EP1256722A2 - Kreiselpumpe - Google Patents

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EP1256722A2
EP1256722A2 EP02450114A EP02450114A EP1256722A2 EP 1256722 A2 EP1256722 A2 EP 1256722A2 EP 02450114 A EP02450114 A EP 02450114A EP 02450114 A EP02450114 A EP 02450114A EP 1256722 A2 EP1256722 A2 EP 1256722A2
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EP
European Patent Office
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impeller
pump
pump according
magnets
drive
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EP02450114A
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EP1256722B1 (de
EP1256722A3 (de
Inventor
Markus Ing. c/o Sidrag AG Kundensupport Heim
Herbert Ing. Gösweiner
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TCG Unitech AG
Original Assignee
TCG Unitech AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D13/00—Pumping installations or systems
    • F04D13/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D13/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
    • F04D13/0666—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven the motor being of the plane gap type

Definitions

  • the invention relates to a pump for liquid media, in particular cooling water pump for internal combustion engines with a disc rotor Trained electric motor to drive the pump with a
  • the impeller of the pump is in direct connection.
  • an essential criterion is absolute reliability, because if the cooling system fails, serious damage to the Internal combustion engine can occur.
  • Next is in the sense of a cost reduction and striving for the greatest possible freedom from maintenance, as far as possible without the sealing of rotating components. Other requirements affect the available installation space, which in many cases is restricted.
  • DE 196 17 495 A relates to a fuel pump for motor vehicles, the one Has rotor, on the one hand as a disc rotor of an electric motor and on the other serves as a pump impeller.
  • the outer circumference of the Rotor blades are designed to convey the medium.
  • the pump can only achieve a limited degree of efficiency because the pump geometry is less than optimal. It is also the classic disc runner required the current to the electrical windings in the disc via brushes that are sealed against the flow medium Need to become.
  • Electric motors are known from DE 16 13 626 A or DE 25 56 631 A, drive the pumps or fans and which have a winding in the area of the Impeller is arranged.
  • the torque of such motors is limited and fail-safe cooling water pumps for motors from Motor vehicles are not easily shown.
  • the object of the present invention is to provide a pump in which this Disadvantages are avoided and the simple with the smallest possible size Has structure and can be operated fail-safe.
  • these objects are achieved in that on the outer circumference the impeller of the pump a drive flange in the radial direction to the outside protrudes in which magnets or windings are molded to make contact with the impeller drive.
  • a drive flange in the radial direction to the outside protrudes in which magnets or windings are molded to make contact with the impeller drive.
  • Such a pump has only one movable one Component, namely the impeller with the integrally formed drive flange. by virtue of The large diameter of the drive flange can cause a large drive torque can be reached, but the dimension in the axial direction of the pump is very low.
  • the electric motor of the pump according to the invention is there not designed as a classic disc runner, in which in the disc-shaped Rotor flat-pressed solenoids are arranged using brushes Power is supplied, but it is a permanent magnet DC motor or designed as an asynchronous three-phase motor. In both cases Torque caused by an external magnetic field generated in the stator becomes. If one assumes that the motor of the pump is basically with DC is driven, so the rotating field is in any case by an electronic Circuit generated. This has the added benefit that the performance of the Pump can be easily adapted to the respective need.
  • a particularly preferred embodiment variant provides that the electric motor is designed as a wet runner. This means that the moving inside the pump Parts are not sealed, which means that the gap between flooded the stator and the rotor of the pump with the medium to be pumped is.
  • the impeller is designed as an axial-radial impeller, the opposite on the inflow side Side has a flange surface, integrally formed on the blades are, and the drive flange is arranged radially outside of the flange surface.
  • the drive flange is arranged offset in the axial direction. In this way it is possible to use the outflow housing radially outside of the impeller unobstructed and at the same time a part between the outflow housing and the drive flange of the stator.
  • the structure of the pump according to the invention is particularly simplified and made inexpensive if the impeller is made of plastic and the Magnets are molded as inserts in the injection molding process.
  • Such a solution is also characterized by a robust mechanical structure.
  • the injection molding process must take into account that the magnets only be heated within the permissible limits to demagnetize to prevent.
  • the magnets can only be used after Manufacturing the impeller can be magnetized in situ, so that the injection molding process is not subject to any restrictions.
  • a common coolant which is composed of water and glycol
  • a common coolant which is composed of water and glycol
  • the motor cover 3 carries an axis 5 in the axial area the impeller 6 is mounted.
  • the axis 5 is from a collar 4 of the engine cover 3 held and is used as an insert in the manufacture of the engine cover 3rd mitgespritzt.
  • the impeller 6 is designed as an axial-radial impeller, that is, that through the inflow housing 7 formed by the hydraulic cover 1, the material to be conveyed Medium flows in the axial direction.
  • the flow channels 8 of the impeller 6 in which blades 9 are arranged the flow direction of the Medium deflected radially outwards so that this in the outflow housing 10th is promoted.
  • Via a helical lead out of the hydraulic cover 1 Outflow pipe 11, the medium is discharged.
  • a plain bearing bush 12 is formed, which at the production can be encapsulated.
  • the impeller 6 can be injection molded in two components getting produced.
  • a screw 13 secures the impeller 6 on the axis 5.
  • the back of the flow channels 8 of the impeller 6 forms a disc 14 which bulges towards the inside of the hub 15 and on the outside essentially in one towards the axis 16 of the impeller 6 vertical axis.
  • On the outer periphery of the disk 14 connects a tubular portion 17, one at its other end Carries drive flange 18 which extends outwards.
  • magnets 19 are molded as inserts that the Form the rotor of the electric motor.
  • the magnets 19 are rare earth magnets on the Basis of Nd-Fe-B or Pr-Fe-B, which have an extremely high field strength exhibit.
  • Plastic-bonded magnets, so-called polymer magnets can also be used be used by powder pressing a mixture of magnetic particles made with a binder based on epoxy resin but also by injection molding a compound. That way you can high magnetic properties can be achieved at low cost.
  • the windings 20 attached to the stator, which is essentially a disc parallel to the drive flange 18 forms.
  • a yoke disk 21 is provided on the opposite side of the drive flange 18 Winding 20, a yoke disk 21 is provided.
  • the yoke washers 21 and 22 can be conventional Be constructed from sheet metal or from plastic rings with molded Steel particles are made.
  • the winding 20 of the stator itself is iron-free, which makes it special compact dimensions.
  • the engine of the invention Pump is supplied with power via a plug 23, which is not shown Motor electronics for electronic commutation can be in the range of Pump or be housed outside. Alternatively, the engine electronics for example, be cast together with the winding 20.
  • FIG. 2 differs from that of FIG. 1 in that that in addition to the drive flange 18, which projects outward from the impeller 6, a further drive flange 28 is provided, which is behind the stator 20 is arranged and substantially symmetrical to the first drive flange 18 is trained.
  • the screw 13 is aerodynamically designed as a spinner. Possibly can be provided in the inflow housing 7 guide vanes, not shown here be to increase hydraulic efficiency.
  • the cooling water pump according to the invention can be like a conventional coolant pump be attached to the internal combustion engine as a plug-in module.
  • the pump is designed as a wet runner, that is, the entire interior is flooded with the coolant or the medium to be pumped no stuffing boxes, mechanical seals, oil seals or the like required, which lowers costs and increases operational safety.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pumpe für flüssige Medien, insbesondere Kühlwasserpumpe für Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung mit einem als Scheibenläufer ausgebildeten Elektromotor zum Antrieb der Pumpe, der mit einem Laufrad (6) der Pumpe in unmittelbarer Verbindung steht. Ein einfacher Aufbau und eine hohe Betriebssicherheit werden dadurch erreicht, dass am äußeren Umfang des Laufrads der Pumpe ein Antriebsflansch (18) in Radialrichtung nach außen vorragt, in dem Magnete (19) oder Wicklungen (20) eingeformt sind, um das Laufrad (6) berührungslos anzutreiben. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpe für flüssige Medien, insbesondere Kühlwasserpumpe für Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung mit einem als Scheibenläufer ausgebildeten Elektromotor zum Antrieb der Pumpe, der mit einem Laufrad der Pumpe in unmittelbarer Verbindung steht. Je nach Einsatzzweck werden an Pumpen die unterschiedlichsten Anforderungen gestellt. So ist etwa bei elektrischen Kühlmittelpumpen ein wesentliches Kriterium die absolute Zuverlässigkeit, da bei Ausfall des Kühlsystems schwerwiegende Schäden an der Brennkraftmaschine auftreten können. Weiter wird im Sinne einer Kostenreduktion und der Erreichung einer weitest gehenden Wartungsfreiheit angestrebt, möglichst ohne die Abdichtung drehender Bauteile auszukommen. Weitere Vorgaben betreffen den zur Verfügung stehenden Einbauraum, der in vielen Fällen eingeschränkt ist.
Die DE 196 17 495 A betrifft eine Kraftstoffpumpe für Kraftfahrzeuge, die einen Rotor aufweist, der einerseits als Scheibenläufer eines Elektromotors und andererseits als Pumpenlaufrad dient. Zu diesem Zweck sind am äußeren Umfang des Rotors Schaufeln ausgebildet, um das Medium zu fördern. Mit einer solchen Pumpe kann einerseits nur ein beschränkter Wirkungsgrad erreicht werden, da die Pumpengeometrie wenig optimal ist. Weiters ist es beim klassischen Scheibenläufer erforderlich, den Strom zu den elektrischen Wicklungen in der Scheibe über Bürsten zuzuführen, die gegenüber dem Strömungsmedium abgedichtet werden müssen.
Aus der DE 16 13 626 A oder der DE 25 56 631 A sind Elektromotoren bekannt, die Pumpen oder Lüfter antreiben und bei denen eine Wicklung im Bereich des Laufrads angeordnet ist. Das Drehmoment solcher Motoren ist jedoch beschränkt, und es können ausfallssichere Kühlwasserpumpen für Motoren von Kraftfahrzeugen nicht ohne weiteres dargestellt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Pumpe zu schaffen, bei der diese Nachteile vermieden werden und die bei möglichst kleiner Baugröße einen einfachen Aufbau aufweist und ausfallssicher betrieben werden kann.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben dadurch gelöst, dass am äußeren Umfang des Laufrads der Pumpe ein Antriebsflansch in Radialrichtung nach außen vorragt, in dem Magnete oder Wicklungen eingeformt sind, um das Laufrad berührungslos anzutreiben. Eine solche Pumpe besitzt nur einen einzigen beweglichen Bauteil, nämlich das Laufrad mit dem angeformten Antriebsflansch. Aufgrund des großen Durchmessers des Antriebsflansches kann ein großes Antriebsdrehmoment erreicht werden, die Abmessung in Axialrichtung der Pumpe ist jedoch sehr gering. Der Elektromotor der erfindungsgemäßen Pumpe ist dabei nicht als klassischer Scheibenläufer ausgebildet, bei dem in dem scheibenförmigen Rotor flachgepresste Magnetspulen angeordnet sind, die über Bürsten mit Strom versorgt werden, sondern er ist als Permanentmagnet-Gleichstrommotor oder als Asynchron-Drehstrommotor ausgebildet. In beiden Fällen wird das Drehmoment durch ein äußeres Magnetfeld hervorgerufen, das im Stator erzeugt wird. Wenn man davon ausgeht, dass der Motor der Pumpe grundsätzlich mit Gleichstrom angetrieben wird, so wird das Drehfeld jedenfalls durch eine elektronische Schaltung erzeugt. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Leistung der Pumpe sehr leicht an den jeweiligen Bedarf angepasst werden kann.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante sieht vor, dass der Elektromotor als Nassläufer ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass innerhalb der Pumpe die beweglichen Teile nicht abgedichtet sind, das heißt, dass auch der Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor der Pumpe mit dem zu fördernden Medium geflutet ist.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist das Laufrad als Axial-Radial-Laufrad ausgebildet, das an der Einströmseite gegenüberliegenden Seite eine Flanschfläche aufweist, an der Schaufeln angeformt sind, und der Antriebsflansch ist radial außerhalb der Flanschfläche angeordnet. Besonders bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, wenn der Antriebsflansch in Axialrichtung versetzt angeordnet ist. Auf diese Weise ist es möglich, das Ausströmgehäuse radial außerhalb des Laufrades unbehindert auszubilden und gleichzeitig zwischen dem Ausströmgehäuse und dem Antriebsflansch einen Teil des Stators vorzusehen.
Der Aufbau der erfindungsgemäßen Pumpe wird insbesondere vereinfacht und kostengünstig gemacht, wenn das Laufrad aus Kunststoff hergestellt ist und die Magnete als Einlegeteile im Spritzgussverfahren eingeformt sind. Eine solche Lösung zeichnet sich auch durch einen robusten mechanischen Aufbau aus. Bei dem Spritzgussverfahren muss jedoch berücksichtigt werden, dass die Magnete nur innerhalb der zulässigen Grenzen erwärmt werden, um die Entmagnetisierung zu verhindern. Alternativ dazu können die Magnete aber auch erst nach der Herstellung des Laufrads in situ magnetisiert werden, so dass der Spritzguss-Prozess keinen Beschränkungen unterliegt.
In der Folge wird die vorliegende Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
eine erste Ausführungsvariante der Erfindung im Schnitt und
Fig. 2
eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung in einem Teilschnitt.
Das Gehäuse der erfindungsgemäßen Pumpe gemäß Fig. 1, die eine elektrische Kühlmittelpumpe für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung ist, die ein übliches Kühlmittel fördert, das aus Wasser und Glykol zusammengesetzt ist, besteht aus einen Hydraulikdeckel 1, der den Einströmkanal 7 und zur Hälfte den Ausströmkanal 10 umschließt, einem Hydraulikboden 2, der die zweite Hälfte des Ausströmkanals 10 umschließt und eine Hälfte des Stators trägt, und einem Motordeckel 3, der das Gehäuse auf der dem Hydraulikdeckel 1 gegenüberliegenden Seite abschließt. Der Motordeckel 3 trägt im axialen Bereich eine Achse 5, auf der das Laufrad 6 gelagert ist. Die Achse 5 ist von einem Bund 4 des Motordeckels 3 gehalten und wird als Einlegeteil bei der Herstellung des Motordeckels 3 mitgespritzt. Das Laufrad 6 ist als Axial-Radial-Laufrad ausgebildet, das heißt, dass durch das vom Hydraulikdeckel 1 gebildete Zustromgehäuse 7 das zu fördernde Medium in Axialrichtung zuströmt. In den Strömungskanälen 8 des Laufrads 6 in denen Schaufeln 9 angeordnet sind, wird die Strömungsrichtung des Mediums radial nach außen umgelenkt, so dass dieses in das Abströmgehäuse 10 gefördert wird. Über ein schneckenförmig aus dem Hydraulikdeckel 1 herausgeführtes Ausströmrohr 11 wird das Medium abgeführt.
An der Nabe 15 des Laufrads 6 ist eine Gleitlagerbuchse 12 eingeformt, die bei der Herstellung umspritzt werden kann. Alternativ kann das Laufrad 6 im Zweikomponenten-Spritzguss hergestellt werden. Eine Schraube 13 sichert das Laufrad 6 auf der Achse 5.
Die Rückseite der Strömungskanäle 8 des Laufrads 6 bildet eine Scheibe 14, die sich innen zur Nabe 15 hin wölbt und außen im Wesentlichen in einer zur Achse 16 des Laufrads 6 senkrechten Achse liegt. Am äußeren Umfang der Scheibe 14 schließt ein rohrförmiger Abschnitt 17 an, der an seinem anderen Ende einen Antriebsflansch 18 trägt, der sich nach außen erstreckt.
In dem Antriebsflansch 18 sind Magnete 19 als Einlegeteile eingeformt, die den Rotor des Elektromotors bilden. Die Magnete 19 sind Selten-Erd-Magnete auf der Basis von Nd-Fe-B beziehungsweise Pr-Fe-B, die eine extrem hohe Feldstärke aufweisen. Es können auch kunststoffgebundene Magnete, sogenannte Polymermagnete verwendet werden, die durch Pulverpressen eines Gemisches aus Magnetpartikeln mit einem Bindemittel auf der Basis von Epoxidhazen hergestellt werden, aber auch durch Spritzgießen eines Compounds. Auf diese Weise können hohe magnetische Eigenschaften mit geringen Kosten erzielt werden. Auf dem Bund 4 des Motordeckels 3 oder im Motordeckel 3 selbst sind die Wicklungen 20 des Stators befestigt, der im Wesentlichen eine Scheibe parallel zum Antriebsflansch 18 bildet. An der dem Antriebsflansch 18 gegenüberliegenden Seite der Wicklung 20 ist eine Rückschlussscheibe 21 vorgesehen. Durch eine weitere Rückschlussscheibe 22, die am Hydraulikboden 2 befestigt ist, wird der magnetische Kreis geschlossen. Um die Spaltverluste zu verringern und die Leistungsdichte zu erhöhen, kann die weitere Rückschlussscheibe jedoch auch im Laufrad 6 eingeformt sein. Die Rückschlussscheiben 21 und 22 können in herkömmlicher Weise aus Blechen aufgebaut sein oder aus Kunststoffringen mit eingeformten Stahlpartikeln hergestellt werden.
Die Wicklung 20 des Stators selbst ist eisenlos ausgeführt, wodurch sich besonders kompakte Abmessungen erzielen lassen. Der Motor der erfindungsgemäßen Pumpe wird über einen Stecker 23 mit Strom versorgt, die nicht dargestellte Motorelektronik zur elektronischen Kommutierung kann dabei im Bereich der Pumpe oder außerhalb untergebracht sein. Alternativ dazu kann die Motorelektronik beispielsweise gemeinsam mit der Wicklung 20 vergossen sein.
Die Ausführungsvariante von Fig. 2 unterscheidet sich von der von Fig. 1 dadurch, dass neben dem Antriebsflansch 18, der vom Laufrad 6 nach außen vorragt, ein weiterer Antriebsflansch 28 vorgesehen ist, der hinter dem Stator 20 angeordnet ist und im Wesentlichen symmetrisch zum ersten Antriebsflansch 18 ausgebildet ist.
Auf diese Weise kann das Drehmoment wesentlich verstärkt werden und durch die symmetrische Ausbildung können Axiallagerkräfte weitgehend vermieden werden. Durch die in Axialrichtung längere Ausbildung werden zwei Lagerbuchsen 12 hintereinander eingesetzt, die beide auch eine Abstützung in Axialrichtung bieten. Ein weiterer Unterschied dieser Ausführungsvariante zu der oben beschriebenen Ausführungsvariante besteht darin, dass die Rückschlussscheiben 21 und 22 auf den Antriebsflanschen 28 bzw. 18 angeordnet sind, was vorteilhaft für den Wirkungsgrad des Motors ist. Es ist auch möglich, dass die Rückschlussscheiben 21, 22 selbst die Antriebsflansche 28, 18 bilden.
Die Schraube 13 ist als Spinner strömungsgünstig ausgebildet. Gegebenenfalls können im Zustromgehäuse 7 hier nicht dargestellte Leitschaufeln vorgesehen sein, um den hydraulischen Wirkungsgrad zu erhöhen.
Es ist ersichtlich, dass bei erhöhter Anforderung an Leistung und Drehmoment weitere Rotorscheiben vorgesehen sein können, die in Axialrichtung hintereinander angeordnet sind.
Die erfindungsgemäße Kühlwasserpumpe kann wie eine herkömmliche Kühlmittelpumpe als Steckmodul an der Brennkraftmaschine angebracht werden. Im Vergleich zu mechanisch angetriebenen Pumpen besteht jedoch dabei einerseits der Vorteil, dass der Ort der Anbringung unabhängig von Riementrieben oder dergleichen ist und dass die Steuerung der Pumpe wesentlich feinfühliger auf den jeweiligen Kühlbedarf der Brennkraftmaschine vorgenommen werden kann. Da die Pumpe als Nassläufer konzipiert ist, das heißt, dass der gesamte Innenraum mit dem Kühlmittel beziehungsweise dem zu fördernden Medium geflutet ist, sind keinerlei Stopfbuchsen, Gleitringdichtungen, Simmerringe oder dergleichen erforderlich, was die Kosten senkt und die Betriebssicherheit erhöht.

Claims (9)

  1. Pumpe für flüssige Medien, insbesondere Kühlwasserpumpe für Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung mit einem als Scheibenläufer ausgebildeten Elektromotor zum Antrieb der Pumpe, der mit einem Laufrad (6) der Pumpe in unmittelbarer Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass am äußeren Umfang des Laufrads der Pumpe ein Antriebsflansch (18) in Radialrichtung nach außen vorragt, in dem Magnete (19) oder Wicklungen (20) eingeformt sind, um das Laufrad (6) berührungslos anzutreiben.
  2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor elektronisch kommutiert ist.
  3. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor als Nassläufer ausgebildet ist.
  4. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (6) als Axial-Radial-Laufrad ausgebildet ist, das an der der Einströmseite gegenüberliegenden Seite eine Flanschfläche aufweist, an der Schaufeln angeformt sind, und dass der Antriebsflansch (18) radial außerhalb der Flanschfläche angeordnet ist.
  5. Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsflansch (18) in Axialrichtung versetzt angeordnet ist.
  6. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (6) aus Kunststoff hergestellt ist und dass die Magnete (19) als Einlegeteile im Spritzgussverfahren eingeformt sind.
  7. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (6) aus Kunststoff hergestellt ist und dass die Magnete (19) als kunststoffgebundene Magnete ausgebildet sind.
  8. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Laufrad (6) ein weiterer Antriebsflansch (28) verbunden ist.
  9. Pumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Antriebsflansche (18, 28) beidseits des Stator (20) symmetrisch angeordnet sind.
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