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Integration durch Bezugnahme
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Die folgenden Dokumente sind durch Bezugnahme hierin integriert als wenn sie vollständig zitiert worden wären:
U.S. Provisional Application No. 62/008,105 , eingereicht am 5. Juni 2015.
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Elektromotor/Pumpeneinheit, und ins besondere auf eine für den Einsatz in einem Kühlsystems eines KFZ geeignete, durch einen Elektromotor betriebene Wasserpumpe.
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Hintergrund
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Der Einsatz von Elektromotoren zum Betreiben von Wasserpumpen ist bekannt. In vielen Fällen jedoch weist die durch einen Elektromotor betriebene Wasserpumpe ein hydrodynamisches Lager auf, das keine genaue axiale Positionierung ermöglicht und mehr Reibung hat als andere Arten von Lagern d. h. Wälzlagern. Zudem weisen die meisten Elektromotoren einen Innenläufer auf, der auf einer durch ein Lager abgestützten, von dem Ständer umgebenen Welle montiert ist. Dies führt entweder zu einer vergrößerten axialen Länge der Wasserpumpe oder kann den Einsatz von nicht standardisierten Lagern erforderlich machen, so dass die Kosten für die Pumpe erhöht werden. Ein weiteres Problem bei den meisten Elektromotoren von Wasserpumpen besteht darin, dass sie eine nicht standardisierte Montage und/oder einen Einbau in dem für Brennkraftmaschinen vorgesehenen Motoreinbauraum benötigen. Die Montage oder das Ersetzen der Elektromotorenlager an der Welle der bekannten elektrischen Wasserpumpen ist zudem zeit- und arbeitsaufwendig.
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Es wäre wünschenswert, eine verbesserte elektrische Wasserpumpe mit einem integrierten Elektromotor zur Verfügung zu stellen.
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Es wäre weiterhin wünschenswert, eine elektrische Wasserpumpe zur Verfügung zu stellen, welche aus weniger Teilen besteht als eine konventionelle elektrische Wasserpumpe, und die in axialer Richtung kompakter gebaut ist, um den benötigten Bauraum für die Wasserpumpe im Motoreneinbauraum zu reduzieren oder die an einer anderen Stelle in dem KFZ eingebaut werden kann. Weiterhin wäre es wünschenswert, eine verbesserte Lageranordnung als die bekannten hydrodynamischen Lager zur Verfügung zu stellen.
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Zusammenfassung
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Kurz gesagt, stellt die Erfindung eine elektrische Pumpeneinheit vorzugsweise für Wasser oder ein Kühlmittel zur Verfügung, welche ein Gehäuse und eine für die Aufnahme einer mit dem Gehäuse verbundenen Lagereinheit geeignete Gehäusemuffe aufweist. Eine integrierte Wellenlagereinheit ist innerhalb der Gehäusemuffe montiert. Die integrierte Wellenlagereinheit weist eine Welle, einen äußeren Lagerring und mindestens ein Lagerelement auf, welches vorzugsweise in Form einer zwischen der Welle und dem äußeren Lagerring angeordneten Reihe von Wälzkörpern ausgebildet ist. Ein Flügelrad ist mit der Welle verbunden und in der Pumpenkammer angeordnet. Ein in dem Gehäuse montierter Elektromotor weist einen mit einer Außenseite der Gehäusemuffe verbundenen Ständer und einen an der Welle an deren dem gegenüberliegenden Ende montierten Läufer auf. Der Läufer befindet sich gegenüber von dem Ständer und ist relativ zum Ständer drehbar.
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Diese Anordnung ermöglicht den Einsatz einer integrierten Wellenlagereinheit, welche weniger Bauraum erfordert und deren Toleranzen niedriger sind als die der bekannten hydrodynamischen Lager. Die integrierte Wellenlagereinheit wird in Verbindung mit einer zwischen dem Gehäuse und der Welle angeordneten mechanischen Dichtung eingesetzt, so dass das Lager von der Kühlflüssigkeit oder einer anderen von der Pumpe geförderten Flüssigkeit isoliert ist. Dies kann, auf Grund der Verwendung eines Wälzlagers anstelle eines hydrodynamischen Lagers, zu einer längeren Lebenserwartung des Lagers und einer erhöhten Genauigkeit der axialen Position der Welle führen. Zudem ist wegen der Verwendung der integrierten Wellenlagereinheit eine Reparatur oder ein Austausch des Lagers mit weniger Zeitaufwand verbunden und leichter zu realisieren.
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Gemäß einem Merkmal weist das Gehäuse eine Pumpenkammer mit einem Eingang und einem Ausgang auf. Dies ist jedoch nicht erforderlich.
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Gemäß einem anderen Merkmal ist der Läufer tassenförmig ausgebildet und erstreckt sich von dem gegenüberliegenden Ende der Welle um die Gehäusemuffe herum, so dass der Läufer sich außerhalb des Ständers befindet und um diesen herum rotiert. Vorzugsweise weist der Ständer ein mit der Außenseite der Gehäusemuffe verbundenes Ständereisen auf.
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Gemäß einem anderen Merkmal weist die integrierte Wellenlagereinheit zwei zwischen der Welle und dem äußeren Lagerring angeordnete Reihen von Wälzkörpern auf. Die Wälzkörper sind vorzugsweise durch Käfige getrennt. Alternativ können Gleitlager mit einem separaten axialen Anschlag verwendet werden. Vorzugsweise sind, um ein Eindringen von Trümmerschutt zu verhindern, zwischen der Welle und dem äußeren Lagerring an jedem der Lager der integrierten Wellenlagereinheit Lagerdichtungen angeordnet.
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Gemäß einer Ausbildung kann der Läufer in einer seiner axialen Endflächen einen integrierten Lüfter aufweisen. Vorzugsweise sind außerdem Dauermagneten in einem zylindrischen, den Ständer umgebenden Abschnitt des Läufers angeordnet und mit dem Läufer verbunden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorangehende Zusammenfassung und die nun folgende ausführliche Beschreibung werden besser verstanden werden, wenn in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gelesen, in welchen eine bevorzugte Ausbildung der Erfindung dargestellt ist. Die Figuren zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht, teilweise in Querschnitt, einer elektrischen Wasserpumpe gemäß der Erfindung.
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2 eine perspektivische, der Querschnittsansicht von 1 ähnliche Ansicht einer zweiten Ausführung einer elektrischen Wasserpumpe gemäß der Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Bestimmte, in der nun folgenden Beschreibung verwendete Begriffe dienen lediglich der Bequemlichkeit und sind keineswegs als einschränkend zu verstehen. Die Begriffe „vorder...”, „hinter...”, „ober...” und „unter...” beziehen sich auf Richtungen in den Zeichnungen, auf welche hierin Bezug genommen wird. Die Begriffe ”nach innen” und „nach außen” beziehen sich auf Richtungen zu oder weg von den in den Zeichnungen mit Bezugszahlen gekennzeichneten Teilen. „Axial” bezieht sich auf eine Richtung entlang einer Achse einer Welle oder eines sich drehenden Teils. Ein Bezug auf eine Liste von Posten bzw. Teilen mit der Formulierung „mindestens eines von a, b, oder c”, (worin a, b und c für die aufgezählten Posten stehen), bedeutet irgendeinen der aufgelisteten Posten a, b, oder c oder Kombinationen aus diesen Posten. Die Terminologie schließt die konkret genannten Begriffe, Ableitungen daraus und Begriffe mit ähnlicher Bedeutung ein.
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1 zeigt eine elektrische Pumpeneinheit 10, vorzugsweise für Wasser oder Kühlmittel, gemäß der vorliegenden Erfindung. Die elektrische Pumpeneinheit 10 integriert einen Elektromotor 40 mit dem Pumpengehäuse 12, um eine einzige elektrische Pumpeneinheit 10 zu bilden. Eine bevorzugte Anwendung dieser Pumpe ist als eine elektrische Wasser- oder Kühlmittelpumpe in einem Kraftfahrzeug, wobei im Folgenden diese elektrische Pumpe auch als elektrische Wasserpumpeneinheit bezeichnet wird, ohne dass dadurch eine Beschränkung beabsichtigt wäre. Die elektrische Wasserpumpeneinheit 10 weist das Gehäuse 12 auf und kann auch eine darin angeordnete Pumpenkammer 13 mit einem Eingang 14 und einem Ausgang 16 sowie eine für die Aufnahme einer Lagereinheit geeignete Gehäusemuffe 32 aufweisen. Alternativ kann das Gehäuse 12 lediglich die Gehäusemuffe 32 und einen Deckelabschnitt aufweisen, der geeignet ist, den Ausströmraum zu schließen, der das an einem komplementären Teil des Motors ausgebildete Flügelrad aufnimmt. Die Muffe 32 kann wahlweise als ein separates, mit dem Gehäuse 12 verbundenes Teil vorgesehen werden. Auch der Eingang und der Ausgang können an dem komplementären Teil des Motors angeordnet werden. Das Gehäuse 12 ist vorzugsweise ein gegossenes oder maschinell gefertigtes Teil aus Aluminium und/oder kann durch einen Sinterwerkstoff nahezu in seiner endgültigen Form geformt werden. Auch andere Werkstoffe zum Beispiel Gusseisen oder Kunststoff können zur Anwendung kommen.
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Eine integrierte Wellenlagereinheit 20 ist innerhalb der Gehäusemuffe 32 montiert. Die integrierte Wellenlagereinheit 20 weist eine Welle 22 und einen äußeren Lagerring 30 sowie mindestens ein Lagerelement auf, das vorzugsweise in Form mindestens einer Reihe von Wälzkörpern 24A, 24B ausgebildet ist, wobei die Wälzkörper sich zwischen der Welle 22 und dem äußeren Lagerring 30 befinden. Wie in 1 gezeigt, sind zwischen der Welle 22 und dem äußeren Lagerring 30 vorzugsweise zwei Wälzkörper 24A, 24B angeordnet. Die Wälzkörper 24A, 24B sind vorzugsweise Reihen von Wälzkörpern, welche auf noch bevorzugtere Weise Kugeln oder Rollen sind und Wälzkörper aufweisen, welche durch Käfige 26A, 26B voneinander getrennt sind, wobei die Welle 22 vorzugsweise Nuten aufweist, welche als Innenlaufbahnen für die Wälzkörper fungieren. Wie in 1 zu sehen ist, sind vorzugsweise zwischen der Welle 22 und dem äußeren Lagerring 30 Lagerdichtungen 28A, 28B in der Nähe jeder der Lager 24A, 24B angeordnet. Die die Welle 22, den äußeren Lagerring 30, die Lager 24A, 24B mit Käfigen 26A, 26B und die Lagerdichtungen 28A, 28B aufweisende integrierte Wellenlagereinheit 20 ist vorzugsweise eine vormontierte Einheit und kann als Einzelteil in die elektrische Wasserpumpeneinheit 10 eingebaut werden. Vorzugsweise wird die integrierte Wellenlagereinheit 20 in die Gehäusemuffe 32 eingepresst.
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Weiterhin ist vorzugsweise zwischen der Welle 22 und dem Gehäuse 12 eine Dichtung 34 angeordnet. Die Dichtung trennt das (die) Lagerelement(e) 24A, 24B von der Pumpenkammer 13 und von jedweder durch die Pumpe fließenden Flüssigkeit. Die Dichtung 34 kann eine mechanische Dichtung, eine Lippendichtung oder eine andere geeignete Dichtungsanordnung sein, die das Eindringen von durch die Pumpe gefördertem Kühlmittel verhindern kann. Dies ist wichtig für eine Verlängerung der Lebensdauer der Lager.
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Weiterhin ist in 1 zu sehen, dass ein Flügelrad 18 mit der Welle 22 verbunden ist und in der Pumpenkammer 13 angeordnet. Gemäß 1 ist das Flügelrad 18 vorzugsweise ein Zentrifugalflügelrad welches Flüssigkeit aus dem Eingang 14 nimmt und diese radial nach außen in eine vorgegebene Richtung zwängt, so dass die Flüssigkeit durch den Ausgang 16 aus der Pumpenkammer 13 heraustritt, um zum Beispiel in einem Kühlsystem eines Kraftfahrzeugs zu zirkulieren, welches ein elektrisches KFZ oder ein KFZ mit einer Brennkraftmaschine sein könnte. Dies kann verwendet werden zum Beispiel zum Kühlen eines Elektromotors in dem elektrischen KFZ oder zum Kühlen eines Batterieeinbauraums.
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Der Elektromotor 40 ist im Gehäuse 12 montiert. Der Elektromotor 40 weist einen durch ein Ständereisen 42 gebildeten Ständer sowie eine Ständerwicklung 44 auf, welche mit einer Außenseite der Gehäusemuffe 32 verbunden ist. Ein Läufer 46 ist an der Welle 22 an einem dem Flügelrad 18 gegenüberliegenden Ende montiert. Der Läufer 46 ist außerhalb der Ständerteile 42, 44 angeordnet und relativ zu diesen drehbar. Vorzugsweise ist der Läufer 46 tassenförmig ausgebildet und weist einen axialen Scheibenabschnitt 47 sowie einen zylindrischen Abschnitt 49 auf, der sich in Umfangsrichtung um die Ständerteile 42, 44 erstreckt. Läufermagneten 50 sind vorzugsweise an dem zylindrischen Abschnitt 49 des Läufers 46 angeordnet. Durch Einsatz des tassenförmigen Läufers 46, der sich von dem dem Flügelrad 18 gegenüberliegenden Ende der Welle 22 um die Gehäusemuffe 32 erstreckt, sowie der darin angeordneten integrierten Wellenlagereinheit 20, wird eine Reduzierung der Gesamtaxiallänge der elektrischen Wasserpumpe 10 im Vergleich zu den bekannten konventionellen elektrischen Wasserpumpen erreicht. Weiterhin, da die Ständerteile 42, 44 sowie der Läufer 46 außerhalb des Gehäuses 12 angeordnet sind, sind die Bauteile des Elektromotors 40 vollständig von dem flüssigkeitsführenden Abschnitt der Wasserpumpengehäuse 12 getrennt. Zudem ermöglicht diese Anordnung die Verwendung von weniger Teilen und eine kompaktere Einheit im Vergleich zu konventionellen Wasserpumpen. Durch diese Anordnung wird außerdem eine einfachere Instandhaltung für das Austauschen der integrierten Wellenlagereinheit 20 sowie auch eventuell der Wicklungen oder Magneten als eine Einheit beim Austauschen oder Wiederaufbau einer Wasserpumpeneinheit 10 ermöglicht.
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2 zeigt eine zweite Ausführung einer elektrischen Pumpeneinheit 10'. Die elektrische Pumpeneinheit 10' ist identisch mit der elektrischen Pumpeneinheit 10 mit der Ausnahme, dass hier wahlweise Lüfter-Kühlrippen 48 in dem axialen Scheibenabschnitt 47 gestanzt worden sind. Dies dient zur Kühlung des Elektromotors 40 ohne die Notwendigkeit eines separaten Lüfters, da die Kühlrippen 48 in den Läufer 46 gestanzt sind.
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In beiden Ausführungen der elektrischen Pumpeneinheit 10, 10' wird der außerhalb des Gehäuses 12 an der Gehäusemuffe 32 angeordnete Ständer 42, 44 mit Umschaltstrom versorgt, um den Läufer 46 zu rotieren, um somit die Welle 22 anzutreiben und das Pumpenflügelrad 18 zu rotieren. Dementsprechend ist eine kompakte elektrische Wasserpumpe 10, 10' geschaffen, die aus weniger Teilen besteht und eine kompaktere Anordnung aufweist, insbesondere in der axialen Richtung, als die bekannten konventionellen elektrischen Wasserpumpen.
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Nach der vorhergehenden ausführlichen Beschreibung der vorliegenden Erfindung, muss es verstanden werden und für den Fachmann klar und naheliegend sein, dass zahlreiche physische Änderungen, von denen nur einige in der vorhergehenden ausführlichen Beschreibung beispielhaft angeführt sind, vorgenommen werden könnten, ohne die hierin verkörperten erfinderischen Ideen und Prinzipien zu verändern. Es muss auch verstanden werden, dass zahlreiche Ausführungen, welche nur Teile der bevorzugten Ausführung beinhalten, möglich sind, und, mit Bezug auf diese Teile die hierin verkörperten erfinderischen Ideen und Prinzipien der Erfindung nicht verändern. Aus diesem Grund sind die vorliegende Ausführung und optionale Ausbildungen der Erfindung in jeder Hinsicht als beispielhaft und/oder als erklärend und nicht als einschränkend zu verstehen, weil der Schutzbereich der Erfindung durch die angeführten Ansprüche angegeben wird und nicht durch die vorhergehende Beschreibung, so dass alle alternativen Ausführungen und an der vorliegenden Ausführung vorgenommenen Änderungen, welche im Sinne der Ansprüche zu verstehen sind und im Gleichwertigkeitsbereich der Ansprüche liegen, somit durch die Ansprüche abgedeckt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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