DE19805777A1

DE19805777A1 - Förderaggregat für Kraftstoff

Info

Publication number: DE19805777A1
Application number: DE19805777A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dobler; Michael Huebel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-02-12
Filing date: 1998-02-12
Publication date: 1999-08-26
Also published as: BR9904863A; JP2001522434A; EP0974009A1; WO1999041504A1; US6220826B1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Förderaggregat für Kraftstoff der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bei einem bekannten Förderaggregat dieser Art zum Fördern von Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter zu einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs (WO 95/25885) sind die Förderpumpe und der Elektromotor zu deren Antrieb in einem Gehäuse nebeneinander angeordnet. Das Pumpen- oder Laufrad, das an seinem Umfang mit Flügeln oder Laufradschaufeln besetzt ist, sitzt drehfest auf einer Welle des Rotors oder Läufers, der eine in Nuten einliegende Rotor- oder Ankerwicklung trägt und in einem mit Perma nentmagnetsegmenten belegten Ständer oder Stator umläuft. Die Stromzufüh rung zur Ankerwicklung erfolgt über einen auf der Rotorwelle sitzenden Kommutator oder Stromwender und zwei auf den Kommutator unter Feder druck radial aufliegenden Strombürsten.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Förderaggregat für Kraftstoff mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß durch Zusammenfassung der drehenden Teile des Förderaggregats, also des Laufrads der Förderpum pe und des Rotors des Elektromotors, zu einem einzigen Teil ein sehr einfacher und kompakter Aufbau erzielt wird, der mit geringem Fertigungs aufwand herstellbar ist. Insbesondere kann das Förderaggregat sehr flach, also mit extrem geringer axialer Abmessung, ausgeführt werden. Der dabei sich vergrößernde Außendurchmesser des Förderaggregats stellt im Zusam menhang mit der üblichen Ausbildung des Förderaggregats nicht nur keinen Nachteil dar, sondern eröffnet die Möglichkeit für zusätzliche Maßnahmen zur Verbesserung des Wirkungsgrads des Förderaggregats. Durch den Ver zicht auf Kommutator und Strombürsten entfällt der Bürstenverschleiß, so daß sich die Lebensdauer des Förderaggregats erhöht. Bei der Ausbildung des Elektromotors als Gleichstrommotor wird die notwendige Kommutierung des Stroms in der Statorwicklung elektronisch vorgenommen.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebe nen Förderaggregats möglich.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zylinderför mige Pumpenkammer von zwei sich radial erstreckenden, voneinander axial beabstandeten Seitenwänden und einer die beiden Seitenwände längs deren kreisförmigen Peripherie miteinander verbindenden Peripheriewand begrenzt. Das Laufrad liegt jeweils mit Spaltabstand den Seitenwänden gegenüber, und die Innenfläche des von einem genuteten Blechpaket gebildeten Stators bildet die Peripherwand der Pumpenkammer. Das Laufrad weist eine Vielzahl von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten, zwischen sich axial offene Schaufelkammern begrenzenden radialen Laufradschaufeln auf, die durch einen Außenring miteinander verbunden sind. Die Permanentmagnete sind auf dem Außenring befestigt und werden bei Ausführung des Förderaggregats in Kunststoff bevorzugt aus Plastoferriten hergestellt.

Alternativ hierzu können kunststoffgebundene Seltenerdmagnete eingesetzt werden, die vorzugsweise in die Kunststoffmatrix des Laufrades eingelagert sind.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in jeder Seitenwand der Pumpenkammer ein zum Pumpenraum hin offener, nutartiger Seitenkanal konzentrisch zur Laufradachse mit einem zwischen Seitenkanalen de und Seitenkanalanfang, bezogen auf die Strömungsrichtung, verbleibenden Unterbrechersteg ausgebildet. Der Seitenkanalanfang mindestens eines Seiten kanals steht mit einer Ansaugöffnung und das Seitenkanalende mit einem Druckauslaß in Verbindung, wobei die Achsen der Zu- und Abströmkanäle von der Ansaugöffnung und zu dem Druckauslaß entweder axial oder vorzugsweise radial ausgerichtet sind. Durch die besonders vorteilhafte radiale Zu- und Abströmung des Kraftstoffs in die bzw. aus der Pumpen kammer wird eine wesentliche Reduzierung der Strömungsverluste erreicht und damit der Wirkungsgrad der Pumpe verbessert. Die radiale An- und Abströmung wird im Gegensatz zu den herkömmlichen Seitenkanalpumpen problemlos durch den aufgrund der erfindungsgemäßen Bauweise vergrößerten Außendurchmesser des Förderaggregats möglich, da dadurch in radialer Richtung genügend Bauraum für die Unterbringung entsprechender Zu- und Abströmkanäle vorhanden ist.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungs beispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 einen Längs- oder Meridialschnitt des Förderaggregats, wobei der Schnitt in der oberen Hälfte der Darstellung durch das ausgebildete Strömungsgebiet und in der unteren Hälfte der Darstellung durch den Ansaugbereich des Förderaggregats geführt ist,

Fig. 2 eine Aufsicht auf ein Laufrad von schräg oben,

Fig. 3 eine Aufsicht auf das Laufrad aus Fig. 1,

Fig. 4 einen Schrägschnitt durch das Laufrad aus Fig. 3 entlang der Linie IV-IV und

Fig. 5 ein zweites Laufrad mit einem Anschlag.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Förderaggregat dient zum Fördern von Kraftstoff aus einem Vorratsbehälter zur Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Üblicherweise wird das Förderaggregat in Verbindung mit einem Filtertopf als sog. Tankeinbaueinheit in dem Kraftstoffbehälter oder Kraftstofftank des Kraftfahrzeugs angeordnet. Das Förderaggregat weist eine als Strömungs- oder Seitenkanalpumpe ausgebildete Förderpumpe 11 und einen die Förderpumpe 11 antreibenden Elektromotor 12 auf. Förderpumpe 11 und Elektromotor 12 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 13 aufgenom men. Der Aufbau und die Wirkungsweise der Förderpumpe 11 ist bekannt und beispielsweise in der DE 40 20 521 A1 beschrieben. Im Gehäuse 13 ist eine Pumpenkammer 14 ausgebildet, die in Achsrichtung von zwei sich radial erstreckenden, voneinander axial beabstandeten Seitenwänden 141, 142 und in Umfangsrichtung von einer die beiden Seitenwände 141, 142 längs deren kreisförmiger Peripherie miteinander verbindende Peripherwand 143 begrenzt ist. In der Pumpenkammer 14 ist ein Pumpen- oder Laufrad 16 angeordnet, das drehfest auf einer Welle 17 sitzt. Die Welle 17 ist mit beiden Wellenenden in zwei Lagern 18, 19 aufgenommen, die in den beiden Seitenwänden 141, 142 ausgebildet sind. Die Achse der Welle 17 ist koline ar mit der Laufradachse 161 und der Achse der Pumpenkammer 14. Das Laufrad 16 weist eine Vielzahl von in Umfangsrichtung voneinander be abstandeten, radialen Laufradschaufeln 20 auf, von denen in der Zeichnung nur zwei zu sehen sind. Die Laufradschaufeln 20 sind durch einen Außen ring 21 miteinander verbunden. Jeweils zwei Laufradschaufeln 20 begrenzen zwischen sich eine Schaufelkammer 22, die axial offen ist. Das Laufrad 16 liegt mit Spaltabstand den Seitenwänden 141, 142 gegenüber, und der Außenring 21 schließt mit der Peripheriewand 143 der Pumpenkammer 14 einen radialen Spalt ein. In jeder Seitenwand 141, 142 der Pumpenkammer 14 ist ein zur Pumpenkammer 14 hin offener, nutartiger Seitenkanal 23 bzw. 24 ausgebildet, der konzentrisch zur Laufradachse 161 angeordnet ist und in Umfangsrichtung nahezu über 330° von einem Seitenkanalanfang ein Unterbrechersteg verbleibt. In der Zeichnung sind im unteren Schnittbild lediglich der Seitenkanalanfang 231 und 241 der Seitenkanäle 23, 24 zu sehen. Das Seitenkanalende ist demgegenüber um etwa 330° Umfangswinkel versetzt angeordnet. Jeder Seitenkanal 23, 24 steht über einen radial aus gerichteten Zuströmkanal 25 bzw. 26 mit einer Ansaugöffnung 27 des Förder aggregats in Verbindung. Die hier nicht zu sehenden Seitenkanalenden der beiden Seitenkanäle 23, 24 stehen über je einen Ablaufkanal mit einem Druckstutzen des Förderaggregats in Verbindung. Die hier nicht zu sehenden Seitenkanalenden der beiden Seitenkanäle 23, 24 stehen über je einen Ab laufkanal mit einem Druckstutzen des Förderaggregats in Verbindung. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist nur der Seitenkanal anfang 231 des Seitenkanals 23 mit einem Zuströmkanal 25 und lediglich das Seitenkanalende des Seitenkanals 24 mit einem Abströmkanal verbunden. In diesem Fall entfällt der Zuströmkanal 26 rechts im Schnittbild, und der Seitenkanal 24 zeigt in diesem Bereich einen Querschnitt, wie er in der Zeichnung strichliniert angedeutet ist. Darüber hinaus können die Zuströmka näle 25, 26 axial angeordnet werden, jedoch hat die radiale Ausrichtung den Vorteil der geringeren Strömungsverluste und läßt sich wegen des relativ großen Außendurchmessers des Förderaggregats leicht realisieren.

Der mit sog. Innenpolläufer ausgebildete Elektromotor 12 weist in bekannter Weise einen Stator 28 und einen Rotor 29 auf, der zur Erzielung einer extrem flachen Bauweise des Förderaggregats in das Laufrad 16 der Förder pumpe 11 integriert ist. Seine Magnetpole werden von Permanentmagnetseg menten 30 gebildet, die auf dem Außenring 21 des Laufrads 16 befestigt sind. Zur Erzielung eines günstigen magnetischen Rückschlusses ist der Außenring 21 bevorzugt aus servomagnetischem Material ausgebildet. Der Stator 28 ist als genutetes Blechpaket 31 koaxial zur Laufradachse 161 im Gehäuse 13 so angeordnet, daß die Innenringfläche des Blechpakets 31 die Peripherwand 143 der Pumpenkammer 14 bildet. In den Nuten des Blechpa kets 31 ist üblicherweise eine Ankerwicklung 32 angeordnet, von der in der schematischen Zeichnung nur die beiden stirnseitigen Wickelköpfe 321 und 322 und die beiden Anschlußleitungen 323 und 324 zu sehen sind. Im Falle eines Gleichstromantriebs wird der Elektromotor 12 elektronisch kommutiert.

Wird das Laufrad 16 der Förderpumpe 11 aus Kunststoff hergestellt, so ergibt sich ein Fertigungsvorteil, wenn die Permanentmagnetsegmente 30 aus Plastoferriten hergestellt werden bzw. kunststoffgebundene Seltenerdmagnete sind.

Fig. 2 zeigt das Laufrad 16 aus Fig. 1 in einer Aufsicht von schräg oben. Die Laufradschraufeln 20 aus Fig. 1 sind hier in dieser Fig. 2 in einer, um die Laufradachse 161 kreisförmig verlaufenden Vertiefung 34 nicht darge stellt. Dargestellt dagegen sind an einem Umfang 35 des Laufrads 16 angeordnete Aushöhlungen 36. Die Aushöhlungen 36 erstrecken sich bei diesem Laufrad 16 über dessen gesamte Dicke. In den Aushöhlungen 36 befinden sich Permanentmagnete 37. Diese sind vorzugsweise aus einem Hartferritmagnet gefertigt. Die Permanentmagnete 37 sind in den Aushöhlun gen 36 formschlüssig eingesetzt. Dazu weist ein Permanentmagnet 37 eine konische Form. Diese wiederholt sich als Negativ bei der Formgestaltung der Aushöhlung 36. Die konische Form bietet den Vorteil, daß bei sich drehendem Laufrad 16 die Zentrifugalkräfte dafür Sorge tragen, daß sich eine Klemmkraft zwischen den Permanentmagneten 37 und den benachbarten Stegen 38 ausbildet bzw. verstärkt. Auf diese Weise werden die Permanent magnete 37 umso fester gehalten, je höher die Umdrehungsgeschwindigkeit des Laufrads 16 ist. Neben der konischen Form der Permanentmagnete 37 können diese auch eine andere äußere Gestalt aufweisen, beispielsweise in Form von Treppenstufungen, eines kugel- oder tonnenähnlichen Abschnittes oder auch eines Zylinderabschnittes. Die gewählte Form sollte jedoch im Zusammenspiel mit den Stegen 38 in der Lage sein, die Zentrifugalkraft zur Ausbildung einer Klemmkraft auszunutzen. Anstatt einer Halterung der Permanentmagnete 37 durch Stege 38 kann dieses auch durch andere Arten von Aushöhlungen 36 vollzogen werden. Die Aushöhlungen 36 sind dann so auszulegen, daß deren äußere Form der Form der Permanentmagnete 37 entspricht. Dadurch ist es nicht vonnöten, andere Bauteile zur Befestigung der Permanentsegmente 37 zusätzlich am Laufrad 16 zu verwenden.

Fig. 3 zeigt das Laufrad 16 aus Fig. 2 in einer Aufsicht von oben. Bevor zugt werden in dem Laufrad 16 zwischen sechs und zwölf Permanentmagne te 37 auf dem Umfang 35 angeordnet. Dadurch können die Permanentma gnete 37 eine Umfangslänge L_U am Umfang 35 haben, die für eine aus reichende Beschleunigung durch die elektromagnetischen Wechselwirkungs kräfte mit dem Stator genügt. Bevorzugt wird dabei eine Radiallänge L_R des Permanentmagneten 37, die mit der Umfangslänge L_U in einem Verhältnis von L_U/L_R zwischen 0,75 und 3,5 steht. Dieses birgt den Vorteil, Entma gnetisierungseffekte zwischen den Permanentmagneten 37 zu vermeiden. In Fig. 3 sind drei Permanentmagnete 37.1, 37.2, 37.3 dargestellt. Ein erster Permanentmagnet 37.1 und ein dritter Permanentmagnet 37.3 haben die gleiche Polausrichtung, während der zwischen diesen beiden liegende zweite Permanentmagnet 37.2 eine umgekehrte Polarität aufweist. Aufgrund der dargestellten konischen Form gelingt es, den Umfang 35 des Laufrads 16 fast vollständig zur Übertragung des erforderlichen Drehmomentes ausnutzen zu können. Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn ein Bogenwinkel Φ_M des Umfangs 35, den ein Permanentmagnet 37 einnimmt, nicht größer als 360° geteilt durch (p + 1) ist. p gibt dabei die Anzahl der Permanentmagnete 37 am Laufrad 16 an. Bei Beachtung dieser Regel gelingt es, einen großen Anteil am Umfang 35 nutzen zu können, ohne Einbußen an der Festigkeit des Laufrades 16 und damit Einschränkungen an der Umdrehungsgeschwin digkeit des Laufrads 16 hinnehmen zu müssen. Bei der Konusform der Permanentmagnete 37 bzw. konusähnlichen Form derselben wird angestrebt, einen Reibwinkel Φ_R von 2 bis 12° anzustreben. Bevorzugt wird ein Winkel von um 3° bis 5° angestrebt. Damit gelingt es, den äußerst hohen Nut zungsgrad des Umfangs 35 für die Bereitstellung der Permanentmagnete 37 noch weiter steigern zu können. Weiterhin ermöglicht die konusähnliche Form der Permanentmagneten 37, daß diese gemäß einer Weiterbildung in den Aushöhlungen 36 halten, ohne dort verklebt sein zu müssen. Dadurch wird wiederum ein Arbeitsschritt eingespart. Das Material, welches die Aushöhlungen 36 bildet, wird vorzugsweise elastisch oder plastisch gewählt, beispielsweise zur Einstellung einer leichten Preßpassung. Zwischen den Permanentmagneten 37 und den Abmessungen der Aushöhlungen 36 bildet sich dann zwangsläufig eine Klemmkraft aus. Eine derartige Preßpassung erlaubt auch eine einfache Montage der Permanentmagnete 37 in das Laufrad 16 zur Ausbildung des Rotors und des Laufrads 16 als Einbauteil.

Fig. 4 zeigt das Laufrad 16 aus Fig. 3 in einem Querschnitt längs der Linie IV-IV. Bei diesem Querschnitt sind die Laufradschaufeln 20 einge zeichnet. Dieser Querschnitt verdeutlicht, daß die Permanentmagnete 37 bei der Laufradherstellung entweder direkt mitvergossen oder aber mitumspritzt werden können. Da das Laufrad 16 selbst aus einem Kunststoff hergestellt wird, ermöglicht bei geeigneter Anfertigung der jeweiligen dafür notwendigen Werkzeuge der Fertigungsablauf die Herstellung von Laufrad und Rotor in einem Bauteil in einem Stück in einem einzigen Arbeitsschritt. Alternativ ist der Einsatz kunststoffgebundener Seltenerdmagnete möglich.

Fig. 5 zeigt in Anlehnung an Fig. 4 ein zweites Laufrad mit einem An schlag 40. Wird beispielsweise das zweite Laufrad 39 zuerst hergestellt, brauchen die Permanentmagnete 37 in einem nachfolgenden Schritt nur noch in die jeweiligen Aushöhlungen bis zum Anschlag 40 eingeschoben zu werden. Dieser muß natürlich so gestaltet sein, daß die Bildung von Seiten kanälen, wie in Fig. 1 dargestellt, nicht behindert wird.

Mit den beschriebenen Konstruktionsausführungen können an der Laufradperi pherie fertigungstechnisch sehr enge Toleranzen realisiert werden. Beim vorliegenden Prinzip der Seitenkanalpumpe ist damit ein Kraftstoff-Förder aggregat herstellbar, das nur äußerst begrenzte Leckageverluste aufweist.

Claims

1. Kraftstoff-Förderaggregat mit einer Seitenkanalpumpe (11) und einem Elektromotor (12), der die Seitenkanalpumpe (11) antreibt, wobei der Elektromotor (12) eine Ankerwicklung (32), einen Permanentmagnet (37) und einen Rotor (29) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (29) und ein Laufrad (16) der Seitenkanalpumpe ein Bauteil sind, wobei an einem Umfang (35) dieses Bauteils ein Permanentmagnet (37) form schlüssig eingesetzt ist.

2. Kraftstoff-Förderaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (37) eine konusähnliche Form hat.

3. Kraftstoff-Förderaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß der Permanentmagnet (37) ein Hartferritmagnet ist.

4. Kraftstoff-Förderaggregat nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen 6 und 12 Permanentmagnete (37) auf dem Umfang (35) des Laufrades (16) verteilt angeordnet sind.

5. Kraftstoff-Förderaggregat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bogenwinkel Φ_M des Umfanges (35), den ein Permanentmagnet (35) einnimmt, nicht größer als 360°/(p+1) ist.

6. Kraftstoff-Förderaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil eine Aushöhlung (36) aufweist, die einer äußeren Form des Permanentmagneten (37) entspricht.

7. Kraftstoff-Förderaggregat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, welches die Aushöhlung (37) bildet, elastisch oder pla stisch ist.

8. Kraftstoff-Förderaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (37) in die Aushöh lung (36) bis zu einem Anschlag (40) am Bauteil einschiebbar ist.

9. Kraftstoff-Förderaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umfangslänge L_U des Permamentmag neten (37) mit einer Radiallänge L_R des Permanentmagneten (37) ein Verhältnis von L_U/L_R zwischen 0,75 und 3,5 hat.

10. Kraftstoff-Förderaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (37) in der Aushöh lung (36) hält, ohne mit dieser verklebt zu sein.

11. Kraftstoff-Förderaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (37) in der Aushöh lung eingeklemmt ist.

12. Kraftstoff-Förderaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (37) in das Laufrad (16) miteingegossen ist.

13. Kraftstoff-Förderaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (37) in das Laufrad (16) mit eingespritzt ist.

14. Kraftstoff-Förderaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet ein kunststoffgebundener Seltenerdmagnet ist.