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Die Erfindung betrifft eine Fluidpumpe, insbesondere eine Axialfluidpumpe, mit einem Innengehäuse und einem Außengehäuse, wobei das Innengehäuse einen Innenraum definiert, in dem ein Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor angeordnet sind, der Rotor über eine Antriebswelle mit einem Laufrad (einem Impeller) gekoppelt ist und das Außengehäuse das Laufrad umgibt. Innengehäuse und Außengehäuse bilden einen an das Innengehäuse angrenzenden Strömungskanal, insbesondere einen ringförmiger Strömungsspalt zwischen Außen- und Innengehäuse, der eine Ansaug- und eine Abgabeöffnung verbindet, die insbesondere an axial gegenüberliegenden Enden des Außengehäuses ausgebildet sind.
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Im Automobilbereich werden Kühlmittelpumpen im Kühlkreislauf eingesetzt, deren Antrieb direkt über Riemen oder Kettentriebe mit der Antriebswelle des Verbrennungsmotors gekoppelt sind. Solche starr mit dem Antrieb gekoppelten mechanischen Hauptkühlmittelpumpen sind jedoch bei modernen Motoren für ein optimiertes Wärmemanagement nur eingeschränkt geeignet. Daher werden zusätzlich oder alternativ auch unabhängig angetriebene und/oder steuerbare Kühlmittelpumpen vorgesehen.
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Dabei handelt es sich in der Regel um Kreiselpumpen (z.B. in Radial- bzw. Halbaxialbauweise). Als Antrieb sind z.B. permanent erregte Gleichstrommotoren vorgesehen, die bei kompakter Bauweise eine hohe Leistungsdichte aufweisen und gut steuerbar sind. Die Kühlung solcher Hochleistungselektromotoren ist jedoch gerade im Bereich von Verbrennungskraftmaschinen nicht ganz unproblematisch. Zum einen sind sie in einer relativ warmen Umgebung angeordnet und zum anderen entwickeln sie durch ihre hohe Leistungsdichte im Betrieb auch eigene Abwärme, die zuverlässig abgeführt werden muss.
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Für Kreiselpumpen ist aus der
EP 0 778 649 A1 ein Ansatz bekannt, bei dem ein an die Statorwicklungen – dort entsteht der Großteil der Abwärme – angrenzender Kühlköper vorgesehen ist, der die in den Statorwicklungen bzw. im Ständerpaket entstehende Betriebswärme nach außen über das Pumpengehäuse bzw. über mit dem Kühlmedium in Berührung kommende Gehäusebauteile des Spiralgehäuses ableitet.
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Ein anderer Ansatz besteht nach der
DE 10 2011 009 192 B3 darin, einen die Antriebswelle, deren Lager und den Rotor umgebenden Nasslaufbereich vorzusehen, der über ein Spaltrohr bzw. einen Spalttopf gegen den stromführenden Statorbereich abgedichtet. Der Nasslaufbereich steht in kommunizierender Verbindung mit dem Spiralgehäuse der Radialpumpe. Die Lager der Antriebswelle werden mit dem Kühlmittel geschmiert. Eine begrenzte Wärmeabfuhr erfolgt auch aus dem trockenlaufenden Statorbereich über die Spaltrohraußenflächen in den Nasslaufbereich.
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Einen ähnlichen Ansatz verfolgt auch die
WO 2007/054171 A1 , bei der eine elektrische Fluidpumpe in Halbaxialbauweise vorgesehen ist, bei der ebenfalls ein Spaltrohr vorgesehen ist, welches den außenliegenden Statorbereich (trockenlaufend) und den innenliegenden Rotorbereich (nasslaufend) gegeneinander abdichtet. Der Rotorbereich wird axial vom geförderten Fluid durchströmt. Der trockenlaufende Statorbereich grenzt mit seinen außenliegenden Umfangsflächen an den einen kühlmittelführenden Ringspalt an, der ein Innengehäuse umgibt und nach außen vom Außengehäuse der Pumpe begrenzt wird, durch den das geförderte Kühlmedium fließt. Die Wärmeübertragung an das strömende Kühlmittel aus dem mit Luft gefüllten Statorbereich ist jedoch eingeschränkt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Fluidpumpe bereitzustellen, bei der die genannten Nachteile wenigstens teilweise überwunden werden. Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Fluidpumpe nach Anspruch 1, die Kühlmittelfördereinrichtung nach Anspruch 9 und den Verbrennungsmotor nach Anspruch 10 gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
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Eine erfindungsgemäße Fluidpumpe umfasst ein Innengehäuse und ein Außengehäuse. Dabei definiert das Innengehäuse einen Innenraum, in dem ein Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor angeordnet ist. Der Rotor ist über eine Antriebswelle mit einem Laufrad (Impeller) gekoppelt, das Außengehäuse das Laufrad, wobei zwischen dem Innengehäuse und dem Außengehäuse ein an das Innengehäuse angrenzender Strömungskanal, insbesondere ein ringförmiger Strömungsspalt verläuft. Dieser verbindet eine Ansaug- und eine Abgabeöffnung miteinander, die insbesondere an axial gegenüberliegenden Enden des Außengehäuses ausgebildet sind. Das Laufrad fördert bei so einer Pumpe das Fluid (insbesondere ein Kühlmittel) radial, axial bzw. halb-axial durch den oder die Strömungskanäle um das Innengehäuse herum bzw. an diesem entlang.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem Strömungskanal, insbesondere ein ringförmiger Strömungsspalt, und dem Innenraum eine Verbindung besteht, sodass das durch den Strömungskanal beförderte Fluid diesen Innenraum flutet, Stator und Rotor umgibt und das Fluid so ein Wärmeübertragungsmedium zwischen Stator und Rotor einerseits und dem Innengehäuse andererseits bildet.
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Damit werden mehrere Effekte erzielt. Rotor und Antriebswelle werden vollständig vom Fluid, das den Innenraum füllt umgeben, das damit als Schmiermittel für die Lager der Antriebswelle dienen kann und Betriebswärme aus den Lagern bzw. aus dem Rotor aufnimmt und abführt. Zusätzlich wird aber auch der den Rotor umgebende Stator mit seinen stromführenden Wicklungen vom Fluid umspült, welches auch den sogenannten „Luftspalt“ zwischen der Statorinnenfläche und der Rotoraußenfläche durchsetzt. Auch weitere im Innenraum befindliche stromführende Elemente, wie beispielsweise die Phasenverschaltung der Statorwicklungen oder in den Innenraum mündenden Stromzuführungen sind so ebenfalls vom Fluid umgeben.
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Damit wird die Wärmeabfuhr aus diesen stromführenden Teilen, die im Betrieb für den Großteil der Abwärme verantwortlich sind, erheblich verbessert. Die Abwärme wird so direkt über das im Innenraum befindliche Fluid (Kühlmittel) an das Innengehäuse übertragen, wo sie dann über das Fluid (strömendes Kühlmittel), welches das Innengehäuse umströmt bzw. an diesem entlang strömt, durch erzwungene Konvektion effektiv abgeführt werden kann. Diese verbesserte Wärmeabfuhr erlaubt es, die Leistungsdichte des Elektromotors weiter zu erhöhen und damit die Fördereigenschaften der Pumpe zu verbessern, ohne dass das erforderliche Bauvolumen für gesonderte Kühlmaßnahmen (vergrößerte Oberflächen) erhöht werden müsste.
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Bei axialer oder halb-axialer Bauweise ist der Strömungskanal als ein das Innengehäuse umgebender Ringspalt ausgebildet, der zwischen Inne- und Außengehäuse verläuft. Das Außengehäuse umgibt bei so einer Ausführung das Laufrad und das Innengehäuse.
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Bei einer Ausführung umfasst die Verbindung, welche zwischen dem Strömungskanal und dem Innenraum besteht, einen radial verlaufenden Axialspalt, der zwischen dem Laufrad und dem Innengehäuse ausgebildet ist. Diese Ausführung ermöglicht eine einfache Kopplung des Strömungskanals mit dem Innenraum, ohne dass dazu gesonderte Öffnungen im Innengehäuse vorgesehen werden müssten. Vielmehr dient ein aus Fertigungs- und Funktionsgründen sowieso vorzusehender Spalt gleichzeitig als Verbindung zwischen dem Strömungskanal und dem Innenraum. Ein vollständig um den Umfang herum verlaufender Axialspalt stellt auch immer sicher, dass das Fluid unabhängig von der Einbaulage der Pumpe in den Innenraum gelangen kann.
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Bei einer weiteren Ausführung umfasst die Verbindung Öffnungen in einem Lagerschild, der über einen Außenkragen mit dem Innengehäuse gekoppelt ist und in einer Lagerhülse ein die Antriebswelle aufnehmendes Radiallager trägt. Ein oder mehrere Lagerschilde können vorgesehen werden, um die Lagerung der Antriebswelle im Innengehäuse zu realisieren. Dabei begrenzen der oder die Lagerschilde jeweils die axial gegenüberliegenden Enden des Innenraumes.
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Ist die Antriebswelle in Wälzlagern aufgenommen, so tritt das Fluid auch durch die durchlässigen Wälzlager in den Innenraum ein. Um die Durchflutung des Innenraumes zu verbessern, sind zusätzliche Öffnungen in dem Lagerschild oder den Lagerschilden vorgesehen. So kann eine Durchflutung des Innenraumes unabhängig von der Wahl der Lagerung sichergestellt werden kann. Zugleich wird das Gewicht des Lagerschilds und damit der Pumpe reduziert.
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Es gibt dazu eine Ausführung, bei der die Öffnungen in einem den Außenkragen und die Lagerhülse verbindenden Radialflansch angeordnet sind, sodass eine Verbindung mit ausreichend großem Querschnitt in axialer Richtung zwischen der Außenseite des Lagerschildes und dem Innenraum gewährleistet ist.
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Es gibt eine Ausführung, bei der die außerhalb des Statorkörpers (z.B. ein Statorblechpaket oder Ständerpaket) verlaufenden Schleifenbündel der der Statorwicklungen in eine diese vollständig umgebende Dichtungsmasse eingebettet (z.B. eingegossen) sind. Diese Dichtungsmasse schützt die einzelnen Schleifen der Schleifenbündel und stellt sicher, dass diese gegen Fremdeinwirkung (z.B. Verschmutzungen oder Festkörper im Kühlmittel) geschützt werden und gegeneinander isoliert bleiben. Sie bildet gleichzeitig einen Wärmeübertragungskörper (Kühlkörper), der die Wärmeübertragung aus den einzelnen stromführenden Leitern in das die Schleifenbündel bzw. die Dichtungsmasse umgebende Fluid verbessert.
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Es gibt Ausführungen bei denen die Dichtungsmasse einen Silikonwerkstoff aufweist (z.B. ein Silikongummi-Verbundwerkstoff), der besonders temperaturbeständig (bis zu 200°C) ist und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, die im Bereich von 0,6 W/m°K und damit über der von Wasser (~0,56 W/m°K) und weit über der von Luft (~0,026 W/m°K) liegt.
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Bei einer Ausführung ist der Innenraum derart gestaltet, dass das den Innenraum ausfüllende Fluid die Schleifenbündel vollständig umgibt und so eine wärmeleitende Kopplung zwischen diesen und dem Innengehäuse bildet. Durch diese Gestaltung wird sichergestellt, dass keine fluidfreien (ggf. luftgefüllte) Toträume im Bereich der Schleifenbündel auftreten, in denen die Wärmeabfuhr eingeschränkt ist und in denen lokale Überhitzungen auftreten könnten.
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Es gibt Ausführungen bei denen der Strömungskanal wenigstens ein das Innen- und Außengehäuse verbindendes Leitelement vorgesehen ist, das einen von radial von außen in den Innenraum führenden und eine Stromzufuhr aufnehmenden Durchgang aufweist. Solche, insbesondere schraubenförmig verlaufende, Leitelemente bei halb-axial oder axial fördernden Kreiselpumpen reduzieren nicht nur den durch das Laufrad beim Fördern aufgebrachten Drall des geförderten Fluids und verbessern so den Wirkungsgrad der Pumpe. Gleichzeitig ermöglichen sie in strömungsgünstiger Form die Gestaltung einer problemlose Stromzufuhr von außen zum im Innenraum angeordneten Stator bzw. dessen Wicklungen. Die schraubenförmige Anordnung verlängert auch den Strömungsweg des Kühlmediums am Innengehäuse entlang und erhöht so die konvektive Wärmeabfuhr aus dem Innenraum über das umströmte Innengehäuse.
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Es gibt Ausführungen bei denen so ein Leitelement ein bereichsweise verdicktes Profil, beispielsweise ein tragflügelähnliches Strömungsprofil, aufweisen, in dessen vorderen Bereich (verdickt) eine innerhalb dieses Profils verlaufende radial in den Innenraum führende Öffnung vorgesehen ist. Mehrere Leitelemente bilden einen oder mehrere Leitwerkanordnungen, die in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind.
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Es gibt Ausführungen bei denen der Elektromotor als permanenterregter EC-Motor ausgebildet ist, der über ein Steuergerät mit feldorientierter Regelung betrieben wird. Mit solchen Motoren lassen sich besonders hohe Leistungsdichten erzielen und sie erlauben eine besonders kompakte und schlanke und damit strömungsgünstige Bauweise von Fluidpumpen in axialer oder halb-axialer Bauweise.
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Es gibt Ausführungen, bei welcher das Steuergerät mehrere getrennte Leistungsteile umfasst, wobei ein erster Stromregler für eine flussbildende Komponente (Magnetfeld) und ein zweiter Stromregler für eine drehmomentbildende Komponente vorgesehen sind.
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Zusätzlich ist optional ein Logikteil vorgesehen, das für ein Steuerverfahren ausgebildet ist, bei welchem eine Drehwinkelinformation mittels geschätzter induzierter Spannungen ermittelt wird. Bei dieser Bauweise ist kein zusätzlicher Drehgeber an der Antriebsachse bzw. am Rotor erforderlich, der sonst zur Drehzahlregelung erforderlich wäre. Damit wird die Betriebssicherheit des Antriebs verbessert, indem ein fehleranfälliges zusätzliches Bauteil vermieden werden kann.
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Es gibt Ausführungen bei denen zur Durchführung des Steuerverfahrens ein Temperatursignal genutzt wird, um den Betrieb der Fluidpumpe zu steuern. Dazu dient ein insbesondere im Innenraum der Fluidpumpe optional vorgesehener Temperaturfühler.
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Im Falle einer Überhitzung des Elektromotors (Überschreiten eines oberen Temperaturschwellwertes) wird die Fluidpumpe abgeschaltet oder ihr Fördervolumen wird reduziert. Die Pumpe wird also in Abhängigkeit von der Temperatur abgeschaltet oder abgeregelt. Dabei wird zwar das Fördervolumen des Fluids (Kühlmittel) reduziert, es findet aber trotzdem weiter eine Kühlung über das im Innenraum befindliche Fluid statt, welche die vorhandene Abwärme an das Innengehäuse und damit an den das Innengehäuse gegebenenfalls umspülenden Hauptkühlmittelstrom abgibt. Sobald ein bestimmter unterer Temperaturschwellenwert im Inneren des Gehäuses wieder erreicht bzw. unterschritten ist, wird die Fluidpumpe wieder in Betrieb gesetzt bzw. deren maximale Förderleistung freigegeben. Das Gesamtfördervolumen im Kühlmittelkreislauf steht dann wieder vollständig zur Verfügung und wird ggf. dann wieder in gewünschter Weise erhöht.
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Bei einer Kühlmittelfördereinrichtung, die eine erfindungsgemäße Fluidpumpe umfasst (ggf. in Ergänzung oder als Ersatz einer fest mit dem Antrieb gekoppelten Hauptpumpe), kann die Steuerung des durch die Hauptkühlmittelpumpe geförderten Kühlmittelstromes erheblich verbessert werden und das geförderte Kühlmittelfördervolumen bedarfsweise angepasst und insbesondere deutlich erhöht werden, ohne dass während des gesamten Betriebes ein unnötiger Leistungsverlust für ein ständig erhöhtes Fördervolumen in Kauf genommen werden müsste.
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Ein Verbrennungsmotor mit einer solchen Kühlfluidfördereinrichtung kann insgesamt wirtschaftlicher arbeiten, da der zusätzliche Leistungsbedarf für die zusätzliche Fluidpumpe nur in ganz bestimmten Betriebsbereichen (Hochleistungsbereich) aufgebracht werden muss. Damit kann eine Hauptförderpumpe kompakter, leichter und mit geringerem Leistungsbedarf ausgebildet werden. Die erfindungsgemäße Kühlfmittelfördereinrichtung ist also insbesondere für Hochleistungsmotoren geeignet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Darin zeigen:
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1 eine perspektivische Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Fluidpumpe,
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2 eine Seitenansicht des Laufrades und der Leitwerkanordnung der in 1 dargestellten Fluidpumpe,
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3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Fluidpumpe in einem Ausschnitt aus dem Kühlmittelkreislauf eines Verbrennungsmotors,
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4A eine perspektivische Außenansicht eines Steuergeräts für eine erfindungsgemäße Fluidpumpe,
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4B eine Innenansicht des in 4A dargestellten Steuergerätes, und
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5 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit Kühlmittelfördereinrichtung.
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Aufbau und Funktion einer erfindungsgemäßen Fluidpumpe 1 wird nachfolgend anhand der 1 bis 3 beschrieben.
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Die in 1 dargestellte Fluidpumpe 1 umfasst ein Gehäusebauteil 2, das ein etwa zylindrisches Außengehäuse 3 sowie ein ebenfalls etwa zylindrisches Innengehäuse 4 umfasst. Zwischen Innengehäuse 4 und Außengehäuse 3 verläuft ein Strömungskanal, der als ringförmiger Strömungsspalt 5 ausgebildet ist, und im Wesentlichen axial von einem Eintrittsende 6 zu einem Austrittsende 7 am Innengehäuse 4 entlang verläuft. Am Eintrittsende 6 bildet das Außengehäuse 3 eine Ansaugöffnung und am Austrittsende 7 eine Abgabeöffnung. Am Eintrittsende 6 und am Austrittsende 7 ist jeweils ein Dichtungswulst 8 ausgebildet, auf den jeweils ein Zufuhr- und ein Abfuhrschlauch 10, 11 aufgesteckt ist (vgl. 3).
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Ansaugseitig ist am stirnseitigen Ende des Innengehäuses 4 ein Laufrad (Impeller 12) vorgesehen, an dessen Umfang mehrere Förderschaufeln 13 angeordnet sind und das stirnseitig zum Eintrittsende 6 hin als gewölbter Anströmkörper 14 ausgebildet ist, dessen Strömungskontur in die Außenkontur des Innengehäuses 4 übergeht.
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Das Innengehäuse 4 geht an seinem Austrittsende 7 in einen sich in Stromrichtung verjüngenden Abströmkörper 15 über. Innengehäuse 4 und Abströmkörper 15 sind über zwei Leitwerkanordnungen 16A und 16B mit dem Innengehäuse 4 verbunden, die das Innengehäuse 4 schraubenförmig umgeben. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind Außengehäuse 3, Innengehäuse 4 sowie Abströmkörper 15 und die Leitwerkanordnungen 16A und 16B einstückig als Gussteil, beispielsweise aus einem Leichtmetallwerkstoff, ausgebildet. In anderen Ausführungen sind diese einzelnen Baugruppen jeweils für sich und/oder in Teilbaugruppen ausgeführt, die anschließend zusammengefügt werden.
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Das Laufrad 12 sitzt auf einer Hohlwelle 18, die am Austrittsende 7 über ein Wälzlager 19 (z.B. ein Rillenkugellager) in einer entsprechenden Ausnehmung im Abströmkörper 15 aufgenommen ist. Wellenseitig ist das Wälzlager über eine Halteschraube 20 auf der Hohlwelle 18 fixiert, während der Außenring des Wälzlagers 19 über eine verschraubte, die Lagerausnehmung verschließende Verschlusskappe 21 mit gewölbter Strömungskontur in seiner Position gehalten wird.
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Ansaugseitig trägt das Ende der Hohlwelle 18 das über eine Halteschraube 22 axial fixierte Laufrad 12, das über einen nach innen ragenden zylindrischen Kragen ein weiteres, ebenfalls auf der Hohlwelle 18 angeordnetes Wälzlager 23 positioniert. Das Wälzlager 23 ist an seinem Außenring über ein Lagerschild 24 bezüglich dem Innengehäuse 4 festgelegt. Das Lagerschild 24 ist über einen Kragen am eintrittsseitigen Ende des Innengehäuses 4 in diesem positioniert und über einen Radialflansch 26 mit einer Lagerbuchse 27 verbunden, in der das Wälzlager 23 mit seinem Außenring sitzt.
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Der zwischen Innnengehäuse 4, Lagerschild 24 und dem Abströmkörper 15 vorhandene Hohlraum bildet den Innenraum 17. Dort ist auf der Hohlwelle 18 ein mit Permanentmagneten 28 bestückter Rotor 29 ausgebildet. Rotor 29 und Laufrad 12 sind über Toleranzringe 30 kraftschlüssig und damit drehfest mit der Hohlwelle 18 verbunden.
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Es gibt andere Ausführungen bei denen die Hohlwelle 18 oder auch eine massive Welle mit anderen geeigneten Welle-Nabel-Verbindungen mit dem Rotor bzw. mit dem Laufrad 12 drehfest gekoppelt sind.
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An der inneren Umfangsfläche des Innengehäuses 4 ist ein Stator 31 angeordnet, in dem die stromführenden Wicklungen verlaufen, wobei an den axialen Enden des Stators 31 Schleifenbündel 32 in den Innenraum 17 hineinragen. Die Leitungswicklungen sind jeweils über eine ebenfalls im Innenraum 17 angeordnete Phasenverschaltung 33 über Zuleitungen 34 mit einer Stromversorgung bzw. einer Steuerung (s. 4) verbunden. Die Zuleitungen 34 verlaufen durch radiale Öffnungen 35 hindurch, die von innen im ansaugseitigen Bereich der Leitelemente 36 radial nach außen durch das Innengehäuse 4 und das Außengehäuse 3 hindurch verlaufen, wobei Innen- und Außengehäuse 3, 4 über die Leitelemente 36 miteinander verbunden sind. Die radialen Öffnungen 35 münden außen in eine Ringnut 37 am Außengehäuse 3, in der die Zuleitungen 34 über eine geeignete Dichtungsmasse vergossen sind und führen von dort zu einer Stromversorgung bzw. zu einer Steuerung (vgl. 5).
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Zwischen der in axialer Richtung dem (in Richtung Austrittsende 7) weisenden Stirnfläche 38 am Laufrad 12 und der gegenüberliegenden Stirnfläche 39 des Innengehäuses 4 verläuft ein Spalt in den ein Anschlagflansch des Lagerschilds 24 hineinragt, wobei zwischen der ansaugseitigen Stirnfläche dieses Flansches 41 und der Stirnfläche 38 des Laufrades 12 ein offener, radial verlaufender Axialspalt 40 verläuft. Dieser Axialspalt 40 bildet über den gesamten Umfang des Laufrades 12 bzw. den des Innengehäuses 4 eine kommunizierende Verbindung zwischen dem Strömungsspalt 5 und dem Innenraum 17 innerhalb des Innengehäuses 4. Die Verbindung verläuft über den Strömungsspalt 5 durch den Axialspalt 40, das Wälzlager 23 und die im Radialflansch 26 vorgesehenen Öffnungen 42.
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Im Innenraum bilden Rotor 29 und Stator 31 zusammen mit seinen Wicklungen, der Phasenverschaltung 33 und den Zuleitungen 34 einen sogenannten EC-Motor, der im Betrieb das über die Hohlwelle 18 mit dem Rotor 29 gekoppelte Laufrad 12 antreibt. Dabei fördern die sich drehenden Förderschaufeln 13 das durch die Ansaugöffnung am Eintrittsende 6 eintretende Fluid durch den Strömungsspalt 5 hindurch zum Austrittsende 7. Dabei bewirken die Leitelemente 36 der Leitwerkanordnungen 16A und 16B, die axial hintereinander angeordnet sind, eine Neutralisierung des Dralls, der über das sich drehende Laufrad 12 auf das Fluid aufgebracht wird, das so weitgehend ohne Drall die Fluidpumpe 1 am Austrittsende 7 durch die Abgabeöffnung verlässt.
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Bei mit dem zu fördernden Fluid gefülltem Strömungsspalt 5 tritt das Fluid durch den Axialspalt 40, das Wälzlager 23 und die Öffnungen 42 in den Innenraum 17 innerhalb des Innengehäuses 4 und durchflutet diesen vollständig. Dabei umgibt das Fluid sowohl den Rotor 29 als auch den Stator 31 sowie die Phasenverschaltung 33 und die Schleifenbündel 32 vollständig. Zum Schutz und zur verbesserten Wärmeabfuhr sind die Schleifenbündel 32 in eine wärmeleitende Silikonmasse eingebettet (von dieser umgossen), welche die Leitungen in den Schleifenbündel 32 vor Beschädigungen schützt (durch eventuell im Fluid vorhandene Teilchen und Verunreinigungen), und die Wärmeabfuhr aus den von elektrischem Strom durchflossenen Leitern in das Fluid verbessert. Das Fluid dient damit als Wärmeübertragungsmedium, insbesondere zwischen den stromführenden Teilen im Innenraum 17 und dem Innengehäuse 4, das an seiner Außenseite von dem geförderten Fluid umströmt wird und dort aus dem Innenraum 17 in das Innengehäuse eingeleitete Wärme an das umströmende Fluid abgibt.
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Zur Verbesserung der durch Durchflutung des Innenraumes 17 mit Fluid sind ergänzend oder alternativ zu der Verbindung über den Axialspalt 40, das Wälzlager 23 und die Öffnungen 42 optionale, zusätzliche Verbindungen am austrittsseitigen Bereich des Innengehäuses 4 vorgesehen. Diese Verbindungen sind z.B. als radial verlaufende Öffnungen 43 – insbesondere Schlitze – oder als Axialbohrungen 44 im Abströmkörper 15 vorgesehen. Durch solche zusätzlichen Verbindungen kann die Wärmeabfuhr aus dem Innenraum 17 im Betrieb weiter erhöht werden. Das den Innenraum 17 ausfüllende Fluid dient dann nicht nur als Wärmeleiter sondern durchströmt den Innenraum mehr oder weniger schnell und bewirkt dadurch einen verstärkten konvektiven Wärmetransport.
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3 zeigt eine Einbausituation der Fluidpumpe 1 zwischen einem Zufuhrschlauch 10 und einem Abfuhrschlauch 11. Das zuströmende Fluid tritt durch den Zufuhrschlauch in Pfeilrichtung in einen aufgeweiteten Bereich 10A, der mit dem Eintrittsende 6 verbunden ist. Von dort wird es durch das sich drehende Laufrad 12 durch den Strömungsspalt 5 und die Leitwerkanordnungen 16A und 16B zum Austrittsende 7 gefördert, wo es weitgehend drallfrei in einen aufgeweiteten Bereich 11A des Abfuhrschlauchs 11 gelangt und dort weiter fließt. Ein Teil des geförderten Fluids tritt durch den Axialspalt 40 in den Innenraum 17 (1) ein, umgibt dabei die stromführenden und damit wärmeerzeugenden Komponenten und fungiert als Wärmeübertragungsmedium zwischen diesen Elementen und dem Innengehäuse 4 durch das die entstandene Wärme über das durch den Strömungsspalt 5 fließende Fluid abgeführt werden kann.
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Durch die axiale Bauweise der Fluidpumpe 1 werden die Strömungseigenschaften des gesamten Kühlfluidfördersystems auch bei Stillstand der Fluidpumpe 1 nur geringfügig verschlechtert. Die erfindungsgemäße Fluidpumpe 1 kann ohne großen Strömungswiderstand auch im Stillstand bei geringen Reibungsverlusten durchströmt werden.
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Die Steuerung de Fluidpumpe erfolgt über die in 4a und 4b dargestellte Steuerung 50, die über einen Stecker 51 mit einer Stromversorgung (z.B. der eines Fahrzeugs) verbunden ist, und über einen Stecker 52 mit der oder den Zuleitungen 34 der Fluidpumpe 1 (1). Die Steuerung ist auf einer Leiterkarte 53 untergebracht, die einen Leistungsteil 54 umfasst und einen Logikteil 55. Der Leistungsteil 54 umfasst einen Wechselrichter (beispielsweise in Form einer B6-Brücke), der mit Hilfe mit sogenannten MOSFETs das Drehfeld des Elektromotors erzeugt.
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Der Logikteil 55 umfasst einen Controller oder eine Steuerung, der die Regelung der felderzeugenden Motorströme und die Motordrehzahl übernimmt. Der Logikteil 55 ist mit zwei weiteren Anschlüssen 56, 57 versehen, die den Logikteil mit anderen Steuerelementen des Fahrzeugs bzw. des Motors verbindet.
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Bei einer optionalen Ausführung ist der Logikteil 55 mit einem Temperaturaufnehmer 58 (5) verbunden, welcher die Fluidtemperatur im Innenraum 17 der Fluidpumpe 1 erfasst und ein entsprechendes Signal an das Logikteil 55 der Steuerung 50 abgibt. Bei Überschreiten eines oberen Temperaturschwellenwertes wird dann die Drehzahl der Fluidpumpe 1 soweit reduziert, dass die Wärmeentwicklung in den stromführenden Teilen, insbesondere im Stator 31, ebenfalls reduziert wird und die Fluidpumpe 1 während des Betriebes stärker abkühlen kann. Bei Unterschreiten eines unteren Schwellenwertes der Temperatur steht dann wieder die volle Leistung die Fluidpumpe 1 zur Verfügung.
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Der Motor der Fluidpumpe 1 wird z.B. sensorlos – d.h. ohne zusätzliche Drehzahlerfassung – mit einer feldorientierten Regelung (FOC) betrieben. Dabei werden die in den (z.B. drei) Motorphasen fließenden Wechselströme in zwei äquivalente Gleichströme transformiert. Der eine stellt dabei die flussbildende (magnetfelderzeugende) Komponente dar und der andere die drehmomentbildende Komponente (die Wanderung des Drehfeldes um den Rotor). Damit können das Feld und das Drehmoment weitgehend unabhängig voneinander geregelt werden. Alternativ erfolgt die Motorsteuerung sensorgesteuert.
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Dazu enthält die Leistungselektronik zwei separate Stromregler, die über das Logikteil 55 angesteuert werden. Der Rotordrehwinkel bzw. die Drehwinkelgeschwindigkeit wird dabei nicht explizit gemessen – dazu wäre ein gesonderter Drehgeber erforderlich – sondern aus den gemessenen Strömen in den einzelnen Motorphasen berechnet. Dazu dient beispielsweise ein Verfahren, bei welcher die induzierten Spannungen geschätzt werden. Dabei ermöglicht das Verhältnis dieser geschätzten induzierten Spannungen zueinander die Bestimmung der für die feldorientierte Regelung (FOC) notwendigen Drehwinkelinformation. Die Sollwerte für Blind- und Wirkstrom werden dabei verlustoptimal gemäß der sogenannten Maximum-Torque-per-Ampere Strategie vorgegeben. Die Drehzahlregelung selbst kann in Form eines klassischen PI-Reglers, der im Logikteil 55 implementiert ist, erfolgen.
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5 zeigt einen Verbrennungsmotor 60 mit einem Kühlmittelkreislauf 61. Die Kühlmittelfördereinrichtung umfasst dabei die Fluidpumpe 1 sowie eine Hauptkühlmittelpumpe 62, die mechanisch mit dem Verbrennungsmotor 60 gekoppelt ist und von diesem angetrieben wird. Im Kühlmittelkreislauf sind ein Ölwärmetauscher 63 und ein Kühler 64 angeordnet. Die Fluidpumpe 1 wird über das Steuergerät 50 mit dem Phasenstrom gespeist. Ein optionaler Temperaturfühler 58 in der Fluidpumpe ist über eine Steuerleitung mit dem Steuergerät 50 verbunden, das über eine Stromquelle 66 mit Strom (z.B. 12V Batterie des Fahrzeugbordnetzes) versorgt wird. Über eine weitere optionale Steuerleitung ist das Steuergerät 50 mit einer Fahrzeug-/Motorsteuerung 65 gekoppelt, über die weitere Steuerdaten für die Steuerung bzw. Regelung der Fluidpumpe bereitgestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fluidpumpe
- 2
- Gehäusebauteil
- 3
- Außengehäuse
- 4
- Innengehäuse
- 5
- Strömungsspalt
- 6
- Eintrittsende (Ansaugöffnung)
- 7
- Austrittsende (Abgabeöffnung)
- 8
- Dichtungswulst
- 10
- Zufuhrschlauch
- 10A
- aufgeweiteter Bereich
- 11
- Abfuhrschlauch
- 11A
- aufgeweiteter Bereich
- 12
- Laufrad (Impeller)
- 13
- Förderschaufel
- 14
- Anströmkörper
- 15
- Abströmkörper
- 16A, 16B
- Leitwerkanordnung
- 17
- Innenraum
- 18
- Hohlwelle
- 19
- Wälzlager
- 20
- Halteschraube
- 21
- Verschlusskappe
- 22
- Halteschraube
- 23
- Wälzlager
- 24
- Lagerschild
- 25
- Kragen
- 26
- Radialflansch
- 27
- Lagerbuchse
- 28
- Permanentmagnet
- 29
- Rotor
- 30
- Toleranzring
- 31
- Stator
- 32
- Schleifenbündel
- 33
- Phasenverschaltung
- 34
- Zuleitung
- 35
- radiale Öffnung
- 36
- Leitelement
- 37
- Ringnut
- 38
- Stirnfläche Laufrad
- 39
- Stirnfläche Innengehäuse
- 40
- Axialspalt
- 41
- Anschlagflansch
- 42
- Öffnung
- 43
- Schlitz (optional)
- 44
- Bohrung (optional)
- 50
- Steuerung
- 51
- Stromzufuhr
- 52
- Zuleitung
- 53
- Leiterkarte
- 54
- Leistungsteil
- 55
- Logikteil
- 56, 57
- Steueranschluss
- 58
- Temperaturfühler/Sensor
- 59
- -frei-
- 60
- Verbrennungsmotor
- 61
- Kühlmittelkreislauf
- 62
- Hauptkühlmittelpumpe
- 63
- Ölwärmetauscher
- 64
- Kühler
- 65
- Fahrzeug-/Motorsteuerung
- 66
- Stromquelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0778649 A1 [0004]
- DE 102011009192 B3 [0005]
- WO 2007/054171 A1 [0006]
