EP4229740A1

EP4229740A1 - Kreiselpumpe mit einem antrieb

Info

Publication number: EP4229740A1
Application number: EP21787386.8A
Authority: EP
Inventors: Axel Schunk
Original assignee: KSB SE and Co KGaA
Current assignee: KSB SE and Co KGaA
Priority date: 2020-10-16
Filing date: 2021-10-05
Publication date: 2023-08-23
Also published as: DE102020006366A1; US20230387751A1; JP2023545837A; WO2022078816A1; CN116325441A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit einem Antrieb (1), der einen Rotor (25), eine Statorwicklung (22) und eine Vorrichtung (14) aufweist. Die Vorrichtung (14) umfasst einen Frequenzumrichter (13) und einen Kühlkörper (12). Der Antrieb (1) weist ein Motorgehäuse (11) und einen Lüfter (19) auf. Eine Welle (7) wird von einer lüfterseitigen Lageranordnung (17) und einer pumpenseitigen Lageranordnung (9) getragen. Der Kühlkörper (12) ist mit einer der beiden Lageranordnungen (9, 17) verbunden.

Description

Beschreibung

Kreiselpumpe mit einem Antrieb

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit einem Antrieb, der einen Rotor, eine Statorwicklung und eine Vorrichtung aufweist, die einen Frequenzumrichter und einen Kühlkörper umfasst, wobei der Antrieb ein Motorgehäuse und einen Lüfter aufweist und eine Welle von einer lüfterseitigen Lageranordnung und einer pumpenseitigen Lageranordnung getragen ist.

Eine Kreiselpumpenanordnung umfasst in der Regel eine oder mehrere Kreiselpumpen, einen oder mehrere Elektromotoren und elektronische Geräte zur Drehzahlregelung sowie zur Frequenzumrichtung. Dabei benötigen gerade die Elektromotoren und die dazugehörige Motorelektronik ausreichende Kühlung.

Derartige typische Elektromotoren sind allgemein bekannt. Häufig ist an der Motoraußenwand die Motorelektronik vorgesehen. Diese beinhaltet in der Regel einen Frequenzumrichter und eine Leistungssteuerung und/oder eine Drehzahlregelung. Oft wird die Motor-elektronik auf einem Sockel angeordnet, damit die Abwärme des Elektromotors die Elektronik nicht beeinflusst. Dadurch erreicht aber der Kühlluftstrom des Motors nicht mehr in ausreichender Weise die Anordnung der Elektronik, wodurch oft eine separate Kühlung der Elektronik nötig wird.

Allgemein bekannt sind die radiale als auch axiale Aufbauweise solcher Kühlungen für Elektromotoren und Frequenzumrichter. In der DE 103 39 585 A1 wird ein axial erzeugter Kühlluftstrom beschrieben, der anhand von Luftleitelementen zur Kühlung des radial aufgebauten Klemmkastens abgelenkt wird. Die Luftleitelemente können variabel angeordnet werden, um das Ziel ausreichender Kühlung zu erreichen. Dazu ist ein Monteur nötig, welcher im Betrieb die Kühlung ausreichend einstellt. Weiterhin ist diese Erfindung aus vielen Einzelteilen aufgebaut, was kostentreibend und montageaufwendig ist.

Die DE 103 62 051 beschreibt eine Anordnung eines Lüfters zur Kühlung des Motors und eines Stromrichters, wobei das Lüfterrad durch die Motorwelle angetrieben wird. Der Luftstrom kühlt dabei den Motor und die Elektronik gleichermaßen. Insgesamt besteht die Anordnung aus einer Vielzahl einzelner Teile, wie dem Statorgehäuse mit B- Lagerflansch, Lüfterrad, Auswertelektronik, Bremse und magnetisierbarem Kunststoffrad sowie einem Lüfterdeckel. Dadurch ist die Konstruktion sehr montageaufwendig, wobei der Fokus der Erfindung vordringlich auf der Positionsbestimmung des Lüfterrades liegt.

Die DE 10 2008 051 650 A1 offenbart eine Erfindung mit gemeinsamer Kühlung des Motors und der Motorelektronik, bei der der Luftstrom durch das Kühlgerippe der Elektronikkühlung angesaugt wird, bevor das Lüfterrad den Luftstrom zur Kühlung des Motorgerippes antreibt. Hier liegt der Fokus auf der Kühlung einer sehr großen Motorelektronik, die sowohl axial als auch radial um den Motor aufbaut.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauteil so zu gestalten, dass ein Elektromotor und dessen Motorelektronik gleichzeitig mit einem Lüfter gekühlt werden können. Dabei sollte das Bauteil ein Lager, das die Motorwelle stützt und hält, aufnehmen können. Dieses Bauteil sollte aus möglichst wenigen Einzelteilen bestehen und dabei die Montage vereinfachen. Weiterhin sollte das Bauteil aus einem wärmeleitfähigen Material bestehen und die entstehende Wärme des Motors als auch der Motorelektronik gut abführen können. Darüber hinaus sollte durch die Gestaltung des Bauteils die Anzahl der mechanischen Schnittstellen sowie der Dichtungen reduziert werden. Der Austausch von Ersatzteilen sollte durch die Konstruktion des Bauteils begünstigt sein. Die Vorrichtung sollte einfach und kostengünstig realisiert werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kreiselpumpe mit einem Antrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist eine lüfterseitige Lageranordnung und/oder eine pumpenseitige Lageranordnung mit dem Kühlkörper der Motorelektronik, insbesondere des Frequenzumrichters, verbunden. Diese Lageranordnungen haben die Funktion eines Deckels des Motorgehäuses und tragen die Lager zur Lagerung der Welle, welche formschlüssig und/oder kraftschlüssig in die Lagerträger integriert sind. Bei einer Variante der Erfindung kann der Kühlkörper als Elektronikgehäuseboden ausgebildet sein. Vorteilhafterweise kann durch die verbundene Konstruktion der Lageranordnung mit dem Kühlkörper die Kühlung des Elektromotors und der Motorelektronik besonders leistungsstark ausgestaltet werden.

In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung ist die lüfterseitige Lageranordnung, beispielsweise der lüfterseitige Endlagerdeckel des Motorgehäuses, mit dem Kühlkörper verbunden. Der Kühlkörper kann die Basis für die Anordnung der Motorelektronik bilden und in seiner Ausgestaltung inklusive Kühlrippen zur Wärmeabfuhr der Motor-elektronik, die einen Frequenzumrichter und eine Leistungssteuerung und eine Drehzahlregelung umfassen kann, optimiert sein. Aufgrund der verbundenen Konstruktion ist die Wärmeleitung zu den gekühlten Oberflächen verbessert. Darüber hinaus kann mittels der sinnvoll angeordneten Luftkanäle der vom Lüfter erzeugte Kühlluftstrom besonders gut die Wärme des Elektromotors und der Motorelektronik abführen.

Bei einer alternativen Variante der Erfindung ist die pumpenseitige Lageranordnung in Form des pumpenseitigen Lagerdeckels mit dem Kühlkörper verbunden. Hinsichtlich der Wärmeleitung und der Kühleffizienz ist diese Ausgestaltung der Konstruktion nicht weniger vorteilhaft und ermöglicht, falls dies durch die Motorgeometrie sinnvoll erscheint, eine Montage ausgehend von der Lüfterseite des Motors.

Gemäß der Erfindung ist der Kühlkörper mit der lüfterseitigen Lageranordnung einstückig ausgebildet. In der Ausgestaltung eines einstückigen Gussteils ist der Kühlkörper mit den angeformten Kühlrippen und der lüfterseitigen Lageranordnung hinsichtlich der Wärmeleitung besonders effizient. Darüber hinaus ist die Reduktion der zu montierenden Teile und der Dichtflächen durch die Einstückigkeit besonders montagefreundlich. Gleichzeitig ist der Austausch von Ersatzteilen ohne großen Aufwand möglich.

Der Kühlkörper kann als plattenförmiges Element ausgebildet sein, das als Boden der Motorelektronik dient.

In einer weiteren Variante der Erfindung ist die Verbindung des Kühlkörpers mit einem Motorgehäusedeckel in Form einer Verschraubung ausgestaltet, so dass durch die Motorgeometrie begründete Montageerfordernisse montagefreundlich gestaltet werden können.

Besonders vorteilhaft ist der als Kühlkörper gestaltete Elektronikgehäuseboden, der zur Steigerung der Kühlleistung über oberflächenvergrößernde Elemente verfügt. Diese sind in Form von Kühlrippen zur Wärmeabfuhr optimiert und einstückig mit dem Kühlkörper ausgebildet. Die Oberfläche der Kühlrippen ist hinsichtlich der zu erwartenden Wärmeentwicklung der Motorelektronik dimensioniert. Darüber hinaus sind die Kühlrippen des Elektronikgehäuses an die Form des Motorgehäuses angepasst.

In einer bevorzugten Variante der Erfindung umfasst der Kühlkörper mit angeformten Kühlrippen zusätzliche Luftleitbleche in Kombination mit Aussparungen, die zur Erhöhung des Kühlungsluftstroms beitragen und eine leistungsstarke Kühlung der Motorelektronik ermöglichen.

Erfindungsgemäß weist die Lageranordnung, welche beispielsweise ein lüfterseitiger o- der ein pumpenseitiger Lagerdeckel des Motorgehäuses sein kann, Aussparungen und Durchführungen für Kabel und Stecker auf. Auf diese Weise wird eine Verbindung zwischen der Motorelektronik und der Statorwicklung hergestellt. Die erfindungsgemäße Lageranordnung des elektrischen Antriebs kann prinzipiell sowohl für Asynchronmotoren als auch für Synchronmotoren, insbesondere für Synchron- Reluktanzmotoren, eingesetzt werden.

Vorteilhafterweise saugt der Lüfter des elektrischen Antriebs einen Luftstrom zentral durch den perforierten Lüfterdeckel an und erzeugt dabei einen primären Luftstrom zur Kühlung, der das Motorgehäuse und den Kühlkörper der Motorelektronik überströmt. Die Konstruktion des Lüfterdeckels ermöglicht das Ansaugen eines sekundären Luftstroms durch den primären Luftstrom bedingt, wodurch die Kühlleistung des Motors und der Motorelektronik besonders intensiviert werden kann.

Eine bevorzugte Variante der Erfindung stellt die einstückige Ausbildung des lüfterseitigen Motorgehäusedeckels mit dem Kühlkörper dar. Die einstückige Lageranordnung kann als Gussteil aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere aus Aluminium, hergestellt werden. Die Realisierung der Kühlung in Form eines Lüfters in Kombination mit optimierten Lüftungskanälen und oberflächenvergrößernden Kühlrippen mit dem besonders wärmeleitfähigen Material Aluminium ist als äußerst leistungsstark anzusehen.

Die Konstruktion der einstückigen Lageranordnung mit dem Kühlkörper ermöglicht vorteilhafterweise die gleichzeitige Kühlung der Motorelektronik und des Elektromotors. Zuvor wurden oft zwei separate Kühlungen genutzt, die jetzt auf eine besonders effiziente Kühlung reduziert werden können.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpe mit einem Verbindungselement und einem elektrischen Antrieb, Fig. 2 einen Schnitt eines elektrischen Antriebs einer Kreiselpumpe,

Fig. 3 eine Lageranordnung in der perspektivischen Seitenansicht,

Fig. 4 eine Lageranordnung in der perspektivischen Innenansicht.

Die Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer durch einen elektrischen Antrieb 1 angetriebenen Kreiselpumpe, die mit einem Laufrad 2 und einem Gehäuse 3 ausgestattet ist. Das Gehäuse 3 besitzt einen Einlauf 4 und einen Auslass 5. Der Übertragung der von dem elektrischen Antrieb 1 gelieferten Antriebskraft zum Laufrad 2 dient in diesem Ausführungsbeispiel ein Verbindungselement 6. Das Fluid tritt von links durch den Einlauf 4 in den Pumpenraum ein und wird axial dem Laufrad 2 zugeführt. Das drehende Laufrad 2 überträgt kinetische Energie auf das Fluid, welches sich im verjüngenden Druckstutzen anstaut und nach oben über den Auslass 5 den Pumpenraum verlässt. Das Verbindungselement 6 steht stellvertretend für alle technisch bekannten Verbindungsmöglichkeiten zwischen Antrieb 1 und dem Pumpengehäuse.

In Fig. 2 ist ein Schnitt eines elektrischen Antriebs 1 einer Kreiselpumpe dargestellt. Die Welle 7 wird von einer pumpenseitigen Lageranordnung 9 und einer lüfterseitigen Lageranordnung 17 gestützt und gelagert, wodurch ihr gleichzeitig eine Drehbewegung ermöglicht wird. Diese Lageranordnungen 9, 17 umfassen einen Lagerträger 10, 18, in den ein Wälzlager 8, 20 formschlüssig eingebettet ist. Gleichzeitig dienen diese Lageranordnungen 9, 17 auch als Deckel des Motorgehäuses 11 und verschließen somit den elektrischen Antrieb 1 . Die Welle 7 weist einen Rotor 25 auf. Das um laufende Magnetfeld in der Statorwicklung 22 induziert ein entgegengerichtetes Magnetfeld in den Rotor 25 und setzt ihn dadurch in Bewegung. Die Statorwicklung 22 ist durch die Statorbleche 24 fixiert.

Das Motorgehäuse 11 schließt zusammen mit der pumpenseitigen Lageranordnung 9 und der lüfterseitigen Lageranordnung 17 den elektrischen Antrieb 1 ab und fixiert gleichzeitig die Statorbleche 24. Außerhalb des Rotor-Stator-Raumes an der lüfterseiti- gen Lageranordnung 17 befindet sich das Lüfterrad 19, welches mit der Welle 7 verbunden ist. Der Lüfterdeckel 21 umschließt den Raum des Lüfters 19 und verhindert somit den ungeschützten Zugriff auf das möglicherweise drehende Lüfterrad. Der Lüfter 19 saugt einen Luftstrom zentral durch den perforierten Lüfterdeckel 21 an und erzeugt dabei einen primären Luftstrom, der durch die Konstruktion des Lüfterdeckels 21 sowie der Lageranordnung 17 begrenzt in einen ringartigen Kanal geführt wird und das Motorgehäuse 11 zur Kühlung überströmt. Der Lüfterdeckel 21 schließt auf eine Weise an die Lageranordnung 17 an, so dass unterhalb des Kühlkörpers 12, insbesondere des Elektronikgehäusebodens, eine Öffnung frei bleibt, durch die der primäre Luftstrom stromabwärts einen sekundären Luftstrom mitansaugt, der wiederum die Kühlung des elektrischen Antriebs 1 und des Kühlkörpers 12 mit seinen angeformten Kühlrippen 26 intensiviert, wobei die Kühlrippen 26 in Fig. 3 dargestellt sind.

In dem Ausführungsbeispiel der Erfindung in Fig. 2 ist die lüfterseitige Lageranordnung 17 mit dem Kühlkörper 12 einstückig ausgebildet. Innerhalb des Kühlkörpers 12 ist der Frequenzumrichter 13 angeordnet und wärmeabführend verbunden. Der Kühlkörper 12 ist mit einem Elektronikgehäusedeckel 16 verschlossen, auf dem eine Bedieneinheit 15 zur Bedienung der Motorelektronik 14 angeordnet ist.

Die Fig. 3 zeigt den Kühlkörper 12, der in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung einstückig mit der lüfterseitigen Lageranordnung 17 ausgebildet ist, in der perspektivischen Seitenansicht. An dem Kühlkörper 12, der in Form eines Elektronikgehäusebodens ausgestaltet ist, sind oberflächenvergrößernde Elemente 26 in der Gestalt von Kühlrippen angeformt. Die Ausgestaltung der Kühlrippen passt sich an das in dieser Abbildung nicht dargestellte Motorgehäuse 11 an. Die Durchführungen 27 dienen dem Verbinden des Motorgehäuses 11 mit den Lagerträgern 10, 18 mithilfe von Verbindungselementen 23, die vorzugsweise als Schrauben ausgeführt sind. Der in der Fig. 3 dargestellte Lagerträger 18 umfasst einen kreisförmigen Grundkörper an dessen Anschlussseite zum Motorgehäuse eine topfförmige Wandung anschließt. Die Fig. 4 zeigt den Kühlkörper 12, der in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung einstückig mit der lüfterseitigen Lageranordnung 17 ausgebildet ist, in der perspektivischen Innenansicht. Im Übergang des Kühlkörpers 12 zum Lagerträger 18, welcher als Deckel des Motorgehäuses 11 ausgeführt ist, ist ein Führungskanal 28 integriert. Sol- ehe Kanäle 28 können wie in der Fig. 4 dargestellt rechteckig ausgeführt, wobei aber auch runde und/oder quadratische Kanäle denkbar sind, und in Form einer Aussparung innerhalb eines Gussteils realisiert sein. Durch einen solchen Kanal wird ein oder mehrere Elemente zur Verbindung zwischen Frequenzumrichter 13 und der Statorwicklung 22 geführt.

Claims

Patentansprüche Kreiselpumpe mit einem Antrieb (1 ), der einen Rotor (25), eine Statorwicklung (22) und eine Vorrichtung (14) aufweist, die einen Frequenzumrichter (13) und einen Kühlkörper (12) umfasst, wobei der Antrieb (1 ) ein Motorgehäuse (11 ), einen Lüfter (19) und eine Welle (7) aufweist, die von einer lüfterseitigen Lageranordnung (17) und einer pumpenseitigen Lageranordnung (9) getragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (12) mit einer der beiden Lageranordnungen (9, 17) verbunden ist. Kreiselpumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (12) mit einer der beiden Lageranordnungen (9, 17) unmittelbar verbunden ist. Kreiselpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (12) mit einer der beiden Lageranordnungen (9, 17) einstückig ausgebildet ist. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (12) oberflächenvergrößernde Elemente (26) aufweist, die vorzugsweise mit dem Kühlkörper (12) einstückig ausgebildet sind. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung (17) ein oder mehrere Führungskanäle (28) für Elemente auf- weist, die eine Verbindung zwischen dem Frequenzumrichter (13) und der Statorwicklung (22) herstellen. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lüfter (19) einen primären Luftstrom zentral erzeugt und durch eine Öffnung zwischen dem Kühlkörper (12) und einem Lüfterdeckel (21 ) bedingt ein sekundärer Luftstrom stromabwärts angesaugt wird.