenrad geeigneterweise eine Anzahl von Formschlusselementen als sternförmige Formschlussverzahnung auf. Diese verlaufen geeigneterweise ausgehend von einer zentralen Manschette zur Durchführung der Motorachse des Elektromotors radial nach außen.
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Der Rotor ist vorzugsweise als Blechpaket mit gestapelten Rotorblechen ausgeführt. Zwischen dadurch gebildeten, insbesondere kreissegmentförmigen Rotorabschnitten sind Permanentmagnete sternförmig angeordnet. Ein Kunststoffformteil oder Kunststoffspritzteil weist eine Anzahl von axialen Außenstreben auf, die zwischen den Rotorabschnitten des Rotorblechpakets angeordnet sind. Radial außen liegende Axialstreben fluchten hierbei geeigneterweise mit den Rotorabschnitten mantel- oder außenumfangsseitig und sind geeigneterweise an das rotorstirnseitige Formschlussteil angeformt, welches die Formschlussverzahnung aufweist. Das Kunststoffformteil weist zweckmäßigerweise auch ein rotorbodenseitiges Formteil auf, an welches die Außenstreben angeformt sind.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass mittels einer Formschlussverbindung zwischen dem Rotor und dem Pumpenrad einer elektromotorisch angetriebenen Wasserpumpe einerseits eine bauliche oder konstruktive Funktionstrennung von Rotor und Pumpenrad erreicht ist, die nach dem Baukastenprinzip eine mit geringem Aufwand realisierbare Variation der Wasserpumpe, insbesondere hinsichtlich deren hydraulischer Kennlinie, ermöglicht und verschiedene Rotor- und Pumpenradvarianten ermöglicht, die miteinander kombiniert werden können. Die hierzu vorgesehenen Formschlusselemente stellen eine Vielzahl von Übertragungsflächen zur Verfügung, so dass die als Formschlussverbindung ausgeführte Schnittstelle zwischen dem Rotor und dem Pumpenrad in Kunststoff gespritzt ausgeführt werden kann. Vorzugsweise angeschrägte Zahnflanken von als Formschlusszähne ausgeführten Formschlussverzahnungen verbessern deren Selbstfindung im Zuge der Herstellung der Fügeverbindung zwischen dem Pumpenrad und dem Rotor.
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Die Formschlussverbindung zwischen dem Pumpenrad und dem Rotor kann auch dadurch erfolgen, dass die rotorseitigen Permanentmagnete stirnseitig den Rotor überragen und somit dessen Formschlusselemente bilden, die in korrespondierende bzw. komplementäre Formschlusskonturen im Pumpenrad eingreifen. Alternativ kann das Pumpenrad mit dem Rotorblechpaket stirnseitig gefügt sein, indem das Pumpenrad angeformte Fügestrukturen aufweist, die in entsprechende Fügekonturen des Rotors bzw. Rotorblechpakets formschlüssig eingreifen.
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Auch kann eine vorzugsweise aus Kunststoff gespritzte Rotorkappe oder ein Rotordeckel bereit gestellt werden, der die Formschlusselemente für die Verbindung mit dem Pumpenrad aufweist. Diese Ausführungsform eignet sich besonders bei einem teilweise mit Kunststoff umspritzten Rotor. Hierzu kann ein Kunststoffspritzteil mit einer an die Querschnittfläche des Rotorblechpakets angepassten Boden- oder Grundscheibe mit daran angeformten Axialstreben bereit gestellt werden.
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Die Axialstreben verlaufen im Montagezustand radial innenliegend und radial außenliegend im Bereich der zwischen den kreissegmentartigen Rotorblechabschnitten gebildeten Aufnahmetaschen für die Permanentmagnete, wobei diese im eingesetzten Zustand die radial innenliegenden Axialstreben gegen ein radiales Auslenken sichern. Die Sicherung der radial außenliegenden Axialstreben erfolgt geeigneterweise über den angeformten bzw. über den separaten Rotordeckel, der die radial außenliegenden Axialstreben freiendseitig mit einem entsprechenden Deckelkragen übergreift.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in perspektivischer Darstellung eine elektromotorische Wasserpumpe mit über einen Gehäuseflansch mit einem Motorgehäuseteil verbundenem Pumpendeckel eines Pumpengehäuse,
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2 die Wasserpumpe gemäß 1 in einer Schnittdarstellung mit einem Stator und mit einem um eine zentrale Motorachse drehbar gelagerten Rotor, der ein Pumpenrad antreibt,
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3 in perspektivischer Darstellung den Rotor und das mit diesem formschlüssig verbundene Pumpenrad, und
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4 den Rotor und das Pumpenrad in einer Explosionsdarstellung mit Blick auf selbstfindende Formschlussverzahnungen.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 und 2 zeigen eine elektromotorisch angetriebene Wasserpumpe 1 mit einem Pumpendeckel 2 und mit einem Motorgehäuseteil 3, die über einen Deckelflansch 4 und einen Gehäuseflansch 5 zu einem Pumpengehäuse 6 miteinander verschraubt sind. Der Pumpendeckel 2 weist einen axialen Zulaufstutzen 8 sowie einen ebenfalls axial orientierten Ablauf- oder Druckstutzen 9 auf. Bei der nach dem Kreisel- oder Radialpumpenprinzip arbeitenden Wasserpumpe 1 tritt das Fördermedium (Wasser) über den Saugstutzen 8 ein und wird mittels eines elektromotorisch angetriebenen Pumpenrades 10 auf einer Spiralbahn radial, also senkrecht zu einer feststehenden, d. h. drehfesten Motorachse 11 nach außen befördert und tritt über den Druckstutzen 9 aus der Wasserpumpe 1 aus.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, ist innerhalb des Motorgehäuseteils 3 ein elektrisch oder elektronisch kommutierter Elektromotor mit einem Stator 12 und mit einem um die Motorachse 11 rotierenden Rotor 13 angeordnet. Der Rotor 13 ist mit dem Pumpenrad 10 formschlüssig gekoppelt und um die feststehende Motorachse 11 in einem deckelseitigen Gleitlager 14 sowie in einem topfbodenseitigen Gleitlager 15 drehbar axial gelagert. Zwischen dem Stator 12 und dem Rotor 13 ist ein Spalttopf 16 im Pumpengehäuse 10 gehalten, d. h. in diesen praktisch eingehängt. Hierzu weist der Spalttopf 16 an dessen einem Topfboden 18 abgewandten offenen Rohrende einen radial ausgezogenen Rohrkragen 19 mit doppelt abgekröpftem, etwa doppel-L- oder z-förmigem Spaltrohrflansch 20 auf, mit dem der Spalttopf 16 in der Flanschverbindung 4, 5 zwischen dem Pumpendeckel 2 und dem Motorgehäuseteil 3 gehalten ist.
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Der Spalttopf, der den rotorseitigen Nassraum vom statorseitigen Trockenraum trennt, ist geeigneterweise zweiteilig ausgeführt und umfasst den Topfboden 18, der vorzugsweise aus Aluminium besteht, und ein mit diesem formschlüssig, insbesondere mittels einer Bajonettverbindung, verbundenes Spaltrohr 21, das geeigneterweise aus Kunststoff besteht. Das Spaltrohr 21 weist eine Anzahl von am Außenumfang verteilt angeordneten Axialstreben 22 auf, zwischen denen der Stator 12 mit dessen Spulenwicklungen 23 angeordnet ist. Auf der Unterseite des Topfbodens 18 des Spalttopfes 16 ist innerhalb des Motorgehäuseteils 6 eine Elektronik 24 zur Motorsteuerung angeordnet. Diese wird im Betrieb der Wasserpumpe 1 geeigneterweise mittels des geförderten Fluides (Wasser) über den Topfboden 18 gekühlt.
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Die 3 und 4 zeigen den Rotor 13 und das Pumpenrad 10 in gefügtem bzw. nicht gefügtem Zustand. Die Verbindung zwischen dem Pumpenrad 10 und dem Rotor 13 ist als Formschlussverbindung ausgeführt. Hierzu weist der Rotor 13 auf dessen dem Pumpenrad 10 zugewandten Rotorstirnseite 25 eine Formschlussverzahnung 26 mit einer Anzahl von sternförmig angeordneten Formschlusszähnen 27 auf, von denen lediglich eine bezeichnet ist. Die Formschlusszähne 27 erstrecken sich ausgehend von einem rotorseitigen Innenkragen 28 radial nach innen. Die Formschlusszähen 27 sind dabei geeigneterweise an den Innenkragen 28 innenwandseitig angeformt. Die Formschlusszähne 27 sind freiendseitig – also auf der dem Pumpenrad 10 zugewandten Zahnoberseite – mit angeschrägten Zahnflanken 29 unter Bildung von mit Anlaufschrägen ausgeführt, die in Axialrichtung 30 zum Pumpenrad 10 hin keilförmig einander zugeneigt sind.
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Das Pumpenrad 10 weist ebenfalls eine Formschlussverzahnung 31 mit einer Anzahl von sternförmigen Formschlusszähnen 32 auf. Diese sind ebenfalls zahnendseitig mit Anlaufschrägen 33 ausgeführt. Das Pumpenrad 10, das vorzugsweise als Kunststoffspritzteil ausgeführt ist, weist einen umlaufenden Außenkragen 34 auf, der die Formschlussverzahnung 31 unter Bildung eines ringförmigen Freiraums 35 umgibt. In der Formschlussverbindung 26, 31 mit dem Rotor 13 übergreift der Außenkragen 34 des Pumpenrades 10 den Innenkragen 28 des Rotors 13. Dabei greifen die pumpendeckelseitigen und die rotorseitigen Formschlussverzahnungen 31 bzw. 26 kämmend und dabei selbstfindend ineinander.
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Das Pumpenrad 10 weist eine zentrale Manschette 36 auf, über deren zentrale Durchgangsöffnung 37 die feststehende Motorachse 11 zum Pumpendeckel hin und dort in eine deckelseitige Lagerbuchse 38 (2) geführt ist. An diese Manschette 36 schließen sich radial nach außen gerichtet die Formschlusszähne 32 des Pumpendeckels 10 an. Die Formschlusszähne 32 der pumpendeckelseitigen Formschlussverzahnung 31 können an die Manschette 36 angeformt sein.
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Der Rotor 13 ist als Rotorblechpaket aus einer Vielzahl von gestapelten Rotorblechen aufgebaut, wobei das Rotorblechpaket eine Anzahl von kreissegmentartigen Rotorabschnitten 40 bildet. Zwischen diesen befinden sich radial außen liegende axiale Außenstreben 41 als Teil eines Kunststoffformteils 42, welches stirnseitig die rotorseitige Formschlussverzahnung 26 und axial gegenüberliegend ein scheibenförmiges Boden- oder Grundteil 43 umfasst. An dieses Bodenteil 43 sind die sich in Axialrichtung 30 erstreckenden Axialstreben 41 angeformt. Der rotorseitige Deckbereich kann als separates Formteil 44 nach Art eines Rotordeckels ausgeführt sein. Vorzugsweise ist jedoch auch dieses Formteil 44 einstückiger Bestandteil des Kunststoffteils 42.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wasserpumpe
- 2
- Pumpendeckel
- 3
- Motorgehäuseteil
- 4
- Deckelflansch
- 5
- Gehäuseflansch
- 6
- Pumpengehäuse
- 8
- Zulaufstutzen
- 9
- Ablauf-/Druckstutzen
- 10
- Pumpenrad
- 11
- Motorachse
- 12
- Stator
- 13
- Rotor
- 14
- deckelseitiges Gleitlager
- 15
- topfbodenseitiges Gleitlager
- 16
- Spalttopf
- 18
- Topfboden
- 19
- Rohrkragen
- 20
- Spaltrohrflansch
- 21
- Spaltrohr
- 22
- Axialstrebe
- 23
- Spulenwicklung
- 24
- Elektronik
- 25
- Rotorstirnseite
- 26
- rotorseitige Formschlussverzahnung
- 27
- Formschlusszahn
- 28
- Innenkragen
- 29
- Zahnflanke/Anlaufschräge
- 30
- Axialrichtung
- 31
- pumpenradseitige Formschlussverzahnung
- 32
- Formschlusszahn
- 33
- Anlaufschräge
- 34
- Außenkragen
- 35
- Freiraum
- 36
- Manschette
- 37
- Durchgangsöffnung
- 38
- deckelseitiger Lagerbuchse
- 39
- Rotorblech
- 40
- Rotorabschnitt
- 41
- Außenstrebe
- 42
- Kunststoffformteil
- 43
- bodenseitiges Formteil
- 44
- rotorstirnseitiges Formteil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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