DE19939522A1 - Elektromotorisch angetriebene Kreiselpumpe mit außenliegendem Rotor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe 1 mit einem die Pumpe 1 antreibenden Elektromotor 7 in Radialflußbauweise, dessen mit dem Pumpenlaufrad 5 drehfest verbundener Rotor 19 als Naßläufer in Kontakt mit dem geförderten Medium ist und dessen Stator 14 durch Abdichtungsmittel 15, 16, 17, 18 von dem geförderten Medium getrennt ist, wobei der Rotor 19 mehrere Magnete 22 und der Stator 14 mehrere Ständerwicklungen 13 aufweist und wobei die Magnete 22 des Rotors 19 radial außerhalb der Ständerwicklungen 13 des Stators 14 umlaufen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit einem die Pumpe antreibenden Elektromotor in Radlalfluß­ bauweise, dessen mit dem Pumpenlaufrad drehfest verbundener Rotor als Naßläufer in Kontakt mit dem geförderten Medium ist und dessen Stator durch Abdichtungsmittel von dem geförderten Medium getrennt ist, wobei der Rotor mehrere Magnete und der Stator mehrere Ständerwicklungen aufweist.

Derartige Pumpen sind als Spalttopfpumpe beispielsweise aus der DE-OS 44 38 132 bekannt. Spalttopfpumpen oder Spaltrohr­ pumpen werden in Naßläuferbauweise vor allem an Heizungs- und Brauchwasseranlagen, sowie im Bereich der Kältetechnik oder in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Zunehmend werden derartige Pumpen auch mit bürstenlosen Gleichstrommotoren angetrieben, die nach dem Verlauf der magnetischen Kraftlinien in Radial­ flußmotoren und Axialflußmotoren unterschieden werden. Bei den bekannten bürstenlosen Radialflußmotoren liegen die Ständerwicklungen des Stators radial außerhalb der Magnete des Rotors.

Im Zuge der Dezentralisierung der Pumpleistung an modernen Heizungsanlagen sowie durch die Forderung nach möglichst kleinen und leichten Pumpen im Kraftfahrzeugbereich müssen nicht nur die Pumpen, sondern auch die Antriebsmotoren zu­ nehmend kleinerbauend ausgeführt werden. Dieser Trend der Miniaturisierung stößt beim Antriebsmotor jedoch auf ferti­ gungstechnische Probleme oder Grenzen. Bei den bekannten Spaltrohrmotoren sind die Wicklungen des Stators zumeist auf einem Wicklungsträger angeordnet, der über den Spalttopf ge­ schoben ist. Ein Elektromotor mit einem derartigen Wicklungs­ träger ist beispielsweise aus der DE-OS 197 05 974 bekannt. Damit der Wirkungsgrad insbesondere im kleinen und mittleren Leistungsbereich durch den Wicklungsträger nicht ver­ schlechtert wird, ist es bekannt, die einzelnen Ständer­ wicklungen in radialer Richtung von innen in den Wicklungs­ träger hinein zu wickeln. Diese Fertigungstechnik ist jedoch nur bis zu einer bestimmten Mindestbaugröße mit einem ver­ tretbaren Arbeits- und Kostenaufwand durchführbar. Insbe­ sondere bei hohen Stückzahlen ist dieses Herstellungs­ verfahren bei kleineren Baugrößen nicht anwendbar.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Kreiselpumpe der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfacher Kon­ struktion auch bei kleiner Baugröße mit geringem fertigungs­ technischen Aufwand preiswert herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kreiselpumpe nach Anspruch 1 gelöst. Wesentlich ist dabei, daß die Magnete des Rotors radial außerhalb der Ständerwicklung des Stators umlaufen.

Auf diese Weise können die Ständerwicklungen des Stators auch bei sehr kleinen Baugrößen mit geringem fertigungstechnischen Aufwand angeordnet werden. Insbesondere ist ein Bewickeln eines Wicklungsträgers von außen möglich, ohne daß hierdurch der Wirkungsgrad des Motors verringert wird. Bei einfacher Konstruktion wird somit eine Kreiselpumpe geschaffen, die auch bei kleinen Baugrößen in großer Stückzahl preiswert her­ zustellen und zu montieren ist.

Außerdem können auf diese Weise bei konstanter Baugröße des Elektromotors größere Drehmomente übertragen werden, da der Spalt zwischen Stator und Rotor und somit der Angriffspunkt der magnetischen Kräfte sich auf einem größeren Umfang befindet.

Auch ergibt sich durch den außerhalb des Stators umlaufenden Rotor ein höheres Massenträgheitsmoment, so daß ein besonders gleichmäßiger und vibrationsfreier Motorlauf erreichbar ist. Eine besonders einfache Konstruktion kann dadurch erreicht werden, daß der Rotor eine Hülse aufweist, die die Ständer­ wicklungen des Stators außen übergreift und an der die Magnete des Rotors befestigt sind. Dabei ist es für einen besonders guten Wirkungsgrad des Motors vorteilhaft, wenn die Magnete an der Innenseite der Hülse angeordnet sind.

Auch kann der Rotor dabei auf besonders einfache Weise ge­ lagert werden, indem die Hülse über ein oder mehrere Radial­ lager in dem Motorgehäuse oder auf den Abdichtungsmitteln des Stators gelagert ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ständer­ wicklungen des Stators von außen auf einen Statorhalter auf­ gebracht. Insbesondere können die Ständerwicklungen dabei auf radiale Stege oder in radiale Ausnehmungen des Statorhalters gewickelt sein.

Die Abdichungsmittel des Stators können auf besonders ein­ fache Weise durch eine Umhüllung des Stators mit Kunststoff gebildet sein. Auch ist es möglich, als Abdichtungsmittel des Stators einen Spalttopf anzuordnen, dessen Topfwand zwischen dem außenliegenden Rotor und dem innenliegenden Stator hin­ durchgeführt ist. Auch können die Abdichtungsmittel des Stators Hülsen, Vergußmassen und/oder Dichtungen umfassen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Pumpenlaufrad drehfest mit einer Motorwelle ver­ bunden, die über mindestens ein Radiallager in einem Lager­ schild des Motorgehäuses gelagert ist. Dabei kann der Lager­ schild vorzugsweise auch als Statorhalter für die Ständer­ wicklungen des Stators dienen.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Motorwelle einen koaxialen Kanal aufweist, durch den das geförderte Medium von der Pumpenkammer, insbesondere vom Zentrum des Pumpenlauf­ rades bis zu dem der Pumpenkammer abgewandten Ende der Motor­ welle fließen kann. Der Lagerschild ist dabei gegenüber dem Motorgehäuse dicht abgeschlossen, so daß das geförderte Medium innerhalb des Lagerschildes zu den Radiallagern der Motorwelle fließen kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt der Rotor eine mit dem Pumpenlaufrad verbundene Scheibe, die an der dem Pumpenlaufrand abgewandten Seite über einen ersten Dichtspalt an einem Bund und an einem mit dem geförderten Medium gefüllten Ringraum anliegt, wobei der Ringraum einerseits über den ersten Dichtspalt und mindestens einen in der Scheibe angeordneten Kanal mit einem Bereich niedrigen Drucks des Pumpenlaufrades oder der Pumpenkammer verbunden ist und der Ringraum andererseits über einen in Umfangsrichtung hülsenförmig verlaufenden zweiten Dichtspalt mit einem Bereich hohen Drucks des Pumpenlaufrades oder der Pumpenkammer verbunden ist. Auf diese Weise wird an dem ersten Dichtspalt, der vorzugsweise in einer radialen Ebene verläuft, eine hydraulische Regelung der axialen Position der Scheibe und somit auch des Pumpenlaufrades sowie des Rotors erreicht. Sobald die Scheibe sich axial in Richtung der Pumpenkammer verschiebt, vergrößert sich der erste Dichtspalt. Das dabei durch den Kanal in den ersten Dichtspalt und in den Ringraum auf der der Pumpenkammer abgewandte Seite der Scheibe mit geringem Druck eintretende Medium bewirkt eine Rückstellung der Scheibe und des Pumpenlaufrades in axialer Richtung. Wenn die Scheibe sich axial von der Pumpenkammer weg verschiebt, verringert sich die Dicke des ersten Dichtspaltes. Da die Dicke des zweiten Dichtspaltes bei axialen Verschiebungen der Scheibe und der damit verbundenen Pumpen- und Rotorteile konstant bleibt, liegt auf der der Pumpenkammer abgewandten Seite der Scheibe nunmehr verstärkt Medium mit hohem Druck an, so daß die Scheibe in axialer Richtung zurückgedrückt wird. Auf diese Weise kann auf ein separates Axiallager verzichtet werden. Somit wird ein aufgrund der an Kreiselpumpen auftretenden hohen Axialkräfte stark belastetes Verschleißteil eingespart.

Besonders günstig ist es dabei, wenn der in Form eines Hohl­ zylinders angeordnete zweite Dichtspalt zwischen dem Stator und dem Rotor vorgesehen ist. Eine besonders einfache Kon­ struktion kann außerdem auch dadurch erreicht werden, daß der erste Dichtspalt in einer zur Laufachse senkrechten Ebene zwischen der Scheibe und einer Stirnseite eines Radiallagers der Motorwelle vorgesehen ist.

Für eine besonders exakte hydraulische Regelung wird vor­ geschlagen, daß der erste und/oder der zweite Dichtspalt eine Dicke von 0,1 bis 1 mm, vorzugsweise von 0,3 bis 0,5 mm aufweisen. Hierdurch ist eine hydraulische Regelung der axialen Position der Scheibe und somit insbesondere auch des Pumpenlaufrades und des Rotors im Hundertstel-Millimeter- Bereich möglich.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Stator neun Ständerwicklungen auf, die radial innerhalb der Magnete des Rotors gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Hierdurch werden mit störenden Geräuschen verbundene Rast­ momente vermieden, so daß ein besonders leiser Motorbetrieb möglich ist.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungs­ beispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Kreiselpumpe mit Elektromotor und Motorelektronik

Fig. 2 Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A aus Fig. 1 und

Fig. 3 Querschnitt durch eine alternative Ausführungsform

Die in Fig. 1 gezeigte Kreiselpumpe 1 hat eine Pumpen­ kammer 2 mit einem koaxialen Ansaugstutzen 3 und einem tangentialen und/oder radialen Druckstutzen 4. Das Pumpen­ laufrad 5 sitzt auf dem Ende der Motorwelle 6 des die Pumpe 1 antreibenden Elektromotors 7. Im Inneren des Elektromotors 7 ist ein einstückig mit dem Motorgehäuse 8 ausgebilderter Lagerschild 9 angeordnet, in dem die Motorwelle 6 über zwei Radialgleitlager 10 gelagert ist. Zusätzlich ist ein in Fig. 1 nicht näher dargestelltes Axialgleitlager vorgesehen. Die Motorwelle 6 weist einen koaxialen Kanal 11 auf, durch den das geförderte Medium vom Zentrum des Pumpenlaufrades 5 bis zu dem Boden 12 des Lagerschildes 9 und von hier zu den Radiallagern 10 gelangen kann.

Auf der Außenseite des Lagerschildes 9 befinden sich die Ständerwicklungen 13 des Stators 14. Insgesamt sind 9 Ständerwicklungen 13 gleichmäßig über den Umfang des Stators 14 verteilt. Nach außen ist der Stator 14 durch eine dünne Kunststoffummantelung 15 von dem geförderten Medium abgedichtet. An das der Pumpenkammer 2 zugewandte Ende der Kunststoffummantelung 15 ist ein sich nach innen bis auf den Lagerschild 9 erstreckender Deckel 16 angeformt, der über einen Dichtring 17 gegen die Außenseite des Lagerschildes 9 abgedichtet ist. An dem der Pumpenkammer 2 abgewandten Ende ist die Kunststoffummantelung über einen zweiten Dichtring 18 gegen den Lagerschild 9 abgedichtet.

Radial außerhalb des Stators 14 läuft der Rotor 19 um. Der Rotor 19 umfaßt eine Hülse 20, die an den äußeren Rand einer an dem Pumpenlaufrad 5 befestigten Scheibe 21 angeformt ist. An der Innenseite der Hülse 20 sind mehrere Permanent­ magnete 22 befestigt, die radial außerhalb der Ständer­ wicklungen 13 umlaufen. Die den Antrieb des Elektromotors 7 hervorrufenden Magnetflußlinien verlaufen dabei in radialer Richtung.

Der zwischen der Kunststoffummantelung 15 und der Innenseite des Motorgehäuses 8 sowie der zwischen der Scheibe 21 und dem Deckel 16 liegende Bereich ist mit der Pumpenkammer 2 ver­ bunden und mit dem geförderten Medium gefüllt. Der Rotor 19 dreht sich als Naßläufer im geförderten Medium.

Die in Fig. 3 gezeigte Variante unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 1 dadurch, daß die axiale Lage des Rotors 19 und des Laufrades 5 hydraulisch geregelt werden. Dazu sind in dem der Motorwelle 6 benachbarten Be­ reich des Laufrades 5 und der Scheibe 21 mehrere Ausgleichs­ kanäle 23 vorgesehen, die in einem radialen ersten Dicht­ spalt 24 münden. Der Dichtspalt 24 ist zwischen dem inneren Bereich der Scheibe 21 und einem Anlagebund 25 des benachbarten Radiallagers 10 ausgebildet. Ein hülsenförmiger zweiter Dichtspalt 26 befindet sich zwischen der Außenseite des Stators 14 und der Innenseite des Rotors 19. Während sich bei einer axialen Verschiebung des Pumpenlaufrades 5 bzw. der Scheibe 21 die Dicke des ersten Dichtspaltes 24 ändert, bleibt die Dicke des zweiten Dichtspaltes 26 hierbei kon­ stant. Der zwischen den beiden Dichtspalten 24 und 26 an der im Laufrad 5 abgewandten Seite der Scheibe 21 ausgebildete Ringraum 27 ist über den ersten Dichtspalt 24 und die Aus­ gleichskanäle 23 mit dem inneren Bereich des Laufrades 5 und somit mit dem Niederdruckbereich des geförderten Mediums ver­ bunden. Über den zweiten Dichtspalt 26 und den die Hülse 20 umgebenden Bereich ist der Ringraum 27 mit dem radial außen­ liegenden Bereich der Pumpenkammer 2 und somit mit dem Hoch­ druckbereich des geförderten Mediums verbunden.

Wenn das Pumpenlaufrad 5 und somit die Scheibe 21 in der in Fig. 3 gezeichneten Darstellung nach links auswandert, ver­ größert sich die Dicke des ersten Dichtspaltes 24 und der Druck des im Ringraums 27 befindlichen Mediums fällt ab. Dadurch wird die Scheibe 21 unter dem Einfluß der auf die der Pumpenkammer 2 zugewandten Seite wirkenden hohen Druckkräfte zurück nach rechts geschoben. In entsprechender Weise steigt der Druck des Mediums im Ringraum 27 bei einer axialen Ver­ schiebung der Scheibe 21 nach rechts an, wobei die Dicke des ersten Dichtspaltes 24 verringert wird. Der ansteigende Druck im Ringraum 27 bewirkt dabei, daß die Scheibe 21 zurück nach links gedrückt wird. Durch diese hydraulische Lageregelung kann auf ein separates Axiallager verzichtet und die axiale Position des Laufrades 5 sowie des Rotors 19 mit einer Toleranz im Hunderstel-Millimeter-Bereich eingestellt werden.

Ein weiterer Unterschied zwischen den beiden Ausführungs­ formen in Fig. 1 und Fig. 3 besteht darin, daß der Boden 12' des Lagerschildes 9 als separates Bauteil in den Lagerschild 9 eingesetzt, insbesondere eingeschraubt ist.

Gemäß einer weiteren in den Zeichnungen nicht dargestellten Ausführungsform ist es auch möglich, auf die Motorwelle 6 zu verzichten und die Hülse 20 durch entsprechend größer ausge­ bildete Radiallager von außen in dem Motorgehäuse 8 zu lagern.

Claims (15)

1. Kreiselpumpe mit einem die Pumpe antreibenden Elektromotor in Radialflußbauweise, dessen mit dem Pumpenlaufrad drehfest verbundener Rotor als Naßläufer in Kontakt mit dem geförderten Medium ist und dessen Stator durch Abdichtungsmittel von dem geförderten Medium getrennt ist, wobei der Rotor mehrere Magnete und der Stator mehrere Ständerwicklungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (22) des Rotors (19) radial außerhalb der Ständerwicklungen (13) des Stators (14) umlaufen.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (19) eine Hülse (20) aufweist, die die Ständerwicklungen (13) des Stators (14) außen übergreift und an der die Magnete (22) des Rotors (19) befestigt sind.

3. Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (20) über mindestens ein Radiallager in dem Motorgehäuse (8), insbesondere auf den Abdichtungsmitteln (15) des Stators (14), gelagert ist.

4. Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständerwicklungen (13) des Stators (14) von außen auf einen Statorhalter aufgebracht, insbesondere auf radiale Stege oder in radiale Ausnehmungen des Statorhalters gewickelt sind.

5. Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (14) mit Kunststoff umhüllt ist.

6. Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtungsmittel des Stators (14) durch einen Spalttopf gebildet sind.

7. Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtungsmittel des Stators (14) eine Hülse (15), Vergußmasse (16) und/oder Dichtungen (17, 18) umfassen.

8. Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpenlaufrad (5) drehfest mit einer Motorwelle (6) verbunden ist, die über mindestens ein Radiallager (10) in einem vorzugsweise auch den Stator (14) tragenden Lagerschild (9) des Motorgehäuses (8) gelagert ist.

9. Pumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorwelle (6) einen koaxialen Kanal (11) aufweist, durch den das geförderte Medium von der Pumpenkammer (2) bis zu dem der Pumpenkammer (2) abgewandten Ende der Motorwelle (6) fließen kann.

10. Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (19) eine mit dem Pumpenlaufrad (5) verbundene Scheibe (21) umfaßt, die an der dem Pumpenlaufrad (5) abgewandten Seite über einen ersten Dichtspalt (24) an einem Bund (25) und an einem mit dem geförderten Medium gefüllten Ringraum (27) anliegt, wobei der Ringraum (27) einerseits über den ersten Dichtspalt (24) und mindestens einen in der Scheibe (21) angeordneten Kanal (23) mit einem Bereich niedrigen Drucks des Pumpenlaufrades (5) oder der Pumpenkammer (2) verbunden ist, und der Ringraum (27) andererseits über einen in Umfangsrichtung hülsenförmig verlaufenden zweiten Dichtspalt (26) mit einem Bereich hohen Drucks des Pumpenlaufrades (5) oder der Pumpenkammer (2) verbunden ist.

11. Pumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Dichtspalt (26) zwischen dem Stator (14) und dem Rotor (19) vorgesehen ist.

12. Pumpe nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Dichtspalt (24) in einer zur Laufradachse senkrechten Ebene zwischen der Scheibe (21) und einer Stirnseite eines Radiallagers (10) vorgesehen ist.

13. Pumpe nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (24) und/oder zweite (26) Dichtspalt eine Dicke von 0,1 bis 1 mm, vorzugsweise von 0,3 bis 0,5 mm aufweist.

14. Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (14) neun Ständerwicklungen (13) aufweist, die radial innerhalb der Magnete (22) des Rotors (19) gleichmäßig über den Umfang verteilt sind.

15. Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer Heizungsanlage, im Bereich der Kältetechnik oder in einem Kraftfahrzeug eingesetzt ist.