DE2109341A1

DE2109341A1 - Kühlwasserpumpe für Automobile

Info

Publication number: DE2109341A1
Application number: DE19712109341
Authority: DE
Inventors: Nikolaus 7141 Aldingen. P Laing
Original assignee: STANDARD MAGNET AG
Current assignee: STANDARD MAGNET AG
Priority date: 1970-03-17
Filing date: 1971-02-26
Publication date: 1971-11-04
Also published as: US3723029A; FR2087825A5

Description

Standard Magnet AG₉ Hünenberg / Schweiz ^DK 1320/12 '"'..._ Kühlwasserpumpe für Automobile 9

Wassergekühlte Motore benötigen Kühlwasserpumpen, die in der Regel über Keilriemen angetrieben v/erden und durch umlaufende Axialdichtungen abgedichtet sind. Da jede Wellenabdichtung einen, -wenn auch extrem geringen Flüssigkeitsleckstrom aufweist, muss von Zeit zu Zeit Kühlwasser nachgefüllt xverden. Sobald die mit sehr hoher Genauigkeit aufeinander gleitenden Di^htscheiben eine Verletzung erfahren, z.B. durch ein Sandkorn des !Formsandes, verliert der Kühlkreislauf in kürzester Zeit grosse Mengen Kühlflüssigkeit. Die Wellenabdichtung ist deshalb eine potentielle Schadenstelle eines Automotors. |

Verbrennungsmotore führen ungefähr 60 % ihrer Verluetwärme über Abgase und Kühlwasser ab, v/e^Jers 15 % entfallen auf das vom Fahrtwind angeströmte Motorgehäuse. Bei leerlaufendem und gering belastetem Motor ist der auf das Kühlwasser entfallende Anteil relativ gross, da die Abgase eine grosse Verweilzeit haben, ihre V/ärme somit an die Zylinderwand abgeben und der Fahrtwind zur Motorblockkühlung fehlt. Mit zunehmender Motordrehzahl steigt die abgegebene Motorleistung, die bei 80 - 90 % der Maximaldrehzahl ihr Maximum erreicht. Die erforderliche Mindestumwälz-Menge des Kühlwassers ist Jedoch im allgemeinen bereits bei etwa 40 % der Kurbelwellendrehzahl erreicht.Bei darüber hinausgehenden Drehzahlen steigt f zwar die Strömungsgeschwindigkeit, da die Fördermenge der vom Motor direkt angetriebenen Kühlwasserpumpe proportional mit der Drehzahl xveiter ansteigt, die Kühlung bedarf jedoch gar keiner weiteren Verbesserung. Die Leistungsaufnahme einer Kreiselpumpe steigt kubisch mit der Drehzahl, so dass bei einer Drehzahlzunähme von 40 auf 100 % der Maximaldrehzahl die von der Pumpe aufgenommene Leistung auf das Fünfzehnfache des Wertes ansteigt, der zur ausreichenden Kühlung des Motore erforderlich ist. Bei einem 200 PS-Motor beträgt beispielsweise die erforderliche Pumpenleis bung bei Maximaldrehzahl 0,5 PS, wähx*end die tat-

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sächliche Leistungsaufnahme der Pumpe bei der Höchstdrehzahl 7»5 PS beträgt; 7 PS werden damit vergeudet.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlwasserpumpe für wassergekühlte Verbrennungsmotor, die hermetisch abgedichtet ist, die also weder Leckverluste, noch Dichtungsschäden aufweisen kann und die darüber hinaus eine •weitgehende Anpassung der Umwälzmenge und damit der aufgenoEiinenen Leistung an die tatsächlich zur Kühlung des Motors erforderliche Umwälzmenge bewirkt. Hierzu verwendet die Erfindung eine Pumpe, deren Laufrad einen magnetischen Polring besitzt, der durch einen mechanisch angetriebenen zweiten Polring angetrieben wird und von diesem durch eine hermetisch dichtende Wandung aus nichtmagnetischem Material getrennt ist. Da Lagerbuchsen und Wellen, die_aim Flüssigkeitskreis angeordnet sind, sehr leicht durch eingeklemmte Schmutzteile blockieren, sieht die Erfindung vorzugsweise Polringe vor, deren magnetische Pole einer kalottenförmigen Trennwand zugewandt sind, wobei das in der Flüssigkeit umlaufende Teil durch zwei im Kugelzentrum liegende Stützelemente gegen die magnetische Axialkraft im Langsamlauf und gegen den hydraulischen Schub im Schnellauf abgestützt ist. Dazu wird die kugeikalottenförmige Trennwand mit einem Abschlußboden versehen, so daß sich der antreibende Polring in einem halbkugelförmigen Hohlraum befindet. Einer der Polringe, vorzugsweise der mit dem Pumpenlaufrad eine Einheit bildende, wird als Induktionsläufer ausgebildet, wobei das w'irbelstromleitende Element so dimensioniert wird, daß der Schlupf im Langsamlauf gering und im Schnellauf groß ist.

Eine noch weitere Anpassung der Leistungsaufnahme der Pumpe in Abhängigkeit von der zur Wärmeabfuhr des Motorblocks benötigten Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers läßt sich erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligen, daß ein Wärmefühler im Kühlwasserkreis angeordnet wird, der durch eine geeignete Vorrichtung Temperaturänderung in Weg-

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änderung umsetzt. Diese Wegänderung wird zur Änderung des Abstandes zwischen den aufeinander wirkenden magnetischen Polringen ausgenut zt.

Die Erfindung soll anhand von praktischen Ausführungsformen erläutert werden, jedoch ist sie nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.

Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Pumpe im hälftigen Längsschnitt. An den Motorblock 1 ist das Pumpengehäuse 2 angeflanscht, welches einen ansaugseitigen Stutzen 3 aufweist. In den Lagern 4 und 4¹ ist die Welle 5, die mit der Keilriemenscheibe 6 eine Einheit bildet, gelagert. f

Ebenfalls fest verbunden ist mit dieser Welle der Polring 7, der aus einem permanentmagnetischen Werkstoff besteht. Dieser permanentmagnet!sehe Polring 7 befindet sich in einem halbkugelförmigen Gehäuse, welches aus der Halbkugelschale 8 und dem Abschlußdeckel 9 besteht und mit dem Gehäuse 2 fest verbunden ist. Der Außenkontur der Kugelschale 8 folgt der angetriebene Polring,10, der aus einem kugelschalenabschnittförmigen Eisenring besteht, in welchen Kupferstäbe 11 eingelegt sind, die wie die Käfigwicklung eines Elektromotors an den Enden durch Kupferringe 12 und 12' miteinander verbunden sind. Auf der äußeren Oberfläche des Eisenringes sind Pumpenschaufeln 13 Λ angeordnet. Am größeren Radius ist der Polring 10 mittels einer Radscheibe 14, die mit der Kugel 16 fest verbunden ist, geschlossen. Die Scheibe 9, die mit der Halbkugelschale 8 längs de.r Peripherie dicht verbunden ist und im Zentrum die Lagerpfanne 15 trägt, trennt den Raum 18 vom·Wasserraum hermetisch ab. Vom Gehäuse führen Speichen 19 zu einer Aufnahme 20 im Zentrum, die eine zweite Lagerpfanne 15' trägt. Zwischen den beiden Lagerpfannen 15 und 15' läuft die Kugel 16. Das Zentrum der Kugel 16 fällt mit dem Zentrum der Kugel, die der Halbkugelschale

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und den diesen zugekehrten konvexen bzw. konkaven Begrenzungsflächen der Polringe 7 und 10 zugeordnet ist, annähernd zusammen.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf die Pumpe gemäß der Erfindung, wobei im ersten Quadranten die Keilriemenscheibe 6, im zweiten Quadranten der Ansaugstutzen 3, im dritten Quadranten eine Ansicht des Polringes 10 mit der Kupferkäfigbewicklung 11, 12, 12* und im vierten Quadranten die Schaufeln 13 zu sehen sind.

Pigur 3 zeigt noch einmal einen Ausschnitt aus dem Leiterkäfig, der als Stanzteil aus Kupfer hergestellt wird, in die ausgestanzten Flächen 30 hinein ragen Pole des äußeren Ringes 10. "**"

Figur 4 zeigt ebenfalls sich nur über den halben Umfang erstreckend den aus ferromagnetischem Werkstoff bestehenden Polring 7. Die Segmente 40 und 40' sind als Kugelschalen ausgeschnitten ausgebildet und miteinander in den Spalten 41 verkittet. Die Magnetisierung verläuft in Richtung von Kugelhalbmessern 42, so daß jeweils konvexe und konkave sphärische Vierecke eines Sektors eine unterschiedliche Polung aufweisen. Ebenso weisen benachbarte Segmente 40 und 40' unterschiedliche Polung auf.

Figur 5 zeigt eine Ausbildung der Erfindung, bei der der innere Polring 50 durch einen Faltenbalg 51 getragen wird. Dieser Faltenbalg ist über eine Kapillarrohrleitung 52 mit einem Tank 53 verbunden. Das Innere dieses Systems ist mit einer unter Wärmeeinfluß sich stark ausdehnenden Substanz gefüllt. Bei geringer Kühlwassertemperatur befindet sich der permanentmagnetisehe Polring in der Position 54, so daß zwischen diesem Polring und dem äußeren Polring 55, der mit den Schaufeln 56 eine Einheit bildet, ein großer

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Schlupf entsteht. Erst wenn die Kühlwassertemperatur einen vorgegebenen Wert überschritten hat, wandert der permanentmagnetische Polring 50 in Richtung zur sphärischen Halbkugelschale 8, wodurch das übertragene Drehmoment verstärkt und damit der Schlupf verringert wird. Erst bei Erreichen der zulässigen Kühlwassergrenztemperatur ist der Polring 50 bis in die gezeichnete lage verschoben. Auch hier wird durch die Wandung 9 ein hermetischer Abschluß zwischen dem Raum 18 und dem Wasserkreislauf geschaffen. Die Oberfläche der Halbkugelschale 8 ist mit hoher Formtreue bearbeitet, auf ihr gleitet der genau angepaßte konvexe äußere Polring; durch die axiale Komponente 58 der m Magnetkräfte bleibt der äußere Polring stets auf Formschluß.

Figur 6 zeigt den Verlauf des übertragbaren Drehmoments als Funktion von Geschwindigkeit, Luftspaltabstand und Leiterwiderstand. Auf der Abszisse 60 ist die Drehzahl, auf der Ordinate 61 ist das Drehmoment abgetragen. Die Kurve 62 zeigt den Verlauf der Pumpenraddrehzahl mit einem Weicheisenpolring 10 und einer Käfigwicklung gemäß Figur von starkem Querschnitt. Die Kurve 63 zeigt die gleiche Anordnung, bei der jedoch der Leiterquerschnitt der Käfigwicklung 11, 12, 12' wesentlich kleiner gehalten ist. Die Kurve 64 zeigt das übertragene Drehmoment einer Pumpe I gemäß Figur 5 im kalten Zustand, bei der sich also der Polring 50 in der Position 54 befindet. Eine ähnliche Wirkung wie die Widerstandsvergrößerung der Käfigwicklung 111 12, 12* läßt sich auch durch eine Verringerung des Querschnittes des Eisenrückens 57 erreichen. In Abhängigkeit vom gewünschten Leistungsverlauf müssen deshalb Luftspalt 50/54» Stärke des Eisenrückens 57 und Querschnitt der Käfigwicklung 11, 12, 12' einander zugeordnet werden. Eine Veränderung des Schlupfes kann erfindungsgemäß nicht nur durch eine Axialverschiebung des gesamten Polringes, sondern auch durch die Verschiebung eines an die konkave Seite 43 des Polringes anschließenden Eisenrückschlußringes bewirkt werden. ₁₀9₈^5/ _{1 07S}

Claims

Ansprüche

(1. Kühlwasserpumpe für flüssigkeitsgekühlte Motoren, ^-"'Destehend aus einem Antriebselement, vorzugsweise einer Keilriemenscheibe, einer Antriebswelle und einem Pumpenlaufrad, welches mit einem Pumpengehäuse zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (5) einen magnetischen Polring (7) antreibt, der einen zweiten magnetischen Polring (10) mitnimmt, und daß sich der erste Polring in einem Gehäuse (8/9) befindet, dessen Oberfläche mit der Kühlflüssigkeit und dessen andere Oberfläche mit der Außenluft kommunizieren.
2. Kühlwasserpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der. Polringe (7) permanentmagnetisch ist, während auf dem zweiten Polring (10) magnetische Gegenpole induziert werden.
3. Kühlwasserpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Polring (10) aus Weicheisen und einem Wirbelstromleiter besteht, 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-Drehmomenten-Kurve zu größeren Schlupfdrehzahlen hin abknickt.
4. jvühlwasserpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Trennwand (8) durchsetzte Luftspalt zwischen den Polringen (7 und 10) veränderbar ist.
5. Kühlwasserpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt durch eine thermisch betätigte Verschiebevorrichtung (51, 52, 53)» die mit dem Kühlwasser in gut wärmeleitendem Kontakt steht, mit zunehmender Kühlwaseertemperatur verkleinert wird.

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6. Kühlwasserpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (8) als Halbkugelschale ausgebildet ist, der die konvexe Oberfläche des Polringes (7) und die konkave Oberfläche des Polringes (10) zugewandt sind.
7. Kühlwasserpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der konkave Polring (10) über eine Radscheibe (14) und mindestens eine Pfanne (15) von einer Kugel (16) zentriert und im axialen Abstand zu einem Gehäuseelement (20) fixiert wird.
8. Kühlwasserpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Innenfläche des Polringes (55) auf der konvexen Außenfläche der Halbkugelschale (8) gleitet.
9. Pumpe, insbesondere Kühlmittelpumpe, mit einem ersten konvexen magnetischen Polring (7) und einem zweiten konkaven magnetischen Polring (10), einer die Polringe trennenden Wand (8) und einer Radscheibe (14), dadurch gekennzeichnet, daß die Radscheibe mit einer Kugel (16) fest verbunden ist und daß die Kugel zwischen zwei stillstehenden Pfannen (15 und 15') formschlüssig gelagert ist.

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