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Die Erfindung betrifft eine elektrische Kühlmittelpumpe, insbesondere zur Förderung von Kühlflüssigkeit zur Kühlung eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs.
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Durch
DE 698 18 392 T2 ist eine derartige elektrische Kühlmittelpumpe mit einem auf einer Rotorwelle angebrachten Pumpenlaufrad und einem die Rotorwelle antreibenden Elektromotor bekannt. Das Pumpengehäuse, in dem der Elektromotor untergebracht ist, wird hierbei durch das zu fördernde Kühlmittel durchflossen. Die beim Betrieb des Elektromotors im Rotor und Stator erzeugte Abwärme kann auf diese Weise auf das Kühlmittel übertragen und die Kühlmittelpumpe entsprechend gekühlt werden. Dies wiederum führt zu einer Wirkungsgradsteigerung des Elektromotors. Andererseits wird bei dieser Kühlmittelpumpe das Laufrad auf der Saugseite axial angeströmt, so dass der hier entstehende Unterdruck das Laufrad und damit auch die Motorwelle und den Rotor des Elektromotors in Axialrichtung mit einer Kraft beaufschlagt. Diese Kraft muss durch eine Lagerstelle aufgefangen werden. Die hier entstehende Reibung für zu einer Senkung des Wirkungsgrades des Elektromotors.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Kühlmittelpumpe mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Kühlmittelpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die elektrische Kühlmittelpumpe weist ein Pumpenlaufrad zur Beschleunigung des zu fördernden Kühlmittels, eine Rotorwelle, auf dem das Pumpenlaufrad angebracht ist, einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor zum Antrieb der Rotorwelle, eine Steuerschaltung zur Steuerung des Elektromotors und ein Pumpengehäuse, welches zumindest die Steuerschaltung und den Elektromotor aufnimmt, auf. Der Stator weist einen ersten magnetischen Mittelpunkt auf, und der Rotor weist einen zweiten magnetischen Mittelpunkt auf. Weil der erste magnetische Mittelpunkt und der zweite magnetische Mittelpunkt in Axialrichtung gegeneinander versetzt sind, wird eine magnetische Axialkraft erzeugt, die in einer Richtung wirkt, so dass der Abstand der beiden Mittelpunkt sich verringert. Diese Kraftrichtung ist entgegengesetzt zu der Kraftrichtung, die im Betrieb durch den Unterdruck am Pumpenlaufrad erzeugt wird. Die resultierende Axialkraft im Betrieb wird dadurch verringert. Folglich verringert sich auch die Reibung an der Axialkraftabstützung, wodurch der Wirkungsgrad des Elektromotors steigt.
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Hierbei ist hervorzuheben, dass die magnetische Axialkraft von Betrag und Richtung her nicht so groß sein muss, dass die unterdruckbedingte Axialkraft vollständig kompensiert wird. Es ist für die Lösung der genannten Aufgabe ausreichend, dass die resultierende Axialkraft reduziert wird. Schon dadurch kann die Axiallagerung derart verändert werden, dass sich das Bauvolumen und das Gewicht verringern, und der Wirkungsgrad erhöht, die Zuverlässigkeit verbessert und/oder die Lebensdauer erhöht werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen elektrischen Kühlmittelpumpe sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen der erste magnetische Mittelpunkt (M1) und der zweite magnetische Mittelpunkt (M2) einen Abstand D voneinander auf, der kleiner als 2 mm, vorzugsweise kleiner als 1 mm ist. So werden besonders kompakte Bauformen möglich. Insbesondere kann aber auch der Abstand zwischen 1 und 2 mm betragen.
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Es ist auch von Vorteil, wenn die Rotorwelle axial gegen einen Fortsatz abgestützt ist. und insbesondere die Rotorwelle mit dem Fortsatz ein Axial-Gleitlager bildet. Eine solche Ausführung ist besonders robust und einfach zu fertigen. Die Teilevielfalt bleibt gering.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Pumpengehäuse mit einer dielektrischen Kühlflüssigkeit als zu förderndes Kühlmittel befüllt. In vorteilhafter Weise sind dieser Kühlflüssigkeit Metallkorrosion hemmende Bestandteile beigemengt. Auf diese Weise wird eine weitgehend wartungsfreie, robuste und langlebige Funktionsfähigkeit der Kühlmittelpumpe gewährleistet. Zugleich können elektrische Fehlfunktionen des Elektromotors oder der Steuerschaltung verhindert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Kühlmittelpumpe ferner ein Gleitlager zur Lagerung der Rotorwelle in dem Pumpengehäuse aufweisen. Neben der Kostenersparnis gegenüber dem auch möglichen Wälz- bzw. Kugellager vermindert sich auch der benötigte Bauraum. Einen entsprechend kompakten Aufbau kann die Kühlmittelpumpe besitzen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Pumpengehäuse aus einem Polymerwerkstoff gefertigt sein. Da die Wärmeabfuhr des Elektromotors und der Steuerschaltung über das zu fördernde Kühlmittel erfolgt, spielt das Wärmeabfuhrvermögen des Pumpengehäuses eine untergeordnete Rolle. Es kann daher auf ein Metallgehäuse verzichtet und auf ein kostengünstiges Pumpengehäuse aus einem Polymerwerkstoff zurückgegriffen werden. Hierbei kann das Pumpengehäuse insbesondere aus einem thermoplastischen Polymerwerkstoff gefertigt sein. Dies hat den Vorteil, dass auf einfache Weise ein Umspritzen des Stators durch den Werkstoff des Gehäuses erfolgen kann. Die Fertigung der Kühlmittelpumpe wird dadurch vereinfacht.
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Die Erfindung wird nachfolgend durch Ausführungsbeispiele anhand der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
- 1: eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der elektrischen Kühlmittelpumpe;
- 2: eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der elektrischen Kühlmittelpumpe; und
- 3: eine Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der elektrischen Kühlmittelpumpe.
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Nachfolgend wird der Aufbau dreier beispielhafter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen elektrischen Kühlmittelpumpe in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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Die in 1 dargestellt elektrische Kühlmittelpumpe 1 dient zur Förderung eines Kühlmittels in einem schematisch dargestellten Kühlkreislauf. Dieser Kühlkreislauf kann beispielsweise zur Kühlung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs dienen und im Wesentlichen aus Kühlkanälen bestehen, durch die das Kühlmittel den zu kühlenden Bauteilen und anschließend einer Wärmesenke (z.B. Kühler) zugeführt wird. Diese Kühlkanäle sind in den Zeichnungsfiguren nicht näher dargestellt. Das Kühlmittel kann beispielsweise eine dielektrische Kühlflüssigkeit sein, dem Metallkorrosion hemmende Bestandteile beigesetzt sind. Dieses Kühlmittel wird durch ein Pumpenlaufrad 2 der Kühlmittelpumpe 1 innerhalb des Kühlkreislaufs zirkuliert. Die Bewegungsrichtung des Kühlmittels innerhalb des Kühlkreislaufs ist in den Zeichnungsfiguren durch Pfeile angedeutet.
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Das Pumpenlaufrad 2 ist auf einer Rotorwelle 3 angebracht. Diese Rotorwelle 3 wiederum ist über ein Gleitlager 4 in einem Pumpengehäusegrundkörper 5 gelagert. Zur Abstützung des Gleitlagers 4 ist im Pumpengehäusegrundkörper 5 eine zylinderförmige Innenwandung ausgebildet, die als Auflager für das Gleitlager 4 dient. Ein Elektromotor 6 treibt die Rotorwelle 3 und damit das Pumpenlaufrad 2 an. Hierzu ist ein Rotor 7 des Elektromotors 6 an die Rotorwelle 3 angeflanscht. Genauer handelt es sich bei dem Rotor 7 um einen topf- oder glockenförmigen Rotor 7, der mit einem ersten Endbereich mit der Rotorwelle 3 verbunden ist und mit einem zweiten Endbereich die oben genannte zylindrische Innenwandung radial außen umfasst. Ein drehfest mit dem Pumpengehäusegrundkörper 5 angeordneter Stator 8 umschließt den Rotor 7 radial außen. Der Stator 8 versetzt den Rotor 7 in Drehung und sorgt auf diese Weise für den Antrieb des Pumpenlaufrads 2.
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Der Pumpengehäusegrundkörper 5 ist im Wesentlichen topfförmig ausgebildet und bildet zusammen mit einem Gehäusedeckel 9 das Pumpengehäuse 10. Die dem Gehäusedeckel 9 gegenüberliegende Stirnfläche des Pumpengehäusegrundkörpers 5 wird von der Rotorwelle 3 durchbrochen, sodass das Pumpenlaufrad 2 außerhalb des Pumpengehäuses 10, aber in unmittelbarer Nähe und parallel zu der oben genannten Stirnfläche innerhalb des Kühlkreislaufs (also insbesondere innerhalb eines Kühlkanals) liegt. In dieser Stirnfläche ist eine Zuflussöffnung 11 ausgebildet, die mit einem Filter 12 zur Filterung des einfließenden Kühlmittels versehen ist. Die Zuflussöffnung 11 ist hierbei derart angeordnet, dass diese innerhalb des Bereichs einer Projektion des Pumpenlaufrads 2 senkrecht auf die Stirnfläche liegt.
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Im dem Pumpenlaufrad 2 gegenüberliegenden Endbereich des Pumpengehäuses 10, d.h. im Bereich des Gehäusedeckels 9 ist eine Steuerschaltung 13 des Elektromotors 6 angeordnet. Die Steuerschaltung 13 ist als ECU ausgebildet. Die elektronischen Komponenten der Steuerschaltung 13 sind hierbei in Richtung des Inneren des Pumpengehäuses 10 orientiert.
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Das Pumpengehäuse 10 ist gegenüber der Atmosphäre fluiddicht ausgebildet, sodass das sich innerhalb des Pumpengehäuses 10 befindende Kühlmittel nicht in die Umgebung entweichen kann. Der Pumpengehäusegrundkörper 5 und der Gehäusedeckel 9 sind aus einem thermoplastischen Polymerwerkstoff gefertigt.
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Bei der Zirkulation des Kühlmittels im Kühlkreislauf durch das Pumpenrad 2 wird ein Teil des Kühlmittels durch die Zuflussöffnung 11 in das Pumpengehäuse 10 eingebracht, umfließt die innerhalb des Pumpengehäuses 10 angebrachten Komponenten und verlässt das Pumpengehäuse 10 im Bereich des Gleitlagers 4 und dem Durchbruch der Rotorwelle 3 durch die Stirnseite im Bereich des Pumpenrads 2 wieder. Der Kühlmittelfluss des Kühlmittels innerhalb des Pumpengehäuses 10 ist in den Zeichnungsfiguren ebenfalls durch Pfeile dargestellt. Hierbei umfließt das eingebrachte Kühlmittel insbesondere den Stator 8, die Steuerschaltung 13 und den Rotor 7, um anschließend das Pumpengehäuse 10 im Bereich des Gleitlagers 4 wieder zu verlassen. Der Rotor 7, der Stator 8 und die elektronischen Komponenten der Steuerschaltung 13 stehen damit im direkten Kontakt mit dem zu fördernden Kühlmittel. Dieser direkte Kontakt führt zu einer besonders effektiven Kühlung der Komponenten.
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Die in 2 dargestellt elektrische Kühlmittelpumpe 101 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Kühlmittelpumpe 1 lediglich durch die Ausbildung der Rotorwellenlagerung und durch den Verzicht auf den Filter 12 in der Zuführöffnung 11. Anstelle des Gleitlagers 4 aus 1 wird die Rotorwelle 3 in diesem Ausführungsform durch eine Wälzlagerung 104 im Pumpengehäusegrundkörper 5 gelagert.
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3 stellt eine Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels ähnlich der in 1 dargestellten elektrischen Kühlmittelpumpe 1 dar. Während in 1 der Zufluss des Kühlmittels über den Kühlkreislauf lediglich schematisch dargestellt ist, zeigt 3 einen als Deckel ausgebildeten flügelradseitigen Gehäuseabschluss 14, der zusammen mit dem Pumpengehäusegrundkörper 5 und dem Pumpenlaufrad 2 eine konkrete Ausgestaltung für einen Strömungsraum für das Kühlmittel im Bereich der Kühlmittelpumpe 1 bildet.
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Koaxial zur Mittelachse der Rotorwelle 3 ist am flügelradseitigen Gehäuseabschluss 14 eine Fortsatz 15 ausgebildet, der als Axiallager für die Rotorwelle 3 dient. Zusammen mit dem Gleitlager 4 sorgt dieser Fortsatz 15 damit für eine stabile Lagerung der Rotorwelle 3 und des auf der Rotorwelle 3 angebrachten Pumpenlaufrads 2.
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In der in 3 dargestellten Ausführungsform der Kühlmittelpumpe 1 ist das Axiallager der Rotorwelle 3 im flügelradseitigen Gehäuseabschluss 14 ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich, das Axiallager der Welle im Pumpengehäusegrundkörper 5 oder gegebenenfalls auch am Gehäusedeckel 9 auszubilden.
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Den in den 1 bis 3 dargestellten Kühlmittelpumpen ist gemeinsam, dass ein magnetischer Mittelpunkt M1 des Stators 8 und ein magnetischer Mittelpunkt M2 des Rotors 7 in einem axialen Abstand D voneinander angeordnet sind. Die Mittelpunkte M1 und M2 liegen beide auf einer Drehachse 20, die die Axialrichtung der Anordnung definiert. Der Abstand D ist in der 1 zur besseren Veranschaulichung vergrößert dargestellt. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist das Maß des Abstandes D kleiner als 2 mm.
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Im Betrieb der Pumpe wirkt zunächst eine anziehende Kraft zwischen den Mittelpunkten M1 und M2, die auf die Rotorwelle 3 nach links, also von dem Pumpenlaufrad 2 weg wirkt. Wird die Pumpe in Betrieb gesetzt, so entsteht an der Saugseite der Pumpe aufgrund der von der Pumpe erzeugten Druckdifferenz eine Axialkraft nach rechts. Die beiden Kräfte wirken in entgegengesetzter Richtung, ihre Beträge subtrahieren sich deshalb. Die resultierende Kraft ist deshalb um den Betrag der magnetischen Axialkraft kleiner als die aufgrund der von der Pumpe erzeugten Druckdifferenz entstehende Axialkraft allein.
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Diese Reduzierung der Axialkraft durch den axialen Versatz der magnetischen Mittelpunkte M1 und M2 um den Abstand D bewirkt in dem Ausführungsbeispiel aus 2 eine verringerte axiale Last des Kugellagers 104. Dadurch ergeben sich eine verringerte Reibung und auch eine geringere Geräuschentwicklung in diesem Lager. Zusätzlich steigt die Lebensdauer des Lagers.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 schließlich wird durch den Versatz der Mittelpunkte M1 und M2, wie oben beschrieben, die axiale Last auf den Fortsatz 15 verringert. Auch dadurch ergeben sich eine geringere Reibung an dieser Stelle, sowie verringerter Verschleiß. Bei Bedarf kann der Fortsatz 15 auch gegenüber vergleichbaren Ausführungsformen ohne axialen Versatz der Mittelpunkte M1 und M2 verkleinert werden, so dass Gewicht und Kosten gespart werden können.
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Die einander zugewandten Stirnflächen der Motorwelle einerseits und des Fortsatzes andererseits können zwei alternative Ausführungen aufweisen. In einer ersten Ausführung sind beide Flächen plan ausgebildet, so dass sich zwischen diesen Flächen ein Polster aus dem Fördermedium bilden kann, ähnlich einem flüssigkeitsgeschmierten Gleitlager. In einer anderen Ausführungsform sind eine oder beide Flächen konvex ausgebildet. Dadurch wird die Kontaktfläche zwischen der Welle und dem Fortsatz 15 verkleinert. In der Folge wird auch die Reibung an dieser Stelle verringert. Diese Gestaltung wird ermöglicht, weil durch die teilweise oder vollständige Kompensation der unterdruckbedingten Axialkraft die Flächenpressung zwischen den Bauteilen gesenkt wird und so eine kleinere Kontaktfläche zur Abstützung der auftretenden restlichen Axialkraft in den verschiedenen Betriebszuständen ausreichend ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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