DE10242014B4

DE10242014B4 - Förderaggregat mit elektrisch ansteuerbarer Betätigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10242014B4
Application number: DE10242014A
Authority: DE
Inventors: Juergen Herp; Wolfgang Krauth; Ingo Ramesohl; Claude Berling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2022-09-12
Also published as: DE10242014A1

Abstract

Förderaggregat (1) zur Umwälzung einer Flüssigkeit in einem Kreislauf (11) mit einem Gehäuse (2), in welchem eine Antriebswelle (5) gelagert ist, die über einen Antrieb (4) angetrieben ist und die ein Pumpenrad (9) enthält, welches die Flüssigkeit innerhalb des Kreislaufes (11) umwälzt, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses (2) des Förderaggregates (1) eine elektromagnetische Kupplung (22) angeordnet ist, die über eine Halbleiterleistungsschalter (36, 38, 39) enthaltende Elektronik angesteuert wird, der ein Pulsweitenmodulationssignal (35) aufgeschaltet ist, wobei ein erster Teil der elektromagnetischen Kupplung (22) als eine in einem Wicklungsträger (23) aufgenommene, bestrombare Wicklung (24) ausgebildet ist, so dass das Pumpenrad (9) mit einer von der Drehzahl n₁ des Antriebes (4) verschiedenen Drehzahl n₂ antreibbar ist.

Description

Technisches Gebiet
Da Wasser eine hohe spezifische Wärmekapazität und einen guten Wärmeübergang zwischen Werkstoff und Kühlmedium aufweist, werden die meisten Fahrzeugmotoren heute mit Wasser gekühlt. Die Luft-Wasser-Umlaufkühlung ist das meist angewandte System. Sie hat einen geschlossenen Kreislauf der den Zusatz von Schutzmitteln gegen Korrosion und Gefrieren erlaubt. Das Kühlwasser wird mit einer Kühlwasserpumpe durch den Motor und einen Luft-Wasser-Kühler gepumpt. Die Kühlluft wird durch den Fahrtwind oder durch einen Zusatzlüfter durch den Kühler befördert. Die Kühlwassertemperatur wird in der Regel mittels eines Thermostatventiles durch Umgehung des Kühlers geregelt.

In Kraftfahrzeugen kommen heute weitestgehend mechanische Kühlwasserpumpen zum Einsatz, deren Antrieb in der Regel über einen Riementrieb von der Verbrennungskraftmaschine aus erfolgt. Dazu ist auf der Welle der Kühlwasserpumpe eine Riemenscheibe angeordnet. Auf der durch die Riemenscheibe angetriebenen Welle der Kühlwasserpumpe befindet sich das Pumpenrad, welches die Kühlflüssigkeit innerhalb des Kühlkreislaufes umwälzt, welches im Kühler der Verbrennungskraftmaschine durch den Fahrtwind abgekühlt wird.

Eine Schwachstelle bei Kühlwasserpumpen stellt die Wellendichtung dar. Mittels eines Wellendichtringes wird der von der Kühlflüssigkeit befüllte Innenraum der Kühlwasserpumpe nach außen hin abgedichtet. Der Wellendichtrng dichtet demnach die rotierende, über die Riemenscheibe angetriebene Welle gegen das stationär angeordnete Gehäuse der Kühlwasserpumpe nach außen ab, um einen Austritt der Kühlflüssigkeit über den Spalt zwischen der Umfangsfläche der angetriebenen Welle und der Bohrung im Gehäuse der Kühlwasserpumpe zu verhindern. Mit der Zeit wird dieser Wellendichtrng aus den ver schiedensten Gründen undicht, was zu einem schleichenden Verlust von Kühlflüssigkeit führen kann.

Ferner sind mechanische Kühlwasserpumpen mit den Nachteil behaftet, dass sie durch den Riementrieb zwangsweise an die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine – unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses des Riementriebes – gekoppelt sind. Dadurch ist die Förderleistung der Kühlwasserpumpe der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine proportional. Eine Anpassung an die tatsächlich benötigte Förderleistung an Kühlflüssigkeit kann mit diesem Antriebskonzept nicht verwirklicht werden.

Aus DE 2 109 341 A ist eine Kühlwasserpumpe für Automobile bekannt. Diese umfasst ein Antriebselement, vorzugsweise eine Keilriemenscheibe, eine Antriebswelle und ferner ein Pumpenlaufrad. Das Pumpenlaufrad wirkt mit dem Pumpengehäuse zusammen. Die Antriebswelle treibt einen magnetischen Polring an, der einen zweiten magnetischen Polring mitnimmt, wobei sich der erste Polring in einem Gehäuse befindet, dessen Oberfläche mit der Kühlflüssigkeit und dessen andere obere Oberfläche mit Außenluft kommunizieren. Der zweite Polring ist aus einem Weicheisen und einem Wirbelstromleiter gefertigt, wobei Eisen- und/oder Leiterquerschnitt so bemessen sind, dass sie im niederen Drehzahlbereich bis etwa zur hälftigen Betriebsdrehzahl annähernd drehzahlproportionale Momente übertragen, während bei hohen Drehzahlen die magnetische und/oder elektrische Stromdichte so groß wird, dass die Drehzahl-Drehmomentenkurve zu größeren Schlupfdrehzahlen hin abknickt.

Aus US 1,982,971 ist eine Fluidpumpe bekannt, deren Antriebskupplung als elektromagnetische Kupplung beschaffen ist. Mit Hilfe der elektromagnetischen Kupplung wird ein indirekter Antrieb zwischen einer anzutreibenden Welle der Pumpe und einer Antriebswelle hergestellt.

Darstellung der Erfindung

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Förderaggregat zur Umwälzung einer Kühlflüssigkeit, wie zum Beispiel die Kühlflüssigkeit innerhalb eines Kühlkreislaufes einer Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt, welches einen trockenen Teil sowie einen von der Kühlflüssigkeit benetzten, nassen Teil aufweist. Der trockene und der nasse Teil der Kühlwasserpumpe sind durch eine beispielsweise in Topfform ausbildbare Wandung voneinander getrennt. Die Wandung kann aus Kunststoff gefertigt werden und stützt sich einerseits am Gehäuse der Kühlwasserpumpe ab und andererseits auf einer Buchse, welche innerhalb des Gehäuses der Kühlwasserpumpe angeordnet ist.

Die Antriebswelle der Kühlwasserpumpe stellt eine erste Welle dar, auf der die Riemenscheibe angeordnet ist, über welche der Antrieb der Kühlwasserpumpe erfolgt; ferner ist eine Pumpenradwelle vorgesehen, die das Pumpenrad aufnimmt, mit dem die Kühlflüssigkeit im Kühlkreislauf umgewälzt wird. Die beiden einander zuweisenden Stirnseiten der Antriebswelle und der Pumpenradwelle werden von Lagerungsstellen, die im nassen Teil der Kühlwasserpumpe als Gleitlager und im trockenen Teil der Kühlwasserpumpe als Gleitlager oder als Kugellager ausgebildet sein können, in der erwähnten Buchse aufgenommen. Zwischen der Antriebswelle und der Pumpenradwelle ist eine elektromagnetische Kupplung aufgenommen, die es ermöglicht, ohne den Einbau einer Dichtung Leistung an das Pumpenrad der Kühlwasserpumpe zu übertragen. Dazu befindet sich auf der Antriebswelle im trockenen Teil der Kühlwasserpumpe eine rotierende Wicklung und jenseits der den trockenen Teil vom nassen Teil der Kühlwasserpumpe trennenden Wandung, ein auf der Pumpenradwelle aufgenommener Rotor mit Magneten.

Mit der vorgeschlagenen Ausbildung einer elektromagnetischen Kupplung zwischen der Antriebswelle und der Pumpenradwelle, d. h. einer ersten Teilwelle und einer zweiten Teilwelle innerhalb des Gehäuses der Kühlwasserpumpe, kann eine dichtungsfreie Lei stungsübertragung an das Pumpenrad der Kühlwasserpumpe erfolgen. Mit dieser Lösung ist eine beliebige, variabel und stufenlos vornehmbare Drehzahländerung des Pumpenrades erreichbar, unabhängig von der Drehzahl des die Antriebswelle über einen Riementrieb antreibenden Verbrennungsmotors. Die mögliche Drehzahländerung des Pumpenrades und damit die erreichbare Förderleistung der Kühlwasserpumpe verläuft innerhalb eines Drehzahlkennfeldes und ist abhängig von der Taktung eines pulsweitenmodulierten Ansteuersignales, mit dem die Wicklung der elektromagnetischen Kupplung angesteuert wird.

Mittels einer Steuerungselektronik wird die Leistung der elektromagnetischen Kupplung gesteuert und damit die jeweilige Förderleistung der Kühlwasserpumpe unabhängig von der Drehzahl des die Kühlwasserpumpe antreibenden Verbrennungsmotors eingestellt. Mit der vorgeschlagenen Konfiguration eines als Kühlwasserpumpe in einem Kraftfahrzeug einsetzbaren Förderaggregates kann in bestimmten Betriebszuständen Strom in die Batterie des Kraftfahrzeuges eingespeist werden; eine Stromentnahme aus diesem Energiespeicher unterbleibt hingegen, da der Antrieb der Kühlwasserpumpe direkt über die Verbrennungskraftmaschine erfolgt. Durch die vorgeschlagene Lösung wird ein zur Kühlwasserumwälzung in einer Verbrennungskraftmaschine geeignetes Förderaggregat geschaffen, dessen Drehzahl stufenlos geändert werden kann, was eine spezifische Anpassung der Förderleistung an Betriebsbedingungen eines zu kühlenden Aggregates, wie zum Beispiel der Verbrennungskraftmaschine in einem Kraftfahrzeug ermöglicht.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
1 den Längsschnitt durch das Gehäuse eines Förderaggregates mit elektromagnetischer Kupplung,
2 die Ansteuerung der Wicklung der elektromagnetischen Kupplung über ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal,
3 den Verlauf der EMK, aufgetragen über die Zeitachse,
4 den Verlauf des Stromes I der Kupplungswicklung, aufgetragen über die Zeitachse,
5 den Verlauf des Drehmomentes, welches über die elektromagnetische Kupplung abhängig von der Bestromung der Wicklung übertragen werden kann, ebenfalls aufgetragen über die Zeitachse,
6 die schematische Wiedergabe eines Drehzahlkennlinienfeldes mit mehreren Drehzahlkennlinien und
7 einen Querschnitt durch das Förderaggregat gemäß der Darstellung in 1, wobei der Schnitt durch den Rotor mit Magneten im nassen Teil und die Wicklung im trockenen Teil des Förderaggregates verläuft.
Ausführungsvarianten
1 ist der Längsschnitt durch das Gehäuse eines Förderaggregates mit einer elektromagnetisch betätigbaren Kupplung entnehmbar.
Ein Förderaggregat 1 zur Umwälzung einer Flüssigkeit, wie zum Beispiel der Kühlflüssigkeit zur Kühlung einer Verbrennungskraftmaschine, umfasst ein Gehäuse 2. Das Gehäuse 2 wird durch eine Wand 3 gebildet, die eine Flanschverbindung 33 an der hier nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges umfasst. Das in 1 im Längsschnitt dargestellte Förderaggregat 1 umfasst eine Antriebswelle 5 und eine Pumpenradwelle 10. Die Antriebswelle 5 des Förderaggregates 1 ist einerseits in einem Wälzlager 14 im Gehäuse 2 des Förderaggregates 1 aufgenommen. An der Antriebswelle 5 zum Antrieb des an der Pumpenradwelle 10 aufgenommen Pumpenrades 9, ist eine Riemenscheibe 4 befestigt, welche über eine in 1 nicht dargestellten Zahnriemen oder flankenoffenen Keilriemen über die Verbrennungskraftmaschine (ebenfalls nicht dargestellt) angetrieben wird. Der Durchmesser der Riemenscheibe 4 der Antriebswelle 5 und der weiteren Riemenscheibe des die Antriebswelle 5 antreibenden Riementriebes, bestimmt das Über-/Untersetzungsverhältnis, mit welchem die Antriebswelle 5 des Förderaggregates 1 antreibbar ist.
Im Inneren des Gehäuses 2 des Förderaggregates 1 ist eine Buchse 6 aufgenommen, die eine erste Lagerstelle 7 sowie eine zweite Lagerstelle 8 enthält, die als Lagerstellen für die Antriebswelle 5 und die Pumpenradwelle 10 dienen. Im nassen Teil des Förderaggregates erfolgt die Schmierung durch das umgewälzte Kühlwasser, während im trockenen Teil des Förderaggregates 1 eine Schmierung der Lagerungsstellen durch ein Schmiermedium mit reibungsvermindernden Eigenschaften erfolgt.
Die erste Lagerstelle 7 an der Buchse 6 befindet sich innerhalb eines trockenen Teiles 29 des Förderaggregates 1, während sich die zweite Lagerstelle 8 der Buchse 6 im nassen Teil 30 innerhalb des Gehäuses 2 des Förderaggregates 1 befindet. Die Pumpenradwelle 10 ist an ihrem benachbart zur Stirnseite 16 liegenden Ende durch die zweite Lagerstelle 8 der Buchse 6 abgestützt, während am laufradseitigen Ende der Pumpenradwelle 10 eine weitere, als Gleitlager ausgebildete Lagerstelle 17 angeordnet ist. Die Antriebswelle 5 mit daran aufgenommener Riemenscheibe 4 sowie die Pumpenradwelle 10 mit daran aufgenommenem Pumpenrad 9 weisen eine miteinander fluchtende Symmetrielinie 13 auf. Im Unterschied zu konventionellen mechanischen Kühlwasserpumpen ist in der erfindungsgemäß ausgebildeten Kühlwasserpumpe eine zwei Teilwellen 5 bzw. 10 umfassende Antriebsanordnung ausgebildet, wobei die einander zuweisenden Stirnseiten 15 bzw. 16 der Antriebswelle 5 und der Pumpenradwelle 10 innerhalb der Buchse 6 liegen, welche die erste Lagerstelle 7 und die zweite Lagerstelle 8 aufnimmt.
Innerhalb des durch die Wand 3 des Gehäuses 2 begrenzten Hohlraumes des Förderaggregates 1 werden der bereits erwähnte trockene Teil 29 und der erwähnte nasse Teil 30 durch eine Trennwand 25 voneinander getrennt. Die Trennwand 25 kann vorzugsweise in topfförmiger Konfiguration beschaffen sein und fixiert die Buchse 6, welche ihrerseits die erste Lagerstelle 7 und die zweite Lagerstelle 8 zur Abstützung der Antriebswelle 5 und der Pumpenradwelle 10 aufnimmt, innerhalb des Hohlraumes des Gehäuses 2 des Förderaggregates 1. Die Trennwand 25, welche bevorzugt aus einem Kunststoffmaterial gefertigt wird, ist ferner im Bereich der Flanschverbindung 33 des Gehäuses 2 mit der Verbrennungskraftmaschine befestigt. Durch die topfförmig konfigurierte Trennwand 25 werden der trockene Teil 29 und der nasse Teil 30 des Innenraumes des Gehäuses 2 voneinander getrennt.
Die topfförmig ausbildbare Trennwand 25 trennt darüber hinaus die Komponenten einer elektromagnetischen Kupplung 22 voneinander. An der Antriebswelle 5 des Förderaggregates 1 ist ein rotierender Wicklungskörper 23 aufgenommen, welcher topfförmig ausgebildet werden kann und sich durch den trockenen Teil 29 des Innenraumes des Gehäuses 2 erstreckt. Innerhalb des rotierenden Wicklungsträgers 23 ist eine Wicklung 24 aufgenommen. Diese Wicklung 24 ist durch Schleifringkontakte 18 bzw. 19 bestrombar. Die Bestromung der Schleifringkontakte 18 bzw. 19 und damit der Wicklung 24 innerhalb des mit der Antriebswelle 5 rotierenden Wicklungsträgers 23, erfolgt über eine Stromübertragung 20 über Leitungen 21, die hier lediglich schematisch angedeutet sind. Entsprechend der Bestromung der Wicklung 24, die innerhalb des rotierenden Wicklungsträgers 23 aufgenommen ist, erfolgt die Einleitung eines von der Bestromung der Wicklung 24 abhängigen Drehmomentes in die elektromagnetische Kupplung 22. Während der die bestrombare Wicklung 24 aufnehmende Wicklungsträger 23 einer Außenseite 26 der topfförmig konfigurierten Trennwand 25 gegenüberliegt, ist auf einer Innenseite 27, d. h. im nassen Teil 30 des Förderaggregates 1 ein Kupplungsrotor 31 angeordnet. Dieser ist drehfest mit der Pumpenradwelle 10 verbunden und umfasst an seiner Umfangsfläche Permanentmagnete 32, von denen in 1 ein Permanentmagnet im Schnitt angedeutet ist. Die Permanentmagnete 32 sind an der Umfangsfläche des Kupplungsrotors 31 (vgl. Darstellung im Querschnitt in 7) in einer bestimmten Teilung aufgenommen, beispielsweise vier Permanentmagnete 32 unterschiedlicher Polarität am Umfang des Kupplungsrotors 31, wie aus 7 hervorgeht.
Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Förderaggregat 1 gemäß der Darstellung in 1 sind die Antriebswelle 5 und die das Pumpenrad 9 aufnehmende Pumpenradwelle 10 in einer gehäusefest angeordneten Buchse 6 aufgenommen, wodurch die Antriebswelle 5, die über die Riemenscheibe 4 vom Riementrieb über die Verbrennungskraftmaschine angetrieben ist und die Pumpenradwelle 10 mit daran aufgenommenem Pumpenrad 9 unabhängig voneinander drehen. Der sich zwischen der Drehzahl n₁ der Antriebswelle 5 und der Drehzahl der Pumpenradwelle 10 ergebende Drehzahlunterschied ist durch die elektromagnetische Kupplung 22 einstellbar. Dazu wird die an der Antriebswelle 5 angeordneten rotierenden Wicklungsträger 23 aufgenommene durch von diesem Wicklungsträger 23 umschlossene bestrombare Wicklung 24 über die am Umfang der Antriebswelle 5 aufgenommenen Schleifringkontakte 18 bzw. 19 bestromt. Die Bestromung der Wicklung 24 innerhalb des Wicklungsträgers 23 erfolgt über Leistungshalbleiter, wie zum Beispiel Transistoren (vgl. Darstellung gemäß 2), die über ein in seiner Taktung veränderliches Pulsweitenmodulations-Signal 35 (vgl. Darstellung gemäß 2) angesteuert werden. Abhängig von der Bestromung der Wicklung 24 der elektromagnetischen Kupplung 22 kann zwischen dem ersten Teil 23, 24 der Kupplung, gebildet durch den Wicklungsträger 23 und die bestrombare Wicklung 24 sowie einem zweiten Teil 31, 32 der elektromagnetischen Kupplung 22 ein Schlupf eingestellt werden, durch den das auf die Pumpenradwelle 10 und damit auf das Pumpenrad 9 übertragbare Drehmoment eingestellt werden kann. Abhängig von diesem übertragbaren Drehmoment an das Pumpenrad 9 stellt sich eine von der Drehzahl n₁, mit der die Antriebswelle 5 über eine Verbrennungskraftmaschine beispielsweise antreibbar ist, unterschiedliche Drehzahl n₂ ein, welche die Förderleistung der Kühlwasserpumpe bestimmt und somit unabhängig von der Antriebsdrehzahl n₁, die über die Riemenscheibe 4 die Antriebswelle beaufschlagt, eingestellt werden kann. Der Darstellung gemäß 2 ist die Ansteuerung der bestrombaren Wicklung der elektromagnetischen Kupplung über ein Pulsweitenmodulations-Signal zu entnehmen.
Aus der Darstellung gemäß 2 geht hervor, dass die bestrombare Wicklung 24, 40 der elektromagnetischen Kupplung 22 – hier durch ein Induktivitäts-Symbol angedeutet – über zwei Leistungshalbleiter 36 bzw. 38 angesteuert wird. Die Leistungshalbleiter 36 bzw. 38 sind in der Ausführungsvariante gemäß 2 als Transistorbauelemente ausgebildet und umfassen jeweils eine Transistorbasis 39. Die Leistungshalbleiter 36 bzw. 38 werden über ein Pulsweitenmodulations-Signal 35 angesteuert, was hinsichtlich seiner ansteigenden und seiner absteigenden Signalflanken getaktet werden kann. Zwischen den Anschlussklemmen der bestrombaren Wicklung 24, 40 der elektromagnetischen Kupplung 22 und einem Anschluss 43 für die Fahrzeugbatterie sind eine erste und eine zweite Freilaufdiode 41, 42 angeordnet. Über die in 2 dargestellte Schaltung zur Bestromung der bestrombaren Wicklung 24, 40 der elektromagnetischen Kupplung 22 ist eine Rückspeisung von "Restenergie" ins Bordnetz eines Kraftfahrzeuges, d. h. entweder in dessen Energiespeicher (Fahrzeugbatterie) oder das Bordnetz, möglich. Eine Rückspeisung von Energie in den Fahrzeugspeicher (Fahrzeugbatterie) oder das Bordnetz erfolgt abhängig von Betriebszuständen der elektromagnetischen Kupplung 22 innerhalb des Förderaggregates 1. Ein solcher Betriebszustand, der eine Rückspeisung von Energie in das Bordnetz bzw. den Energiespeicher eines Fahrzeuges ermöglicht, ist dann gegeben, wenn eine Drehzahldifferenz zwischen dem Kupplungsrotor 31 und der bestrombaren Wicklung 24 des Förderaggregates 1 auftritt. Die in das Bordnetz zurückgespeiste Leistung ergibt sich aus der Drehzahldifferenz zwischen dem Kupplungsrotor 31 und der bestrombaren Wicklung 24 multipliziert mit dem Drehmoment sowie mit dem Wirkungsgrad η.
Durch das getaktete Pulsweitenmodulations-Signal 35 kann das durch die elektromagnetische Kupplung 22 abhängig von der Bestromung von deren bestrombaren Wicklung 24 übertragbare Drehmoment nahezu über den gesamten Drehzahlbereich des Förderaggregates 1 innerhalb eines Kennfeldes (vgl. Darstellung in gemäß 6) beliebig eingestellt werden. Durch ein in seiner Taktung veränderbares Pulsweitenmodulations-Signal 35 erfolgt eine Phasenverschiebung 47 der induzierten elektromotorischen Kraft (EMK) durch eine entsprechende Anpassung des Pulsweitenmodulations-Signal 35 bis die gewünschte Drehzahl n₂ der das Pumpenrad 9 aufnehmenden Pumpenradwelle 10 innerhalb des Förderaggregates 1 erreicht ist. Das über die elektromagnetische Kupplung 22 übertragbare Drehmoment ergibt sich als Funktion des Drehzahlunterschiedes ΔN und sowie der Taktung des pulsweitenmodulierten Signales 35. Der Phasenversatz 47 der induzierten elektromotorischen Kraft (EMK) ist durch das pulsweitenmodulierte Signal 35 veränderbar, so dass abhängig vom eingestellten Phasenversatz sich die gewünschte Drehzahl n₂ an der unabhängig von der Antriebswelle 5 gelagerten, das Pumpenrad 9 aufnehmenden Pumpenradwelle 10 eingestellt werden kann. Das Drehmoment des Förderaggregates 1 ist nahezu beliebig einstellbar über den gesamten Drehzahlbereich, da das pulsweitenmodulierte Si gnal 35 in einem weiten Bereich eingestellt werden kann. Aufgrund der Taktung des pulsweitenmodulierten Signales 35 kann eine Phasenverschiebung erzielt werden, die den Motorstrom I auf Null zwingen. Über ein pulsweitenmodulierten Signal 35, welches einem Tastverhältnis von 100% entspricht, ist eine minimale Drehzahldifferenz von nur einigen Umdrehungen notwendig, um die in den Halbleiterbauelementen 36, 38 überzeugte Verlustleistung sowie die ohmschen Verluste der bestrombaren Wicklung 24 der Kontaktierung zu kompensieren. Dieser Betriebszustand, bei dem die Halbleiterbauelemente 36, 38 permanent offen stehen, ist mit dem einer statorseitig kurzgeschlossenen, permanent erregten Synchronmaschine vergleichbar.
Der Phasenversatz 47 der reduzierten elektromotorischen Kraft ist eine Funktion der Phaseninduktivität, des Drehzahlunterschiedes sowie der Taktung des pulsweitenmodulierten Ansteuersignales 35 der Halbleiterbauelemente 36 bzw. 38 der Leistungselektronik zur Steuerung des Förderaggregates 1. Aus den 3, 4 und 5, gehen der Verlauf der elektromotorischen Kraft, der Bestromung der Wicklung 24, 40 der elektromagnetischen Kupplung 22 sowie der Verlauf des mit der elektromagnetischen Kupplung 22 übertragbaren Drehmomentes näher hervor.
Aus der übereinanderliegend wiedergegebenen Darstellung der Verläufe der angesprochenen Größen geht hervor, dass die induzierte elektromotorische Kraft 44 eine vom in 4 dargestellten Phasenversatz 47 abhängigen Verlauf aufweist, was den Beitrag 45 zum über die elektromagnetische Kupplung 22 übertragbaren Kupplungsmoment betrifft. Der in 4 eingetragene Phasenversatz 47 des Spulenstromes 46, der durch die Halbleiterbauelemente 36 bzw. 38 der bestrombaren Wicklung 24 bzw. 40 aufgegeben wird, ist durch die Taktung des die Halbleiterbauelemente 36 bzw. 38 ansteuernden Pulsweitenmodulations-Signales 35 variierbar. Durch die Steuerung des Phasenversatzes 47 des Phasenstromes der bestrombaren Wicklung 24 lässt sich die induzierte elektromotorische Kraft 44 so verändern, bis die gewünschte Abtriebsdrehzahl n₂, d. h. die Drehzahl des Pumpenrades 9 auf der Pumpenradwelle 10 erreicht ist. 5 zeigt den Verlauf des mit der elektromagnetischen Kupplung 22 übertragbaren Drehmomentes 48, welches ebenfalls um den Phasenversatz 47 in Bezug auf die Zeitachse verschoben ist, der sich durch eine entsprechende Veränderung der Taktung hinsichtlich der Anstiegs- bzw. der Abnahmeflanken des Pulsweitenmodulations-Signales 35 einstellen lässt.
In der in 2 schematisch wiedergegebenen Ausführungsvariante der Schaltung zur Bestromung der Wicklung 24, 40, welche dort als Induktivität dargestellt ist, kommen Transistoren als Halbleiterleistungsschalter 36 bzw. 38 zum Einsatz. Bei den hier schematisch angedeuteten Transistoren 36 bzw. 38 kann es sich sowohl um MOSFET-Transistoren, um Bipolar-Transistoren oder auch um IGBT-Transistoren oder IGCT-Transistoren handeln.
6 zeigt die schematische Wiedergabe eines Drehzahlkennfeldes, die Abhängigkeit des übertragbaren Drehmomentes von der Drehzahländerung darstellend.
Das maximal, über die Bestromung der bestrombaren Wicklung 24 der elektromagnetischen Kupplung 22 übertragbare Kupplungsmoment ist durch die 100%-Linie dargestellt. Steigt die Frequenz der Wicklung an, erfolgt ein Phasenversatz von Strom I und Spannung U, was zu einer Abnahme des mit der elektromagnetischen Kupplung 22 übertragbaren Kupplungsmomentes führt. Dem wird durch die Taktung des pulsweitenmodulierten Signales 35 hinsichtlich der Pulspausen zwischen steigenden Flanken des pulsweitenmodulierten Signales 35 durch Absenkung des Stromes I innerhalb des Kennlinienfeldes entgegengewirkt.
In das Kennlinienfeld 50 gemäß der Darstellung in 6 sind eine erste Kennlinie 51 sowie weitere Kennlinien 52, 53, 54 eingetragen. Durch die Ansteuerung der Halbleiterbauelemente 36 bzw. 38 durch eine getaktetes Pulsweitenmodulations-Signal 35 gemäß der Darstellung in 2, lässt sich nahezu jeder Punkt auf den Kennlinien 51, 52, 53 und 54 durch entsprechende Variation des Pulsweitenmodulations-Signales 35 einstellen, was durch den in 6 dargestellten Pfeil, der mit Bezugszeichen 35 identifiziert ist, angedeutet wird. Im Gegensatz zu klassischen EC-Motoren ist eine Kenntnis der absoluten Lagedifferenz zwischen dem Stator, d. h. der bestrombaren Wicklung 24 und dem Kupplungsrotor erforderlich. Dies stellt eine erhebliche Einfahrung aufgrund des Wegfalles von die Drehlage sensierenden Sensoren dar. Ferner können aufwendige indirekte Messverfahren und Modelle eingespart werden.
7 ist ein Querschnitt durch das Förderaggregat gemäß der Darstellung in 1 zu entnehmen, wobei der Schnitt durch den Kupplungsrotor und durch den Kupplungsrotor im nassen Teil und die bestrombare Wicklung im trockenen Teil der elektromagnetischen Kupplung verläuft.
In der Darstellung gemäß 7 ist die Trennwand 25, welche den trockenen Teil 29 des Innenraumes des Gehäuses 2 vom nassen Teil 30 trennt, aus Gründen der Klarheit nicht dargestellt. Im in 7 ebenfalls nicht dargestellten Wicklungsträger 23 ist die bestrombare Wicklung 24 angeordnet. Die bestrombare Wicklung 24 enthält einzelne Wicklungsnuten 61 – in der Ausführungsvariante gemäß 7 vier Wicklungsnuten 61 – in welche die einzelnen Wicklungsdrähte eingelassen sind. An der einem Luftspalt 60 zwischen der be strombaren Wicklung 24 und den als Permanentmagneten 67 bzw. 68 ausgebildeten Polen 32 des Kupplungsrotors 31, sind Öffnungen 63 ausgebildet, über welche die bestrombare Wicklung 24 bewickelbar ist. Der in 7 mit dem Bezugszeichen 60 bezeichnete Luftspalt zwischen den als Permanentmagneten 67 bzw. 68 ausgebildeten Polen 32 des Kupplungsrotors 31 beträgt einige mm aufgrund dicker ausbildbarer Trennwände sowie einer fehlenden Abstützung gegen Bleche. Am Umfang des Kupplungsrotors 61, der auf der Pumpenradwelle 10 aufgenommen ist, sind in der Darstellung gemäß 7 vier Permanentmagneten 32 unterschiedlicher Polung aufgenommen. Anstelle der in 7 dargestellten vier Pole kann der Kupplungsrotor 31 auch eine größere Anzahl von Polen aufweisen, wobei dann die im in 7 nicht dargestellten Wicklungsträger 23 bestrombarer Wicklung 24 dementsprechend zu modifizieren ist. Je nach Polung des Permanentmagneten 67 bzw. 68 stellen sich eine abstoßende magnetische Kräfte bzw. in Gegenrichtung wirkende magnetische Kräfte ein, wobei durch die Pfeile 64, 65 der durch die Magnete erzeugte Flussverlauf in der dargestellten Rotorstatorstellung angedeutet ist. Die einzelnen Wicklungspakete der bestrombaren Wicklung 24, werden über eine Leitung 62 bestromt, welche mit den in 1 dargestellten Leitungen 21, des ersten Schleifringkontaktes 18 bzw. des zweiten Schleifringkontaktes 19 in Verbindung stehen, welche die Stromübertragung 20 an die bestrombare Wicklung 24 im trockenen Teil 29 des Innenraum des Gehäuses 2 des Förderaggregates 1 sicherstellen. Bei der mit Bezugszeichen 24 gekennzeichneten bestrombaren Wicklung kann es sich um eine solche Wicklung handeln, die ein magnetisch leitfähiges (hochpermeables) Material umfasst, welches als Blechpaket mit aufgewickelten Kupferspulen beschaffen ist. Diese kann sowohl als Einzelzahnwicklung als auch in anderen Wicklungsvarianten ausgebildet werden. Die einzelnen Wicklungspakete sind über Verbindungsleitungen 66 jeweils miteinander verbunden. Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ausbildung eines Förderaggregates für zur Förderung bzw. Umwälzung eines Mediums wie beispielsweise der Kühlflüssigkeit in der Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges ist es möglich, dichtungsfrei die Förderleistung an das Pumpenrad 9 zu übertragen. Mittels der in 2 schematisch wiedergegebenen Elektronik kann die durch die elektromagnetische Kupplung 22 übertragbare Kopplungsleistung variiert werden und somit die Förderleistung des Förderaggregates 1 unabhängig von dessen Antriebsleistung variiert werden. Die Drehzahländerung, d. h. der Drehzahlunterschied zwischen der Pumpenradwelle 10 und der Antriebswelle 5 ist unabhängig von der Drehzahl des die Antriebswelle 5 über die Riemenscheibe 4 antreibenden Verbrennungskraftmaschine und innerhalb eines erreichbaren Drehzahlkennfeldes (vgl. 6) beliebig variabel. Die Leistungsteile 36 bzw. 38 der in 2 dargestellten Elektronik lassen sich durch ein Pulsweitenmodulations-Signal 35 aktiv steuern, ohne dass es einer Stromeinspeisung aus dem Energiespeicher eines Kraftfahrzeuges (Fahrzeugbatterie) bedarf. Im Gegenteil, in bestimmten Betriebszuständen der elektromagnetischen Kupplung 22 kann eine Einspeisung von Energie über die Freilaufdioden 41, 42 (vgl. Darstellung gemäß 2) in den Energiespeicher 43 des Kraftfahrzeuges erfolgen. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung stellt ein Förderaggregat 1 mit einer elektromagnetischen Kupplung 22 bereit, welches eine Drehzahländerung gewährleistet.

1: Förderaggregat
2: Gehäuse
3: Wand
4: Riemenscheibe
5: Antriebswelle
6: Buchse
7: erstes Gleitlager
8: zweites Gleitlager
9: Pumpenrad
10: Pumpenradwelle
11: Kühlkreislauf
12: Schaufel
13: Symmetrieachse
14: Wälzlager
15: Stirnseite Antriebswelle 5
16: Stirnseite Pumpenradwelle 10
17: Lager Pumpenradwelle
18: erster Schleifringkontakt
19: zweiter Schleifringkontakt
20: Stromübertragung
21: Zuleitungen
22: elektromagnetische Kupplung
23: rotierender Wicklungskörper
24: bestrombare Wicklung
25: Trennwandung
26: Trennwand Außenseite
27: Trennwand Innenseite
28: Gehäuse Innenseite
29: trockener Teil
30: nasser Teil
31: Kupplungsrotor
32: Magnete
33: Flanschverbindung
34: Teilungsfuge
35: PWM-Ansteuersignal
36: erstes Halbleiterbauelement (Transistor)
37: GND-Anschluss
38: zweites Halbleiterbauelement (Transistor)
39: Transistorbasis
40: Induktivität (bestrombare Wicklung 24)
41: erste Freilaufdiode
42: zweite Freilaufdiode
43: Anschluss Bordnetz
44: Verlauf elektromotorische Kraft (EMK)
45: Beitrag Drehmoment
46: Spulenstrom
47: Phasenversatz zu EMK durch Taktung
48: übertragbares Drehmoment
50: Kennlinienfeld
51: erste Kennlinie (entspricht zum Beispiel 100% PWM)
52: zweite Kennlinie (entspricht zum Beispiel 90% PWM)
53: dritte Kennlinie (entspricht zum Beispiel 80% PWM)
54: vierte Kennlinie (entspricht zum Beispiel 70% PWM)', usw.
60: Luftspalt
61: Wicklungsnuten
62: Leitung
63: Öffnung Wicklungsnut
64: abstoßende Magnetkraft (magnetischer Flußverlauf)
65: anziehende Magnetkraft (magnetischer Flußverlauf)
66: Leitungsverbindung
67: erster Permanentmagnet (N-polung)
68: zweiter Permanentmagnet (S-Polung)

Claims

Förderaggregat (1) zur Umwälzung einer Flüssigkeit in einem Kreislauf (11) mit einem Gehäuse (2), in welchem eine Antriebswelle (5) gelagert ist, die über einen Antrieb (4) angetrieben ist und die ein Pumpenrad (9) enthält, welches die Flüssigkeit innerhalb des Kreislaufes (11) umwälzt, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses (2) des Förderaggregates (1) eine elektromagnetische Kupplung (22) angeordnet ist, die über eine Halbleiterleistungsschalter (36, 38, 39) enthaltende Elektronik angesteuert wird, der ein Pulsweitenmodulationssignal (35) aufgeschaltet ist, wobei ein erster Teil der elektromagnetischen Kupplung (22) als eine in einem Wicklungsträger (23) aufgenommene, bestrombare Wicklung (24) ausgebildet ist, so dass das Pumpenrad (9) mit einer von der Drehzahl n₁ des Antriebes (4) verschiedenen Drehzahl n₂ antreibbar ist.
Förderaggregat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Kupplung (22) einen an der Antriebswelle (5) aufgenommenen ersten Teil (23, 24) und einen auf einer Pumpenradwelle (11) aufgenommenen zweiten Teil (31, 32) aufweist.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil der elektromagnetischen Kupplung (22) als ein Kupplungsrotor (31) ausgebildet ist, an dessen Umfangsfläche Permanentmagnete (32; 67, 68) angeordnet sind.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (5) und die Pumpenradwelle (10) im Gehäuse (2) des Förderaggregates (1) unabhängig voneinander antreibbar sind.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik den Halbleiterbauelementen (36, 38; 39) nachgeschaltete Freilaufdioden (41, 42) umfasst, über welche in bestimmten Betriebszuständen die elektromagnetische Kupplung (22) einem Energiespeicher (43) Energie zuführt.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der gewünschten Drehzahl n₂ des Pumpenrades (9) am Förderaggregat (1) zur Umwälzung der Flüssigkeit im Kreislauf (11) ein Phasenversatz (47) der induzierten elektromagnetischen Kraft (44) über die Ansteuerung der Halbleiterbauelemente (35, 38; 39) mit dem Pulsweitenmodulations-Signal (35) anpassbar ist.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die elektromagnetische Kupplung (22) übertragbare Drehmoment (48) innerhalb eines Kennlinienfeldes (50; 51, 52, 53, 54) abhängig vom Drehzahlunterschied zwischen den Drehzahlen n₁ und n₂ durch Taktung des Pulsweitenmodulations-Signales (35) beliebig einstellbar ist.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupplungsrotor (31) mindestens 2-polig ausgebildet ist.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bestrombare Wicklung (24) der elektromagnetischen Kupplung (22) über eine Stromübertragung (20) mit Schleifringkontakten (18, 19) oder über eine berührungslose induktive Übertragungseinheit bestrombar ist.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (5) und die Pumpenradwelle (10) in einer Buchse (6) im Inneren des Gehäuses (2) zueinander fluchtend gelagert sind.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum des Gehäuses (2) durch eine Trennwand (25) in einen trockenen Teil (29) und einen von der umzuwälzenden Flüssigkeit befüllten, nassen Teil (30) geteilt ist.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (25) topfförmig ausgebildet ist.
Förderaggregat (1) gemäß der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (25) die Buchse (6) zur Aufnahme von Antriebswelle (5) und Pumpenradwelle (10) im Gehäuse (2) fixiert.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (6) ein erstes Gleitlager (7) und ein zweites Gleitlager (8) aufweist, in welchen die An triebswelle (5) bzw. die Pumpenradwelle (10) unabhängig voneinander aufgenommen sind.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Teil (23, 24) und dem zweiten Teil (31, 32) der elektromagnetischen Kupplung (22) ein Luftspalt (60) herrscht.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bestrombare Wicklung (24) sich auf einem magnetisch leitfähigen Wicklungsträger befindet und nebeneinander liegende Einzelpole (N, S) alternierend erzeugt.