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Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Spaltrohrmotoren. Im Besonderen betrifft die Erfindung eine Pumpe mit einem Spaltrohrmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Spaltrohrmotoren sind eine spezielle Ausführungsart eines Nassläufermotors, bei dem die Wicklung des Stators durch ein zylindrisches, möglichst dünnwandiges Rohr aus Edelstahl oder Kunststoff im Luftspalt zwischen Stator und Rotor des Motors gegen das Fördermedium geschützt ist. Der Leistungsbereich dieser Motoren liegt zwischen einigen Watt bis zu etwa 2.000 kW. Spaltrohrmotoren werden bevorzugt in Pumpenaggregaten eingesetzt.
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EP 0 844 723 A2 zeigt beispielsweise eine Pumpe mit einem gattungsgemäßen Spaltrohrmotor. Der Raum, in dem der Stator angeordnet ist, und der Raum, in dem der Rotor angeordnet ist, sind flüssigkeitsdicht durch ein Spaltrohr aus Kunststoff voneinander getrennt. Um das Spaltrohr mit möglichst kleiner Wandstärke ausführen zu können, ist das Spaltrohr so dimensioniert, dass es an der Innenseite des Stators anliegt und gegen Innendruck durch den Stator gestützt wird.
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Die Materialstärke des Spaltrohrs kann nicht beliebig vergrößert werden, um die Pumpe für höhere Betriebsdrücke auszulegen, da dadurch der Luftspalt zwischen Rotor und Stator sich ebenfalls entsprechend vergrößert und damit niedrigere Energiedichte im Arbeitsluftspalt und höhere Streufeldverluste verursacht. Daher besteht bei Spaltrohren aus Kunststoff das Problem, dass bei hohen Arbeitsdrücken, wie beispielsweise im Bereich 150 bar bis 300 bar und höher, die radiale Druckbelastung des Spaltrohrs an Stellen, die nicht durch den Stator abgestützt werden, derart hoch ist, dass der Kunststoff sich plastisch verformt und reißt bzw. abgeschert wird. Als Folge dringt Fördermedium in den Bereich der Statorwicklungen ein und beschädigt die Wicklung des Stators. Bei vergleichbaren Nassläufer-Pumpenaggregaten mit einem hochdruckfesten Spaltrohr aus Metall ist zwar die genannte Druckbelastung kein Problem, dafür betragen die Wirbelstrom- und Magnetfeldverluste im Spaltrohr je nach Leistungsklasse des Motors bis zu mehrere hundert Watt.
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Aus der
DE 10 2012 011 316 A1 (nächstliegender Stand der Technik) ist ein Spaltrohrmotor bekannt, bei dem die Wicklung des Stators als Zahnspulenwicklung ausgeführt ist und T-förmige Stützelemente in den Wickelnuten vorgesehen sind, wobei ein vertikaler Teil der Stützelemente benachbarter Wicklungen innerhalb einer Wickelnut gegeneinander isoliert und das Stützelement am Nutgrund mechanisch abstützt. Ähnliche abgestützte Spaltrohre sind auch aus
DE 21 01 672 A und der
JP 2006-067 729 A bekannt.
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Aus der
DE 102 32 389 A1 ist ein Spaltrohrmotor bekannt, bei dem eine Kunststoffhülse vom Stator derart gestützt wird, dass sie hydraulisch mit hohem Innendruck belastet werden kann, und die Motorinduktivität verändert werden kann. Dazu sind bei einem Polschuhe aufweisenden Stator zwischen den Polschuhen Füllstücke aus Schichten von elektrisch isolierten Blechen derart angeordnet, dass sie unter Bildung einer geschlossenen Bohrung, die als Abstützung für die Kunststoffhülse dient, miteinander verbunden sind.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Spaltrohrmotor vorzuschlagen, der für den Einsatz bei hohen Förderdrücken geeignet ist, aber zur Meidung von Wirbelstrom- und Magnetfeldverluste im Spaltrohr kein metallisches Spaltrohr benötigt.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, ein Spaltrohr aus einem Material mit geringer elektrischer Leitfähigkeit, bevorzugt aus einem Kunststoff, an Stellen mit hoher Betriebsdruckbelastung, im Wesentlichen an Stellen, an denen jeweils zwei benachbarte Statorzähne einen Spalt (Statorzahnspalt) bilden, lokal so zu verstärken und auszuformen, dass die Vergleichsspannungen (fiktive einachsige Spannung, die dieselbe Materialbeanspruchung darstellt wie der reale, mehrachsige Spannungszustand) im Spaltrohrmaterial besonders an diesen Stellen beim bestimmungsgemäßen Arbeitsdruck im Betrieb des Motors immer unter der Festigkeitsgrenze des eingesetzten Spaltrohrmaterials bleiben. Somit können als Spaltrohrmaterialen grundsätzlich Kunststoffe anstelle von Metall verwendet werden. Zur besseren Veranschaulichung werden hier Vergleichsspannungen angegeben, um den wirklichen dreidimensionalen Belastungszustand im Bauteil, bestehend aus Normal-Spannungen und Schub-Spannungen in alle drei Raumrichtungen, direkt mit den Kennwerten aus dem einachsigen Zugversuch (Material-Kennwerte) vergleichen zu können.
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Durch die erfindungsgemäße Materialverstärkung wird genügend Spaltrohmaterial in den jeweiligen Statorzahnspalt unter Druckbelastung verkeilt, um im Wesentlichen zwei Funktionen auszuüben: Erstens werden durch die Verkeilung bzw. Abstützung zwei definierte an gegenüberliegenden metallischen Statorzähnen gegen Abscherung fixierte Lagerstellen gebildet. Zweitens wird eine von diesen Lagerstellen kommende von Innendruck generierte gegen die Biegespannung wirkende entlastende Reaktionskraft eingeprägt. Im Ergebnis wird eine zusätzliche Abstützung des Spaltrohrs an derartig überlastungsgefährdeten Stellen sichergestellt.
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Erfindungsgemäß wird die Materialverstärkung mit Keilwirkung beispielsweise durch geeignet geformte und im Wesentlichen axial auf der Außenseite des Spaltrohrs verlaufende Rippen erreicht. Der Verlauf der Rippen am Spaltrohr ist erfindungsgemäß im Wesentlichen derart, dass sich die Rippen in der Einbaulage, d. h. bei im Luftspalt zwischen Innenrotor und Stator angeordnetem Spaltrohr, in von jeweils zwei benachbarten Statorzähnen gebildeten Spalten (Statorzahnspalten) formschlüssig verkeilen. Dies wird im Wesentlichen durch die Gestaltung des Verlaufs der Rippenflanken erreicht. Die einfachste Gestaltung des Rippenprofils ist dabei eine Trapezform, die einem Keil am nächsten kommt. Da die Kontur der Statorzahnköpfe hierzu komplementär zu formen ist, wird unter fertigungstechnischen Gesichtspunkt des Stators hier eine einfache geometrische Form bevorzugt. Grundsätzlich könnte der Verlauf der Kontur der Statorzahnköpfe aber beliebig kompliziert gestaltet sein und beispielsweise aus einer oder mehreren geometrischen Formen wie elliptischer Verlauf, kreisförmiger Verlauf, exponentieller Verlauf oder ähnliche, bestehen, solange damit erreicht wird, dass die Rippenflanken ein Hineinrutschen der Rippe in den Statorzahnspalt verhindern. Fertigungstechnisch ist daher ein annähernd trapezförmiger Verlauf bevorzugt.
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Ergänzend können noch ein oder mehrere Stufen im Verlauf der Rippenflanken vorgesehen werden, um eine zusätzliche formschlüssige Abstützung der Rippen zu erreichen.
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Damit sich genügend Spaltrohmaterial in Form der Rippen in den Spalten zwischen benachbarten Statorzähnen unter Druckbelastung verkeilen kann, um die zusätzliche Abstützung des Spaltrohrs an diesen überlastungsgefährdeten Stellen zu erreichen, wird neben der im Wesentlichen keilförmigen Ausformung des axialen Querschnittsprofils der Rippen die Rippenhöhe ausreichend dimensioniert. Hierzu ist die mit den Rippenflanken in Kontakt stehende Statorzahnkontur über den Bereich der erforderlichen Rippenhöhe entsprechend komplementär geformt. Mit anderen Worten wird durch die entsprechende Auslegung der Statorzahnkontur sichergestellt, dass die Rippen so hoch sind, dass das Spaltrohrmaterial unter Betriebsdruckbelastung vom Inneren des Spaltrohrs sich nur soweit durchbiegen kann, dass im gesamten Bereich des Spaltrohrs, besonders im Bereich der Statorzahnspalten die Vergleichsspannungen im Spaltrohrmaterial immer kleiner sind als die Festigkeitsgrenze des Spaltrohrmaterials.
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Die erfindungsgemäße Materialverstärkung löst so das bei Spaltrohren aus Kunststoff im Stand der Technik bestehende Problem. Bei einem herkömmlichen Spaltrohr ohne die erfindungsgemäßen Rippen würde Spaltrohrmaterial, das aufgrund des Statorzahnspalts nicht durch einen Statorzahn gestützt werden kann, nach außen, d. h. in den Spalt hinein gedehnt, durch den Statorzahnspalt hindurch gedrückt (extrudiert) und schließlich an den Flanken der Statorzähne abgeschert werden.
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Weiterbildend können durch eine besondere Formung der Flanken der Rippen, die an diesen Stellen im Betrieb entstehenden Dehnungskräfte im Spaltrohrmaterial als Biegespannungen ohne lokale Überlastungen um die jeweilige Statorzahnkontur (bzw. Polzahnkontur) am jeweiligen Statorzahnspalt herumgeleitet werden.
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Ein Spaltrohrmotor mit einem Spaltrohr aus Kunststoff kann somit hinsichtlich der Hochdruckfähigkeit verbessert werden, da ein Abscheren des Spaltrohrs an den Statorzähnen sowie eine Extrusion des Kunststoffs durch den Statorzahnspalt unter Druckbelastung verhindert werden.
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Ein erfindungsgemäß verbesserter Spaltrohrmotor erreicht folgende Vorteile. Grundsätzlich wird bei einem Nassläufer-Aggregat mit hochdruckfestem Spaltrohr ein gegenüber herkömmlichen Aggregaten mit metallischem Spaltrohr höherer Wirkungsgrad erreicht. Aufgrund niedrigerer Wirbelstrom- und Magnetfeldverluste tritt im Betrieb des Aggregats weniger Abwärme auf. Auch ist das Aggregat hinsichtlich der Herstellungskosten günstiger, da ein Spaltrohr aus Kunststoff günstiger als eines aus Metall ist. Ein weiterer Vorteil besteht in der variablen Fertigungsmöglichkeit. So kann das erfindungsgemäße Spaltrohr als Spritzgussteil einzeln gefertigt werden oder direkt als Anspritzteil durch Umspritzen an den Stator angespritzt werden. Im letzteren Fall wird automatisch eine passgenaue formschlüssige Form der Rippen in die Statorzahnspalten sichergestellt.
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Somit wird wenigstens eine der oben genannten Aufgaben mit einer Pumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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D. h., eine erfindungsgemäße Pumpe weist auf: einen Spaltrohrmotor, der einen Stator mit einem darin angeordneten Innenrotor aufweist, wobei der Stator und der Innenrotor flüssigkeitsdicht durch ein zwischen Stator und Innenrotor angeordnetes Spaltrohr voneinander getrennt sind, wobei der Stator Statorzähne aufweist, die radial in Richtung des Innenläufers verlaufen und mit zugehörigen Statorzahnstirnflächen einen Aufnahmeraum für den Innenrotor und das Spaltrohr definieren, und wobei das Spaltrohr an den Statorzahnstirnflächen anliegt. Erfindungsgemäß weist das Spaltrohr auf seiner dem Stator zugewandten Oberfläche an Statorzahnspalten, die jeweils durch zwei zueinander benachbarte Statorzähne definiert sind, formschlüssig in die Statorzahnspalten eingepasste Rippen auf, die sich ausgehend von einem am Spaltrohr angeordneten Rippenfuß hinsichtlich einer in Umfangsrichtung des Spaltrohrs definierten Rippenstärke in radialer Richtung verjüngen.
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Die Höhe der Rippen ausgehend vom Rippenfuß ist bevorzugt größer als die Wandstärke des Spaltrohrs ausgeführt. Das Spaltrohr weist je nach Druckbelastung und Motordimension bevorzugt eine Wandstärke von 0,1 mm bis 2,0 mm auf. Die Rippe weist bevorzugt eine Höhe von 0,1 mm bis 4 mm auf.
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Ein besonders bevorzugtes Querschnittsprofil der Rippen kann in einer ersten Ausführung wenigstens einen trapezförmigen Abschnitt mit einer ersten Grundlinie und einer ersten Dachlinie aufweisen. Die am Spaltrohr anliegende und in Umfangsrichtung des Spaltrohrs verlaufende erste Grundlinie weist eine erste Länge von bevorzugt 0,8 mm bis 5,0 mm auf. Die in der Statorzahnspalte angeordnete erste Dachlinie weist eine kürzere zweite Länge von bevorzugt 0,25 mm bis 3 mm auf.
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Das Querschnittsprofil des trapezförmigen Abschnitts kann weiter durch zwei zueinander symmetrisch und im Wesentlichen gerade verlaufende Seitenlinien bestimmt sein. Die Seitenlinien verlaufen dabei jeweils in Bezug auf den Radius des Spaltrohrs bevorzugt in einem Winkel im Bereich von 5 Grad bis 60 Grad. Zur Erzielung der Keilwirkung verlaufen die Seitenlinien ausgehend vom Rippenfuß nach innen, sodass sich die Rippe ausgehend vom am Spaltrohr angeordneten Rippenfuß hinsichtlich der in Umfangsrichtung des Spaltrohrs definierten Rippenstärke bzw. Rippenbreite in radialer Richtung verjüngt. Ergänzend sei hinsichtlich der Rippenlänge angemerkt, dass diese bei bzgl. des Spaltrohrs axial verlaufenden Rippen der Länge des Spaltrohrs entspricht. Bei spiralförmig oder schräg zur Achse des Spaltrohrs verlaufenden Rippen ist die Rippenlänge größer als die Länge des Spaltrohrs.
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Bevorzugt sind die Rippen so ausgeformt, dass die Seitenlinien zur Meidung von lokalen Spannungsspitzen abgerundet von der Rippe in das Spaltrohr übergehen. Ein Übergang zwischen der Spaltrohraußenfläche und einer der Seitenlinien kann daher bevorzugt wenigstens einen Radius aus dem Bereich von 0,1 mm bis 5,0 mm aufweisen. Ein großer Radius bzw. große Radien führen an dieser Stelle zwar aufgrund einer Vergrößerung des magnetischen Spalts benachbarter Statorzähne, wodurch sich die Effizienz des Motors sinken kann. Der Effizienzverlust auf der einen Seite kann aber für eine entsprechend höhere Druckfestigkeit eingetauscht werden.
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Durch die erfindungsgemäße Keilwirkung des trapezförmigen Rippenprofils werden die lokalen Belastungsspitzen im Spaltrohr deutlich reduziert. Versuche haben gezeigt, dass sich beispielsweise bei einem Ausführungsbeispiel mit Rippen mit trapezförmigem Querschnittsprofil bei einem Betriebsdruck von 150 bar die maximal im Spaltrohrmaterial auftretenden Spannungen bei einem herkömmlichen Spaltrohr ohne Rippen von ca. 270 MPa auf ca. 60 MPa im Spaltrohr im Bereich der Statorzahnspalten verringern lassen. D. h., die Maximalbelastungen reduzieren sich um etwa das 4,5-fache. Damit kann bei Pumpen für hohe Drücke von Metall für das Spaltrohr auf Kunststoffe ausgewichen werden.
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Wie oben angesprochen kann bei Beachtung der gewünschten Keilwirkung der Rippenflanken der Flankenverlauf weitestgehend beliebig gestaltet werden. Zusätzlich können in den Flankenverlauf auch Stufen vorgesehen werden, um die Rippenflanken zusätzlich im Statorzahnspalt abzustützen. In einer Weiterbildung kann beispielsweise das Querschnittsprofil der Rippen weiter wenigstens einen abschließenden rechteckförmigen Abschnitt mit einer zweiten Grundlinie und einer zweiten Dachlinie aufweisen. Die in Umfangsrichtung des Spaltrohrs verlaufende zweite Grundlinie und zweite Dachlinie weisen hier bevorzugt jeweils eine Länge von 0,2 mm bis 4 mm. Die zweite Grundlinie ist dann auf der ersten Dachlinie angeordnet und kann derart kürzer sein, dass der rechteckförmige Abschnitt mit dem trapezförmigen Abschnitt jeweils am Ende jeder Seitenlinie des trapezförmigen Abschnitts eine Stufe (Abstufung) bildet. In dieser Ausführung setzt sich die Gesamthöhe der Rippe wenigstens aus einer ersten Höhe eines trapezförmigen Abschnitts und einer zweiten Höhe eines rechteckförmigen Abschnitts zusammen. Dabei verhält sich erste Höhe zur zweiten Höhe in etwa 1:1.
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Bei der Weiterbildung können durch die zusätzliche Abstufung die im Spaltrohr im Bereich der Statorzahnspalten auftretenden Spannungswerte weiter reduziert werden. Versuche haben gezeigt, dass sich durch die Rippen der Weiterbildung bei einem Betriebsdruck von 150 bar die maximal im Spaltrohrmaterial auftretenden Spannungen bei einem herkömmlichen Spaltrohr ohne Rippen von ca. 270 MPa auf ca. 50 MPa im Spaltrohr mit den Rippen im Bereich der Statorzahnspalten weiter verringern lassen. D. h., die Maximalbelastungen reduzieren sich um etwa das 5,4-fache.
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Bevorzugt gehen bei der Weiterbildung die Seitenlinien jeweils abgerundet von einer der Seitenlinien in die erste Dachlinie über. Dieser zweite Übergang zwischen einer der Seitenlinien und einer der Dachlinien folgt bevorzugt wenigstens einem Radius aus dem Bereich 0,1 mm bis 5,0 mm.
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Hinsichtlich der Dimensionierung des Spaltrohrs sei angemerkt, dass die Wandstärke des Spaltrohrs als ein Dimensionierungsparameter grundsätzlich durch die Motordimension bestimmt ist und sich daher üblicherweise im Bereich von etwa 0,1 bis 2 mm bewegt.
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Die weiteren Dimensionierungsparameter der erfindungsgemäßen rippenförmigen Materialverstärkungen sind im Wesentlichen im Hinblick auf den im Betrieb des Motors im Inneren des Spaltrohrs (oder Spalttopf) auftretenden Förderdruck auszulegen und können in Relation zur Wandstärke d des Spaltrohrs dimensioniert werden.
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Als Dimensionierungsbereiche für die Dimensionierungsparameter einer erfindungsgemäßen Rippe in Relation zur Wandstärke des Spaltrohrs wurde gefunden: Die Rippenhöhe kann das 1-fache bis 20-fache der Wandstärke betragen. Die Krümmungsradien in den ersten und zweiten Übergängen können im Bereich des 0,8-fachen bis 10-fachen der Wandstärke liegen. Die Länge der Grundlinie der Rippen kann im Bereich von etwa dem 1,5-fachen bis 10-fachen der Wandstärke liegen. Die Länge der ersten Dachlinie kann im Bereich des 0,5-fachen bis 6-fachen der Wandstärke liegen. Die Länge der zweiten Dachlinie kann im Bereich von etwa dem 0,4-fachen bis 4-fachen der Wandstärke liegen.
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Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel beträgt die Wandstärke d des Spaltrohrs 0,5 mm. Die Rippen wurden mit einem einzigen trapezförmigen Abschnitt gestaltet, wobei die Krümmungsradien der Übergänge mit einem Radius entsprechend der Wandstärke, d. h. d = 0,5 mm, die Rippenhöhe H mit dem Dreifachen der Wandstärke, d. h. 3xd = 1,5 mm, die Grundlinie der Rippen mit dem Achtfachen der Wandstärke, d. h., 8xd = 4 mm, die Dachlinie der Rippen mit dem Vierfachen der Wandstärke, d. h. 4x = 2 mm ausgelegt wurden. Der Winkel der Rippenflanken wurde auf 30° eingestellt.
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Das Spaltrohr besteht idealerweise aus einem druckfesten und hochtemperaturbeständigen Material mit einem niedrigen elektrischen Leitwert, bevorzugt kleiner 10E-10 S/m. Besonders bevorzugt sind faserverstärkte Kunststoffe, beispielsweise Thermoplaste oder Duroplaste, die bevorzugt einen Dehnungskoeffizienten, insbesondere in einem Temperaturbereich von –40°C bis 120°C, ähnlich dem des Materials des Stators besitzen. Als Verstärkungsfasern eignen sich besonders Glasfasern, Kohlefasern, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Keramiken, oder Aramide (wie z. B. Kevlarfasern).
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Als konkrete Beispiele für Kunststoffe seien hier Polyphenylensulfid mit einem Glasfaseranteil von 40% (PPS-GF40) oder Polyamid mit einem Glasfaseranteil von 35% (PA66-GF35) genannt. Selbstverständlich ist auch die Verwendung anderer druckfester und hochtemperaturbeständiger Kunststoffe mit niedrigem Leitwert möglich. Ebenso kann der Füllstoffanteil je nach Anforderung variiert werden.
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Das Spaltrohr kann als Einzelteil beispielsweise als Spritzgussteil hergestellt sein bzw. werden. Alternativ ist es auch möglich das Spaltrohr mit einem Teilen des Stators, beispielsweise mit einer Nutisolation der Statorzähne, materialschlüssig durch Anspritzen in den Stator zu integrieren.
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Grundsätzlich bestehen die einzelnen Statorzähne jeweils aus einem radial gerichteten Statorzahnschaft, der zur Umwicklung mit einem Strang der Statorwicklung vorgesehen ist. Der Statorzahnschaft kann einen Statorzahnkopf mit der zugehörigen Statorzahnstirnfläche aufweisen. Der Statorzahnkopf bildet zusammen mit dem Statorzahnschaft in bekannter Weise eine Nut zur Aufnahme eines Stranges der Statorwicklung. Der Statorzahnkopf kann zwei Statorzahnkopfteile aufweisen, die jeweils in beide Umfangsrichtungen des Spaltrohrs den Statorzahnschaft überragen. Sich jeweils gegenüberliegende Statorzahnkopfteile benachbarter Statorzähne bilden jeweils eine Statorzahnspalte.
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Der Stator sowie der Innenrotor sind üblicherweise jeweils als Paket übereinander gestapelter, entsprechend ausgestanzter Lamellenbelche, die mit einem elektrisch isolierenden Material ummantelt sind, gebildet.
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Das axiale Querschnittsprofil der Statorzahnkopfteile ist erfindungsgemäß komplementär an das axiale Querschnittsprofil die Rippen des Spaltrohrs angepasst. Damit können die Querschnittsprofile der Statorzahnkopfteile quasi als Spritzformteil für die erfindungsgemäßen Rippen dienen, für den oben genannten Fall, bei dem das Spaltrohr durch Anspritzen bzw. Umspritzen des Stators mit dem Spaltrohrmaterial hergestellt wird.
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Abschließend sei angemerkt, dass das erfindungsgemäße Spaltrohr auch an einem Ende zu einem Spalttopf verschlossen sein kann. Pumpen, bei denen bauartbedingt das Spaltrohr als Spalttopf ausgeführt ist, können von der Erfindung in gleichem Maße Gebrauch machen und profitieren, wie dies im Zusammenhang mit der Ausführung als Spaltrohr erläutert worden ist.
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Das Prinzip der Erfindung ist auch für Klein- und Kleinstmotoren anwendbar. Dort kann der Luftspalt etwa 0,2 mm betragen. Die Wandung des Spaltrohrs ist dann ähnlich einer Folie ausgeführt, die im Bereich von Statorzahnspalten durch die erfindungsgemäßen Materialverstärkungen für hohe Betriebsdrücke ausgelegt werden kann.
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Erfindungsgemäße Pumpenaggregate eignen sich besonders gut für Pumpen in Hochdruckanwendungen. Beispielsweise bei Flüssigkeitsringvakuumpumpen, Kompressoren, Verdrängerpumpen, Hydraulikpumpen, Förderpumpen, oder Prozesspumpen der Chemie- und Verfahrenstechnik, um nicht abschließend einige Beispiele zu nennen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Ebenso können die vorstehend genannten und die hier weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Funktionsähnliche oder identische Bauteile oder Komponenten sind teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die in der Beschreibung der Ausführungsbeispiele verwendeten Begriffe „links”, „rechts”, „oben”, „unten” beziehen sich auf die Zeichnungen in einer Ausrichtung mit normal lesbarer Figurenbezeichnung bzw. normal lesbaren Bezugszeichen. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließend zu verstehen, sondern haben beispielhaften Charakter zur Erläuterung der Erfindung. In den Figuren zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsansicht eines 40°-Segments eines Spaltrohrmotors mit einem Spaltrohr gemäße der Erfindung;
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2 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Spaltrohrs mit Rippen;
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3 einen Ausschnitt eines erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spaltrohrs mit einer Rippe; und
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4 einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spaltrohrs mit einer Rippe.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren detailliert beschrieben. Die detaillierte Beschreibung dient der Information des Fachmanns und ist nicht beschränkend aufzufassen. In der nachfolgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Einzelheiten dargelegt. Es versteht sich jedoch, dass Ausführungsformen der Erfindung auch ohne diese spezifischen Einzelheiten zur Anwendung kommen können. Bekannte Schaltungen, Strukturen und Verfahren werden nicht im Detail gezeigt oder erläutert, um das Verständnis der vorliegenden Beschreibung nicht zu erschweren.
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In 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines 40°-Segments eines Spaltrohrmotors mit einem Spaltrohr gemäß der Erfindung. Die schematische Querschnittsansicht des 40°-Segments des Spaltrohrmotors entspricht einem Schnitt senkrecht zur Drehachse A des Innenrotors.
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Ein Statorringsegment 3 weist radial nach innen gerichtete Statorzähne 5 auf. Jeder Statorzahn 5 weist einen Statorschaft 7 auf, der radial ausgehend von einem Statorzahnfuß 9 am Statorringsegment 3 nach innen gerichtet ist. An einem dem Statorzahnfuß 9 gegenüberliegenden Ende des Statorschafts 7 wird dieser von einem Statorzahnkopf 11 abgeschlossen.
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Die Statorzähne 5 tragen jeweils einen Strang oder mehrere Stränge (nicht gezeigt) einer Statorwicklung (nicht gezeigt) in an den Statorzähnen 5 ausgebildeten Wicklungsnuten 10. Die Wicklungsstränge können in bekannter Weise je nach Phasenzahl des Motors miteinander verschaltet sein.
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Der vollständige Stator (nicht gezeigt) weist neun (9) der gezeigten Statorringsegmente 3 auf. Grundsätzlich kann der Stator auch nur mit einen einzigen 360° Statorringsegment aufgebaut sein. Wenn der Stator aus mehreren Statorringsegmenten zusammengesetzt wird, kann ein solches Statorringsegment auch einen anderen Winkel als 40° aufweisen; die Anzahl der Statorringsegmente für einen vollständigen Stator, d. h. für 360°, ist dann entsprechend kleiner oder größer.
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Statorzahnstirnflächen 13 der Statorzahnköpfe 11 definieren einen rohrförmigen Innenraum, in dem der Innenrotor 17 an einer Welle 19 als Drehachse A drehbeweglich befestigt ist. Der Rotor 17 umfasst eine gerade Anzahl von Rotorpolen (nicht gezeigt), an denen jeweils ein elektrisches Erregermagnetfeld nach außen austritt und mit einem aus den Statorzähnen 5 im Betrieb austretenden Statormagnetfeld wechselwirkt, welches durch eine in bekannter Weise entsprechende Bestromung der Statorwicklungen erzeugt wird.
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Die dem Stator zugeordnete Statorwicklung weißt üblicherweise eine Strangzahl sowie einer Phasenzahl gleich oder größer 1 auf. Zur Erzeugung des Erregermagnetfelds kann der Innenrotor 17 beispielsweise Permanentmagnete (nicht gezeigt) aufweisen, die in hierfür vorgesehenen Taschen (nicht gezeigt) angeordnet sind.
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Der Motor im Ausführungsbeispiel kann beispielsweise ein EC-Motor (engl. elektronically commutated motor), z. B. ein bürstenloser Gleichstrommotor (engl. brushless direct current motor, BLDC-Motor) als Antrieb für eine Pumpe für 150 bar Förderdruck sein. Hierzu sind Wicklungsenden (nicht gezeigt) der Statorwicklung in bekannter Weise für die bürstenlose Ausführung des Motors an eine Kommutierelektronik angeschlossen, die eingerichtet ist, durch leistungselektronische Schalter ein Drehfeld oder Wechselfeld zu erzeugen. Selbstverständlich ist die Anwendung der Erfindung nicht auf EC-Motoren beschränkt.
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Die Wechselwirkung des Statormagnetfelds und des Erregermagnetfelds des Innenrotors 17 führt im Betrieb des Motors zu einem Antriebsmoment, das auf den Innenrotor 17 wirkt und ein Drehmoment an der Welle 19 bereitstellt. Im Betrieb des Motors dreht der auf der Welle 19 befindliche Innenrotor 17 in dem mit einem flüssigen Fördermedium gefüllten Spaltrohr 21 ein oder mehrere Laufräder der Pumpe zur Förderung des Fördermediums. Da der Innenrotor 17 in Kontakt mit dem Fördermedium steht, werden diese Motoren als Nassläufermotoren bezeichnet.
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Sowohl der Stator als auch der Innenrotor 17 können grundsätzlich aus Vollmaterial (monolithisch) aufgebaut sein, sind aber üblicherweise jeweils von mehreren gegeneinander elektrisch isolierten Lamellenblechen aus gestanztem Elektroblech zusammengesetzt. Vorzugsweise sind Stator und Innenrotor 17 als Lamellenpakete aus einzelnen gegeneinander elektrisch isolierten Lamellenblechen gestapelt aufgebaut, wobei diese im Wesentlichen deckungsgleich übereinander liegen. D. h., für den Stator sind die Lamellenbleche so aufeinander angeordnet, dass die Lamellenbleche, welche die Statorzähne 5 ausbilden, in axialer Richtung, d. h. in Richtung der Drehachse A der Welle 19, übereinander liegen, sodass deren Außenkanten in axialer Richtung, d. h. parallel zur Drehachse A der Welle 19 verlaufen. Entsprechend sind die Lamellenbleche für das den Rotor 17 bildende Lamellenpaket so aufeinander angeordnet, dass die oben erwähnten Taschenausnehmungen in den Blechlamellen, welche die Taschen bilden, in axialer Richtung übereinander zu liegen kommen.
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Der Raum im Stator, in dem die Statorwicklungen angeordnet sind, und der Raum, in dem der Innenrotor 17 angeordnet ist, sind flüssigkeitsdicht durch ein Spaltrohr 21 bevorzugt aus einem elektrisch nicht leitenden Material – im Ausführungsbeispiel einem Kunststoff – voneinander getrennt. Spaltrohre aus elektrisch nicht leitfähigem Material, wie Kunststoff weisen den Vorteil auf, dass diese den Magnetfluss zwischen Stator und Innenrotor 17 nicht beeinflussen bzw. stören. Das erfindungsgemäße Spaltrohr 21 besteht aus einem der oben erwähnten druckfesten und ebenso hochtemperaturbeständigen Kunststoffe, z. B. Polyphenylensulfid mit einem Glasfaseranteil von 40% (PPS-GF40).
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Das Spaltrohr 21 ist so dimensioniert, dass es an der Innenseite des Stators, genauer an den Statorzahnstirnflächen 13 der Statorzähne 5 anliegt. Dadurch wird es im Betrieb gegen Innendrücke im Rotorraum von den Statorzähnen 5 abgestützt. Daher kann das Spaltrohr 21 in diesen Bereichen mit einer kleinen Wandstärke ausführt werden. Im Ausführungsbeispiel beträgt die Wandstärke d des Statorrohrs 21 etwa 0,5 mm.
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Auf dem Spaltrohr 21 sind auf der dem Statorringsegment 3 zugewandte Oberflächen 23 Rippen 27 angeordnet. Die Rippen 27 sind Bestandteil des Spaltrohrs 21, d. h. das Spaltrohr 21 ist mit den Rippen 27 einstückig ausgeführt.
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Die Rippen 27 sind so geformt, dass sie sich in Statorzahnspalten 25, die jeweils von zwei zueinander benachbarten Statorzähnen 5 gebildet sind, formschlüssig einpassen. Zur Erzielung des erfindungsgemäßen Keileffekts verjüngen sich die Rippen 27 ausgehend vom am Spaltrohr 21 angeordneten Rippenfuß 29 (s. 3 und 4) hinsichtlich einer in Umfangsrichtung U des Spaltrohrs 21 definierten Rippenstärke in radialer Richtung vom Spaltrohr 21 weg, d. h. nach außen. Im gesamten Statorzahnspalt 25 stehen die Rippen 27 mit den jeweiligen Statorzähnen in Kontakt, um Druckkräfte vom Spaltrohr 21 auf die Statorzähne 5 zur Entlastung des Spaltrohrs 21 zu übertragen.
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Die Höhe H der Rippen 27 (27a in 3) ausgehend vom Rippenfuß 29 (s. 3) ist größer als die Wandstärke d des Spaltrohrs 21. Die Rippen 27 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer Höhe H von ca. 1,5 mm (d. h. 3xd) ausgeführt.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Spaltrohrs 21 mit den Rippen 27. In der Darstellung befindet sich das Spaltrohr 21 auf den Innenrotor 17. Der aus den neun 40°-Statorringsegmenten 3 gebildete Stator ist nicht gezeigt. Am rechten Ende 20 des Spaltrohrs 21 schließt sich ein Motorflansch 31, mit dem das Spaltrohr 21 flüssigkeitsdicht, beispielsweise durch Einsatz einer O-Ringdichtung, verbunden ist. An dem Motorflansch 31 ist – bei vollständigem Motor – der Stator mit einem Statorgehäuse (nicht gezeigt) angeflanscht. Auf dem Spaltrohr 21 sind gut die im Ausführungsbeispiel äquidistant und parallel zueinander verlaufenden Rippen 27 zu sehen. Am rechten Ende 20 neben dem Flansch 31 befindet sich ein Ende der Welle 19 (1), an dem beispielsweise ein Laufrad der Pumpe angebracht werden kann.
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Auch am dem Motorflansch 31 gegenüberliegenden Ende 22 wird das Spaltrohr 21 flüssigkeitsdicht, beispielsweise wieder mittels einer O-Ringdichtung verbunden, sodass der Innenrotor 17 im Betrieb im Fördermedium angeordnet ist und der Stator vom Fördermedium durch das Spaltrohr abgeschirmt wird. Bei Motoren mit Spaltrohr 21 wird das Fördermedium üblicherweise am Innenrotor 17 vorbei und durch das Spaltrohr 21 gefördert.
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In einer alternativen Ausführung kann das Spaltrohr 21 auch am dem Motorflansch 31 gegenüberliegenden Ende 22 zu einem Spalttopf (nicht gezeigt) verschlossen sein. Bevorzugt ist ein solcher Spalttopf einstückig ausgeführt, d. h. ein das Spaltrohr zum Spalttopf verschließende Deckel kann grundsätzlich flüssigkeitsdicht an das Spaltrohr 21 beispielsweise durch Kleben oder Materialschluss durch Reibschweißen angefügt sein, besteht aber bevorzugt aus demselben Material wie das Spaltrohr und ist mit diesem materialschlüssig verbunden. D. h., ein erfindungsgemäßer Spalttopf ist bevorzugt als einstückiges Element ausgeführt.
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Es sei angemerkt, dass die rippenförmigen Materialverstärkungen (Rippen 27) nicht zwingend parallel und geradlinig in axialer Richtung am Spaltrohr 27 oder Spalttopf verlaufen müssen. Beispielsweise können die Statorzahnspalten an einem Stator auch spiralförmig verlaufen. Ebenso können die Statorzahnspalten zwar geradlinig, aber schräg zur Spaltrohrachse verlaufen. Erfindungsgemäß sind die rippenförmigen Materialverstärkungen am Spaltrohr 21 oder Spalttopf komplementär und formschlüssig zu den Statorzahnspalten 25 ausgebildet und sind dementsprechend am Spaltrohr 21 oder Spalttopf angeformt. Mit anderen Worten kann ein Spalttopf mittels der erfindungsgemäßen Materialverstärkungen die gleichen Wirkungen und damit Vorteile erreichen, wie dies im Zusammenhang mit dem Spaltrohr erläutert worden ist.
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Falls das Spaltrohr 21 durch Anspritzen bzw. Umspritzung des Stators hergestellt wird, ergibt sich die erfindungsgemäße komplementäre Ausführung der Rippen 27 zu den Statorzahnspalten 25 quasi automatisch. In diesem Fall gibt es auch keine Beschränkungen hinsichtlich der Gestaltung des axialen Verlaufs der Statorzahnspalten 25, da das Spaltrohr 21 nicht als separates Teil in den Stator einfügbar ausgeführt sein muss.
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3 zeigt einen Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Spaltrohrs 21 mit einer der Rippen 27a. Die Form der Rippen 27a entspricht der Form der Rippen 27 in den 1 und 2.
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Das Querschnittsprofil der gezeigten Rippe 27a ist im Wesentlichen durch einen trapezförmigen Abschnitt 33a mit einer ersten Grundlinie 35 und einer ersten Dachlinie 37a definiert. Da sich die im Querschnittsprofil trapezförmig ausgestaltete Rippe 27a vom Rippenfuß 29 ausgehend bezüglich der in Umfangsrichtung U des Spaltrohrs 21 definierten Rippenbreite radial nach außen verjüngt, fügt sich die Rippe 27a wie ein Keil in den Statorzahnspalt 25a ein. Unter Druckbelastung vom Inneren des Spaltrohrs 21 im Betrieb wird durch diese Keilwirkung der Rippe 27a eine Überlastung des Spaltrohrs 21 verhindert bzw. eine Abstützung des Spaltrohrs 21 im Statorzahnspalt 25a erreicht.
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Die am Spaltrohr 21 anliegende und in Umfangsrichtung U des Spaltrohrs 21 verlaufende erste Grundlinie 35 besitzt eine erste Länge L1 mit ca. 3 mm (d. h. ca. 6xd). Die in der Statorzahnspalte 25a angeordnete erste Dachlinie 37a ist mit einer kürzeren zweite Länge L2a von ca. 2 mm (d. h. ca. 4xd) ausgeführt.
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Das Querschnittsprofil des trapezförmigen Abschnitts 33a der Rippe 27a ist weiter in Umfangsrichtung U links und rechts durch zwei zueinander symmetrisch und im Wesentlichen geradlinig verlaufende Seitenlinien 39a und 40a bestimmt. Die Seitenlinien 39a und 40a verlaufen jeweils in Bezug auf den Radius R des Spaltrohrs 21 in einem Winkel α von 20 Grad derart, dass sich die Rippe 27a radial vom Spaltrohr 21 weg verjüngt und die Rippe 27a sich keilartig in die Statorzahnspalte 25a, die von den sich in Umfangsrichtung gegenüberstehenden Statorkopfteilen 51a, 53a gebildet ist, einfügt.
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Die Seitenlinien 39a, 40a verlaufen abgerundet von der Rippe 27a in das Spaltrohr 21 bzw. umgekehrt. Ein Übergang 41 zwischen der Spaltrohraußenfläche 23 und jeweils einer der rechten Seitenlinie 39a bzw. linken Seitenlinie 40b ist bevorzugt konkav mit wenigstens einem Radius im Bereich von 0,1 mm bis 5,0 mm ausgeführt. Im Ausführungsbeispiel hat der Übergang 41 einem Radius von 0,5 mm (d. h. R1 = d).
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Dadurch, dass die Rippe 27a keilförmig in die Statorzahnspalte 25a eingepasst ist, werden Dehnungen des Spaltrohrs 21 unter Druckbelastung auf die Flanken 55a, 57a der Statorkopfteile 51a, 53a verteilt. D. h., die Dehnungen des Spaltrohrs 21 werden als Biegespannungen weitestgehend kontinuierlich um die Kontur der Statorzahnkopfteile 51a, 53a geleitet, sodass eine Überlastung des Materials des Spaltrohrs 21 vermieden wird. Im Ergebnis ist das Spaltrohr 21 aus einem Kunststoff trotz dünnwandiger Ausführung für Hochdruckpumpenaggregate geeignet.
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4 zeigt einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Spaltrohrs 21 mit einer Rippe 27b. Die Rippen 27b sind eine Weiterbildung des Prinzips der Rippen 27 bzw. 27a des Ausführungsbeispiels der 1 bis 3.
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Das Querschnittsprofil der Rippe 27b weist weiterhin einen trapezförmigen Abschnitt 33a, ähnlich wie bei der Rippe 27a in 3, auf. Der trapezförmige Abschnitt 33a ist jedoch mit einer kleineren Höhe H1 im Vergleich zur Höhe H der Rippe 27a ausgeführt. Die Höhe H1 beträgt im Ausführungsbeispiel etwa 0,5 mm (d. h. H1 = d). Daher sind auch die in Umfangsrichtung U links und rechts befindlichen zwei zueinander symmetrisch und im Wesentlichen geradlinig verlaufende Seitenlinien 39b und 40b etwas steiler ausgeführt. D. h., die Seitenlinien 39b und 40b verlaufen bei der Rippe 27b jeweils in Bezug auf den Radius R des Spaltrohrs 21 in einem Winkel α von etwa 20 Grad.
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Auch der trapezförmige Abschnitt 33a der Rippe 27b verjüngt sich radial vom Spaltrohr 21 weg, sodass sich die Rippe 27b ebenfalls im Abschnitt 33a keilartig in die Statorzahnspalte 25b, die von den sich in Umfangsrichtung gegenüberstehenden Statorkopfteilen 51b, 53b gebildet ist, einfügt.
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Das Querschnittsprofil der Rippen 27b weist im Vergleich zur Rippe 27a der 3 zusätzlich einen rechteckförmigen Abschnitt 33b mit einer zweiten Grundlinie 43 und einer zweiten Dachlinie 45 auf. Die in Umfangsrichtung U des Spaltrohrs 21 verlaufenden Seitenlinien des Abschnitts 33b, d. h., die zweite Grundlinie 43 und zweite Dachlinie 45 sind im Wesentlichen gleich lang mit jeweils einer Länge L3 von 0,75 mm (d. h. 1,5xd). Die Höhe des rechteckförmigen Abschnitts 33b im Ausführungsbeispiel beträgt etwa 1,8 mm (d. h. 3,6xd).
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Die Summe der Höhen H1 und H2 ergibt als Höhe H der Rippe 27b 2,55 mm.
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Die zweite Grundlinie 43 schließt sich direkt an die erste Dachlinie 37b an bzw. ist mit dieser im gemeinsamen Bereich deckungsgleich. Gegenüber der ersten Dachlinie 37a ist die zweite Grundlinie 43 derart kürzer, dass der rechteckförmige Abschnitt 33b mit dem trapezförmigen Abschnitt 33a jeweils am Ende jeder Seitenlinie 39b, 40b eine Stufe 47 bildet.
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Die Seitenlinien 39b, 40b gehen zur Meidung von lokalen Belastungsspitzen jeweils abgerundet in die erste Dachlinie 37b über. Ein zweiter Übergang 49 zwischen jeweils einer der Seitenlinien 39b, 40b und der ersten Dachlinie 37b ist mit wenigstens einem Radius R3 aus dem Bereich 0,1 mm bis 5,0 mm ausgeführt. Im Ausführungsbeispiel weist der Übergang 49 einem Radius von 0,5 mm auf.
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Dadurch, dass die Rippe 27b mit dem trapezförmigen Abschnitt 33a keilförmig in die Statorzahnspalte 25b eingepasst ist, werden wie bei der Rippe 27a der 3 Dehnungen des Spaltrohrs 21 unter Druckbelastung auf die Flanken der Statorkopfteile 51b, 53b verteilt. D. h., die Dehnungen des Spaltrohrs 21 werden als Biegespannungen weitestgehend kontinuierlich um die Kontur der Statorzahnkopfteile 51b, 53b geleitet, sodass eine Überlastung des Materials des Spaltrohrs 21 vermieden wird.
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Bei der Rippe 27b liegen zusätzlich die Stufen 47 des trapezförmigen Abschnitts auf Vorsprüngen 59, die an den Statorkopfteilen 51b, 53b vorgesehen sind, auf.
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Es hat sich gezeigt, dass durch die Verringerung der Höhe H1 des trapezförmigen Abschnitts 33a gegenüber der Höhe H bei der Rippe 27a der 3 zwar die effektive Keilfläche des Abschnitts 33a verkleinert ist. Durch die zusätzlichen Stufen 49, die sich auf den Vorsprüngen 59 der Statorkopfteile 51b, 53b abstützen, verteilen sich die im Spannungsverlauf der Rippe 27b auftretenden Belastungsspitzen auf die ersten Übergänge 49 und die Stufen 47. Im Ergebnis kann so die maximal im Bereich der Statorzahnspalten 25b auftretende Maximalspannung im Spaltrohr 21 weiter reduziert werden. D. h., das Spaltrohr 21 ist bei gleicher Wandstärke und Rippenhöhe für noch höhere Druckbelastung geeignet.
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Im Ergebnis ist ein Spaltrohr 21 aus einem Kunststoff trotz dünnwandiger Ausführung aufgrund der erfindungsgemäßen Rippen 27, 27a, oder 27b für Hochdruckpumpenaggregate geeignet.
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Wie bereits oben angemerkt, kann das vorstehend anhand der Ausführungsbeispiele beschriebene Spaltrohr auch an einem Ende zu einem Spalttopf verschlossen sein. Ein solcher Spalttopf findet sich üblicherweise in Pumpen, bei denen das Fördermedium nicht im Betrieb der Pumpe am Innenrotor vorbeiströmt. Ein Spalttopf kann von der Erfindung in gleichem Maße Gebrauch machen und profitieren, wie dies im Zusammenhang mit der Ausführung als Spaltrohr erläutert worden ist.
