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Die Erfindung betrifft eine Fluid-Pumpe mit einem zweiteiligen Pumpengehäuse, in dem eine elektrische Maschine über einen Rotor einen Impeller betreibt, wobei die elektrischen Wicklungen des Statorrings der elektrischen Maschine mit einer Vergussmasse umgeben sind.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Pumpe.
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Stand der Technik
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Elektrische Pumpen für typische Betriebsstoffe im Fahrzeug haben das grundsätzliche Problem, dass ein Rotor des elektrischen Antriebs meist mit dem Impeller oder Verdränger in Verbindung steht und deshalb im Medienstrom angeordnet, also nass ist. Der Stator des elektrischen Antriebs mit seinen Wicklungen und deren Kontaktierung, sowie eventuell vorhandene am elektrischen Antrieb angeordnete elektrische Platinen hingegen dürfen mit diesen Medienströmen nicht in Kontakt kommen.
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Bei Pumpen bekannter Bauart wird eine Hülse zwischen Rotor und Stator vorgesehen, die den nass laufenden Rotor vom trockenen Stator- Bereich trennt, das sogenannte „wet sleeve“. Diese Hülse befindet sich in einem Raum von entscheidender magnetischer Bedeutung, d.h. sie verhindert, dass Rotor und Stator in einen engen räumlichen Kontakt zueinander angeordnet werden können, was letztlich Wirkungsgrad und Leistung des Motors negativ beeinträchtigt.
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Durch eine Umspritzung des Stators, sowie der voran beschriebenen elektrischen Bauteile wird das Problem des Medienkontakts gelöst.
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Eine solche Lösung ist aus der
DE 102008053233 A1 bekannt, wobei die Statoreinheit vollständig von Kunststoff ummantelt ist. Dabei ist auch vorgesehen, dass in der Statoreinheit eine elektronische Schaltung zur Ansteuerung der Statorwicklungen integriert ist. Dazu ist eine Leiterplatte mit Kontakthaltern elektrisch verbindbar und ebenfalls von Kunststoff ummantelt. Auch die
DE102012217711 A1 beschreibt einen vollständig vergossenen Stator.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es einen Pumpe herzustellen, deren elektrischen Komponenten sicher gegen das Betriebs- Fluid isoliert sind und wobei Bauteile für den Aufbau der Pumpe reduziert werden sollen.
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Weiterhin besteht die Aufgabe aus der Bereitstellung eines Herstellungsverfahrens für eine Pumpe.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einer Fluid-Pumpe mit einem zweiteiligen Pumpengehäuse, in dem eine elektrische Maschine über einen Rotor einen Impeller betreibt, wobei die elektrischen Wicklungen des Statorrings der elektrischen Maschine mit einer Vergussmasse umgeben sind, und die Vergussmasse mindestens eine elektrische Komponente umgibt, wobei die Vergussmasse die Außenwand des ersten Teils des Pumpengehäuses bildet.
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Dadurch dass die Vergussmasse gleichzeitig die Außenwand des Pumpengehäuses bildet, werden Bauteile eingespart und die Montage der Pumpe wird wesentlich vereinfacht.
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Es ist von Vorteil, dass die elektrische Kompetente eine elektronische Platine ist, die über elektrische Kontakte, die ebenfalls umspritzt sind, an Kontaktstiften angeschlossen ist.
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Die Umspritzung aller elektrischen Komponenten ermöglicht eine sichere Trennung von dem zu fördernden Fluid. Damit wird der Einsatz von Dichtungen vollständig vermieden.
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Es ist von Vorteil, dass mindestens ein Kanal für die Kühlung der elektrischen Wicklungen nahe an den elektrischen Wicklungen in der Vergussmasse ausgebildet ist. Über in der Vergussmasse integrierte Kanäle werden die elektrischen Wicklungen effizient gekühlt.
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Vorteilhafterweise erstreckt sich mindestens ein Kühlbereich mindestens entlang einer der Stirnseiten des Statorrings, so dass auch auf der topfförmigen Oberfläche und damit auch im Bereich der elektronischen Komponenten effektiv gekühlt werden kann.
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Es ist von Vorteil, wenn die Kanäle zusammen mit den Kühlbereichen in der Vergussmasse einen durchgängigen Hohlraum bilden, so dass ein geschlossener Kühlkreislauf in der Vergussmasse integriert sein kann.
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Vorteilhafterweise weist der erste Teil des Pumpengehäuses ein aus der Vergussmasse bestehendes Lager für eine Welle auf oder stellt eine Aufnahme für eine Lagerbuchse oder stehende Welle zur Verfügung.
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Damit ist eine weitere Funktionalität direkt im Kunststoffbauteil realisierbar.
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Da für die Herstellung ein Spritzgussverfahren angewendet wird ist es einfach, Verbindungsbauteile mit zu spritzen, die den ersten Teil des Pumpengehäuses mit dem zweiten Teil des Pumpengehäuses verbinden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Pumpe ist als Kunststoffspritzguss ausgestaltet, wobei der Stator einer elektrischen Maschine und mindestens eine elektrische Komponente umspritzt wird und das gespritzte Bauteil die Außenwand des Pumpengehäuses bildet. Durch die gestaltgebende Form der Spritzgussform wird ein üblicherweise benötigtes Pumpengehäuse, ohne ein separates Bauteil zu benötigen, gebildet.
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Vorteilhafterweise erfolgt der Kunststoffspritzguss druckreguliert und überwacht, was man durch Einsatz eines Drucksensors realisieren kann. Dabei wird der Forminnendruck kontinuierlich gemessen.
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Vorteilhafterweise weist das Verfahren mindestens einen Anguss der Kunststoffspritzgussform an der Außenkontur in Höhe der elektrischen Komponente auf, wobei die Ströme der Vergussmasse die elektrischen Komponenten beidseitig gleichmäßig umströmen. Durch das gleichmäßige Umströmen der elektrischen Komponenten verhindert man Druckunterschiede zwischen oben und unten und reduziert so Spannungen in den elektrischen Komponenten. Die außenkonturgebende Umspritzung von Stator und Elektronik erfolgt in einer Weise, die nur minimale Temperatur- und Druckbelastungen an den empfindlichen Teilen der Platine, an Kondensatoren und Microcontrollern erzeugt.
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Vorteilhafterweise wird das Verfahren so ausgestaltet, dass die Strömungsfronten sich oberhalb und unterhalb der elektrischen Komponente nahezu gleich bewegen.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
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Es zeigt:
- 1 eine Pumpe von außen
- 2 ein Längsschnitt durch eine Pumpe
- 3a und 3b das Strömen der Vergussmasse
- 4 eine weitere Ausführungsform der Pumpe
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1 zeigt eine Fluidpumpe 1 bei der ein zweiteiliges Gehäuse zu erkennen ist. Ein erstes Gehäuseteil 2 ist mit einem zweiten Gehäuseteil 3 verbunden. Die Verbindung der beiden Gehäuseteile erfolgt dabei über Verbindungsmittel 12 z.B. Stege, Klipse oder Schrauben, wie es der Stand der Technik bereits kennt.
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Auf der Unterseite 10 des ersten Pumpengehäuseteils 2 sind Kontaktstifte 4 für eine elektrische Verbindung zu erkennen. Auf der oberen Seite ist ein Anschlussstutzen 13 skizziert.
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2 zeigt in einem Schnittbild die eigentliche Erfindung. Auch hier sind die beiden Pumpengehäuseteile 3 und 2 zu erkennen. Das erste Pumpengehäuseteil 2 bildet einen Topf mit einer Außenwand 2a sowie einer inneren Wand 14 aus. Innerhalb der Wanddicke des so gebildeten Topfes ist der Stator 8 einer elektrischen Maschine angeordnet.
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Diese Anordnung wird durch Umgießen des Stators 8 mit einem Vergussmaterial 20 erreicht. Im Boden des so gebildeten Topfes sind weitere Bauteile von der Vergussmasse, einem duroplastischen Kunststoff umgeben. Dabei ist zwischen der Außenseite 10 des erstes Pumpengehäuseteils 2 und der Innenseite 11 des erstes Pumpengehäuseteils eine elektrische Komponente 6 angeordnet. Dabei handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel um eine Leiterplatte, die mit den Bauteilen zur Steuerung und Kontrolle des elektrischen Motors versehen ist.
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Die elektrischen Komponenten 6 sind dabei vollständig von der Vergussmasse 20 umgeben. Über elektrische Kontakte, die ebenfalls vollständig von der Vergussmasse umgeben sind, werden die Kontaktstifte 4 elektrisch angebunden. Die Verbindung erfolgt über einen Abstandshalter 5. Abgeschlossen wird der Kontakt mit einem Dichtelement 5. Das Dichtelement hat während der Umspritzung die Aufgabe die elektrischen Kontakte 4 gegenüber einem dahinter befindlichen Luftraum zu dichten. Darüber hinaus kann das Dichtelement auch eine Abdichtfunktion gegenüber der Spritzgussform erfüllen. Eine Ausbildung des Dichtelements in einer Weise, so dass es später den Stecker der elektrischen Kontaktierung bildet ist ebenso denkbar.
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Im Bereich der Achse A, auf der eine Welle, die in der Figur nicht dargestellt ist, verläuft, wölbt sich der Topfboden, die Innenseite des ersten Pumpengehäuseteils nach oben. Die so entstehende domartige Struktur 15 bildet dabei ein Lager 7 für die Welle des Rotors der elektrischen Maschine aus.
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Ein weiteres Lager wird im zweiten Pumpengehäuseteil 3 hergestellt. Die nicht dargestellte Welle trägt des Weiteren einen Impeller 9, der den Flüssigkeitstransport bewerkstelligt.
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Damit sind vom ersten Pumpengehäuseteil 2 bereits mehrere Funktionen gleichzeitig realisiert. Das Pumpengehäuseteil umgibt den Stator isolierend und dichtet von außen gegen Spritzwasser und von innen gegen das zu pumpende Fluid ab. Weiterhin bildet das Pumpengehäuseteil ein Pumpengehäuse mit aus, das nicht mit einer Hülle und mit weiteren Bauteilen zusammengesetzt werden muss. Das Pumpengehäuseteil dient dabei zudem als Lager der sich drehenden Rotorwelle.
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Eine weitere Aufgabe erfüllt das erste Pumpengehäuseteil, in dem es auch noch eine Kühlfunktion übernimmt.
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Vor allem bei modernen Elektromotoren kompakter Bauart kann der Motor seine Wärme nur schwer abführen. Hohe Temperaturen reduzieren die Überlastfähigkeit und Überhitzung kann zum Versagen der Wicklungsisolation, der Lager, Dichtringe und im Falle von permanentmagneterregten Maschinen auch zur Degradierung der Magnete führen.
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Es ist darum wichtig Überhitzung vorzubeugen, die durch eine hoch effiziente Entwärmung der beiden Hauptwärmequellen, der Wicklung und des Blechpaketes einer elektrischen Maschine erfolgt, aber auch ebenso die in der ECU verbauten MOSFETs als Wärmequelle, die lokal nennenswerte Abwärmemengen umsetzen können.
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Aus der
DE 102011108042A1 ist ein Stator für eine elektrische Maschine bekannt. Bei dieser Offenlegungsschrift wird der Stator, der in einer Vergussmasse hergestellt wird, mit einer Kühlvorrichtung versehen. Dabei wird die Kühlvorrichtung als Kühlkanäle an den Außenseiten der Vergussmasse entlang geführt.
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Diese Art der Kühlung ist allerdings sehr indirekt, da die Anbindung der Wicklungen an die Kühlkanäle über das elektrische Isolationsmaterial und das Statorblechpaket erfolgt und die Wärme von den elektrischen Wicklungen nicht optimal abgeführt werden kann.
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Alternativ wird der Stator für die elektrische Maschine so gebildet, dass die elektrischen Wicklungen nahe an den Kanälen für die Kühlung liegen und so die Wärme effizient abgeführt werden kann. Durch das Ausformen von Kühlkanälen nach
DE 102012217711 A1 in der Vergussmasse erfolgt die Kühlung direkt an den elektrischen Wicklungen. Dadurch erfolgt der Wärmeabfluss der kritischen Bauteile schneller und effizienter, da die Anzahl der Wärmeübergänge zwischen Bauteilen, zum Beispiel den Gehäuseteilen, reduziert ist. Durch die hohe Integration wird der Bauraum besser ausgenutzt und es können Bauteile reduziert werden. Durch das Ausformen der Kühlkanäle in der Vergussmasse bildet diese zu den Wicklungen einen geschlossenen Körper, wodurch Abdichtungsmaßnahmen der Kühlkanäle zu den Wicklungen nicht mehr notwendig sind.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist es, wenn der Kühlkanal mit Kühlbereichen verbunden ist, die sich mindestens entlang einer Stirnseite des Statorrings erstrecken. Dadurch bilden die Kühlkanäle und die Kühlbereiche in der Vergussmasse einen durchgängigen Hohlraum, der dann auch vorteilhafterweise mit einem Kühlsystem verbindbar ist.
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Eine solche Ausführungsform ist in der 4 skizziert. Dabei werden Kühlkanäle 17 entlang der Wände des ersten Pumpengehäuseteils geführt. Dabei können die Kühlkanäle 17 sowohl außerhalb als auch in Zwischenräumen der Wicklungen angeordnet sein. Ein Kühlbereich 16 erstreckt sich dagegen Topfboden des ersten Pumpengehäuseteils und liegt somit nahe an den elektrischen Bauteilen, die dadurch ebenfalls eine effiziente Kühlung erfahren.
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Im Idealfall sind die Kühlkanäle 17 sowie der Kühlbereich 16 einteilig ausgebildet und können über eine einzige Kühlmittelzufuhr bzw. Kühlmittelabfuhr betrieben werden.
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3a und 3b zeigen einen Ausschnitt bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Pumpengehäuses.
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In der 3a ist das erste Pumpengehäuseteil von unten dargestellt. Die Außenseite 10 dieses erste Pumpengehäuseteil 2 befindet sich in der Aufsicht.
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In der 3b ist dagegen der Boden des Pumpengehäuseteils von seiner Innenseite 11 zu sehen. Um den Topfboden auszubilden ist ein Anguss 18 angebracht. Der Anguss befindet sich dabei in der Höhe der elektrischen Komponenten 6 am Umfang des zylindrischen Bauteils. In der Kunststoff-Spritzgussform werden die zu umspritzenden Bauteile vor Beginn des Spritzguss es eingelegt. Dazu gehören die elektrischen Komponenten 6, mit den elektrischen Kontakten 4 sowie der Stator 8 der elektrischen Maschine.
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Der Anguss 18 liegt dabei ungefähr auf der Ebene der eingelegten elektrischen Komponenten 6. Mit Beginn des Angusses strömt das flüssige Kunststoffmaterial über die elektrische Komponente, die Platine. Die Lage des Angusses 18 und Strömungsführung des flüssigen Kunststoffs werden so gelegt, dass eine gleichmäßige Füllung auf Ober- wie Unterseite der Platine erfolgt und die Platine so wenig wie möglich mit Kräften aus etwaigen Druckdifferenzen beaufschlagt wird. Dazu wird der Anguss auf der Außenwand der zylindrischen Spritzgussform in der Höhe der elektrischen Komponenten gelegt. Dadurch wirkt eine Platine wie ein Teiler im Strömungsfluss des Kunststoffmaterials. Es kann sinnvoll sein, zusätzlich ein Bauteil zur Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit im Weg des Medienstroms zu platzieren.
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Die Kunststoffspritzgussform wird druckkontrolliert befüllt. Dazu wird ein oder mehrere Drucksensoren an der Oberfläche des Spritzkörpers angebracht und der Druck während der gesamten Befüllung der Spritzgussform und der darauf folgenden Nachverdichtungsphase überwacht. Der Anguss 18 muss dabei nicht der einzige Anguss sein, es ist auch sinnvoll den Rest des Pumpengehäuseteils über einen weiteren Anguss zu verfüllen.
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Im Idealfall bewegen sich die Strömungsfronten 19a und 19b parallel zueinander über den gesamten Boden des Pumpengehäuseteils hinweg.
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Werden Kühlkanäle vorgesehen werden entweder verlorene Formen in das Spritzgusswerkzeug eingestellt, oder die Hohlräume über Schieber hergestellt.
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Nach der Entformung des Bauteiles liegt ein komplettes Bauteil vor, das ein Teil des Pumpengehäuses ist, in dessen Innenraum sich der Rotor eines elektrischen Motors bewegt. Dabei umfasst das Pumpengehäusebauteil den Stator des elektrischen Motors, Kühlkanäle und Kühleinheiten, sowie alle elektrischen Bauteile, die für den Betrieb des Motors und dessen Ansteuerung notwendig sind. Weiterhin enthält das Bauteil bereits das Lager, in dem sich die Welle des Rotors dreht oder Aufnahmen für Lagerbuchsen oder eine fest stehende Welle.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fluid-Pumpe
- 2
- erster Teil des Pumpengehäuses
- 3
- zweiter Teil des Pumpengehäuses
- 4
- Kontaktstifte
- 5
- Anstandshalter
- 6
- Elektrische Komponente
- 7
- Lager
- 8
- Stator
- 9
- Impeller
- 10
- Aussenseite des ersten Teils
- 11
- Innenseite des ersten Teils
- 12
- Verbindungsmittel
- 13
- Anschluss
- 14
- Innenwand
- 15
- domartige Wölbung
- 16
- Kühlbereich
- 17
- Kanäle
- 18
- Anguss
- 19 a,b
- Strömungsfronten
- 20
- Vergussmasse
- 21
- Dichtelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008053233 A1 [0006]
- DE 102012217711 A1 [0006, 0038]
- DE 102011108042 A1 [0036]
