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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine durch einen Elektromotor angetriebene Pumpe und insbesondere eine elektrische Pumpe mit Überstromschutz.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Wenn ein Elektromotor zu viel Strom zieht, kann dies zu einer Beschädigung des Motors aufgrund von Überhitzung führen.
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Eine Situation, in der ein Motor zu viel Strom ziehen kann, ist zum Beispiel, wenn seine Leistungsabgabe verhindert wird. Bei einer elektrischen Pumpe zum Beispiel kann das Pumpenrad blockieren, wodurch die Drehung der Motorwelle verhindert wird und dazu führt, dass der Motor abgewürgt wird. Im abgewürgten Zustand kann der Motor zu viel Strom ziehen und überhitzen.
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Bei Anwendung in einem Fahrzeug kann die Pumpe zum Beispiel eingesetzt werden, um Wasser oder eine Reinigungslösung auf die Windschutzscheibe oder die Scheinwerfer zu sprühen. In kalten Umgebungen, wenn die Temperatur unter den Gefrierpunkt sinkt, können das Wasser oder die Reinigungslösung gefrieren und eine Drehung des Pumpenrads verhindern.
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Wenn der Pumpenmotor angeschaltet wird, doch das Pumpenrad sich nicht bewegen kann, zieht der Motor weiterhin Strom und erzeugt dadurch über eine kurze Zeitspanne einen hohen Betrag an Wärme, wodurch der Motor potenziell beschädigt wird und die Gefahr eines Brands entsteht. Zur Lösung dieses Problems kann zwischen dem Motor und seiner Stromquelle eine Sicherung liegen, die den Stromkreis unterbricht, wenn der Motor eine bestimmte Temperatur überschreitet. Das Erneuern der Sicherung bedeutet jedoch zusätzliche Wartungskosten und kann ein umständlicher Vorgang sein.
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ÜBERSICHT
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Es wird daher eine elektrische Pumpe benötigt, die nicht überhitzt, wenn sich das Pumpenrad nicht drehen kann. Die elektrische Pumpe kann außerdem Geräuschunterdrückungskomponenten aufweisen, um zu verhindern, dass die Pumpe andere elektrische Komponenten und Vorrichtungen stört.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Pumpe zum Pumpen von Flüssigkeit angegeben, umfassend: ein Pumpengehäuse, das eine Pumpenkammer definiert; ein Pumpenrad, das in der Pumpe angeordnet ist; und einen Elektromotor für den Antrieb des Pumpenrads, wobei der Motor umfasst: einen Ständer, der eine Vielzahl von Magnetpolen definiert; und einen Läufer, der für eine Drehung relativ zu dem Ständer konfiguriert ist, wobei der Läufer umfasst: eine Welle, einen an der Welle befestigten Läuferkern; einen Kommutator, der an ein Ende des Läuferkerns angrenzend an der Welle befestigt ist; und eine Vielzahl von Wicklungsspulen, die um den Läuferkern gewickelt und mit dem Kommutator elektrisch verbunden sind; einen ersten und einen zweiten Motoranschluss, die für eine Verbindung mit einer externen Stromquelle konfiguriert sind; eine erste und eine zweite Bürste, die sich mit dem Kommutator in Gleitkontakt befinden; und einen Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten, wobei die erste Bürste über den Thermistor mit dem ersten Motoranschluss elektrisch verbunden ist; und wobei die zweite Bürste mit dem zweiten Motoranschluss elektrisch verbunden ist.
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Vorzugsweise sind die Bürsten, der Thermistor und die Motoranschlüsse an einer Endkappe montiert, die sich an einem axialen Ende des Motors befindet.
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Vorzugsweise sind die Bürsten und der Thermistor auf einer gedruckten Schaltungsplatte montiert, die an der Endkappe des Motors montiert ist.
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Vorzugsweise hat die Pumpe eine Pumpenabdeckung, in die ein die Motoranschlüsse aufnehmendes Verbindergehäuse integriert ist, wobei ein erstes Ende der Motoranschlüsse in dem Verbinder für die Verbindung mit einer Stromquelle angeordnet und ein zweites Ende der Motoranschlüsse in jeweilige Fassungen eingesetzt ist, die an der Endkappe vorgesehen sind.
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Vorzugsweise hat die Pumpe einen oder mehrere Induktoren, die jeweils elektrisch zwischen die Bürsten und die Motoranschlüsse geschaltet sind.
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Vorzugsweise umfassen der eine oder die mehreren Induktoren einen ersten Induktor und einen zweiten Induktor, so dass die erste Bürste über den ersten Induktor mit dem Thermistor und die zweite Bürste über den zweiten Induktor mit dem zweiten Motoranschluss verbunden ist.
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Vorzugsweise ist in Reihe mit dem Thermistor ein Varistor mit den beiden Motoranschlüssen verbunden.
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Vorzugsweise verbindet ein erster Kondensator einen nicht mit dem ersten Motoranschluss verbundenen Anschluss des Thermistors mit der Erde, und ein zweiter Kondensator verbindet den zweiten Motoranschluss mit der Erde.
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Vorzugsweise sind die Kondensatoren mit einem Erdungsanschluss verbunden, der mit einem Motorgehäuse des Motors verbunden ist.
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Vorzugsweise ist die Pumpe derart konfiguriert, dass sie Wasser oder eine Reinigungslösung auf eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs sprüht.
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Bevorzugte und/oder optionale Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels beschrieben, wobei auf die Figuren der anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Zeichnungsfigur erscheinen, sind in all diesen Figuren identisch gekennzeichnet. Die Dimensionen und Merkmale, die in den Figuren gezeigt sind, sind im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Die Figuren sind nachstehend aufgelistet.
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1A ist eine perspektivische Ansicht einer Elektropumpe mit einem Motor gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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1B ist eine Schnittansicht der Pumpe von 1A;
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2A u. 2B zeigen eine Endkappenanordnung für den Motor von 1A;
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3 zeigt eine Schaltungsplattenanordnung, die in der Endkappenanordnung der 2A und 2B verwendet wird;
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4 ist eine schematische Darstellung der Schaltungsplattenanordnung von 3; und
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5 zeigt ein Diagramm zur Darstellung der elektrischen Eigenschaften eines Thermistors, der in dem Motor von 1A verwendet wird.
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DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die 1A und 1B zeigen eine zum Pumpen einer Flüssigkeit verwendete elektrische Pumpe 10 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1B ist eine Längsschnittansicht entlang der Achse der Pumpe, die koaxial zur Achse des Motors liegt. In dieser Ausführungsform wird die Flüssigkeitspumpe 10 in einem Fahrzeug verwendet, um Wasser, ein Reinigungsmittel oder eine andere Art von Flüssigkeit auf eine Windschutzscheibe zu sprühen. Es versteht sich, dass in anderen Ausführungsformen die Pumpe 10 bei jeder Art Anwendung eingesetzt werden kann, bei der eine Flüssigkeit gepumpt wird.
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Die Pumpe 10 hat einen Motor 20, eine Pumpenkammer 11 und ein Pumpenrad 14, das mit dem Motor 20 verbunden ist und durch den Motor angetrieben wird. Das Pumpenrad ist in der Pumpenkammer untergebracht. Die Pumpenkammer 11 hat einen Einlass 52, der die Pumpenkammer mit einer Flüssigkeitsquelle (z. B. einem Wasser- oder Reinigungsmittelbehälter) verbindet, und mindestens einen Auslass 54, durch welchen beim Einsatz der Pumpe Flüssigkeit abgegeben wird. Während des Betriebs dreht der Motor 20 das Pumpenrad 14, wodurch eine Zentrifugalkraft erzeugt wird, so dass Flüssigkeit, die aus dem Einlass 52 einströmt, durch den Auslass 54 ausgetrieben wird. Die Pumpenkammer wird durch den zwischen einem Pumpengehäuse 12 und einer Pumpenplatte 13 gebildeten Raum definiert.
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In der Ausführungsform, die in 1A gezeigt ist, hat die Pumpe zwei Auslässe 54, die durch ein Umschaltventil 17 miteinander verbunden sind. In dieser Ausführungsform bestimmt die Richtung der Drehung des Pumpenrads, durch welchen Auslass die Flüssigkeit gepumpt wird.
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Wie in 1B gezeigt ist, hat der Motor 20 einen Ständer 21, einen an dem Ständer 21 drehbar montierten Läufer 22 und eine Endkappenanordnung 30. Der Ständer 21 umfasst ein Motorgehäuse 24 und eine Vielzahl von Magneten 25, die an einer Innenwand des Motorgehäuses 24 befestigt sind. Die Magnete 25 sind Permanentmagnete. Gleichwohl können die Magnete 25 auch andere Arten von Komponenten umfassen, die geeignet sind, ein Magnetfeld zu erzeugen und/oder einen Magnetpol zu definieren, Elektromagnete eingeschlossen. Vorzugsweise ist das Motorgehäuse 24 im Wesentlichen zylindrisch. Höchst vorzugsweise ist das Motorgehäuse 24 ein tiefgezogenes becherförmiges Metallteil, das ein offenes Ende und ein geschlossenes Ende hat.
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Der Läufer 22 hat eine Welle 26, einen Kommutator 27 und einen Läuferkern 28, der an der Welle 26 befestigt ist, und eine Vielzahl von Wicklungsspulen 29, die um den Läuferkern 28 gewickelt und mit dem Kommutator 27 verbunden sind. Ein axiales Ende der Welle 26 ist durch ein Lager 23 drehbar an einem Ende des Motorgehäuses 24 befestigt, bevorzugt an dem geschlossenen Ende. Das andere axiale Ende der Welle 26 ist durch ein weiteres Lager 23 an der Endkappenanordnung 30 drehbar befestigt. Die Lager 12 können Kugellager, Lagerhülsen oder andere Komponenten sein, die für eine mechanische Verbindung zwischen beweglichen und stationären Elementen sorgen und die eine Drehung des Läufers 22 relativ zu dem Ständer 21 erlauben.
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Der Motor 20 ist an der Pumpenplatte 13 befestigt, die eine Wand der Pumpenkammer 11 bildet. Der Motor 20 und die Pumpenplatte 13 sind in dem Pumpengehäuse 12 angeordnet, und eine Abdeckung 60 verschließt das offene Ende des Pumpengehäuses. Die Pumpenabdeckung 60 ist vorzugsweise spritzwassergeschützt, damit die Umgebung des Motors 20 geschützt wird. Die Pumpenabdeckung 60 hat einen Befestigungsvorsprung 64 und bildet einen Verbinder 62 für die Verbindung einer Stromversorgung mit Motoranschlüssen. Eine Wellendichtung 18 dichtet die Welle 26 gegenüber der Pumpenplatte 13 ab. Ein Dichtungsring 19 dichtet die Pumpenplatte 13 gegenüber dem Pumpengehäuse 12 ab, um für eine wasserdichte Pumpenkammer 11 zu sorgen.
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Die 2A und 2B zeigen eine Endkappenanordnung 30 der bevorzugten Ausführungsform. Die Endkappe 30 umfasst eine Vielzahl von Bürsten 31, die für einen Gleitkontakt mit dem Kommutator 27 angeordnet sind. Wenn der Motor 20 angeschaltet wird, leiten die Bürsten 31 elektrischen Strom über den Kommutator 27 zu den Wicklungsspulen 22, wodurch bewirkt wird, dass sich der Läufer 22 in dem Ständer 21 dreht und das Pumpenrad 14 antreibt.
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Die Endkappenanordnung 30 umfasst eine Endkappe 32 und eine Schaltungsplattenanordnung 34, die an der Endkappe 32 befestigt ist. Wie in 3 gezeigt ist, sind die Bürsten 31 mit der Schaltungsplattenanordnung 34 verbunden und auf einander gegenüberliegenden Seiten des Kommutators 27 positioniert, so dass, wenn der Motor 20 zusammengebaut ist, die Bürsten 31 den Gleitkontakt mit einer Fläche des Kommutators beibehalten können. Die dargestellten Bürsten entsprechen dem Bürstenblatt-Typ, haben einen an der Schaltungsplatte befestigten Bürstenanschluss 31a und einen für den Gleitkontakt mit dem Kommutator angeordneten und durch einen elastischen Bürstenarm 31c mit dem Bürstenanschluss elektrisch und mechanisch verbundenen Bürstenkörper 31b. Der Bürstenkörper ist aus einem Material auf Karbonbasis hergestellt, und der Bürstenarm drückt den Bürstenkörper an den Kommutator. Es können jedoch auch andere Arten von Bürsten verwendet werden.
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Die Schaltungsplattenanordnung 34 kann eine gedruckte Schaltungsplatte (PCB) 36 und eine Vielzahl von elektrischen Komponenten umfassen, einschließlich eines Paares von Motoranschlüssen 38a/b, eines Paares von Drosseln oder Induktoren 40a/b, eines Paares von Fassungen 42a/b, eines Varistors 46, Kondensatoren 50a/b und eines Thermistors mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) 44. 5 zeigt in einem Diagramm die elektrischen Eigenschaften des PTC 44 gemäß der bevorzugten Ausführungsform.
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In einigen Ausführungsformen ist die PCB 36 derart konfiguriert, dass einige der elektrischen Komponenten (z. B. die Induktoren 40a/b und die Thermistor-Anordnung 44) auf einer Seite der PCB 36 angeordnet sind, während die andere Seite der PCB 36 eine Vielzahl von Leiterbahnen trägt, die die elektrischen Komponenten gemäß dem in 4 dargestellten Schaltungsdiagramm verbinden. Die Bürsten 31, die Induktoren 40a und 40b, die Fassungen 42a und 42b, der Varistor 46 und der PTC 44 sind mit der PCB 36 verlötet.
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Die Motoranschlüsse 38a/b sind angeordnet für die Verbindung mit einer externen Stromquelle (nicht gezeigt), zum Beispiel mit einer Batterie, einem Generator oder einem Stromauslass. Die Motoranschlüsse 38a/b verbinden die elektrischen Komponenten auf der PCB 36, indem sie in die Fassungen 42a/b gedrückt werden. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Fassungen 42a/b im Wesentlichen U-förmig und haben jeweils ein Paar von Klemm-Enden 43. Zumindest ein Ende jedes Paares von Klemm-Enden 43 ist im Wesentlichen V-förmig und derart angeordnet, dass ein minimaler Spalt zwischen den Enden jedes Paares von Klemm-Enden 43 kleiner ist als eine Dicke der Motoranschlüsse, wodurch die Motoranschlüsse 38a/b in entsprechende Fassungen 42a/b eingesetzt und durch die Klemm-Enden 43 an Ort und Stelle gehalten werden können. Vorzugsweise sind beide Klemm-Enden jedes Paares von Klemm-Enden V-förmig und berühren einander im entspannten Zustand am Scheitel des V. Wie 4 zeigt, ist der Motoranschluss 38a über den PTC 44 und den Induktor 40a mit einer der Bürsten 31 elektrisch verbunden, während der Motoranschluss 38b über den Induktor 40b mit der anderen Bürste 31 verbunden ist.
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Wie 3 zeigt, umfasst der PTC 44 ein Thermistorelement 44b, das zwischen einem Paar von Metallstreifen montiert ist, die die Thermistoranschlüsse 44a und 44c bilden. Der eine Thermistoranschluss 44c ist mit dem Motoranschluss 38a und der andere Thermistoranschluss 44a mit dem Induktor 40a verbunden. Diese Anordnung kann verwendet werden, um die physikalische Festigkeit des PCT 44 zu verbessern. Darüber hinaus kann wegen der Masse der Thermistoranschlüsse der Temperaturanstieg des Thermistors leicht gedämpft werden, so dass der PTC weniger empfindlich auf plötzliche kurzzeitige Stromstöße reagiert.
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Wenn während des Betriebs des Motors 20 zum Beispiel die Drehung des Pumpenrads 14 verhindert wird (etwa durch ein Gefrieren der Flüssigkeit in der Pumpenkammer 11), kann der durch den Motor 20 fließende Strom rasch zunehmen und einen Temperaturanstieg des Thermistors 44 bewirken. Nachdem der Thermistor 44 eine bestimmte Temperatur überschritten hat, steigt der Widerstand des Thermistors 44 deutlich an, wie in 5 gezeigt. Der erhöhte Widerstand des Thermistors 44 reduziert die Menge des Stroms, der durch den Motor 20 fließt, wodurch der Motor 20 wirksam abgeschaltet und davor geschützt wird, zu viel Strom zu ziehen. Nimmt die Temperatur des Thermistors 44 ab, kehrt sein Widerstand auf den Normalwert zurück, so dass der Motor 20 den normalen Betrieb wieder aufnehmen kann, sobald sich Pumpenrad 14 wieder drehen kann.
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Während des Normalbetriebs der Pumpe neigt der durch den Motor fließende Strom wegen der Kommutation durch den Kommutator zu kurzfristigen Schwankungen. Dies führt dazu, dass ein Elektrorauschen auf die Stromversorgung übertragen wird. Ein Elektrorauschen ist unerwünscht, das es unter Umständen andere elektrische Produkte stört. Zum Vermindern des erzeugten Elektrorauschens sind Induktoren 40 zwischen den Bürsten 31 und den Motoranschlüssen 38 in Reihe geschaltet, wobei die induktiven Eigenschaften der Induktoren wirksam sind für die Stabilisierung des Stromflusses durch die Wicklungsspulen 29. In der dargestellten Ausführungsform ist jeder Motoranschluss 38a/b mit einem jeweiligen Induktor 40a/b verbunden.
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Um die Unterdrückung des Elektrorauschens noch weiter zu verbessern, können die Motoranschlüsse über einen Kondensator 50a/b mit der Erde verbunden sein. Zu diesem Zweck umfasst die Schaltungsplattenanordnung 34 ferner einen Erdungsanschluss 48, mit dem ein Anschluss jedes der Kondensatoren 50a/b verbunden ist. Der andere Anschluss ist mit den Anschlüssen der Induktoren 40a/b elektrisch verbunden, die jeweils mit den Motoranschlüssen 38a/b verbunden sind. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Erdungsanschluss 48 an der PCB 36 befestigt und mit einer Kante der Endkappe 32 verbunden, so dass nach dem Zusammensetzen der Endkappenanordnung 30 mit dem Motorgehäuse 24 der Erdungsanschluss 48 mit dem Außengehäuse 24 verbunden ist.
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In der bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schaltungsplattenanordnung 34 ferner einen Varistor 46, wobei ein Anschluss des Varistors 46 elektrisch mit dem Anschluss des Induktors 40a verbunden ist, der mit dem Motoranschluss 38a verbunden ist, während der andere Anschluss des Varistors 46 elektrisch mit dem Anschluss des Induktors 40b verbunden ist, der mit dem Motoranschluss 38b verbunden ist. Der Varistor 46 zeigt einen hohen Widerstand bei niedrigen Spannungen, jedoch einen niedrigen Widerstand bei hohen Spannungen. Wenn die Spannung über den Motoranschlüssen während des Betriebs einer plötzlichen Schwankung unterliegt, z. B. einer durch Kommutation bewirkten Spannungsspitze, kann der durch die Spannungsspitze erzeugte Überstrom durch den Varistor überbrückt werden, wodurch die Größe der Spannungsspitze begrenzt und der durch den Motor 20 gezogene Strom weiter stabilisiert wird.
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In den dargestellten Ausführungsformen hat der Motor 20 einen Innenläufer 22, der in dem Ständer 21 angeordnet ist und sich in dem Ständer 21 dreht. Selbstverständlich können in anderen Ausführungsformen andere Konfigurationen verwendet werden, z. B. ein bürstenloser Motor oder ein Motor mit Außenläufer, bei dem der Ständer in dem Läufer angeordnet ist. Bei einem bürstenlosen Motor zum Beispiel können die Induktoren 40a/b anstatt mit den elektrischen Bürsten 31 mit einer oder mehreren Ständerwicklungsspulen verbunden sein.
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Die Erfindung wurde vorstehend mit Bezug auf einen oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass verschiedene Modifikationen möglich sind. Zum Beispiel kann die Reihenfolge oder die räumliche Beziehung vieler der beschriebenen Komponenten geändert werden. Ferner können nichtwesentliche Merkmale ganz entfallen oder in verschiedenen Kombinationen, die nicht speziell beschrieben sind, enthalten sein. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen somit lediglich Darstellungs- oder Erläuterungszwecken und stellen keine Einschränkung der Erfindung dar, deren Schutzumfang durch die anliegenden Ansprüche definiert wird.
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Verben wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente vorhanden sind.
