DE102021200126A1

DE102021200126A1 - Fluidpumpe

Info

Publication number: DE102021200126A1
Application number: DE102021200126.2A
Authority: DE
Inventors: Rajko Colic; Hans-Dieter Wilhelm
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2021-01-08
Filing date: 2021-01-08
Publication date: 2022-07-14
Also published as: EP4274965A1; WO2022148643A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fluidpumpe FP, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, aufweisend:- ein Gehäuse;- wenigstens ein Pumpenrad zum Fördern eines Fluids durch einen Fluidraum des Gehäuses; und- wenigstens einen Elektromotor EM mit wenigstens einem Stator 2 in einem Statorraum des Gehäuses zum Antreiben wenigstens eines mit dem Pumpenrad gekoppelten und nasslaufenden Rotors 4 des Elektromotors EM, wobei der Stator 2, welcher im Bereich seiner eine Spulenwicklung 8 tragenden Statorzähne 6 spritzgussfrei ausgebildet ist, mit einem metallischen Trennmittel 10 gefügt ist, welches die Fluidpumpe FP in einen rotorseitigen Nassraum NR und einen statorseitigen Trockenraum TR unterteilt.Dabei bilden die mit dem Trennmittel 10 gefügten freien Enden der Statorzähne 6 mit dem Trennmittel 10 einen Pressverbund und/oder einen Stoffschluss, um die Stator-Struktur zu versteifen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fluidpumpe, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Fluidpumpe sowie ein Verfahren zur Versteifung einer Stator-Struktur eines Elektromotors einer solchen Fluidpumpe.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Geräuschverhalten einer Fluidpumpe zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Fluidpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 7, 8, 9 stellen ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer hier beschriebenen Fluidpumpe bzw. ein Verfahren zur Versteifung einer Stator-Struktur eines Elektromotors einer hier beschriebenen Fluidpumpe bzw. eine Verwendung einer hier beschriebenen Fluidpumpe zur Kühlung und/oder Temperierung eines Kühlwasserkreises unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Es wird eine Fluidpumpe, insbesondere für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, aufweisend:

- ein Gehäuse;
- wenigstens ein Pumpenrad zum Fördern eines Fluids durch einen Fluidraum des Gehäuses; und
- wenigstens einen Elektromotor mit wenigstens einem Stator in einem Statorraum des Gehäuses zum Antreiben wenigstens eines mit dem Pumpenrad gekoppelten und nasslaufenden Rotors des Elektromotors,

Dabei bilden die mit dem Trennmittel gefügten freien Enden der Statorzähne mit dem Trennmittel einen Pressverbund und/oder einen Stoffschluss, um die Stator-Struktur zu versteifen.
Der Pressverbund und/oder der Stoffschluss bewirkt/bewirken dabei eine Feststellung der einzelnen Statorzähne gegenüber dem Trennmittel und somit eine Versteifung der Stator-Struktur.
Diese Versteifung wiederum bewirkt eine hinreichende Beabstandung zwischen einer Eigenfrequenz der Stator-Struktur - die im Bereich ihrer eine Spulenwicklung tragenden Statorzähne spritzgussfrei ausgebildet ist - und einer betriebsbedingten Erregerfrequenz des Elektromotors.
Dadurch wird eine betriebsbedingte Geräuschemission der Pumpen-Struktur unterbunden oder zumindest nahezu unterbunden bzw. auf ein akzeptables Minimum reduziert.
Es wird ferner ein Verfahren zur Versteifung einer Stator-Struktur einer Fluidpumpe vorgeschlagen, bei welchem ein Stator, welcher im Bereich seiner eine Spulenwicklung tragenden Zähne spritzgussfrei ausgebildet ist, mit einem metallischen Trennmittel, welches die Fluidpumpe in einen rotorseitigen Nassraum und einen statorseitigen Trockenraum unterteilt, gefügt wird.
Dabei wird derart gefügt, dass die dem Trennmittel zugewandten freien Enden der Statorzähne mit dem Trennmittel einen Pressverbund und/oder einen Stoffschluss bilden, so dass die freien Enden der Statorzähne gegenüber dem Trennmittel festgestellt werden.
Dieses Verfahren resultiert in der bereits vorhergehend beschriebenen Reduktion einer betriebsbedingten Geräuschemission der Pumpen-Struktur.
Es wird ferner ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Fluidpumpe der zuvor beschriebenen Art vorgeschlagen.
Unter einem Kraftfahrzeug ist dabei jede Art von Fahrzeug zu verstehen, welches einer Kühlung und/oder Temperierung eines Kühlwasserkreises bzw. Kühlwasserkreislaufes bedarf, etwa der Kühlung und/oder Temperierung eines einer Batterie oder einem Elektromotor zugeordneten Kühlwasserkreises bzw. Kühlwasserkreislaufes. Dabei kann es sich um ein teilelektrisches oder vollelektrisches Fahrzeug handeln, insbesondere aber um Personenkraftwagen und/oder Nutzfahrzeuge.
Zudem wird eine Verwendung einer Fluidpumpe der zuvor beschriebenen Art zur Kühlung und/oder Temperierung eines Kühlwasserkreises bzw. Kühlwasserkreislaufes vorgeschlagen.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigen:

1 a: eine Fluidpumpe nach dem Stand der Technik in einer ersten perspektivischen Ansicht;
1b: die in 1 gezeigte Fluidpumpe in einer zweiten perspektivischen Ansicht in Form einer Explosionsdarstellung; und
2: eine vorgeschlagene, erfindungsgemäße Anordnung.

Bei der in 1a und 1b gezeigten Fluidpumpe FP handelt es sich um eine seitens der Anmelderin vertriebene elektrische Kühlwasserpumpe in Gestalt einer Radialpumpe, auch Radialkreiselpumpe genannt. Diese Kühlwasserpumpe umfasst dabei einen Elektromotor EM mit einem sog. Spalttopf 10, welcher die Kühlwasserpumpe in einen rotorseitigen Nassraum NR und einen statorseitigen Trockenraum TR unterteilt. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer sog. Spalttopfpumpe. Der Spalttopf 10 ist dabei als spritzgegossenes Kunststoffelement ausgebildet, und zwar aus einem sog. Polyphenylensulfid (PPS). Dieser Werkstoff zeichnet sich durch eine sehr hohe Wärmeformbeständigkeit, eine hohe Chemikalienbeständigkeit und Steifigkeit aus. Der Werkstoff PPS kann dabei als Duroplast oder als Thermoplast hergestellt werden.
Im Nassraum NR befindet sich ein mit Permanentmagneten bestückter Rotor 4, der mit einem Pumpenrad gekoppelt ist. Der Stator 2 und der Spalttopf 10 sind dabei derart miteinander gefügt, als dass sie zueinander einen Spalt S bilden, durch welchen sie an der Fügestelle von einander beabstandet sind (1a).
Der metallische Teil des Stators 2 umfasst dabei ein Blechpaket mit einer Vielzahl von miteinander verbundenen Blechlagen. Das Blechpaket bildet dabei einzelne eine Spulenwicklung 8 tragende Statorzähne 6, deren freie Enden in radialer Richtung der Kühlwasserpumpe dem Spalttopf 10 zugewandt sind.
Der Stator 2 umfasst ferner einen nichtmetallischen Teil in Gestalt einer umspritzten Kunststoffmasse, welche an das Blechpaket stoffschlüssig angeformt ist und sich dabei bis in die Statorzahnzwischenräume, d.h. zwischen die einzelnen spulenumwickelten (vgl. Spule 8) Statorzähne 6 erstreckt. Diese Kunststoffmasse verleiht der Stator-Struktur eine gewisse Steifigkeit.
Im Vergleich dazu wird nunmehr eine Stator-Struktur gemäß 2 vorgeschlagen, bei welcher eine solche Kunststoffumspritzung im Bereich der spulenumwickelten (vgl. Spule 8) Statorzähne 6 entfällt. Die Einsparung dieser Kunststoffmasse geht dabei mit einer Aufweichung der Stator-Struktur einher, die sich während eines Betriebes der Kühlwasserpumpe aufschwingt. Dabei vollführen die einzelnen Statorzähne 6 bzw. deren freie Enden eine wabernde Bewegung relativ zum Trennmittel 10. Dieses Trennmittel 10 ist dabei im Unterschied zur 1a und 1b metallisch, bspw. aus einem Edelstahl.
Die Ausschwingung der Stator-Struktur überträgt sich dabei sowohl auf einen mit dem Blechpaket des Stators 2 gefügten Pumpengehäuseteil - der ebenfalls aus einem PPS-Werkstoff gefertigt ist - als auch auf das metallische Trennmittel 10, welches seinerseits mit diesem Pumpengehäuseteil gefügt ist, so dass auch das Trennmittel 10 entsprechend mittelbar und unmittelbar angeregt wird.
Das Trennmittel 10 steht dabei ferner in einer Wechselwirkung mit einem den Nassraum NR durchströmenden Kühlwasser, welches feine, fertigungsbedingte Formsandpartikel - sog. Quarzsandpartikel - mit sich führt, etwa die bei einer gießtechnischen Fertigung eines Motorblocks anfallenden Formsandpartikel. Die Ausschwingung des Trennmittels 10 überträgt sich dabei auf diese Formsandpartikel, welche als solche bei der Förderung des Kühlwassers gegen das Trennmittel 10 stoßen und dabei einen unerwünschten Geräuschpegel erzeugen, den es erfindungsgemäß zu unterdrücken gilt. Das Trennmittel 10 wirkt dabei wie ein Resonanzkörper, gegen welchen die einzelnen Formsandpartikel anstoßen und dabei einen Körperschall erzeugen, welcher sich auf die gesamte Pumpenstruktur überträgt.
Zur Geräuschreduktion wird dabei vorgeschlagen, die freien Enden der Statorzähne 6 mit dem Trennmittel 10 unter Ausbildung eines Pressverbundes zu fügen, um die Stator-Struktur zu versteifen. Zusätzlich oder alternativ dazu können die freien Enden der Statorzähne 6 mit dem Trennmittel 10 auch stoffschlüssig verbunden werden, um die Versteifung zu bewirken.
Der Pressverbund und/oder der Stoffschluss bewirkt/bewirken dabei eine Feststellung der einzelnen freien Enden der Statorzähne 6 gegenüber dem Trennmittel 10 und somit eine Versteifung der Stator-Struktur.
Der Stoffschluss kann dabei in Gestalt einer Verklebung oder Verschweißung realisiert sein. Demnach müssen die einzelnen freien Enden der Statorzähne 6 nicht zwingend auf dem Trennmittel 10 aufliegen und dabei mit diesem verpresset sein, solange ein entsprechender Stoffschluss die besagte Feststellung bewirkt.
Der Stoffschluss kann dabei an einer von zwei zugeordneten Stirnseiten oder gar an den beiden zugeordneten Stirnseiten eines Statorzahnes 6 vorgesehen sein, etwa unter Ausbildung einer Verklebung mittels eines hochtemperaturfesten Leistungsklebers oder etwa unter Ausbildung einer Verschweißung, etwa einer Punktverschweißung, zumal die einzelnen freien Enden der Statorzähne 6 und das Trennmittel 10 eine metallische Paarung bilden, welche dies ermöglicht.
Diese erfindungsgemäß vorgeschlagene Versteifung wiederum bewirkt eine hinreichende Beabstandung zwischen einer Eigenfrequenz der Stator-Struktur und einer betriebsbedingten Erregerfrequenz des Elektromotors EM. Dies äußert sich vorteilhafterweise in der besagten Geräuschreduktion.
Das Trennmittel 10, welches - wie bereits zuvor ausgeführt ist - entgegen der Darstellung nach dem Stand der Technik (vgl. 1a, 1b) metallisch, etwa in Gestalt eines Edelstahls ausgeführt ist, kann dabei in Gestalt eines Spalttopfes, insbesondere in Gestalt eines Tiefziehbleches ausgebildet sein.
Alternativ dazu lässt sich das Trennmittel 10 auch in Gestalt eines Strangpressprofils ausbilden, welches seinerseits Teil eines zusammengesetzten Spalttopfes sein kann oder aber mit einem zugeordneten Gehäuseabschnitt gefügt und gegen diesen abgedichtet sein kann.
Es wird dabei vorgeschlagen, im Bereich der Fügestelle zwischen den freien Enden der Statorzähne 6 und dem Trennmittel 10 (vgl. 2) eine Materialstärke bzw. -dicke D des Trennmittels 10 von D_min ≤ D ≤ 0,4 mm vorzusehen. Der untere Wert Dmin richtet sich dabei nach der technischen Herstellbarkeit einer solches Mindeststärke bzw. -dicke Dmin. Diese Mindeststärke Dmin kann dabei ca. 0,3 mm betragen.
Eine solche Materialstärke bzw. -dicke D minimiert dabei die Wirbelstromverluste während des Betriebs der Kühlwasserpumpe. Versuche belegen, dass die dabei auftretenden Wirbelstromverluste hinnehmbar und somit vernachlässigbar sind.
Ein beispielsweise aus einem Edelstahl gefertigtes Trennmittel 10 hat zudem den großen Vorteil, dass es vollkommen diffusionsdicht ist und insofern kein Kühlwasser durch das Trennmittel 10 bis zur Steuerelektronik dringen kann, die an einem Ende der Kühlwasserpumpe angeflanscht ist (Funktionssicherheit der Steuerelektronik).
Die Funktionssicherheit ist auch für den Fall gewährt, dass die auf dem Rotor 4 umfangsseitig angeordneten Permanentmagnete wider Erwarten korrodieren, was mit einer Volumenzunahme einhergeht. Eine solche Volumenzunahme kann ein aus einem Kunststoff gefertigtes Trennmittel mit der Zeit zerstören und folglich zu einem Funktionsausfall der Steuerelektronik führen.
Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.

Claims

Fluidpumpe, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, aufweisend: - ein Gehäuse; - wenigstens ein Pumpenrad zum Fördern eines Fluids durch einen Fluidraum des Gehäuses; und - wenigstens einen Elektromotor (EM) mit wenigstens einem Stator (2) in einem Statorraum des Gehäuses zum Antreiben wenigstens eines mit dem Pumpenrad gekoppelten und nasslaufenden Rotors (4) des Elektromotors (EM), wobei der Stator (2), welcher im Bereich seiner eine Spulenwicklung (8) tragenden Statorzähne (6) spritzgussfrei ausgebildet ist, mit einem metallischen Trennmittel (10) gefügt ist, welches die Fluidpumpe (FP) in einen rotorseitigen Nassraum (NR) und einen statorseitigen Trockenraum (TR) unterteilt, wobei die mit dem Trennmittel (10) gefügten freien Enden der Statorzähne (6) mit dem Trennmittel (10) einen Pressverbund und/oder einen Stoffschluss bilden, um die Stator-Struktur zu versteifen.
Fluidpumpe nach Anspruch 1, wobei das metallische Trennmittel (10) im Fügebereich eine Materialdicke (D) von Dmin ≤ D ≤ 0,4 mm aufweist, wobei Dmin die kleinste technisch herstellbare Wanddicke beschreibt.
Fluidpumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Trennmittel (10) in Gestalt eines Spalttopfes, insbesondere in Gestalt eines Tiefziehbleches ausgebildet ist.
Fluidpumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Trennmittel (10) in Gestalt eines Strangpressprofils ausgebildet ist.
Fluidpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die einzelnen Statorzähne (6) mit dem Trennmittel (10) verklebt oder verschweißt sind.
Fluidpumpe nach Anspruch 5, wobei die Verklebung oder Verschweißung an zumindest einer von zwei zugeordneten Stirnseiten eines Statorzahnes (6) vorgesehen ist.
Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Fluidpumpe (FP) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Versteifung einer Stator-Struktur einer Fluidpumpe (FP), bei welchem ein Stator (2), welcher im Bereich seiner eine Spulenwicklung (8) tragenden Zähne (6) spritzgussfrei ausgebildet ist, mit einem metallischen Trennmittel (10), welches die Fluidpumpe (FP) in einen rotorseitigen Nassraum (NR) und einen statorseitigen Trockenraum (TR) unterteilt, derart gefügt wird, dass die dem Trennmittel (10) zugewandten freien Enden der Statorzähne (6) mit dem Trennmittel (10) einen Pressverbund und/oder einen Stoffschluss bilden, so dass die freien Enden der Statorzähne (6) gegenüber dem Trennmittel (10) festgestellt werden.
Verwendung einer Fluidpumpe (FP) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Kühlung und/oder Temperierung eines Kühlwasserkreises.