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Die Erfindung betrifft eine elektrisch angetriebene Flüssigkeits-Verdrängerpumpe, die zur Förderung eines flüssigen Mediums in unterschiedlichen Einsatzgebieten, wie einem Schmierölkreislauf, einem Kühlmittelkreislauf oder einem Hydrauliksystem geeignet ist.
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Aus zahlreichen verschiedenen Anwendungen sind elektrische Pumpen bekannt, die im Wesentlichen aus einer Pumpenbaugruppe und einer Motorbaugruppe bestehen. Im Allgemeinen wird für die unterschiedlichen Typen wie Kreiselpumpen oder Verdrängerpumpen ein geeigneter herkömmlicher Elektromotor über eine Welle mit einem Pumpenmechanismus gekoppelt, um in einer Pumpenkammer ein Flügelrad, einen Kolben oder dergleichen zu bewegen. Die verschiedenen Pumpen, bei denen eine Pumpenkammer und ein elektrischer Antrieb räumlich getrennt und über eine Welle dynamisch verbunden sind, weisen in der axialen Längenrichtung der Welle eine Gesamtabmessung auf, die zumeist der Summe der beiden Abmessungen der Pumpenbaugruppe und der Motorbaugruppe entspricht. Neben der Problemstellung einer begrenzten Lebensdauer von Wellendichtungen bietet die überwiegende Mehrzahl von elektrischen Pumpen daher keine zufriedenstellende Lösung für Einsatzbereiche, in denen eine erhöhte Einschränkung des Bauraums vorherrscht, und insbesondere eine geringe axiale Bauhöhe der Pumpe gewünscht wird.
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Im Zuge der Bestrebungen um eine Optimierung der Abmessungen elektrischer Pumpen sind hochintegrierte Bauweisen von elektrischen Pumpen entwickelt worden, bei denen eine räumliche Trennung der beiden Baugruppen durch die Ausgestaltung von Bauteilen mit doppelter Funktion aufgehoben wird. Eine Bauform mit geringer Bauhöhe, bei der sich die Pumpenbaugruppe und der elektrische Antrieb einen gemeinsamen Rotor teilen ist beispielsweise in der
US 2012/0051955 A1 offenbart.
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Die in der
US 2012/0051955 A1 beschriebene exzentrische Flügelzellenölpumpe sieht einen Rotor vor, der einerseits radial bewegliche Flügel zur Bildung von Flügelzellen, und andererseits Permanentmagnete für die Funktion des elektrischen Antriebs aufweist. Der Stator ist radial außerhalb des Rotors in einem zylindrischen Gehäuse aufgenommen, wobei der Durchmesser und die Höhe des Gehäuses im Wesentlichen einer Umfassung des Stators genügen.
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Eine kompakte Bauweise einer koaxialen Strömungsmaschine, die sich als Flüssigkeitspumpe, Vakuumpumpe oder Verdichter bzw. Gebläse eignet, ist im Stand der Technik anhand der
DE 10 2012 023 000 A1 beschrieben. Die Strömungsmaschine weist ein Gehäuse, einen Stator, einen Rotornockenring, eine feste Achse und einen Drehschieber in einer Nut in der festen Achse auf. Zwischen dem Rotornockenring, der festen Achse und dem Drehschieber wird eine Fluidkammer gebildet, die bei einer Drehbewegung des Rotornockenrings größer oder kleiner wird. Der Rotornockenring weist an der Innenseite Nockenkurven und an der Außenseite wiederum Magnete auf.
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Wie zuvor angesprochen, reduzieren diese Beispiele eine Gesamtabmessung des Pumpenaufbaus durch eine Vereinigung der Baugruppen anhand eines gemeinsamen Rotorelements. Um die beiden genannten Funktionsweisen an diesem Bauteil zu realisieren, sieht der Stand der Technik einen mehrteiligen Aufbau des Rotors vor, der wenigstens ein ringförmiges Nockenelement und Magnetkörper umfasst. Da insbesondere der Rotor im Betrieb dynamischen Belastungen ausgesetzt ist, sind bei der Herstellung dieses Bauteils erhöhte Anforderungen an ein passungskonformes Zusammenfügen der einzelnen Elemente gestellt. Somit ist gerade im Hinblick auf eine Fertigung von Stückzahlen im industriellen Maßstab eine Vereinfachung des Aufbaus und der Herstellung hochintegrierter Pumpen von erheblichem Interesse.
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Die deutsche Patentanmeldung
DE 10 2010 029 338 A1 beschreibt eine Innenzahnradpumpe mit integriertem Elektromotor mit exzentrischer Pumpenmechanik. In einer Ausgestaltung mit einem Reluktanzmotor ist ein Rotor offenbart, der das Innenzahnrad bildet und aus einem weichmagnetischen Material besteht.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrisch angetriebene Flüssigkeits-Verdrängerpumpe zu schaffen, die einen geringeren Montageaufwand erfordert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine hochintegrierte elektrische Sperrflügelpumpe mit koaxial zueinander angeordnetem Lagerzapfen und Nockenrotor nach dem Anspruch 1 gelöst.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist eine elektrisch angetriebene Flüssigkeits-Verdrängerpumpe zum Fördern eines flüssigen Mediums auf: ein Pumpengehäuse mit einer hohlzylindrischen Pumpenkammer und wenigstens einem Einlass und wenigstens einem Auslass, die jeweils an einer Stirnseite der hohlzylindrischen Pumpenkammer ausgebildet sind; einen zylindrischen Lagerzapfen, der sich konzentrisch zur Mittelachse der hohlzylindrischen Pumpenkammer über deren axiale Länge erstreckt, und wenigstens einen entlang zumindest eines Teils des Durchmessers des Lagerzapfens verlaufenden Führungsschlitz aufweist, in dem wenigstens ein Sperrflügel in dessen Längsrichtung verschieblich aufgenommen ist; einen Rotor, der konzentrisch zur Mittelachse der hohlzylindrischen Pumpenkammer angeordnet ist und sich über deren axiale Länge erstreckt, mit einem innenliegenden Nockenprofil, wobei das Nockenprofil radial nach innen gerichtete Kreisbogensegmente aufweist, durch die der Rotor auf einer Umfangsfläche des zylindrischen Lagerzapfens um diesen herum drehbar gelagert ist, und radial nach außen gerichtete Nockenkurven aufweist, die sich von der Umfangsfläche erheben und Nockenkammern zwischen den Stirnflächen der hohlzylindrischen Pumpenkammer bilden; einen konzentrisch in der hohlzylindrischen Pumpenkammer angeordneten Stator mit Statorspulen, der den Rotor umgibt; wobei ein Ende des wenigstens einen Sperrflügels über die axiale Länge der Pumpenkammer mit dem Nockenprofil in Kontakt steht und das Volumen einer passierenden Nockenkammer während einer Drehbewegung des Rotors in einen abnehmenden Teil und einen zunehmenden Teil abtrennt, wodurch das flüssige Medium durch wenigstens einen Einlass und wenigstens einen Auslass beidseitig des einen Endes des einen Sperrflügels gefördert wird.
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Die erfindungsgemäße hochintegrierte koaxiale Sperrflügelpumpe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Rotor aus einem weichmagnetischen Material einteilig ausgebildet ist, und an seinem Außenumfang durch Radialspalte unterteilte Umfangssegmente als Rotorpole aufweist, wobei der Rotor und der Stator einen Reluktanzmotor bilden, und dass der wenigstens eine Führungsschlitz (23) eine Kammer (22) mit einer Verbindung (21) zu wenigstens einem Auslass (13) oder mit wenigstens einer Verbindung (21) zur Pumpenkammer (10) in einem Bereich eines Auslasses (13) aufweist.
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Die Erfindung sieht erstmals eine hochintegrierte elektrische Pumpe mit einem einteilig ausgebildeten Rotor vor, der eine Funktionalität für die Baugruppe des Pumpenmechanismus und des elektrischen Antriebs übernimmt. Ferner schlägt die Erfindung erstmals eine hochintegrierte koaxiale Sperrflügelpumpe mit Nockenrotor vor, die gegenüber der genannten Strömungsmaschine aus dem Stand der Technik Vorteile eines alternativen elektrischen Antriebs und eines vereinfachten Aufbaus bereitstellt.
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Die Magnetkörper der Permanentmagnete am Rotor können entfallen, indem ein elektrischer Antrieb nach dem Prinzip eines Reluktanzmotors gebildet wird. Durch Radialspalte in der äußeren Umfangsfläche des Rotors werden diskrete Umfangssegmente unterteilt bzw. Rotorzähne ausgeprägt, die unter Auswahl eines weichmagnetischen, für den Rotorkörper geeigneten Materials die Funktion der Rotorpole übernehmen, sodass der Rotors auf eine Beschaltung von Wicklungen an den Statorzähnen dynamisch anspricht.
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Der einteilige Aufbau des vorgesehenen Rotors verringert den Montageaufwand bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Sperrflügelpumpe. Da der Rotor keine Magnetkörper umfasst, können Kosten für diese sowie für die Arbeitsschritte des Einpassens und Zusammenfügens zur Montage des Rotors eingespart werden.
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Die Ausgestaltung eines solchen weichmagnetischen Rotors bietet zudem eine bevorzugte Eignung zur Anwendung in einem Schmierölkreislauf, wie z. B. für eine Verbrennungsmaschine.
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Schmierölkreisläufe führen durch den Betriebsverschleiß der zu schmierenden Maschinenteile stets einen zunehmenden Anteil von Partikeln metallischen Abriebs. Insofern sich in dem Schmierölkreislauf ein elektrischer Antrieb mit Permanentmagneten befindet, werden die Partikel von diesen angezogen und lagern sich ab. Im Falle eines als Naßläufer ausgestalteten Motors lagern sich die Partikel im Allgemeinen zunächst direkt an den Magnetkörpern ab. Im Falle eines als Trockenläufer ausgestalteten Motors lagern sich die Partikel vorzugsweise innerhalb eines magnetischen Anziehungsbereichs der Permanentmagnete ab.
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Durch die Vereinigung der Baugruppen in einer hochintegrierten elektrischen Pumpe kann daher nicht nur der elektrische Antrieb sondern auch die Baugruppe der Pumpenmechanik durch die Anlagerung von metallischen Partikeln beeinträchtigt werden. Im Hinblick auf die hochintegrierte koaxiale Sperrflügelpumpe können sich bei effizienter Ausgestaltung der Nockenkammern mit einer dünnen verbleibenden Wandstärke zum Außenumfang des Rotors bzw. den Magnetkörpern solche Partikel bevorzugt in den Nockenerhebungen anlagern und den Verschleiß im Bereich des Gleitkontakts zwischen Sperrflügel und Kontur des Nockenprofils verstärken.
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Somit lassen sich durch den einteilig ausgebildeten weichmagnetischen Nockenrotor insbesondere bei Anwendungen der hochintegrierten Sperrflügelpumpe zur Schmierölförderung Vorteile hinsichtlich der Verschleißfestigkeit und der Sicherstellung eines zuverlässigen Betriebs erzielen.
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Durch die Verbindungen in einem Bereich der Auslasse, d. h. in einem Druckbereich, in dem das Volumen der Nockenkammern vor dem Sperrflügel abnimmt, strömt ein Teil des geförderten Mediums in die Kammer des Führungsschlitzes und stellt somit bei geeigneten Eigenschaften des Mediums einen Gleitfilm zwischen dem Sperrflügel und dem Führungsschlitz her.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen hochintegrierten elektrischen Sperrflügelpumpe sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Lagerzapfen scheibenförmig ausgebildet sein, wobei die axiale Länge des Lagerzapfens die Hälfte des Durchmessers des Lagerzapfens oder weniger beträgt. Der Lagerzapfen ist ein maßgebliches Bauteil für die Dimensionierung des Abmessungsverhältnisses der Sperrflügelpumpe. Wie eingangs genannt, liegen besondere Vorzüge dieses Aufbaus in der geringen axialen Bauhöhe. Mit einer geringen axialen Länge des Lagerzapfens im Verhältnis zu dessen Durchmesser lässt sich eine Pumpe mit einer besonders flachen, scheibenförmigen Gestalt realisieren.
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Darüber hinaus nimmt bei einer kurzen Dimensionierung des Lagerzapfens eine entsprechende Breite des Nockenprofils und des Sperrflügels ab. Die Kontaktlinie des Gleitkontakts zwischen diesen beiden Bauteilen wird im Verhältnis zum Durchmesser des Rotors bzw. zum Volumen der Nockenkammern kleiner. Somit können Reibungsverluste und Leckageverluste zwischen dem Nockenprofil und dem Sperrflügel verringert und der volumetrische Wirkungsgrad erhöht werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann zwischen der Umfangsfläche des Lagerzapfens und den darauf drehbar gelagerten Kreisbogensegmenten des Nockenprofils eine Spaltdichtung ausgebildet sein. Durch den Verzicht auf Dichtungselemente zwischen den Gleitflächen der Rotorlagerung kann eine möglichst geringe Verlustreibung erzielt werden. Da der Rotor und der Lagerzapfen eine höhere Materialhärte als diejenige eines Dichtungselements aufweisen, kann durch die Ausgestaltung einer Spaltdichtung eine höhere Verschleißfestigkeit und Maßhaltigkeit der Kontaktflächen der Gleitlagerung des Rotors auf dem Lagerzapfen gewährleistet werden. Ferner kann der Montageaufwand zum Einfügen von Dichtungselementen in diesem Bereich entfallen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann zwischen stirnseitigen Flächen des Rotors und axial gegenüberliegenden Oberflächen der Pumpenkammer beidseitig des Rotors eine Spaltdichtung ausgebildet sein. Durch eine stirnseitige Spaltabdichtung des Rotors zu den Innenwänden des Pumpengehäuses kann der Einsatz von Dichtungsringen entfallen. Somit kann auch hier eine Verlustreibung des Rotors und eine Verschleißfestigkeit im Vergleich zu einem Dichtungsring verbessert werden. Zudem kann der Montageaufwand zum Einfügen von Dichtungsringen entfallen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform können an den Stirnseiten des Rotors Ausnehmungen ausgebildet sein, die von der Spaltdichtung zwischen den stirnseitigen Flächen des Rotors und der axial gegenüberliegenden Oberfläche der Pumpenkammer umgeben sind. Hierdurch werden die Kontaktflächen der stirnseitigen Spaltabdichtung und die Verlustreibung des Rotors verringert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann zwischen einem Ende des wenigstens einen Sperrflügels und der fortlaufenden Kontur des Nockenprofils eine Spaltdichtung ausgebildet sein. Insbesondere bei einem einteiligen Sperrflügel, der sich starr in dem Nockenrotor erstreckt, stellt sich durch die verschiebliche Lagerung des Sperrflügels in dem Führungsschlitz eine Spaltdichtung an den beiden Kontaktlinien des Sperrflügels zur Kontur des Nockenprofils ein. Infolgedessen können im Vergleich zu einem Dichtungselement an den Kontaktlinien wiederum eine Verlustreibung verringert und eine Verschleißfestigkeit erhöht werden. Ferner kann auch in diesem Bereich der Montageaufwand zum Einfügen von Dichtungselementen entfallen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein Spaltmaß einer Spaltdichtung weniger als 50 μm, bei einem Förderdruck von mehr als 10 bar weniger als 20 μm, und bei einem Förderdruck von mehr als 100 bar höchstens 10 μm betragen. Somit weisen die rotierenden Nockenkammern eine ausreichende Abdichtung gegen den Druck des flüssigen Mediums auf, wenn diese durch den Sperrflügel ausgestrichen werden, sodass geringe Leckageverluste auftreten und ein hoher volumetrischer Wirkungsgrad gewährleistet ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Lagerzapfen aus einem gehärteten Sinterteil gebildet sein. Ein gehärtetes Sinterteil bietet einen besonders geeigneten Ausgangskörper zur Herstellung eines maßhaltigen und verschleißarmen Lagerzapfens, da dieses unter Verwendung von Schleifwerkzeugen eine maßgenaue Fertigung mit einer Toleranz von bis zu ±2 μm ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Rotor aus einem homogenen weichmagnetischen gehärteten Sinterteil gebildet sein. Durch Auswahl eines weichmagnetischen metallurgischen Pulvers als Ausgangsmaterial des Sinterteils kann ein besonders geeigneter weichmagnetischer Ausgangskörper zur Herstellung eines maßhaltigen und verschleißarmen Nockenrotors geschaffen werden, der ebenfalls die zuvor genannte Bearbeitungsmöglichkeit im Hinblick auf geringe Fertigungstoleranzen ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Kammer des wenigstens einen Führungsschlitzes zwei gegenüberliegend versetzte Verbindungen zur Pumpenkammer aufweisen, die jeweils in einem Bereich eines Auslasses aus der Umfangsfläche des Lagerzapfens austreten. Durch die Anordnung von zwei gegenüberliegenden Verbindungen wird eine wechselseitige Druckbeaufschlagung der Kammer bzw. eine alternierende Durchströmung erzielt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Sperrflügel zweiteilig ausgebildet und über einen Spalt getrennt sein, wobei ein Teil des geförderten flüssigen Mediums durch die Verbindungen in die Kammer strömt und den Spalt durchdringt, wodurch die Teile des zweiteiligen Sperrflügels radial nach außen gedrängt werden. Durch die Zweiteilung des Sperrflügels kann im Gegensatz zu einem einteiligen Flügel eine nach außen gerichtete Kraft zum Anpressen des Flügels gegen das Nockenprofil eingeleitet werden. Unter Ausnutzung des Ausgangsdrucks der Pumpe wird in der Kammer ein hydrostatischer Anpressdruck zwischen den Flügelteilen aufgebracht.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die elektrische Pumpe einen Spalttopf aufweisen, der konzentrisch zwischen dem Rotor und dem Stator angeordnet ist. Durch diese Ausführungsform kann ein Aufbau mit einem Trockenläufer realisiert werden. Eine Abtrennung der Statorspulen von dem Medium führenden Bereich eignet sich insbesondere zur Förderung von wässerigen Fördermedien wie z. B. Kühlmittel, die im Bereich der Statorspulen zu Hydrolyse neigen.
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In einer Ausführungsform können der wenigstens eine Einlass und der wenigstens eine Auslass an derselben Stirnseite der hohlzylindrischen Pumpenkammer aus dem Pumpengehäuse austreten. Somit wird ein Pumpenaufbau mit einseitigen Anschlüssen geschaffen.
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In einer alternativen Ausführungsform kann der wenigstens eine Einlass und der wenigstens eine Auslass jeweils auf einer gegenüberliegenden Stirnseite der hohlzylindrischen Pumpenkammer aus dem Pumpengehäuse austreten. Somit wird ein Pumpenaufbau mit einer Durchströmung in axialer Richtung geschaffen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die elektrisch angetriebene Verdränger-Flüssigkeitspumpe in einem System verwendet werden, das ferner eine Ansteuervorrichtung, die eine Leistungszufuhr zu den einzelnen Statorspulen in Abhängigkeit eines Verhältnisses zwischen einem Drehmoment des Reluktanzmotors und einem Drehwinkel des Rotors steuert, und einen Drucksensor, der einen Druck ausgangsseitig der Pumpe erfasst und an die Ansteuervorrichtung ausgibt, aufweist; wobei die Ansteuervorrichtung einen Drehmomentverlauf über eine Rotorumdrehung in Abhängigkeit eines Ausgangsdruckverlaufs über eine Rotorumdrehung regelt. Durch einen ausgangseitigen Drucksensor kann ein Pulsieren des Pumpendrucks erfasst werden und in eine Regelungsfunktion einfließen. Durch eine Ansteuerungsintensität der Statorspulen kann in gezielten Drehwinkelbereichen des Rotors Einfluss auf das Drehmoment des elektrischen Antriebs und somit auf den Ausgangsdruck der Pumpe genommen werden. Durch die Implementierung einer geeigneten Regelungsfunktion in der Ansteuervorrichtung können die Statorspulen derart angesteuert werden, dass der resultierende Drehmomentverlauf innerhalb einer Rotorumdrehung einen zyklisch pulsierenden Verlauf des Ausgangsdrucks der Pumpe, der durch das Prinzip einer Bauform mit diskreten Kammern bedingt ist, kompensiert wird.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden zur Herstellung der elektrisch angetriebenen Verdränger-Flüssigkeitspumpe unter anderem die folgenden Schritte durchgeführt: Sintern von Körpern jeweils für den Lagerzapfen und den Rotor, Härten der gesinterten Körper, und Schleifen der gehärteten Körper jeweils auf das Maß der Abmessungen des Lagerzapfens und des Rotors sowie das Maß der Kontur des Nockenprofils. Diese Verfahrensschritte bieten eine wirtschaftlich günstige Möglichkeit zur Herstellung der funktional charakteristischen Bauteile mit hoher Präzision, um insbesondere den Anforderungen einer zuverlässigen Ausgestaltung der zuvor genannten Spaltdichtungen von unter 30 μm fertigungstechnisch gerecht zu werden. Wenn die Körper des Lagerzapfens und des Nockenrotors aus demselben Sintermaterial hergestellt werden, weisen die Bauteile denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, sodass die Spaltdichtungen im Wesentlichen temperaturunabhängig erhalten bleiben. Diese Eigenschaft trägt wiederum zu der Vermeidung von Dichtungselementen und der Ausgestaltung einer reibungsarmen elektrischen Maschine bzw. Pumpe bei.
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Die Erfindung wird nachfolgend durch Ausführungsbeispiele anhand der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine perspektivische Explosionsansicht der elektrischen Pumpe mit einem Sperrflügel und einem Nockenrotor mit drei Nockenkammern gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine Querschnittansicht der elektrischen Pumpe gemäß der ersten Ausführungsform aus 1;
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3 eine perspektivische Explosionsansicht der elektrischen Pumpe mit einem zweigeteilten Sperrflügel und einer Druckkammer im Führungsschlitz gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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4 eine Längsschnittansicht der elektrischen Pumpe gemäß der zweiten Ausführungsform aus 3;
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5 eine Querschnittansicht der elektrischen Pumpe gemäß der zweiten Ausführungsform aus 3;
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6 eine Querschnittansicht der elektrischen Pumpe mit einem zweigeteilten Sperrflügel und einer Druckfeder im Führungsschlitz gemäß einer dritten Ausführungsform;
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7 eine schematische Querschnittansicht einer Modifikation der zweiten Ausführungsform mit einer alternativen Verbindung zwischen den Auslässen und der Kammer;
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8 eine schematische Längsschnittansicht der Modifikation zweiten Ausführungsform aus 7;
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Nachfolgend wird der Aufbau von beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen elektrisch angetriebenen Flüssigkeits-Verdrängerpumpe bzw. die Konstruktion der hochintegrierten koaxialen Sperrflügelpumpe mit Nockenrotor in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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Die 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform mit einem einteiligen starren Sperrflügel 3 und einem Nockenrotor 4 mit drei Nockenerhebungen 43.
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Das Pumpengehäuse 1 besteht aus einem Gehäusebecher 1a mit einer zylindrischen Außenwand und einem Gehäuseboden. Der Gehäusebecher 1a wird durch einen Gehäusedeckel 1b abschlossen. In dem Gehäusedeckel 1b ist die Steuerungselektronik, wie z. B. die Ansteuervorrichtung 6 aufgenommen. Der Gehäusedeckel 1b weist Kühlrippen zur Kühlung der Steuerungselektronik auf. Zudem umfasst das Pumpengehäuse 1 einen innerhalb des Gehäusedeckels 1b vorgelagerten runden Pumpendeckel 11, der ein axiales Ende des Lagerzapfens 2 abschließt.
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Das Pumpengehäuse 1 weist einen hohlzylindrischen Innenraum als Pumpenkammer 10 auf. Im inneren Umfangsbereich der Pumpenkammer 10 ist ein Motorstator 5 angeordnet. Der Motorstator 5 weist Statorspulen 50 auf, die von der Steuerungselektronik mit elektrischer Leistung versorgt und angesteuert werden.
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In der Mitte der hohlzylindrischen Pumpenkammer 10 ist ein zylindrischer Lagerzapfen 2 konzentrisch angeordnet, der sich zwischen dem Boden des Gehäusebechers 1a und dem Pumpendeckel 11, d. h. über die gesamte axiale Länge der Pumpenkammer 10 erstreckt. Die Anordnung zwischen dem Gehäusebecher 1a, dem Lagerzapfen 2 und dem Pumpendeckel 11 ist durch Verschraubungen mit Durchgangsbohrungen in axialer Richtung des Lagerzapfens 2 gesichert.
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Diametral über den Durchmesser des Lagerzapfens 2 ist ein Führungsschlitz 23 zur Aufnahme eines Sperrflügels 3 ausgebildet, wobei dessen Tiefe im äußeren radialen Bereich die gesamte axiale Länge des Lagerzapfens 2 beträgt. In einem inneren radialen Bereich beträgt die Tiefe des Führungsschlitzes 23 in etwa die Hälfte der axialen Länge des Lagerzapfens 2. Zudem ist in einem mittleren Bereich des Führungsschlitzes 23 eine Kammer 22 in dem Lagerzapfen 2 ausgenommen. Zwischen der Kammer 22 und der Umfangsfläche 24 verlaufen zwei Verbindungsbohrungen 21 durch den Lagerzapfen 2. Die Verbindungsbohrungen 21 treten an der Umfangsfläche 24 in einem Bereich aus, der zu dem Führungsschlitz 23 benachbart ist bzw. in einer Drehrichtung des Nockenrotors 4 vor dem Führungsschlitz 23 liegt.
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An seinen Enden weist der Sperrflügel 3 eine Breite auf, die der axialen Länge des Lagerzapfens 2 bzw. der hohlzylindrischen Pumpenkammer 10 entspricht. Der Sperrflügel 3 weist in einem mittleren Bereich in Längsrichtung eine Ausnehmung auf, die länger als die Erstreckung des mit halber Tiefe im inneren radialen Bereich des Lagerzapfens 2 verbleibenden Abschnitts des Führungsabschnitts 23 ist. Somit kann der Sperrflügel 3 in beiden Richtungen des Führungsschlitzes 23 über den Umfang des Lagerzapfens 2 hinaus verschoben werden.
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Durch die Verbindungsbohrungen 21 tritt ein Teil des geförderten Mediums ein, befüllt die Kammer 22 und bildet einen Film zwischen den Flanken des Führungsschlitzes 23 und den Flächen des Sperrflügels 3, wenn sich dieser bewegt. Falls das Medium eine schmierende Eigenschaft aufweist, wie z. B. ein Öl oder ein Kühlmittel mit Glycerin, verhilft der Film einer reibungsärmeren Gleitbewegung des Sperrflügels 3 in dem Führungsschlitz 23.
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Innerhalb des Stators 5 ist der Nockenrotor 4 angeordnet, der sich um den Lagerzapfen 2 dreht. Die Breite des Rotors 4, d. h. seine Erstreckung in axialer Richtung entspricht der Breite der Enden des Sperrflügels 3, d. h. der axialen Länge des Lagerzapfens 2 bzw. der hohlzylindrischen Pumpenkammer 10. Der Außenumfang des Nockenrotors 4 weist radiale Einschnitte auf, sodass durch die dazwischen liegenden Abschnitte diskrete Umfangssegmente bzw. ausgeprägte Rotorzähne gebildet werden. Die Rotorzähne bilden die Rotorpole 45 des Rotors 4 für einen Reluktanzmotor, der gemeinsam mit dem Stator 5 gebildet wird und als elektrischer Antrieb der hochintegrierten Sperrflügelpumpe dient. Der Körper des Nockenrotors 4 ist gemeinsam mit den Rotorzähnen 45 als einteiliges pulvermetallurgisch gefertigtes Sinterteil mit hochpermeablen weichmagnetischen Eigenschaften ausgebildet, das aus einem Pulververbundwerkstoff aus der Gruppe der „Soft Magnetic Composites” (SMC) besteht.
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Der Nockenrotor 4 ist axial von den Wandflächen der zylindrischen Pumpenkammer 10 umgeben. Die eine Wandfläche der Pumpenkammer 10 wird durch den Boden des Gehäusebechers 1a gebildet, die andere gegenüberliegende Wandfläche wird durch den Pumpendeckel 11 gebildet. Der Abstand der Wandflächen, d. h. die axiale Erstreckung der hohlzylindrischen Pumpenkammer 10, ist durch die Länge des Lagerzapfens 2 definiert und entspricht im Wesentlichen der axialen Erstreckung des Nockenrotors 4.
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Der Nockenrotor 4 weist ein radial innenliegendes Nockenprofil 41 auf. Das Nockenprofil 41 ist in drei Kreisbogensegmente 42, die sich radial weiter nach innen erstrecken, und drei Nockenerhebungen 43, die sich bogenförmig weiter radial nach außen erstrecken, aufgeteilt. Durch die ungerade Anzahl der alternierenden Kreisbogensegmente 42 und Nockenerhebungen 43 sowie einer komplementären Ausformung von gegenüberliegenden Übergangsverläufen, weist das Nockenprofil 41 über den gesamten Rotorumfang stets denselben diametralen Abstand zwischen den Konturflächen des Nockenprofils 41 auf.
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Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform weist der Nockenrotor 4 an den Stirnflächen Ausnehmungen 44 auf, die von linienförmigen Flächen 46 umgeben sind, die sich entlang des Umfangs innerhalb der Statorzähne 45 und entlang des Nockenprofils 41 erstrecken. Somit wird die Reibfläche gegenüber den Wänden der Pumpenkammer 10 verringert. Zudem können sich die Ausnehmungen 44 mit dem geförderten Medium füllen. Falls das Medium eine schmierende Eigenschaft aufweist, dienen diese Ausnehmungen 44 als Schmierstofftaschen, die eine Verlustreibung des Nockenrotors 4 weiter reduzieren.
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Die Kontur der Kreisbogensegmente 42 ist an die Umfangsfläche 24 des Lagerzapfens 2 angepasst, sodass die drei Kreisbogensegmente 42 gemeinsam einen Gleitlagersitz des Nockenrotors 4 auf dem Lagerzapfen 2 bilden. Ein charakteristisches Merkmal dieses Sperrflügelpumpentyps besteht somit darin, dass das Nockenprofil 41 zugleich die Lagerung des Nockenrotors 4 übernimmt, sodass diese Bauform auf eine Pumpen- bzw. Rotorwelle im herkömmlichen Sinne verzichtet. Die flache Bauhöhe wird somit unteranderem durch den Wegfall einer herkömmlichen Wellenlagerung in axialer Erstreckung des Rotors erzielt.
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Die Nockenerhebungen 43 erheben sich bogenförmig von der Umfangsfläche 24 des Lagerzapfens 2 radial nach außen und bilden somit im Rotorkörper radiale Hohlräume zur Umfangsfläche 24 des Lagerzapfens 2. Da der Nockenrotor 4 stirnseitig von den Wandflächen der Pumpenkammer 10 eingegrenzt ist, bilden die radialen Hohlräume der Nockenerhebungen 43 in dem Rotorkörper räumlich abgeschlossene Nockenkammern 40. Ähnlich wie die Flügelzellen einer Flügelzellenpumpe drehen sich die Nockenkammern 40 mit einer Drehbewegung des Rotors 4. Im Gegensatz zur Flügelzellenpumpen, die einen exzentrischen Aufbau zur mit drehenden Flügeln aufweist, verschiebt sich der Sperrflügel 3 des vorliegenden Aufbaus lediglich in Längsrichtung und der Lagerzapfen 2, der Nockenrotor 4 und die hohlzylindrische Pumpenkammer 10 sind koaxial zueinander angeordnet.
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Wie in 2 dargestellt ist, ist der Sperrflügel 3 in dem Führungsschlitz 23 diametral zwischen den Flächen des Nockenprofils 41 eingesetzt. Während einer Drehbewegung des Nockenrotors 4 umkreisen die Nockenkammern 40 den Lagerzapfen 2, wobei der Sperrflügel 3 mit abgerundeten Kontaktflächen an den Enden in Gleitkontakt zu dem Nockenprofil 41 steht. Während der Drehbewegung des Nockenrotors 4 passieren die drei Nockenkammern 40 abwechselnd die beiden Enden des Sperrflügels.
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An jedem Übergangsverlauf von einer Nockenerhebung 43 einer Nockenkammer 40 auf ein darauffolgendes Kreisbogensegment 42 wird das betreffende Ende des Sperrflügels 3 von dem Nockenprofil 41 bis zur Umfangsfläche 24 des Lagerzapfens 2 in den Führungsschlitz 23 zurückgeschoben, sodass das Kreisbogensegment 24 in der Funktion als Gleitlagersitz des Nockenrotors 4 auf der Umfangsfläche 24 über den Führungsschlitz 23 hinweggleiten kann. Zeitgleich erfolgt diametral ein Übergangsverlauf von einem Kreisbogensegment 42 auf eine Nockenerhebung 43 einer Nockenkammer 40, wobei das andere Ende des Sperrflügels 3 durch dieselbe zuvor genannte Verschiebung in dem Führungsschlitz 23 aus der Umfangsfläche 24 des Lagerzapfens 2 heraustritt und der Nockenerhebung 43 folgt. Somit ergibt sich im Zusammenspiel der zeitgleichen Übergansverläufe eine an beiden Enden des Sperrflügels 3 entlang der Kontur des Nockenprofils 41 geführte oszillierende Verschiebungsbewegung des Sperrflügels 3.
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Wenn der Sperrflügel 3 in eine Nockenkammer 40 gleitet, wird diese in einen davorliegenden und einen dahinterliegenden Teil abgetrennt. Das Volumen des dahinterliegende Teils der Nockenkammer 40 nimmt mit fortlaufender Drehbewegung zu, wodurch ein Unterdruck erzeugt wird. In der stirnseitigen Wand der Pumpenkammer 10, die durch den Boden des Gehäusebechers 1a gebildet wird, ist innerhalb eines radialen Bereichs der Nockenerhebung 43, in Drehrichtung hinter dem Sperrflügel 3 ein Einlass 12 ausgebildet. Das zu fördernde Medium, das außerhalb des Pumpengehäuses 1 zugeführt wird, strömt bedingt durch den zeitweise erzeugten Unterdruck über den stirnseitigen Einlass 12 in den zunehmenden Teil der Nockenkammern 40 hinter dem Sperrflügel 3 und füllt diese schließlich auf.
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Während die Nockenkammer 40 von dem Sperrflügel 3 entlang der Kontur der Nockenerhebung 43 ausgestrichen wird, nimmt das Volumen des davorliegenden Teils ab, wodurch ein Überdruck erzeugt wird. Innerhalb des radialen Bereichs der Nockenerhebung 43 ist in Drehrichtung vor dem Sperrflügel 3 ein Auslass 13 in der stirnseitigen Wand der Pumpenkammer 10 ausgebildet. Die Füllung des Mediums in der Nockenkammer 40 wird in dem vorgelagerten Teil von dem Sperrflügel verdrängt und unter Druck durch den Auslass 13 befördert.
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Am gegenüberliegenden Ende des Sperrflügels 3 ist eine spiegelbildliche bzw. punktsymmetrische Anordnung des Einlasses 12 und des Auslasses 13 ausgebildet. In dem Aufbau der dargestellten Ausführungsform mit drei Nockenkammern 40 und einem Sperrflügel 3 ergeben sich somit 6 zeitgleiche Ansaug- und Ausstoßzyklen pro Rotorumdrehung. Aufgrund der alternierend ineinander verlaufenden Zyklen tritt hierbei, über einen gesamten Pumpenausgang betrachtet, eine äußerst geringe Pulsation des Ausgangsdrucks auf.
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Die Nockenkammern 40 sind durch Spaltdichtungen abgedichtet. Eine Spaltdichtung am Gleitlagersitz zwischen den Nockenkammern 40 ist über den radialen Abstand zwischen dem Kreisbogensegmenten 42 und der Umfangsfläche 24 eingestellt. Eine weitere Spaltdichtung zwischen den linienförmigen Flächen 46 an den Stirnseiten des Nockenrotors 4 und den gegenüberliegenden Wandoberflächen der Pumpenkammer 10 ist über die axiale Länge des Lagerzapfens 2 eingestellt. Eine weitere Spaltdichtung zwischen den Kontaktflächen des Sperrflügels 3 und der Kontur des Nockenprofils 4 ist über die Länge des Sperrflügels 3 eingestellt.
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Die Spaltdichtungen bieten durch Auswahl eines präzise eingestellten Spaltmaßes einen ausreichenden Durchdringungswiderstand gegenüber dem zu fördernden Medium. Das Spaltmaß ist in Abhängigkeit des vorgesehenen Anwendungsgebiets ausgewählt und kann 50 μm oder bevorzugt 40 μm, und insbesondere in der beschriebenen Ausführungsform 30 μm oder weniger betragen. Bei einem Pumpendruck von etwa 2 bis 5 bar, wie er z. B. für Schmierölpumpen oder Kühlmittelpumpen gefordert ist, ist ein Spaltmaß nicht mehr als 30 μm zweckmäßig. Für Getriebepumpen mit einem Arbeitsdruck von etwa 20 bar beträgt das Spaltmaß zwischen 10 μm und 20 μm, und für hydraulische Anwendungen, wie einer Servopumpe zur Lenkunterstützung mit einem Druckbereich von 100 bis 150 bar beträgt das Spaltmaß in etwa 10 μm.
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Das Spaltmaß hängt ferner von der Strecke des Dichtungsspalts, wie z. B. der Länge des Kreisbogensegments 42 ab. Insofern kann das Spaltmaß am Gleitlagersitz in Anbetracht einer ausreichenden Strecke des Dichtungsspalts auf einen abweichenden, bezüglich einer Schmierfilmbildung optimierten, Wert ausgelegt sein.
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Das Nockenprofil 41 weist keine tangentialen Übergänge sondern einen Kurvenverlauf mit Splines auf. Die Rundung der Kontaktflächen des Sperrflügels 3 ist auf diesen Kurvenverlauf abgestimmt, sodass eine hertzsche Pressung zwischen diesen verringert ist.
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Die 3, 4 und 5 zeigen eine zweite Ausführungsform der hochintegrierten Sperrflügelpumpe mit einem zweigeteilten Sperrflügel 3a, 3b auf. Wie in 3 zu sehen ist, weisen die hohlzylindrische Pumpenkammer 10 und der Lagerzapfen 2 in axialer Erstreckung dieselbe Länge auf. Ebenso weist der Rotor 4 in axialer Erstreckung im Wesentlichen, d. h. bis auf das beidseitige Spaltmaß der Spaltabdichtungen, dasselbe Maß auf. Somit grenzen die Stirnwände der hohlzylindrischen Pumpenkammer 10 die rotierenden Nockenkammern 40 in den Nockenkurven 43 beidseitig des Rotors 4 ein.
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Wie in 5 gezeigt ist, sind die beiden Teile des Sperrflügels 3a, 3b im Wesentlichen mittig zur Gesamtlänge unterteilt. In der Unterteilung des zweigeteilten Sperrflügels 3a, 3b ist ein Spaltmaß ausgenommen, sodass ein Druckspalt 25 zwischen den beiden Teilen des Sperrflügels 3a, 3b gebildet wird. Das geförderte Medium, das zum Teil durch die beiden Verbindungsbohrungen 21 die Kammer 22 befüllt, wird wechselseitig unter Druck gesetzt, und bildet eine alternierende Strömung, die den Druckspalt 25 zyklisch durchdringt. Die durchdringende Strömung wirkt dabei als eine auseinandertreibende Kraft auf die innenliegenden Enden des zweigeteilten Sperrflügels 3a, 3b. Infolgedessen wird in der Kammer 22 ein hydrostatischer Anpressdruck auf die Teile des Sperrflügels 3a, 3b erzeugt, der eine verbesserte Abdichtung zwischen dem Sperrflügel 3a, 3b und dem Nockenprofil 41 ermöglicht.
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In 6 ist eine dritte Ausführungsform der hochintegrierten Sperrflügelpumpe mit einem elastischen Sperrflügel 3 dargestellt. Hierbei ist ein mittlerer Abschnitt des Sperrflügels 3 durch eine Druckfeder 30 ersetzt. Die Druckfeder 30 dient dazu, ebenso wie in der zweiten Ausführungsform, einen Anpressdruck des Sperrflügels 3 zu erhöhen und somit eine verbesserte Abdichtung zwischen dem Sperrflügel 3 und dem Nockenprofil 41 zu ermöglichen. Die Druckfeder 30 verrichtet im Wesentlichen keine Hubarbeit und stellt somit einen statischen Anpressdruck bereit. Allerdings können bei dieser Ausführungsform mit elastischem Sperrflügel 3 zudem auch Maßtoleranzen des Nockenprofils 41 durch die Druckfeder 30 ausgeglichen werden.
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In den 7 und 8 ist eine Modifikation der zweiten Ausführungsform schematisch dargestellt. Bei dieser Modifikation steht die Kammer 22, in dem sich der Druckspalt 25 zwischen den beiden Teilen des zweigeteilten Sperrflügels 3a, 3b befindet, durch eine Verbindungsbohrung mit zwei Auslässen 13a, 13b in Verbindung.
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Zwischen den beiden Auslässen 13a, 13b verläuft ein Kanal 13c, mit dem die Verbindungsbohrung 21 der Kammer 22 verbunden ist. Ein Teil des flüssigen Mediums, das beim Verdrängungsvorgang aus den Nockenkammern 40 durch die Auslässe 13a, 13b ausgestoßen wird, gelangt durch den Kanal 13c und die Verbindungsbohrung 21 in die Kammer 22 zum Sperrflügel 3. Wie in der zweiten Ausführungsform, bei der zwei versetzt gegenüberliegende Verbindungsbohrungen 21 ausgebildet sind, durchdringt das geförderte Medium unter dem Förderdruck den Druckspalt 25 und bewirkt dabei eine auseinandertreibende Kraft auf die innenliegenden Enden der beiden Teile des Sperrflügels 3a, 3b. Dadurch wird, ebenso wie bei der zweiten Ausführungsform, eine verbesserte Abdichtung zwischen den beiden Teilen mit abnehmendem und zunehmendem Volumen der Nockenkammer 40 beiderseits des Sperrflügels 3 erzielt.
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Die funktionalen Pumpenbauteile, wie insbesondere der Nockenrotor 4 und der Lagerzapfen 2 sind als Sinterteile pulvermetallurgisch gefertigt. Die Sinterteile werden anschließend gehärtet und gefräst. Der Führungsspalt 23 des Lagerzapfens 2 sowie die Maße und Flächen, an denen die Spaltdichtungen vorgesehen sind, d. h. insbesondere das axiale Längenmaß und der Durchmesser des Lagerzapfens 2, die linienförmigen Flächen 46 und die Kontur des Nockenprofils, werden anschließend auf Maß geschliffen. Dieses Herstellungsverfahren ermöglicht eine maßhaltige Fertigung und stellt eine geeignete Ausgangsbasis zur Umsetzung von präzise eingestellten Spaltdichtungen dar. Ferner weisen die gehärteten Sinterteile eine hohe Verschleißfestigkeit und, bei entsprechender Oberflächenpolitur, eine geringe Verlustreibung an den Kontaktflächen auf.
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Da an den Spaltdichtungen eine geringe Leckage auftritt, weisen die dargestellten Ausführungsformen den Aufbau eines Nassläufers auf. Durch einen Spalttopf zwischen dem Nockenrotor 4 und dem Stator 5, der den Stator 5 zum radial äußeren Bereich des Pumpengehäuses 1 einschließt, kann der Aufbau der dargestellten Ausführungsformen jedoch ebenso als Trockenläufer realisiert werden.
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In einer alternativen Variante kann der Nockenrotor 4 aus einem weichmagnetischen gestapelten Blechpaket gebildet werden.
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Ferner können je nach Anwendungsgebiet und Eigenschaften des zu fördernden Mediums (z. B. korrosive Medien) einzelne Bauteile auch aus keramischen Werkstoffen gefertigt sein.
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Die stirnseitigen Einlässe 12 und Auslässe 13 können anstatt in dem Boden des Gehäusebechers 1a ebenso im Pumpendeckel 1b ausgebildet sein. Ebenso können die Einlässe 12 im Boden des Gehäusebechers 1a und die Auslässe 13 im Pumpendeckel 1b, d. h. in gegenüberliegenden Wänden der Pumpenkammer 10, und anders herum angeordnet sein. Somit kann eine axial durchströmte Pumpe realisiert werden.
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Außerdem ist die Bauform nicht auf einen Führungsschlitz 23 begrenzt, sondern kann zwei oder drei Führungsschlitze 23 mit jeweils zweigeteiltem Sperrflügel 3 aufweisen. Ebenso kann der Nockenrotor 4 fünf oder sieben Nockenkammern 40 bilden. Darüber hinaus kann der Nockenrotor 4 eine gerade Anzahl an Nockenkammern 40 aufweisen, wenn sich die Sperrflügel 3 nicht diametral erstrecken, sondern kürzer ausgebildet und federnd gelagert sind.
