EP1536139B1 - Pumpenaggregat mit einer Zahnradpumpe und einem Elektromotor - Google Patents

Pumpenaggregat mit einer Zahnradpumpe und einem Elektromotor Download PDF

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EP1536139B1 EP04018790A EP04018790A EP1536139B1 EP 1536139 B1 EP1536139 B1 EP 1536139B1 EP 04018790 A EP04018790 A EP 04018790A EP 04018790 A EP04018790 A EP 04018790A EP 1536139 B1 EP1536139 B1 EP 1536139B1
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pump
rotor
electric motor
shaft
stator
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Franz Arbogast
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Voith Turbo GmbH and Co KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C11/00—Combinations of two or more machines or pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type; Pumping installations
    • F04C11/008—Enclosed motor pump units
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B17/00—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors
    • F04B17/03—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/08—Cooling; Heating; Preventing freezing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C15/00—Component parts, details or accessories of machines, pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C2/00 - F04C14/00
    • F04C15/0057—Driving elements, brakes, couplings, transmission specially adapted for machines or pumps
    • F04C15/008—Prime movers

Definitions

  • the invention relates to a pump unit which has a gear pump and an electric motor in a common housing.
  • Such a pump unit is also referred to as a motor pump or motor pump unit.
  • a motor pump unit which has the features summarized in the preamble of claim 1, is described by the published patent application DE 100 15 139 A1 and is shown in the figure 1 for a better understanding of the present invention. This will be explained in detail below:
  • the motor pump unit comprises an electric motor 1 with a rotor 1.1 and a stator 1.2.
  • the stator 1.2 has a laminated stator core 1.2.1 and a winding 1.2.2.
  • the rotor 1.1 has a pot shape and is seen in axial section U-shaped.
  • a pump 2 Radially inside the rotor 1.1 and the stator 1.2, a pump 2 is arranged. As you can see, this pump 2 is completely enclosed by the rotor 1.1 or the stator 1.2 of the electric motor 1.
  • the web 1.1.1 of the rotor 1 has a bore with an internal toothing, which meshes with an external toothing of the pump shaft 2.1.
  • the pump shaft 2.1 carries a pinion 2.2, which meshes with an internally toothed ring gear 2.3, which is arranged eccentrically to the pinion 2.2 within the rotor 1.1 of the electric motor 1.
  • Axially on both sides of the ring gear 2.3 side discs 2.4 and 2.5 of the pump 2 are arranged, in which the pump shaft 2.1 is rotatably supported by plain bearings 2.4.1 and 2.5.1.
  • a pumping medium inlet 5 is provided in an end face of the housing 4.
  • a pumping medium outlet 6 is provided in the same end face of the housing.
  • DE 1 553 116 A describes an electric motor and an oil feed pump.
  • the rotor of the motor and the impeller of the pump sit on a common shaft.
  • the shaft is mounted on both sides of the rotor in two bearings.
  • the embodiment shown has proven to be easy to manufacture and compact. It has been found, however, that with certain pump data, for example a small delivery volume and low pressure, the ratio of motor dimensions to pump dimensions is unfavorable.
  • the invention has for its object to further develop a motor-pump unit of the type described above such that even at low flow and low pressure an optimal and thus cost-effective volume is achieved.
  • the solution according to the invention is based on the knowledge of the inventor that the insufficient volume of construction is essentially caused by an unfavorable ratio of motor diameter to motor length. Accordingly, the inventor has further developed the known design of the pump so that the ratio of the engine diameter and the engine length can be made smaller.
  • This possibility is ensured in the pump unit according to the invention characterized in that the rotor of the electric motor is arranged frontally to the pinion and the ring gear of the pump.
  • the drive connection between the electric motor and pump is made by the fact that the pump is equipped with an extended pump shaft, which in the rotor of the electric motor protrudes.
  • the rotor of the electric motor is preferably on a portion of the extended pump shaft flying, rotatably mounted.
  • the inventive design many advantages can be achieved or maintained, such as the only small required space of the pump unit, the formation of the motor and the pump to an integral unit, the cooling of the motor by the pumping medium, which is in particular a hydraulic oil, the comparatively high noise level reduction and the ability to separately test both units, ie pump and motor.
  • the pump unit according to the invention is free of any radial shaft seals, fan noise, roller bearings and separate pump carriers and elastic couplings.
  • the rotor of the electric motor is connected via a driving teeth on its front side or in the region of its end face torsionally rigid with the pump shaft.
  • the front side of the rotor for the torsionally rigid connection is considered, which is located in relation to the pump away, that is, which is the side remote from the pump side.
  • the pump shaft may be provided with a shaft journal which carries an outer toothing, which meshes with the rotor of the motor or a disc mounted in the rotor.
  • the pump 2 is no longer complete, but only partially disposed within the stator 1.2 of the electric motor 1, only within the one axial end of the stator winding 1.2.2 and completely outside the axial region of the stator lamination 1.2 .1.
  • the shaft 2.1 of the pump 2 has two sections, a first section 2.1.1, which is associated with the rotor 1.1 of the electric motor, and a second section 2.1.2, which is assigned to the pump 2.
  • the pump shaft 2.1 is supported inside the pump 2, preferably by the plain bearings 2.4.1 and 2.5.1 on both sides of the pinion 2.2 supported by the pump shaft 2.1.
  • the area 2.1.1 of the pump shaft 2.1 which is formed with a comparatively smaller diameter than the range 2.1.2, is completely enclosed by the hollow cylindrical rotor 1.1 and carries the rotor 1.1, for example by the spacers or spacer sleeves 8 and 9 shown Rotor 1.1 of the electric motor 1 is thus cantilevered on the pump shaft 2.1.
  • the pump shaft 2.1 is mounted in two discs 20, 21, between which the pinion is 2.2.
  • the shaft section 2.1.1 preferably has a smaller diameter than the pump shaft 2.1 in the region of the disks 20 and 21, at least in the region of the disk 21, or a diameter of at most equal diameter. This is necessary for assembly reasons. During assembly, namely, the disc 21 is pushed from the right onto the shaft section 2.1.1, and then to the right section of the pump shaft 2.1.
  • the torsionally rigid connection between the rotor 1.1 and the pump shaft 2.1 is produced by a rotationally fixed connection 7.
  • This is formed as an external toothing on a journal at the end of the pump shaft 2.1, which is opposite to the pump end.
  • a driving plate 10 is pushed with an internal toothing or feather key, which is in mechanical engagement with the rotor 1.1.
  • the drive power of the rotor 1.1 is transmitted to the pump shaft 2.1 and thus to the pinion 2.2 and to this eccentric ring gear 2.3.
  • the line of the pumping medium through the housing 4 is shown by the arrows.
  • the pumping medium enters through a pumping medium inlet 5 in a first end face 4.1 of the housing 4 in the axial direction, distributed in the circumferential direction in an annular channel 11, which encloses the first end of the winding 1.2.2 of the stator 1.2, and then flows in the axial direction along the stator 1.2 through an annular gap between the stator 1.2 and the rotor 1.1.
  • axial bores 12 are provided radially inside the annular gap 12 in the rotor 1.1, through which the pumping medium is passed. After the pumping medium has passed axially through the rotor 1.1, it flows into a second annular channel 13 on the other side of the rotor 1.1, which encloses the second axial end of the winding 1.2.2 and the pump 2.
  • the pumping medium is passed into the pump 2, there by the gear pump, that is, the meshing engagement of the pinion 2.2 in the internal gear ring 2.3, compressed and axially conveyed by the pumping medium 6 from the housing 4 out.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Pumpenaggregat, welches eine Zahnradpumpe und einen Elektromotor in einem gemeinsamen Gehäuse aufweist.
  • Ein solches Pumpenaggregat wird auch als Motorpumpe oder Motorpumpenaggregat bezeichnet. Ein Motorpumpenaggregat, welches die im Oberbegriff von Anspruch 1 zusammengefassten Merkmale aufweist, wird durch die Offenlegungsschrift DE 100 15 139 A1 beschrieben und ist zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung in der Figur 1 gezeigt. Diese wird im Nachfolgenden im einzelnen erläutert:
  • Das Motorpumpenaggregat umfasst einen Elektromotor 1 mit einem Rotor 1.1 und einem Stator 1.2. Der Stator 1.2 weist ein Statorblechpaket 1.2.1 und eine Wicklung 1.2.2 auf. Der Rotor 1.1 weist eine Topfform auf und ist im Axialschnitt gesehen U-förmig.
  • Radial innerhalb des Rotors 1.1 und des Stators 1.2 ist eine Pumpe 2 angeordnet. Wie man sieht, wird diese Pumpe 2 von dem Rotor 1.1 beziehungsweise dem Stator 1.2 des Elektromotors 1 vollständig umschlossen.
  • Um eine Triebverbindung zwischen dem Rotor 1.1 und der Pumpenwelle 2.1 herzustellen, weist der Steg 1.1.1 des Rotors 1 eine Bohrung mit einer Innenverzahnung auf, welche mit einer Außenverzahnung der Pumpenwelle 2.1 kämmt. Die Pumpenwelle 2.1 trägt ein Ritzel 2.2, welches mit einem innenverzahnten Hohlrad 2.3 kämmt, das exzentrisch zu dem Ritzel 2.2 innerhalb des Rotors 1.1 des Elektromotors 1 angeordnet ist. Axial beidseitig des Hohlrades 2.3 sind Seitenscheiben 2.4 und 2.5 der Pumpe 2 angeordnet, in welchen die Pumpenwelle 2.1 durch Gleitlager 2.4.1 und 2.5.1 drehbar gelagert ist.
  • Zum Zuführen des Pumpmediums ist ein Pumpmediumeinlass 5 in einer Stirnseite des Gehäuses 4 vorgesehen. Zum Abführen des Pumpmediums ist ein Pumpmediumauslass 6 in derselben Stirnseite des Gehäuses vorgesehen.
  • DE 1 553 116 A beschreibt einen Elektromotor und eine Ölförderpumpe. Der Rotor des Motors und das Laufrad der Pumpe sitzen auf einer gemeinsamen Welle. Die Welle ist beidseits des Rotors in zwei Lagern gelagert.
  • Die gezeigte Ausführung hat sich zwar als leicht herstellbar und kompakt erwiesen. Man hat jedoch festgestellt, dass bei bestimmten Pumpendaten, zum Beispiel bei einem kleinen Fördervolumen und einem niedrigen Druck, das Verhältnis Motorabmessungen zu Pumpenabmessungen ungünstig ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Motor-Pumpeneinheit der eingangs beschriebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass auch bei kleinem Fördervolumen und niedrigem Druck ein optimales und somit kostengünstiges Bauvolumen erreicht wird.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Pumpenaggregat mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf der Erkenntnis des Erfinders, dass das unzureichende Bauvolumen im wesentlichen durch ein ungünstiges Verhältnis von Motordurchmesser zur Motorlänge verursacht wird. Dementsprechend hat der Erfinder die bekannte Ausführung der Pumpe derart weiterentwickelt, dass das Verhältnis von Motordurchmesser und Motorlänge kleiner ausgeführt werden kann. Diese Möglichkeit wird bei dem erfindungsgemäßen Pumpenaggregat dadurch sichergestellt, dass der Rotor des Elektromotors stirnseitig zu dem Ritzel und dem Hohlrad der Pumpe angeordnet ist. Die Triebverbindung zwischen Elektromotor und Pumpe wird dadurch hergestellt, dass die Pumpe mit einer verlängerten Pumpenwelle ausgestattet ist, welche in den Rotor des Elektromotors hineinragt. Der Rotor des Elektromotors ist dabei auf einem Abschnitt der verlängerten Pumpenwelle vorzugsweise fliegend, drehstarr gelagert. Man könnte die Anordnung der Pumpe axial verschoben neben dem Rotor des Elektromotors auf einer gemeinsamen Welle auch als Tandembauweise bezeichnen.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausführung können viele Vorteile erreicht beziehungsweise beibehalten werden, wie zum Beispiel der nur kleine erforderliche Bauraum des Pumpenaggregats, die Ausbildung des Motors und der Pumpe zu einer integralen Einheit, die Kühlung des Motors durch das Pumpmedium, welches insbesondere ein Hydrauliköl ist, die vergleichsweise hohe Schallpegelreduktion sowie die Möglichkeit, beide Einheiten, das heißt Pumpe und Motor, separat prüfen zu können. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Pumpenaggregat frei von jeglichen radialen Wellendichtringen, Lüftergeräuschen, Rollenlagern sowie gesonderten Pumpenträgern und elastischen Kupplungen.
  • Besonders vorteilhaft ist der Rotor des Elektromotors über eine Mitnahmeverzahnung an seiner Stirnseite beziehungsweise im Bereich seiner Stirnseite drehstarr mit der Pumpenwelle verbunden. Dabei kommt insbesondere die Stirnseite des Rotors für die drehstarre Verbindung in Betracht, welche im Verhältnis zur Pumpe entfernt gelegen ist, das heißt, welche die von der Pumpe abgelegene Seite ist. Beispielsweise kann die Pumpenwelle mit einem Wellenzapfen versehen sein, der eine Außenverzahnung trägt, welche mit dem Rotor des Motors beziehungsweise einer im Rotor gelagerten Scheibe kämmt.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur 2 beschrieben.
  • Wie man sieht, ist gemäß dieser Ausführung die Pumpe 2 nicht mehr vollständig, sondern nur noch teilweise innerhalb des Stators 1.2 des Elektromotors 1 angeordnet, und zwar ausschließlich innerhalb des einen axialen Endes der Statorwicklung 1.2.2 und vollständig außerhalb des axialen Bereichs des Statorblechpakets 1.2.1.
  • Die Welle 2.1 der Pumpe 2 weist zwei Abschnitte auf, einen ersten Abschnitt 2.1.1, welcher dem Rotor 1.1 des Elektromotors zugeordnet ist, und einen zweiten Abschnitt 2.1.2, welcher der Pumpe 2 zugeordnet ist. Im Bereich 2.1.2 ist die Pumpenwelle 2.1 innerhalb der Pumpe 2 gelagert, vorzugsweise durch die Gleitlager 2.4.1 und 2.5.1 auf beiden Seiten des durch die Pumpenwelle 2.1 getragenen Ritzels 2.2. Der Bereich 2.1.1 der Pumpenwelle 2.1, welcher mit einem vergleichsweise kleineren Durchmesser als der Bereich 2.1.2 ausgebildet ist, wird vollständig durch den hohlzylinderförmigen Rotor 1.1 umschlossen und trägt den Rotor 1.1, beispielsweise durch die gezeigten Abstandsstücke beziehungsweise Abstandshülsen 8 und 9. Der Rotor 1.1 des Elektromotors 1 ist somit fliegend auf der Pumpenwelle 2.1 gelagert.
  • Wie man sieht, ist die Pumpenwelle 2.1 in zwei Scheiben 20, 21 gelagert, zwischen denen sich das Ritzel 2.2 befindet. Der Wellenabschnitt 2.1.1 hat vorzugsweise einen kleineren Durchmesser, als die Pumpenwelle 2.1 im Bereich der Scheiben 20 und 21, zumindest im Bereich der Scheibe 21, oder einen höchstens gleich großen Durchmesser. Dieses ist aus Montagegründen notwendig. Bei der Montage wird nämlich die Scheibe 21 von rechts her auf den Wellenabschnitt 2.1.1 aufgeschoben, und dann auf den rechten Abschnitt der Pumpenwelle 2.1.
  • Die drehstarre Verbindung zwischen Rotor 1.1 und Pumpenwelle 2.1 wird durch eine drehfeste Verbindung 7 hergestellt. Diese ist als Außenverzahnung auf einem Achszapfen an dem Ende der Pumpenwelle 2.1 ausgebildet, welches dem pumpenseitigen Ende gegenüberliegt. Auf diesem Achszapfen, welcher den kleinsten Durchmesser der Pumpenwelle 2.1 aufweist, ist eine Mitnahmescheibe 10 mit einer Innenverzahnung oder Passfedermitnahme aufgeschoben, welche in einem mechanischen Eingriff mit dem Rotor 1.1 steht. Dadurch, dass die Innenverzahnung der Mitnahmescheibe 10 und die Außenverzahnung des Achszapfens miteinander kämmen, wird die Antriebsleistung des Rotors 1.1 auf die Pumpenwelle 2.1 und damit auf das Ritzel 2.2 und das zu diesem exzentrische Hohlrad 2.3 übertragen.
  • Die Leitung des Pumpmediums durch das Gehäuse 4 ist durch die Pfeile dargestellt. Wie man sieht, tritt das Pumpmedium durch einen Pumpmediumeinlass 5 in einer ersten Stirnseite 4.1 des Gehäuses 4 in axialer Richtung ein, verteilt sich in Umfangsrichtung in einem Ringkanal 11, welcher das erste Ende der Wicklung 1.2.2 des Stators 1.2 umschließt, und strömt anschließend in axialer Richtung entlang des Stators 1.2 durch einen Ringspalt zwischen dem Stator 1.2 und dem Rotor 1.1. Zusätzlich sind radial innerhalb des Ringspaltes Axialbohrungen 12 im Rotor 1.1 vorgesehen, durch welche das Pumpmedium durchgeleitet wird. Nachdem das Pumpmedium axial durch den Rotor 1.1 hindurchgetreten ist, strömt es in einen zweiten Ringkanal 13 auf der anderen Seite des Rotors 1.1, welcher das zweite axiale Ende der Wicklung 1.2.2 und die Pumpe 2 umschließt.
  • Aus diesem zweiten Ringkanal 13 wird das Pumpmedium in die Pumpe 2 geleitet, dort durch die Zahnradpumpe, das heißt den kämmenden Eingriff des Ritzels 2.2 in dem innenverzahnten Hohlrad 2.3, verdichtet und axial durch den Pumpmediumauslass 6 aus dem Gehäuse 4 heraus gefördert.

Claims (2)

  1. Pumpenaggregat
    1.1 mit einem Elektromotor (1), umfassend einen Rotor (1.1) und einen Stator (1.2);
    1.2 mit einer Pumpe (2), die ein Pumpmedium, insbesondere eine Flüssigkeit fördert;
    1.3 die Pumpe (2) wird durch den Elektromotor (1) angetrieben;
    1.4 der Elektromotor (1) und die Pumpe (2) sind von einem gemeinsamen Gehäuse (4) umschlossen;
    1.5 die Pumpe (2) ist zumindest teilweise radial innerhalb des Stators (1.2) des Elektromotors (1) angeordnet;
    1.6 die Pumpe (2) weist eine Welle (2.1) auf, welche mit einem Ritzel (2.2) versehen ist, welches mit einem gegenüber dem Ritzel (2.2) exzentrischen Hohlrad (2.3) kämmt;
    gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
    1.7 der Rotor (1.1) des Elektromotors (1) ist stirnseitig zu dem Ritzel (2.2) und dem Hohlrad (2.3) der Pumpe (2) angeordnet und ist mit einem Abschnitt (2.1.1) der axial in Richtung des Rotors (1.1) verlängerten Pumpenwelle drehfest;
    1.8 der Rotor (1.1) des Elektromotors (1) ist vom Abschnitt (2.1.1) der Pumpenwelle (2.1) fliegend gelagert;
    1.9 das gemeinsame Gehäuse (4) weist zwei axial gegenüberstehende Stirnseiten (4.1, 4.2) auf, deren erste (4.1) mit einem Pumpmediumeinlass (5) und deren zweite (4.2) mit einem Pumpmediumauslass (6) versehen ist, und
    1.10 die Pumpmediumleitung durch das Innere des Gehäuses (4) ist derart ausgebildet, dass das Pumpmedium von dem Pumpmediumeinlass (5) axial entlang des Stators (1.2), insbesondere durch einen ringförmigen Zwischenraum zwischen dem Rotor (1.1) und dem Stator (1.2) des Elektromotors (1), durch die Pumpe (2) und weiter axial aus dem Pumpmediumauslass (6) heraus gefördert wird.
  2. Pumpenaggregat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1.1) des Elektromotors (1) über eine Mitnahmeverzahnung (7) im Bereich der Stirnseite des Rotors (1.1), insbesondere im Bereich der von der Pumpe (2) entfernt angeordneten Stirnseite des Rotors (1.1) die Pumpenwelle (2.1) antreibt, wobei die Mitnahmeverzahnung (7) mit der Welle (2.1) der Pumpe (2) kämmt.
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