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Die Erfindung betrifft einen Ölpumpenantrieb (1), umfassend einen Elektromotor (2), mit einem bewickelten Stator (3), einem über eine Rotorwelle (6) in zwei Lagern (7, 8) gelagerten permanentmagnetischen Rotor (4), welche im Betrieb in einem Ölgefüllten Rotorraum (5) drehbar angeordnet ist, welcher durch eine Trennwand (16) begrenzt ist, und eine Ölpumpe (10) mit einer Pumpenwelle (11), welche mit einer Rotorwelle (6) des Elektromotors (2) über eine Wellenkupplung drehfest verbunden ist.
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Ölpumpenantriebe werden beispielsweise in Fahrwerksregelungssystemen eingesetzt, welche ein Öldämpfungssystem umfassen. Diese haben die Eigenschaft, dass ein Ölfluss im Ölpumpenantrieb ständig seine Richtung wechselt. Ein stetiger Ölfluss, der zumindest zu einem allmählichen Ölaustausch führt, kommt hierdurch nicht zustande. Ein Ölaustausch ist notwendig um eine im Laufe der Zeit eintretende Qualitätsminderung des Öls zu vermeiden oder zumindest in Grenzen zu halten. Eine solche Qualitätsminderung entsteht u. a. durch Metallabrieb in den Lagern. Wird dieser Abrieb nicht abgeführt, sammelt er sich im Bereich der Lager an und führt zu einem beschleunigten Verschleiß und damit zu einer verringerten Lebensdauer des Ölpumpenantriebs.
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Aufgabe der Erfindung ist es bei einem gattungsgemäßen Ölpumpenantrieb für einen zuverlässigen Ölaustausch im Betrieb und damit für eine hohen Lebensdauer zu sorgen, wobei der Ölpumpenantrieb wirtschaftlich herstellbar sein soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Der geschlossene Strömungspfad ermöglicht eine Ölzirkulation zwischen dem Rotorraum des Elektromotors und der Ölpumpe. Aufgrund der Drehrichtungsunabhängigkeit der Strömungsrichtung ist stets die gleiche Grundrichtung der Ölströmung gegeben. So wird das Öl allmählich ausgetauscht und Lagerabrieb wird abtransportiert und im Öl des Gesamtantriebs gleichmäßig verteilt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Rotor achsparallele Ölkanäle in einem Rotorkörper aufweist. In der Regel sind auf diese Weise Ölkanäle wirtschaftlich herstellbar. Zweckmäßigerweise sind die Ölkanäle dabei radial zwischen der Rotorwelle (6) und Permanentmagneten angeordnet. Diese Anordnung der Ölkanäle erlaubt eine relativ große Designfreiheit.
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Die Ölkanäle erstrecken sich vorzugsweise über die gesamte Länge des Rotorkörpers. Dadurch lassen sie sich besonders einfach herstellen.
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Besonders bevorzugt wird es den Rotorkörper aus einem Blechpaket zu bilden, da dieser hervorragende magnetische Eigenschaften aufweist und sich einfach herstellen lässt.
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Es ist vorgesehen dass der Strömungspfad durch ein pumpennahes Lager, den Ölkanälen und einem Luftspalt zwischen Rotor und Stator, insbesondere zwischen Rotor und der Trennwand hindurchführt. Dieser Strömungspfad ist zu einem Teil ohnehin vorhanden. Das pumpennahe Lager wird bevorzugt als Kugellager ausgebildet, weil das Öl dabei einfach zwischen den Kugeln hindurchströmen kann.
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Der Strömungswiderstand des Strömungspfads soll so gering wie möglich sein, deshalb wird vorgeschlagen, die Ölkanäle mit einem Ringraum zwischen Außenring und Innenring des Kugellagers fluchten zu lassen.
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Gemäß einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist ein Impellerrad mit Flügeln vorgesehen, das drehrichtungsunabhängig wirkt. Hierzu sind beispielsweise die Flügel so geformt, dass das öl bei einer ersten Rotordrehrichtung gefördert wird und bei einer zweiten Rotordrehrichtung nicht oder weniger gefördert wird. Grundsätzlich genügt es, wenn das Öl nur bei einer Rotordrehrichtung gefördert wird, solange sich keine Förderrichtungsumkehr bei einer Rotordrehrichtungsumkehr ergibt. Zumindest sollte die Förderung in einer Richtung deutlich ausgeprägter sein als in der anderen Richtung. Dies kann durch unterschiedliche Ausbildung von einer Vorderseite und einer Rückseite der Flügel erreicht werden, z.B. unterschiedliche Neigungswinkel.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass in beiden Rotordrehrichtungen Öl in die gleiche Richtung gefördert wird, wobei das Öl bei einer ersten Rotordrehrichtung durch eine Vorderseite und bei einer zweiten Rotordrehrichtung durch eine Rückseite der Flügel gefördert wird.
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Die Vorderseite ist symmetrisch zur Rückseite in Bezug auf eine Radialebene ausgebildet, wobei die Radialebene (20) durch die Drehachse (29) des Rotors (4) und einer Radialen (21) des Rotors (4) aufgespannt wird. Dadurch wird das Öl sowohl von der Vorderseite als auch von der Rückseite der Flügel in die gleiche Richtung gedrängt.
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Die Flügel sind sinnvollerweise zwischen den Ölkanälen des Rotors angeordnet um diese nicht zu verdecken. Weiter wird empfohlen das Impellerrad aus einem spritzgusstechnisch verarbeitbarem Kunststoffmaterial herzustellen. Hierdurch lassen sich die erwünschten Formen am einfachsten verwirklichen.
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Eine weitere deutliche verbesserte Lösung besteht darin, dass pumpennahe Ein- oder Ausgänge der Ölkanäle radial einen deutlich anderen Abstand zur Drehachse als die pumpenfernen Ein- oder Ausgänge der Ölkanäle aufweisen. Die unterschiedlichen Abstände bewirken eine unterschiedliche Umfangsgeschwindigkeit bei der Drehung. Diese führt zu Druckunterschieden und damit zu einer von der Drehrichtung unabhängigen Zirkulation des Öls. Je nach gewünschter Drehrichtung wählt man dabei die Abstände von Eingängen und Ausgängen pumpennah oder pumpenfern. Das Öl strebt dabei von einem achsnahen zu einem achsfernen Ort.
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Eine weitere Optimierung lässt sich dadurch erreichen, indem der Strömungswiderstand der Ölkanäle richtungsabhängig ausgebildet wird. Dabei genügt es wenn die Ein und/oder die Ausgänge der Ölkanäle Konturen aufweisen, die einen richtungsabhängigen Strömungswiderstand bewirken.
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Zur weiteren Optimierung wird vorgeschlagen die Eingänge und/oder die Ausgänge der Ölkanäle trichterförmig oder keilförmig auszubilden.
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Die Erfindung umfasst auch alle Kombinationen aus Impellerrad, unterschiedliche radiale Abstände der Eingänge und Ausgänge und die Richtungsabhängigkeit des Strömungswiderstands.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine aufwändige Anordnung eines Strömungspfads,
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2 eine erfindungsgemäße Anordnung eines Strömungspfads,
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3 eine Schnittansicht durch einen Rotor mit Impellerrad,
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4 eine stilisierte Ansicht des Rotor mit Impellerrad,
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5 eine erste Ausführungsform eines Impellerrades,
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6 eine zweite Ausführungsform eines Impellerrades,
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7 eine Axialansicht des Rotors gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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8 eine dritte Ausführungsform der Erfindung,
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9 eine Kombination aus der zweiten und dritten Ausführungsform,
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10 eine pumpenferne Axialansicht des Rotors gemäß 9 und
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11 eine pumpennahe Axialansicht des Rotors gemäß 9.
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Hinweis: Bezugszeichen mit Apostroph und entsprechende Bezugszeichen ohne Apostroph bezeichnen namensgleiche Einzelheiten in den Zeichnungen und der Zeichnungsbeschreibung. Es handelt sich dabei um die Verwendung in einer anderen Ausführungsform, dem Stand der Technik und/oder die Einzelheit ist eine Variante. Die Ansprüche, die Beschreibungseinleitung, die Bezugszeichenliste und die Zusammenfassung enthalten der Einfachheit halber nur Bezugszeichen ohne Apostroph.
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1 zeigt 1 eine aufwändige Anordnung zur Bildung eines Strömungspfads 24‘ mit einer Hohlwelle 6‘, welche in ihrem Inneren einen Ölkanal 13‘ bildet, in einem pumpennahen Kugellager 7‘ und in einem pumpenfernen Kugellager 8‘ drehbar um eine Drehachse 29‘ gelagert ist und einen Rotorkörper 14‘ in Form eines Rotorblechpakets trägt, welcher Permanentmagnete 17‘ aufnimmt. Der Strömungskanal 24‘ verläuft von einer Ölpumpe (hier nicht dargestellt) kommend durch die Hohlwelle, das pumpenferne Kugellager 8‘, einen Luftspalt 15‘ und das pumpennahe Kugellager 7‘ zurück zur Ölpumpe. Der Strömungskanal 24‘ wird radial durch eine Trennwand 16‘ begrenzt. Der Rotor befindet sich in einem Rotorraum 5‘. Die Trennwand trennt einen Stator (hier nicht dargestellt) von dem Rotorraum und dichtet diesen ab. Da Hohlwellen aufwändig herzustellen sind, wird diese Lösung nicht bevorzugt.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung eines Strömungspfads 24 eines Ölpumpenantriebs 1, mit einem Elektromotor 2 und einer Ölpumpe 33 (hier nur angedeutet). Der Strömungspfad 24, verläuft von der Ölpumpe 33 ausgehend durch ein pumpennahes Kugellager 7, Ölkanälen 13, einem Luftspalt 15, Ausnehmungen 25 in einem pumpennahen Lagerschild 26 zurück in die Ölpumpe 33. Die Ölkanäle 13 verlaufen achsparallel und sind in einem Rotorkörper 14 ausgespart, welches aus einem Rotorblechpaket besteht und zur Aufnahme von Permanentmagneten 17 dient. Der Rotorkörper 14 ist auf einer massiven Welle 6 befestigt, welche einerseits in dem pumpennahen Kugellager 7 und andererseits in einem pumpenfernen Kugellager 8 drehbar um eine Drehachse 29 gelagert ist. Der Strömungspfad 24 wird radial durch eine Trennwand 16 begrenzt, welcher einen Rotorraum 5 einschließt und einen Stator 3 (hier nur angedeutet) von dem Rotorraum abdichtet. Hierfür dient auch ein O-Ring 27 der in einem Rohrförmigen Vorsprung 28, des Lagerschilds 26, aufgenommen ist. Der rohrförmige Vorsprung 28 dient an seinem Innenumfang auch als Lageraufnahme. Die Welle 6 und der Rotorkörper 14 mit den Permanentmagneten 17 und den Ölkanälen bilden den Rotor 4. Weiter ist ein Impellerrad 10 Bestandteil des Rotors 4 und einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Über eine Innen-Passverzahnung 9 der Rotorwelle 6 und einer Gegenverzahnung an einer Pumpenwelle 11 (hier nur angedeutet) wird ein Pumpenrad (hier nicht dargestellt) der Ölpumpe 33 angetrieben. Die Ölpumpe 33 ist als Zahnradpumpe ausgeführt.
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3 zeigt eine Schnittansicht durch den Rotor 4 aus 2 mit dem Impellerrad 10. Weiter sind hier deutlicher als in 2 zu erkennen, der Rotorkörper 14, die Permanentmagnete 17, die Ölkanäle 13 und die Welle 6. Die Welle 6 ist zusätzlich mit einer Innen-Passverzahnung 9 als Teil einer Wellenkupplung zur drehfesten Verbindung mit einer Pumpenwelle vorgesehen. Das Impellerrad 10 weist Flügel 12 auf, welche so geformt sind, dass sie in beiden Rotordrehrichtungen das Öl bevorzugt in die Ölkanäle drängt.
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4 zeigt eine stilisierte Ansicht des Rotors 4 mit dem Impellerrad 10, der Rotorwelle 6, den Permanentmagneten 17, den Ölkanälen 13 und der Drehachse 29.
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5 zeigt eine erste Ausgestaltungsform des Impellerrads 10, in einer abgewickelten Darstellung, mit den Flügeln 12, welche eine Vorderseite 18 und eine Rückseite 19 aufweisen, wobei die Vorderseite 18 eine Neigung von ca. 45° zu einer Tangente des Impellerrads in Richtung auf eine Parallele zur Drehachse 29 des Rotors 4 aufweisen. Die Rückseite 19 ist hier ohne Neigung ausgeführt. Die Neigung bewirkt, dass Öl aus dem ölgefüllten Rotorraum in die Ölkanäle 13 gedrängt wird. Dies geschieht jedoch nur in einer ersten Drehrichtung. In der zweiten Drehrichtung wird keine Vorzugsrichtung und auch keine Gegenbewegung des Öls bewirkt. Bei wechselnden Drehrichtungen des Rotors kann dies dennoch bereits ausreichen um für einen langsamen Öldurchfluss zu sorgen, der nach einer vernünftigen Zeitspanne einen Ölaustausch zur Folge hat. Die Anzahl der Flügel 12 entspricht der Anzahl der Ölkanäle 13.
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6 zeigt eine zweite Ausgestaltungsform des Impellerrads 10‘‘, mit Flügeln 12‘‘. Die Flügel 12‘‘ weisen auch hier einer Vorderseite 18‘‘ und eine Rückseite 19‘‘ auf. Hier sind Vorderseite 18‘‘ und Rückseite 19‘‘ jedoch beide in Bezug auf eine Tangente 30‘‘ des Impellerrads 10‘‘ in Richtung auf eine Parallele zur Drehachse 29‘‘ um ca. 45° geneigt. Sowohl die Vorderseite 18‘‘ als auch die Rückseite 19‘‘ drängen das Öl in denselben Ölkanal 13‘‘, der gegenüber 5 verbreitert ausgestaltet ist. Bei dieser verbesserten Lösung wird in beiden Drehrichtungen ein Ölfluss in die gleiche Richtung erzeugt.
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7 zeigt eine Axialansicht des Rotors 4 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, bei der ein pumpennahes Endblech 20 mit an eine Welle 6 anschließenden Aussparungen 31 versehen ist, zwischen welchen Bereiche belassen sind, die als Befestigungsstege 32 ausgebildet sind, die das Endblech 20 zur Welle 6 zentrieren. Das Endblech 20 verdeckt Ölkanäle 13 teilweise um deren Eingänge näher an die Welle 6 zu positionieren. Auf der Pumpenfernen Seite ist ein pumpenfernes Endblech 21 vorgesehen, welches ringförmig ausgebildet ist und Ausgänge der Ölkanäle 13 in eine radial weiter von der Welle 6 entfernte Position zu Positionieren. Die Ölkanäle 13 sind so dimensioniert, dass sie eine größere Querschnittsfläche haben als die durch die Endbleche 20 und 21 begrenzten Querschnitt von Ein- und Ausgängen der Ölkanäle 13. Hierdurch ist es auf sehr einfache Weise möglich die Wirkung von schräg verlaufenden Ölkanälen zu erreichen. Da die Umfangsgeschwindigkeit an den Ausgängen der Ölkanäle größer ist als an den Eingängen werden Ölmoleküle am Ausgang schneller bewegt als am Eingang, weshalb unterschiedlich große Fliehkräfte darauf wirken. Dies bewirkt einen Ölfluss durch die Ölkanäle 13. Die Endbleche 20 und/oder 21 können auch als Axialbegrenzung für Aufnahmetaschen zur Aufnahme von Permanentmagneten 17 dienen.
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8 zeigt eine stilisierte Darstellung einer dritte Ausführungsform der Erfindung, wobei nur ein Teil eines Rotorkörpers 14 eines Rotors 4 dargestellt ist (angedeutet durch eine Drehachse 29), mit einem Ölkanal 13, an dessen Eingang ein trichterförmiger Einströmkegel 22 als Bestandteil eines pumpennahen Endblechs 20‘ in den Ölkanal 13 hineinragt. Auf der pumpenfernen Seite ist ein Ausströmkegel 23 als Bestandteil eines pumpenfernen Endblechs 21‘ zu erkennen. Aufgrund der Form und Ausrichtung des Einströmkegels 22 einerseits und des Ausströmkegels 23 andererseits, ist bei einer Drehrichtungsumkehr des Rotors 4 eine Vorzugsrichtung vorgegeben, weil das Öl in der einen Richtung weg von der Pumpe mit geringerem Widerstand strömen kann als in der Gegenrichtung. Bei ständig sich umkehrender Drehrichtung ergibt sich dadurch eine definierte Grundströmungsrichtung (siehe Pfeile), die jedoch nicht kontinuierlich ist, sie reicht jedoch aus um für einen Ölaustausch in einer vernünftigen Zeitspanne zu sorgen.
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9 zeigt eine Kombination aus der zweiten und dritten Ausführungsform in Form einer stilisierten Darstellung, wobei nur ein Teil eines Rotorkörpers gezeigt ist (angedeutet durch eine Drehachse 29). Ein Einströmkegel 22‘‘ eines pumpennahen Endblechs 20‘‘ bildet den Eingang eines Ölkanals 13. Ein Ausströmkegel 23‘‘ bildet den Ausgang des Ölkanals 13. Der Einströmkegel 22‘‘ und der Ausströmkegel 23‘‘ ist so geformt, dass der Eingang näher an der Drehachse 29 als der Ausgang angeordnet ist. Dies bewirkt wie bei der zweiten Ausführungsform eine drehrichtungsunabhängige Strömungsrichtung. Zusätzlich ist auch der Strömungswiderstand richtungsabhängig. Der Einströmkegel 22‘‘ ist Bestandteil eines pumpennahen Endblechs 20‘‘ und der Ausströmkegel 23‘‘ ist Bestandteil eines pumpenfernen Endblechs 21‘‘.
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10 zeigt eine pumpenferne Axialansicht des Rotors 4 gemäß 9, mit dem pumpenfernen Endblech 21‘‘ und einer Vielzahl damit einstückiger Ausströmkegel 23‘‘. Deutlich ist zu sehen, dass die Ausströmkegel 23‘‘ am Ausgang eine geringere Querschnittsfläche als die Ölkanäle 13 (sieh 9) aufweisen und dass die Ausgänge radial am äußeren Rand der Ölkanäle 13 angeordnet sind.
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11 zeigt eine pumpennahe Axialansicht des Rotors 4 gemäß 9, mit dem pumpennahen Endblech 22‘‘ und einer Vielzahl damit einstückiger Einströmkegel 22‘‘. Deutlich ist zu sehen, dass die Einströmkegel 22‘‘ am Eingang eine geringere Querschnittsfläche als die Ölkanäle 13 (sieh 9) aufweisen und dass die Eingänge radial am inneren Rand der Ölkanäle 13 angeordnet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ölpumpenantrieb
- 2
- Elektromotor
- 3
- Stator
- 4
- Rotor
- 5
- Rotorraum
- 6
- Rotorwelle
- 7
- pumpennahes Lager
- 8
- pumpenfernes Lager
- 9
- Innen-Passverzahnung
- 10
- Impellerrad
- 11
- Pumpenwelle
- 12
- Flügel
- 13
- Ölkanal
- 14
- Rotorkörper
- 15
- Luftspalt
- 16
- Trennwand
- 17
- Permanentmagnet
- 18
- Vorderseite
- 19
- Rückseite
- 20
- pumpennahes Endblech
- 21
- pumpenfernes Endblech
- 22
- Einströmkegel
- 23
- Ausströmkegel
- 24
- Strömungspfad
- 25
- Ausnehmung
- 26
- pumpennahes Lagerschild
- 27
- O-Ring
- 28
- Rohrförmiger Vorsprung
- 29
- Drehachse
- 30
- Tangente
- 31
- Aussparung
- 32
- Befestigungssteg
- 33
- Ölpumpe
