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Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe als Monoflügelzellenpumpe ausgebildet, umfassend einen Statorring mit Wicklungen, einen Rotor und einen Flügel, der einen zwischen einem Stator und dem Rotor gebildeten Arbeitsraum in Arbeitszellen mit unterschiedlichen Volumina unterteilt.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der Vakuumpumpe.
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Stand der Technik
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Um den erhöhten Anforderungen des Klimaschutzes gerecht zu werden, sehen sich die Automobilhersteller gezwungen, die CO2 Emissionen ihrer Fahrzeugflotten zu reduzieren und so den aufkommenden Normen zu entsprechen. Begleitend zu verschiedenen Maßnahmen sollen die Reibungswiderstände der Verbrennungskraftmaschine bezüglich Wasser- und Vakuumpumpen reduziert werden. Anstatt also einen mit dem Motor mitdrehenden Antrieb für Pumpen zu verwenden, sieht man elektrische Pumpen als Lösung an, die nur bei Bedarf zugeschaltet werden und im Ruhezustand keinerlei zusätzlichen Reibwiderstand aufweisen.
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Eine weitere Herausforderung stellt der Bauraum für eine solche elektrische Pumpe dar, da er den Bauraum für eine mechanische Pumpe nicht übersteigen sollte. Eine Lösung bieten hier Flügelzellenpumpen, die in einem Elektromotor integriert sind. Der Rotor des Elektromotors bildet mit dem Rotor der Pumpe eine Baueinheit und ist vom Stator des Elektromotors umgeben. Eine solche Pumpe ist aus der
WO 2012007125 A2 bekannt. In diesem Stand der Technik wird eine mehrflügelige Pumpe trocken betrieben. Allerdings sind trocken betriebene Pumpen in ihrer Lebensdauer limitiert und ihre Pumpleistung sinkt über die Einsatzzeit ab. Zudem ist ihr Einsatz direkt am Verbrennungsmotor nicht optimal.
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Auch die Ausführungsform als Monoflügelzellenpumpen für den Einsatz als Vakuumpumpen ist aus der
WO 2010025799 A2 bekannt. Monoflügelzellenpumpen sind durch ihre hohe Pumpeffizienz aktuell als Pumpentyp im Fahrzeug immer stärker im Einsatz.
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Aus der
WO 2013130497 A1 ist eine Monoflügelpumpe als Ölpumpe in einem BLDC Motor integriert bekannt. Allerdings ist die dort gezeigte Ausführungsform für eine Ölpumpe optimiert und löst das Problem von Leckagen in einer Vakuumpumpe nicht.
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Aus der
DE 2938276 A1 ist ein Statorring bekannt, der den Arbeitsraum einer Pumpe umgibt. Allerdings werden keine durchgehenden Flügel verwendet.
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Aus der
WO 2012007125 A2 ist einen Vakuumpumpe für einen Bremskraftverstärker bekannt, die ebenfalls keinen Monoflügel aufweist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vakuumpumpe zu schaffen, die in einem BLDC Motor integriert ist, der nasslaufend direkt am Verbrennungsmotor in einem kleinen Bauraum arbeitet.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einer Vakuumpumpe als Monoflügelvakuumpumpe ausgelegt, umfassend einen Statorring mit Wicklungen, einen Rotor und einen Flügel, der einen zwischen dem Stator und einem Rotor gebildeten Arbeitsraum in Arbeitszellen mit unterschiedlichen Volumina unterteilt, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Statorrings ein Magnetring mit Laufring gegenüber dem Rotor rotierend gelagert ist, an dem der Flügel einseitig gelenkig gelagert ist.
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Vorteilhafterweise ist die elektrische Vakuumpumpe mit einem einzelnen Flügel aufgebaut, was die Effizienz der Pumpe deutlich erhöht. Durch die Verwendung eines Laufrings, in dem der Flügel einseitig gelagert ist, ist dieser der drehende Teil, der Rotor wird dabei durch den Flügel mitgedreht.
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Vorteilhafterweise bewegt sich die Flügelspitze des Flügels innerhalb eines im Laufring ausgebildeten Schmiegespalts zwischen den Begrenzungen des Schmiegespalts in einer Wischerbewegung hin und her. Durch eine solche Ausgestaltung ist der Aufbau des Laufrings im Prinzip kreisförmig und nur im Bereich des Schmiegespalts einer definierten Kontur folgend. Dadurch ist die Herstellung des Laufrings einfach.
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Vorteilhafterweise trägt die Flügelspitze des Flügels eine dichtende Kappe. Durch den Einsatz der dichtenden Kappe werden Lecks über die Flügelspitze hinweg vermieden.
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Vorteilhafterweise ist die Kappe aus Kunststoff gebildet. Es gilt hier eine Kappe aus verschleißfreiem Material zu verwenden, das gegebenenfalls auch eine gewisse Elastizität aufweist.
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Dabei kann die Kappe unter Federspannung an der Flügelspitze befestigt sein.
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Da die erfindungsgemäße Vakuumpumpe immer ein Totvolumen besitzt, ist es von Vorteil, dass der Laufring Entlastungstaschen und das Pumpengehäuse Entlastungsnuten besitzt. Damit wird ein Entlastungsweg für den Überdruck im Totvolumen zur Verfügung gestellt.
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Vorteilhafterweise ist der von dem Statorring mit Laufring gebildete Motor ein BLDC Motor und die Vakuumpumpe kann mit einer Flüssigschmierung und Dichtung direkt über den Ölkreislauf des Verbrennungsmotors versorgt werden. Das hat den Vorteil, dass die Vakuumpumpe baulich an verschiedenen Stellen, unabhängig von der Position der Nockenwelle wie z. B. im Stand der Technik am Verbrennungsmotor angebracht sein kann, gegebenenfalls in der Ölwanne des Verbrennungsmotors. Die Verwendung eines BLDC Motors stellt einerseits eine Notwendigkeit dar, da nur ein solcher Motor in dem Luft/Öl Gemisch funktioniert, allerdings mit dem Vorteil, dass ein BLDC Motor dezidiert anzusteuern ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Vakuumpumpe hat den Vorteil, dass das im Luft/Fluidgemisch entstehende, unter Überdruck stehende Totvolumen über Entlastungsnuten und Entlastungstaschen über die Statorkammer abgeführt wird, und so die Effizienz der Vakuumpumpe deutlich erhöht wird.
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Vorteilhafterweise werden dabei die Entlastungswege mindestens zweimal pro Umdrehung zum Druckabbau geöffnet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:
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1a und 1b eine Aufsicht auf eine Vakuumpumpe,
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2 einen Laufring,
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3a und 3b einen Schnitt durch die Vakuumpumpe.
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Die in 1 gezeigte Flügelzellenpumpe umfasst einen zapfenförmigen Rotor 2 mit einer im Querschnitt kreisrunden äußeren Umfangsfläche. Der Rotor 2 ist umfänglich von einem ringförmigen Laufring 3 umgeben, der bezüglich einer Drehachse A zu einer Drehbewegung antreibbar ist. Die Drehachse A des Laufrings 3 ist bezüglich einer Zentralachse B des Rotors 2 versetzt, d. h. der Laufring 3 ist bezüglich des Rotors 2 exzentrisch angeordnet. An der im Querschnitt kreisrunden inneren Umfangsfläche des Laufrings 3 befindet sich ein Führungsschlitz 6. In dem Führungsschlitz 6 ist ein im Wesentlichen plattenförmiger Flügel 5 gelenkiggelagert. Der Flügel 5 ragt durch die Drehachse B des Rotors 2 beidseitig radial nach außen auf den Laufring 3 zu und ist in einer Führung 40 entlang seiner Langsachse beweglich gelagert. Die Flügelspitze 7 des Flügels, d. h. das freie Ende des Flügels 5, trägt eine Kappe 8, die an der äußeren Umfangsfläche des Laufrings 3 anliegt. Der Laufring 3 hat einen inneren Umfang 30, der im Wesentlichen kreisförmig ist und eine Ausnehmung aufweist, die einen Schmiegespalt 16 bildet. Der Schmiegespalt 16 weist eine rechte Begrenzung 15 und eine linke Begrenzung 15' auf. Der Laufring 3 kann also in seinem überwiegenden Teil kreisförmig sein und nur im Bereich, in dem der Flügel 5 sich bewegt, ist die Kontur einer Konchoide folgend ausgestaltet.
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Da die Flügelspitze 7 nicht fest mit dem Laufring 3 verbunden ist, käme es im Betrieb zu einem Leckstrom über die Flügelspitze 7. Daher ist die Kappe 8 auf der Flügelspitze 7 aufgebracht. Die Kappe 8 besteht aus Kunststoffmaterial, eventuell einem elastischen Kunststoffmaterial, und ist in einer Aussparung der Flügelspitze 7 radial beweglich angeordnet. In 3 wird im Querschnitt deutlich, dass die Kappe 8 über zahnartige Aussparungen im Flügel 5 gehalten ist. Man erkennt auch, dass die Kappe 8 im Betrieb radial nach außen versetzt ist und sich so ein Spalt bildet. In der Drehbewegung wird die Kappe 8 nach außen gedrückt und liegt vorzugsweise satt an der Innenwand des Laufrings 3 an. Gegebenenfalls kann die Kappe 8 auch noch mit einer Feder vorgespannt sein. Durch den dichtenden Kontakt der Kappe 8 mit dem Innern des Laufrings wird die eigentliche Arbeitszelle gebildet. Um den Leckstrom weiter zu minimieren wird die Flügelspitze 7 nur zwischen den rechten und linken Begrenzungen 15, 15' des Schmiegespalts 16 bewegt. Zwischen dem Rotor 2 und dem Laufring 3 ist ein Arbeitsraum 19 der Pumpe gebildet, der in Kammern oder Zellen unterteilt ist. Dieser ist durch den Flügel 5 in einen Auslasssraum 23 und einen Ansaugraum 22 vom maximalem Arbeitsraum 24 abgeteilt (1a). Während der Drehbewegung des Laufrings 3 entlang einer Drehrichtung C ändert sich aufgrund der exzentrischen Anordnung des Laufrings 3 und des Rotors 2 relativ zueinander die radiale Ausdehnung des jeweiligen Arbeitsraums 19, so dass während der Drehbewegung des Laufrings das Volumen des Arbeitsraums 24 variiert. Hierdurch wird ein Luft/Fluidgemisch, im allgemeinen eine Luft/Öl-Mischung, durch einen Einlass 13 angesaugt, nachfolgend komprimiert und schließlich durch einen Auslass 14 aus dem Auslassraum 23 der Pumpe wieder ausgestoßen. Eine erste und eine zweite Entlastungstasche 26, 26' sind bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel an der Bodenfläche des Laufrings 3 ausgebildet. Die Kappe 8 mit dem Flügel 5 führt eine Wischerbewegung im Bereich des Schmiegespaltes 16 aus, während sich der Laufring 3 dreht. Es bleibt bei dieser Ausgestaltung das Problem, dass zusätzlich zum Arbeitsvolumen ein Totvolumen bewegt wird, das nicht gänzlich entleert werden kann. Das Totvolumen 20 wird vom Auslass zum Einlass transportiert. Wenn der Druck innerhalb des Totvolumens 20 kleiner als der Außendruck am Pumpenauslass bzw. Auslassventil ist, wird das Luft/Fluidgemisch zur Ansaugseite transportiert, wo es expandiert und den Saugprozess in seiner Leistung beeinträchtigt.
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Der Antrieb des Rotors 2 und des Laufrings 3 zu der genannten Drehbewegung erfolgt bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel mittels eines Statorrings mit Wicklungen 18, der als ein bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet ist. Der Rotor des Elektromotors ist hierbei durch den Rotor plus Laufring 3 der Pumpe gebildet. Zu diesem Zweck umfasst der Laufring 3 eine Anordnung von mehreren Permanentmagneten mit alternierender Polrichtung. Der Magnetring 4 ist dabei mit dem Laufring 3 verpresst, wobei auch eine einteilige Ausgestaltung möglich ist. Ein Statorring mit Wicklungen 18 umgibt den Magnetring 4/Laufring 3 des Elektromotors radial außen und wird mittels einer nicht näher dargestellten Steuereinrichtung in geeigneter Weise angesteuert, um den Magnetring 4/Laufring 3 zu einer Drehbewegung mit einer vorzugsweise konstanten Drehgeschwindigkeit anzutreiben. Dazu werden die Wicklungen des Elektromotor-Stators nach Art eines bürstenlosen Gleichstrommotors angesteuert, d. h. sie werden in Umfangsrichtung nacheinander bestromt. Der Elektromotor besitzt somit einen vorteilhaft kompakten Aufbau und kann innerhalb eines Pumpengehäuses 17 angeordnet sein.
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Um zu vermeiden, dass Luft/Fluidgemisch des Totvolumens unter Druck auf die Saugseite der Pumpe gerät, wird eine Entlastungsnut 10, 10' im Gehäuse innen und außen vorgesehen, über die sich der Druck abbauen kann. Dieser spezielle Auslasspfad besteht aus zwei radialen Entlastungsnuten, der inneren Entlastungsnut 10 sowie der äußeren Entlastungsnut 10' im Pumpengehäuse und zwei um 180 Grad zu einander versetzten, axial verlaufenden Entlastungstaschen 26 und 26' im Laufring 3.
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Der spezielle Auslasspfad ist nur zweimal pro Umdrehung des Laufrings offen, wenn das Totvolumen geschlossen ist und der Flügel 5 über der inneren Entlastungsnut 10 steht. Die Situation, in der die Entlastungsnut 10 offen ist, ist in 1a und 1b dargestellt. Die Auslasskammer 23 ist abgeschlossen und kann sich über die Entlastungsnut 10 entleeren.
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In 3a und b sind Schnitte durch die Pumpe zu sehen.
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Ein Flügel 5 ist mit dem Rotor 2 drehbar gelagert und im Rotor verschiebbar gelagert. Der Flügel 5 weist zahnförmige Ausnehmung, in dem die Kappe 8 eingreift. Die Kappe 8 liegt am Laufring 3 ein. Direkt am Laufring 3 angebracht befindet sich der Magnetring 4. Der Rotor 2 ist im Pumpengehäuse 17 gelagert. Das Pumpengehäuse weist Entlastungsnuten 10 und 10' auf. Auf der linken Seite der 3a ist der Entlastungsweg geschlossen. Auf der rechten Seite der 3b ist der Entlastungsweg geöffnet, wie der Pfeil 28 andeutet. Der Überdruck im Luft/Fluidgemisch wird über die innere Entlastungsnut 10, die äußere Entlastungsnut 10' und die Entlastungstaschen 26, 26' des Laufrings 3 in die Statorkammer 25 nach außen abgebaut. Das Gemisch läuft entlang der Entlastungstasche in Richtung Pumpengehäuse 17 und kann dort über die Entlastungsnut 10' abgeführt werden. Damit wird der Überdruck im Totvolumen zweimal pro Umdrehung über den Entlastungsweg, bestehend aus Entlastungsnut 10, 10' und Entlastungstaschen 26, 26' abgebaut.
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In der beispielhaften Ausführungsform sind zwei Entlastungsnuten 10, 10' und zwei Entlastungstaschen 26, 26' vorgesehen, die um 180° zueinander versetzt angeordnet sind. Zur Ausführung der Erfindung ist es allerdings möglich, dass auch eine andere höhere Anzahl an Entlastungsnuten und Entlastungstaschen verwendet werden und dass die Anordnung zueinander unteschiedlich ausgeführt ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der Vakuumpumpe sieht vor, dass der Motor den Laufring 3 dreht. Da der Flügel 5 in einer Nut des Laufrings 3 geführt ist, nimmt der Laufring 3 den Flügel 5 mit. Zwangsläufig der Rotor 2, wobei der Flügel der Führung 40 des Rotors entlang der Langsachse des Flügels hin und her rutscht. Der Flügel bewegt sich durch Exzentrität der Drehachse A zu Drehachse B in Schmiegespalt 16 mit einer überlagerten, so genannten Taumelbewegung. Die Bewegung zwischen den Begrenzungen 15 und 15' des Schmiegespalts 16 erfolgen von 15 nach 15' in Drehrichtung zusätzlich also etwas schneller als die Geschwindigkeit des Laufrings 3. Die Bewegung von 15' nach 15 also gegen Drehrichtung des Laufrings 3 erfolgt etwas langsamer als die Geschwindigkeit des Laufrings 3. Durch diese Bewegung des Flügels 5, diese überlagerte Taumelbewegung, wird auch der Rotor 2 zusätzlich zur Hauptdrehzahl der Pumpe entsprechend bewegt.
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Durch die Bewegung des Flügels über die Entlastungsnut hinweg wird das Totvolumen der Pumpe mindestens zwei Mal während einer Drehung entleert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vakuumpumpe
- 2
- Rotor
- 3
- Laufring
- 4
- Magnetring
- 5
- Flügel
- 6
- Führungsschlitz
- 7
- Flügelspitze
- 8
- Kappe
- 10
- Entlastungsnut innen
- 10'
- Entlastungsnut außen
- 12
- Bodenfläche Laufring
- 13
- Einlass
- 14
- Auslass
- 15 15'
- Begrenzungen Schmiegespalt
- 16
- Schmiegespalt
- 17
- Pumpengehäuse
- 18
- Statorringmit Wicklung
- 19
- Arbeitsraum
- 20
- Totvolumen
- 22
- Ansaugraum
- 23
- Auslassraum
- 24
- max. Arbeitsraum
- 25
- Statorkammer
- 26
- erste Entlastungstasche
- 26'
- zweite Entlastungstasche
- 28
- Pfeil
- 30
- Innerer Umfang
- 40
- Führung
