DE19824135A1

DE19824135A1 - Förderaggregat für Kraftstoff

Info

Publication number: DE19824135A1
Application number: DE19824135A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dobler; Michael Huebel; Willi Strohl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 1999-12-09
Also published as: AU4895799A; WO1999063644A1; BR9906474A; EP1000455A1; AU747341B2; JP2002517971A; US6361291B1; KR20010022360A; CN1272243A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoff-Förderaggregat mit einer Seitenkanalpumpe, die in einem Gehäuse (13) eine Pumpenkammer (14) und in der Pumpenkammer (14) ein Laufrad (16) aufweist, und mit einem das Laufrad (16) antreibenden Elektromotor (12) mit einem Stator (28) und einem Rotor (29). Das Laufrad (16) des Kraftstoff-Förderaggregats ist gleichzeitig der Rotor (29) eines Asynchronmotors. Der Elektromotor (12) läßt sich aus wenigen und dabei sehr störungsanfälligen wie widerstandsfähigen Bauteilen zusammensetzen.

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 ausschnittsweise eine gleiche Darstellung wie in Fig. 1 eines modi fizierten Förderaggregates,

Fig. 3 ein weiteres bevorzugtes Beispiel, bei dem der Elektromotor ein Asynchronmotor ist,

Fig. 4 einen Läuferkäfig des Asynchronmotors mit schräg verlaufenden Nuten, und

Fig. 5, 6, 7 unterschiedliche, verwendbare Stäbe für den Läuferkäfig.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

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 ausgeri chteten 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.

Das in Fig. 2 ausschnittsweise im Schnitt dargestellte weitere Ausführungs beispiel des Förderaggregats ist lediglich hinsichtlich der Lagerung des Laufrades 16 im Gehäuse 13 modifiziert und stimmt im übrigen mit dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel überein, so daß gleiche Bautei le mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Die Seitenwände 141 und 142 der Pumpenkammer 14 sind hier einerseits von einem das Gehäuse 13 stirnseitig abschließenden Deckel 131 und von einem im Gehäuse 13 an geordneten, radialen Flansch 132 gebildet. Am Gehäuseflansch 132 ist ein rechtwinklig in die Pumpenkammer 14 hineinragender Wellenstumpf 33 einstückig ausgebildet, auf dem das Laufrad 16 freidrehend gelagert ist. Nach Einsetzen des Laufrads 16 wird der Deckel 131 dicht auf das Gehäuse 13 aufgesetzt und mit diesem fest verbunden.

Fig. 3 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel, bei dem der Elektromotor 12 ein Asynchronmotor 34 ist, insbesondere ein Drehstrom- Asynchronmotor. Während der Stator 28, beispielsweise wie schon in Fig. 1 ersichtlich, mit einem Blechpaket 31 und einer Ankerwicklung 32 den Stator 28 bildet, ist in Fig. 3 der Rotor 29 des Asynchronmotors 34 das Laufrad 16. Der Rotor 29 ist ein Kurzschlußläufer. Dieser Kurzschlußläufer hat einen Läuferkäfig 35. Der Läuferkäfig 35 des Kurzschlußläufers ist vorzugsweise aus Kupfer, Bronze oder Aluminium. Diese Materialien weisen günstige elektromagnetische Eigenschaften ebenso wie gute Fertigungs- wie Festigkeitseigenschaften auf. Zur Einsparung von Fertigungsschritten wird der Läuferkäfig bevorzugt in einem Stück gefertigt. Das Laufrad 16 und der Läuferkäfig 35 wiederum bilden eine Einheit. Dieses ermöglicht beispiels weise, daß das Laufrad 16 und der Läuferkäfig 35 in einem Stück gegossen sind. Jedoch können das Laufrad 16 und der Läuferkäfig 35 auch jeweils voneinander getrennt hergestellt und anschließend zu einer Einheit zusammen gefaßt werden. Diese Einheit wiederum weist vorzugsweise eine Beschichtung 36 auf. Die Beschichtung ermöglicht einen glatten Abschluß aller Ober flächen der aus dem Laufrad 16 und dem Läuferkäfig 35 gebildeten Einheit. Dadurch werden Spaltverluste in der Pumpenkammer 14 der Förderpumpe 11 minimiert. Die Beschichtung 36 wird beispielsweise durch Tauchen in einem entsprechende Bad erzielt. Eine andere Methode ist das Umspritzen der Einheit aus Laufrad 16 und Läuferkäfig 35.

Die in Fig. 3 gezeigte Ausgestaltung ermöglicht eine vereinfachte und sehr kostengünstige Herstellung des Pumpenrades 16. Einerseits werden prinzipbe dingt keine Permanentmagnete benötigt. Andererseits vermeidet die Ver wendung eines Läuferkäfigs 35 Verschleiß und hohe Herstellungskosten. Auch läßt sich der Elektromotor 12 aus wenigen und dabei sehr störunanfäl ligen wie widerstandsfähigen Bauteilen zusammensetzen.

Wie in Fig. 3 dargestellt, ist der Läuferkäfig 35 am Außenumfang 37 des Laufrades 16 angeordnet. In einer anderen, hier nicht näher dargestellten Ausführung ist der Läuferkäfig 35 weiter nach innen zur Laufradachse 161 versetzt angeordnet, ohne dadurch jedoch die Seitenkanäle 23, 24 bzw. Schaufelkammern 22 zu beeinträchtigen. Diese etwas weiter nach innen versetzte Anordnung des Läuferkäfigs 35 ist beispielsweise vorteilhaft, wenn die Einheit aus Läuferkäfig 35 und Laufrad 16 aus mehreren Teilen zu sammengesetzt ist. Zweckmäßigerweise weist der Kurzschlußläufer eine Stern- Dreieck-Umschaltung 38 auf. Im Betrieb des Elektromotors 12 läuft dieser in Dreiecksschaltung. Für den Anlauf des Elektromotors 12 wird dieser in Stern geschaltet. Dadurch gelingt es, daß der beim Anlauf um ein Mehr faches des Nennstromes betragende Anlaufstrom durch Verwendung von Teilspannungen sich herabsetzen läßt. Dadurch wird ebenfalls das notwendige Drehmoment zum Anlaufen des Elektromotors 12 in Abhängigkeit zum Quadrat der Spannung ebenso wie der Anlaufstrom auf etwa ein Drittel verringert.

Fig. 4 zeigt den Läuferkäfig 35 mit schräg verlaufenden Nuten 37. Die Schrägstellung hat den Vorteil, daß elektromagnetische Oberwellen unter drückt werden. Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Kurzschlußläufers für den Elektromotor ist es, daß dieser keine eindeutige Polpaarzahl auf weist. Der Läuferkäfig 35 kann daher in unterschiedliche Elektromotoren mit verschiedenen Polpaarzahlen des Ständers eingesetzt werden, was ein Bauka stensystem für verschiedene Förderpumpen unterstützt.

Fig. 5, Fig. 6 und Fig. 7 zeigen unterschiedliche Stäbe, die beim Asyn chronmotor vorzugsweise verwendet werden. Über die Form der Läuferstäbe und Läufernuten lassen sich die Kennlinien für das Drehmoment und den Ständerstrom stark beeinflussen. Für die Förderpumpe haben sich besonders vorteilhaft Rundstäbe 40, zusammengehörende Doppelstäbe 41 und vonein ander getrennte Doppelstäbe 42 erwiesen. Aber auch andere Formen und Geometrien der Stäbe sind wählbar.

Claims

1. Kraftstoff-Förderaggregat mit einer Seitenkanalpumpe, die in einem Gehäuse (13) eine Pumpenkammer (14) und in der Pumpenkammer (14) ein Laufrad (16) aufweist, und mit einem das Laufrad (16) antreibenden Elektromotor (12) mit einem Stator (28) und einem Rotor (29), dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (16) der Rotor (29) eines Asynchronmotors ist.

2. Kraftstoff-Förderaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (29) ein Kurzschlußläufer ist.

3. Kraftstoff-Förderaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kurzschlußläufer einen Läuferkäfig (35) hat.

4. Kraftstoff-Förderaggregat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Läuferkäfig (35) des Kurzschlußläufers aus Kupfer, Bronze oder Aluminium besteht.

5. Kraftstoff-Förderaggregat nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich net, daß das Laufrad (16) und der Läuferkäfig (35) eine Einheit bilden.

6. Kraftstoff-Förderaggregat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (16) und der Läuferkäfig (35) in einem Stück gegossen sind.

7. Kraftstoff-Förderaggregat nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich net, daß das Laufrad (16) und der Läuferkäfig (35) als Einheit eine Be schichtung (36) aufweisen.

8. Kraftstoff-Förderaggregat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (36) umspritzt ist.

9. Kraftstoff-Förderaggregat, nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Läuferkäfig (35) am Außen umfang (37) des Laufrades (16) angeordnet ist.

10. Kraftstoff-Förderaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Läuferkäfig (35) schrägver laufende Nuten (39) hat.

11. Kraftstoff-Förderaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Läuferkäfig (35) Rundstäbe (40) aufweist.

12. Kraftstoff-Förderaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Läuferkäfig (35) Doppelstäbe (41) aufweist.

13. Kraftstoff-Förderaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieses an eine Stern-Dreieck-Umschaltung (38) angeschlossen ist.