IT201900002313A1

IT201900002313A1 - RECIRCULATION PUMP OF A COOLING FLUID OF THERMAL ENGINES WITH ELECTRIC MOTOR CONTROL

Info

Publication number: IT201900002313A1
Application number: IT102019000002313A
Authority: IT
Inventors: Piercarlo Boffelli
Original assignee: Baruffaldi Spa
Priority date: 2019-02-18
Filing date: 2019-02-18
Publication date: 2020-08-18

Description

DESCRIZIONE del Brevetto per Invenzione Industriale di: DESCRIPTION of the Patent for Industrial Invention of:

Forma oggetto del presente trovato una pompa di ricircolo del fluido di raffreddamento di motori termici, particolarmente di veicoli, con dispositivo di comando a motore elettrico indipendente dal motore termico. The present invention relates to a recirculation pump for the cooling fluid of heat engines, particularly of vehicles, with an electric motor control device independent of the heat engine.

E’ nota nel settore della produzione dei motori, particolarmente termici, la necessità di raffreddare gli stessi tramite ricircolazione di un fluido di raffreddamento, mosso tramite una corrispondente pompa di ricircolo la cui girante è posta in rotazione da un albero azionato da una puleggia e da una cinghia collegata all’albero motore. In the sector of the production of motors, particularly thermal ones, it is known the need to cool them by recirculating a cooling fluid, moved by means of a corresponding recirculation pump whose impeller is rotated by a shaft driven by a pulley and by a belt connected to the crankshaft.

E’ anche noto che il ricircolo del fluido di raffreddamento deve essere effettuato con portata corrispondente alla effettiva necessità di raffreddamento, determinata dalle reali condizioni di utilizzo del motore e dalla temperatura esterna, al fine di evitare di mantenere costantemente e inutilmente in rotazione a pieno regime dispositivi che assorbono potenza utile, aumentando l’usura delle varie parti componenti e i consumi del veicolo. It is also known that the recirculation of the cooling fluid must be carried out with a flow rate corresponding to the actual need for cooling, determined by the real conditions of use of the engine and by the external temperature, in order to avoid keeping it constantly and unnecessarily rotating at full speed. devices that absorb useful power, increasing the wear of the various component parts and the consumption of the vehicle.

E’ anche noto che per dare soluzione a tale problema sono stati proposti dispositivi di comando dell’albero della girante della pompa la cui rotazione dipende dall’innesto di una frizione ad attrito per la trasmissione di un moto di rotazione dipendente dai giri dell’albero motore, e da un motore elettrico che interviene invece a frizione disinnestata per una rotazione a giri controllati indipendente dall’albero motore. It is also known that in order to solve this problem, control devices for the pump impeller shaft have been proposed, the rotation of which depends on the engagement of a friction clutch for the transmission of a rotation motion dependent on the shaft revolutions. engine, and by an electric motor which intervenes instead with the clutch disengaged for rotation at controlled revolutions independent of the crankshaft.

Esempi di tali dispositivi sono ad esempio noti da WO 2012/142065 e da IT 102014902265953. Examples of such devices are known for example from WO 2012/142065 and from IT 102014902265953.

Sebbene funzionali tali dispositivi presentano tuttavia degli inconvenienti che ne limitano le applicazioni, in particolare in quanto la particolare configurazione della struttura obbligherebbe aumentati dimensionamenti, sia radiali che assiali, non consentiti dalle limitate dimensioni delle sedi di alloggiamento del complesso all'interno del vano motore. Although functional, these devices nevertheless have drawbacks which limit their applications, in particular since the particular configuration of the structure would require increased sizing, both radial and axial, not allowed by the limited dimensions of the housing seats of the assembly inside the engine compartment.

Ulteriori esempi di tecnica nota sono descritti in DE 198 01 160, in cui un motore elettrico è interposto tra l’albero della girante della pompa e una puleggia di azionamento collegata al motore termico per la generazione della coppia di rotazione. Further examples of prior art are described in DE 198 01 160, in which an electric motor is interposed between the pump impeller shaft and a drive pulley connected to the heat engine for generating the rotation torque.

Il motore elettrico non agisce sulla girante indipendentemente dal motore termico, essendo solamente atto a determinare variazioni di velocità di rotazione della puleggia di azionamento della girante. In caso di motore termico spento, il motore elettrico non ha pertanto efficacia. The electric motor does not act on the impeller independently of the heat engine, being only able to determine variations in the rotation speed of the impeller drive pulley. If the heat engine is switched off, the electric motor is therefore not effective.

EP 3 096 019 e US 2004/234395 descrivono pompe di ricircolo con motore elettrico in cui il rotore del motore elettrico è montato direttamente sulla girante della pompa all’interno della camera del liquido refrigerante, mentre lo statore è montato in una camera ausiliaria stagna. Oltre a determinare perdite di rendimento a causa della resistenza che il liquido determina sul rotore, la soluzione a doppia camera bagnata/stagna comporta che operazioni di manutenzione della parte elettrica determinerebbero perdite di liquido dal circuito di raffreddamento, risultando pertanto inadatte all’applicazione su veicoli. EP 3 096 019 and US 2004/234395 describe recirculation pumps with electric motor in which the rotor of the electric motor is mounted directly on the pump impeller inside the coolant chamber, while the stator is mounted in a sealed auxiliary chamber. In addition to determining efficiency losses due to the resistance that the liquid determines on the rotor, the solution with double wet / sealed chamber means that maintenance operations on the electrical part would cause liquid leaks from the cooling circuit, therefore being unsuitable for application on vehicles. .

Si pone pertanto il problema tecnico di realizzare una pompa di ricircolo di fluidi di raffreddamento di motori per veicoli e simili, atta a determinare una variazione della velocità di rotazione della girante in relazione alle effettive necessità di esercizio del motore. The technical problem therefore arises of providing a recirculation pump for cooling fluids for engines for vehicles and the like, capable of causing a variation in the speed of rotation of the impeller in relation to the actual operating needs of the engine.

Nell’ambito di tale problema si richiede inoltre che tale dispositivo di comando risulti di contenuti ingombri, ma atto a derogare coppie elevate anche corrispondentemente ad una velocità di rotazione ridotta del motore, in modo da risultare applicabile anche a pompe di elevata portata di veicoli pesanti con motore a basso numero di giri, oppure una rotazione della girante a basso numero di giri in condizioni di alto numero di giri del motore termico. In the context of this problem, it is also required that this control device be small in size, but able to derogate from high torques even corresponding to a reduced rotation speed of the engine, so as to be applicable also to high capacity pumps of heavy vehicles. with low rpm motor, or a rotation of the impeller at low rpm in conditions of high rpm of the heat engine.

Si richiede inoltre che il dispositivo risulti di facile ed economica produzione ed assemblaggio e facilmente installabile sul corpo pompa senza necessità di speciali adattamenti. It is also required that the device be easy and inexpensive to produce and assemble and be easily installed on the pump body without the need for special adaptations.

Tali risultati sono ottenuti secondo il presente trovato da una pompa per il ricircolo di fluidi di raffreddamento di motori per veicoli e simili secondo le caratteristiche di rivendicazione 1. These results are obtained according to the present invention by a pump for the recirculation of cooling fluids of engines for vehicles and the like according to the characteristics of claim 1.

Maggiori dettagli potranno essere rilevati dalla seguente descrizione di un esempio non limitativo di attuazione dell’oggetto del presente trovato effettuata con riferimento ai disegni allegati, in cui si mostra: More details can be found from the following description of a non-limiting example of implementation of the object of the present invention made with reference to the attached drawings, which show:

in figura 1 : una vista in sezione secondo un piano diametrale verticale di un esempio di attuazione di una pompa di ricircolo che non forma parte del presente trovato; in figure 1: a sectional view according to a vertical diametrical plane of an embodiment example of a recirculation pump which does not form part of the present invention;

in figura 2 una vista analoga a quella di fig. 1 di un primo esempio di attuazione di una pompa di ricircolo secondo il presente trovato; e in figure 2 a view similar to that of fig. 1 of a first example of embodiment of a recirculation pump according to the present invention; And

in figura 3 : una vista analoga a quella di fig.1 di un secondo esempio di attuazione di una pompa di ricircolo secondo il presente trovato. in Figure 3: a view similar to that of Figure 1 of a second example of embodiment of a recirculation pump according to the present invention.

Come illustrato in fig.1 e assunta senza scopo limitativo una coppia di assi di riferimento rispettivamente longitudinale X-X, per comodità coincidente con l’asse di rotazione dell’albero della girante della pompa, e trasversale/radiale Y-Y, ortogonale alla precedente, la girante 1 di una pompa di ricircolo del fluido di raffreddamento di veicoli e simili è montata ad una prima estremità di un albero 2 supportato da un gruppo fisso 10 comprendente il corpo 11 della pompa a sua volta solidale al basamento 11a del motore del veicolo. Internamente al corpo pompa 11 sono disposti una guarnizione 12 di tenuta, coassiale all’albero 2, e un cuscinetto 13 sul cui anello interno è calettato l’albero 2 della girante. As illustrated in fig. 1, a pair of reference axes respectively longitudinal X-X, for convenience coinciding with the rotation axis of the pump impeller shaft, and transverse / radial Y-Y, orthogonal to the previous one, is assumed without limitation. 1 of a pump for recirculating the cooling fluid of vehicles and the like is mounted at a first end of a shaft 2 supported by a fixed assembly 10 comprising the pump body 11 in turn integral with the base 11a of the vehicle engine. Inside the pump body 11 there are a sealing gasket 12, coaxial to the shaft 2, and a bearing 13 on whose inner ring the shaft 2 of the impeller is keyed.

Esternamente al corpo pompa 11 è calettato un motore elettrico 50: An electric motor 50 is keyed outside the pump body 11:

+ il cui statore 51, radialmente interno, è supportato dal corpo pompa 11 stesso, e + whose stator 51, radially internal, is supported by the pump body 11 itself, and

+ il cui rotore 52, radialmente esterno allo statore 51, è collegato all’albero motore 2 tramite un mezzo di rinvio formata da una flangia 54, comprendente almeno un ramo 54a, esteso parallelamente alla direzione longitudinale X-X, al quale è vincolato il rotore stesso. + whose rotor 52, radially external to the stator 51, is connected to the drive shaft 2 by means of a transmission means formed by a flange 54, comprising at least one branch 54a, extending parallel to the longitudinal direction X-X, to which the rotor itself is constrained .

L’alimentazione elettrica del motore è ottenuta tramite conduttori 53 collegati ad una fonte di energia elettrica (non illustrata) del motore. The power supply of the motor is obtained through conductors 53 connected to a source of electrical energy (not shown) of the motor.

Secondo forme preferite di attuazione si prevede che: According to preferred embodiments, it is envisaged that:

il motore sia di tipo brushless con magneti permanenti solidali al rotore 52 mosso in rotazione tramite una opportuna alimentazione elettrica degli avvolgimenti statorici; the motor is of the brushless type with permanent magnets integral with the rotor 52 moved in rotation by means of a suitable electrical power supply of the stator windings;

il motore 10 comprenda almeno due coppie di avvolgimenti sui poli dello statore collegati in parallelo ad un azionamento 70 che pilota il motore brushless; l’azionamento 70 comprende a sua volta una configurazione a doppia sezione con una CPU 71 che controlla un primo 72a e un secondo 72b driver di pilotaggio un rispettivo primo 73a e secondo 73b ponte; è in tal modo possibile attuare una configurazione nota con il termine di “fail safe” tale per cui, in caso di malfunzionamento o rottura di uno degli avvolgimenti e/o di una delle due sezioni dell’azionamento 70, entra comunque in funzione l’altro, garantendo il moto della girante 1 e quindi il ricircolo del fluido di raffreddamento del motore termico. the motor 10 comprises at least two pairs of windings on the stator poles connected in parallel to a drive 70 which drives the brushless motor; the drive 70 in turn comprises a double section configuration with a CPU 71 which controls a first 72a and a second 72b driver driving a respective first 73a and second 73b bridge; in this way it is possible to implement a known configuration with the term "fail safe" such that, in the event of a malfunction or breakage of one of the windings and / or of one of the two sections of the drive 70, the other, ensuring the motion of the impeller 1 and therefore the recirculation of the cooling fluid of the heat engine.

Si prevede inoltre che i due avvolgimenti possano comprendere un differente numero di polarità per attuare differenti coppie, ad esempio: elevata per il normale funzionamento e ridotta per il funzionamento fail safe di emergenza. It is also envisaged that the two windings can comprise a different number of polarity to actuate different pairs, for example: high for normal operation and reduced for emergency fail-safe operation.

Come illustrato in fig.2 si prevede una forma di attuazione della pompa di ricircolo del fluido di raffreddamento, che prevede in questo caso: As shown in fig. 2, an embodiment of the cooling fluid recirculation pump is envisaged, which in this case provides:

+) un primo motore 50 con statore 51 calettato sul corpo pompa 11 e un secondo motore 150 con statore 151 calettato sul corpo pompa coassialmente al primo motore 50; +) a first motor 50 with stator 51 keyed on the pump body 11 and a second motor 150 with stator 151 keyed on the pump body coaxially to the first motor 50;

il rotore 52, radialmente esterno allo statore 51, del primo motore 50 e il rotore 152, radialmente esterno allo statore 151, del secondo motore 350 sono collegati all’albero 2 della girante 1 tramite un mezzo di rinvio formato da una flangia 354, comprendente almeno un ramo 354a, esteso, parallelamente alla direzione longitudinale X-X, per un lunghezza tale da consentire il vincolo dei due rotori 52,152 stessi. the rotor 52, radially external to the stator 51, of the first motor 50 and the rotor 152, radially external to the stator 151, of the second motor 350 are connected to the shaft 2 of the impeller 1 by means of a transmission means formed by a flange 354, comprising at least one branch 354a, extended, parallel to the longitudinal direction X-X, for a length such as to allow the constraint of the two rotors 52, 152 themselves.

L’alimentazione elettrica del motore è ottenuta in modo convenzionale tramite conduttori 53 collegati ad una fonte di energia elettrica (non illustrata) del motore. The power supply of the motor is obtained in a conventional way through conductors 53 connected to a source of electrical energy (not shown) of the motor.

Anche per il motore 150 si prevede la possibilità di funzionamento fail safe con doppi avvolgimenti statorici controllati da un rispettivo secondo azionamento 170 analogo a quello 70 di controllo del primo motore 50 della pompa e pertanto non descritto nuovamente nel dettaglio. The possibility of fail-safe operation with double stator windings controlled by a respective second drive 170 similar to that 70 controlling the first motor 50 of the pump and therefore not described again in detail is also provided for the motor 150.

La presenza del secondo motore 150 in aggiunta al primo 50 consente, tra l’altro, di ridurre le dimensioni complessive e in particolare radiali, degli stessi, semplificando le operazioni di montaggio, nonché una suddivisione dell’assorbimento in corrente di ciascun motore rispetto a quello di un unico motore di elevate dimensioni. The presence of the second motor 150 in addition to the first 50 allows, among other things, to reduce the overall dimensions and in particular the radial dimensions of the same, simplifying the assembly operations, as well as a subdivision of the current absorption of each motor with respect to that of a single large motor.

Per tutte le configurazioni di fig .1 , fig.2 il funzionamento della pompa è il seguente: For all the configurations of fig .1, fig. 2, the operation of the pump is as follows:

-) in condizioni di normale funzionamento, l’alimentazione di una corrente variabile allo statore 51 determina un campo magnetico che concatenandosi con i magneti permanenti del rotore 52, porta in rotazione quest’ultimo e quindi la flangia 54 (fig.1 ) o flangia 354 (fig.2) che a loro volta azionano l’albero 2 della pompa e quindi la girante 1; -) in normal operating conditions, the supply of a variable current to the stator 51 determines a magnetic field which, by chaining with the permanent magnets of the rotor 52, causes the latter to rotate and therefore the flange 54 (fig. 1) or flange 354 (fig.2) which in turn drive the pump shaft 2 and therefore the impeller 1;

-) in caso di malfunzionamento e/o rottura di qualche parte dell’assieme, interviene il dispositivo di fail safe comprendente: -) in the event of malfunction and / or breakage of any part of the assembly, the fail safe device intervenes, including:

-- nel caso di fig.1 il subentro di uno o l’altro dei due avvolgimenti statorici ancora attivo; - in the case of fig. 1 the takeover of one or the other of the two stator windings still active;

-- nel caso di fig.2 il subentro di uno o l’altro dei due motori 50,150. - in the case of fig. 2 the takeover of one or the other of the two motors 50,150.

Risulta pertanto come la pompa secondo il trovato consenta di ottenere un efficace ricircolo del fluido di raffreddamento di veicoli che può essere variato in relazione alla effettiva necessità tramite il dimensionamento/alimentazione del motore elettrico e con un migliorato rendimento di coppia trasmessa dal motore elettrico alla girante 1 della pompa, grazie all’aumentato braccio di copia determinato dalla disposizione radialmente esterna del rotore collegato all’albero della pompa. It therefore appears that the pump according to the invention allows to obtain an effective recirculation of the vehicle cooling fluid which can be varied in relation to the actual need by means of the sizing / power supply of the electric motor and with an improved torque efficiency transmitted from the electric motor to the impeller. 1 of the pump, thanks to the increased copy arm determined by the radially external arrangement of the rotor connected to the pump shaft.

La realizzazione del rotore del motore esternamente allo statore consente, inoltre, nella forma preferita, di avere un pezzo unico di collegamento all’albero della pompa o al rotore della frizione elettromagnetica determinando risparmi di lavorazione e assemblaggio, nonché riduzione di masse e quindi risparmi energetici sia in fase di produzione sia a pompa montata sul motore termico. The realization of the rotor of the motor externally to the stator also allows, in the preferred form, to have a single piece of connection to the pump shaft or to the rotor of the electromagnetic clutch, resulting in savings in machining and assembly, as well as reduction of masses and therefore energy savings. both in the production phase and with the pump mounted on the heat engine.

Oltre a ciò la pompa secondo il trovato assicura la rotazione della girante 1 anche in caso di guasto elettrico, consentendo di evitare il fermo del veicolo non ancora giunto a destinazione. In addition to this, the pump according to the invention ensures the rotation of the impeller 1 even in the event of an electrical fault, allowing the vehicle not yet reached its destination from being stopped.

Come illustrato in fig.3 si prevede una ulteriore forma di attuazione della pompa secondo il trovato secondo la quale sul corpo 11 della stessa è montato un gruppo ventola 100 di raffreddamento del radiatore (non illustrato) di contenimento del fluido di raffreddamento del motore termico ricircolato dalla pompa. In tale configurazione il gruppo ventola è assialmente interposto tra la girante 1 della pompa e il motore 50 di azionamento della stessa. Il gruppo 100 comprende un cuscinetto 103 calettato sul corpo 11 della pompa e il cui anello esterno porta un disco 102 al quale è vincolata la ventola 101 ; allo stesso disco 102 è vincolata una flangia 154 il cui braccio longitudinale 154a porta il rotore 152 di un motore 150 il cui statore 151 è montato fisso sul corpo pompa 11. Anche per il motore 150 della ventola 101 si prevede la possibilità di funzionamento fail safe con doppi avvolgimenti statorici controllati da un rispettivo azionamento 170 analogo a quello 70 di controllo del motore 50 della pompa e pertanto non descritto nuovamente nel dettaglio. As illustrated in Fig. 3, a further embodiment of the pump according to the invention is provided, according to which a radiator cooling fan 100 (not shown) for containing the cooling fluid of the recirculated heat engine is mounted on the body 11 of the same. from the pump. In this configuration, the fan assembly is axially interposed between the impeller 1 of the pump and the motor 50 for driving it. The unit 100 comprises a bearing 103 keyed to the pump body 11 and the outer ring of which carries a disk 102 to which the fan 101 is constrained; a flange 154 is constrained to the same disc 102, the longitudinal arm 154a of which carries the rotor 152 of a motor 150 whose stator 151 is fixedly mounted on the pump body 11. The possibility of fail-safe operation is also envisaged for the motor 150 of the fan 101 with double stator windings controlled by a respective drive 170 similar to that 70 controlling the motor 50 of the pump and therefore not described again in detail.

Benché descritta nel contesto di alcune forme di realizzazione e di alcuni esempi preferiti di attuazione dell'invenzione si intende che l’ambito di protezione del presente brevetto sia determinato solo dalle rivendicazioni che seguono. Although described in the context of some embodiments and some preferred examples of implementation of the invention, it is understood that the scope of protection of this patent is determined only by the following claims.

Claims

CLAIMS 1. Pump for circulating a vehicle cooling fluid, comprising: a pump body (11) adapted to be made integral with a base (11 a) of the vehicle; an impeller (1) carried by a driven shaft (2), at least a first electric motor (50) for driving the shaft (2) of the impeller (1) independently of a thermal engine of the vehicle, said first electric motor (50) comprising a stator (51) mounted on the pump body (11) externally to the same and a rotor (52) radially external to the stator and connected to the shaft (2) of the impeller (1) of the pump by means of transmission (54,54a; 354,354a; 54a, 66), + a second electric motor (150) mounted on the pump body (11) coaxially to the first motor (50), comprising a stator and a rotor radially external to the stator.

2. Pump according to claim 1 characterized in that said transmission means comprises a flange (54) provided with an annular edge (54a), extending parallel to the longitudinal direction X-X, to which the rotor (52) is constrained.

3. Pump according to claim 1 or 2 characterized in that it comprises a fail safe device.

4. Pump according to claim 3, characterized in that said fail-safe device comprises at least two pairs of windings on the poles of the stator (51) of the first and / or second electric motor, connected in parallel to a drive (70; 170) which it drives the motor, in which the electric motor is of the brushless type.

5. Pump according to claim 3 characterized in that the second electric motor (150) is piloted by a second drive (170) and / or is adapted to act as a failsafe device.

6. Pump according to any preceding claim, characterized in that the second electric motor is an impeller shaft drive motor and that said transmission means comprise a flange (354) provided with an annular edge (354a), extended parallel to the direction longitudinal X-X, for a length for such a length as to allow the constraint of the two rotors (52,152) of the first and second electric motor.

7. Pump according to any preceding claim characterized in that the electric motors (50; 150) are of the brushless type.

Pump according to one of claims 1-5 characterized in that a fan assembly (100) coaxially interposed between the first (50) and the second (150) motor is mounted on the pump body (11), in which the second motor (150) is suitable for driving the fan itself.

9. Pump according to previous claim characterized in that the fan assembly (100) comprises a bearing (103) keyed to the pump body (11) and whose outer ring carries a disk (102) to which the fan (101) is connected , a flange (154) being constrained to the same disc (102) whose longitudinal arm (154a) carries the rotor (152) of the second motor (150), whose stator (151) is fixedly mounted on the pump body

10. Pump according to claim 9 characterized in that said fan assembly (100) comprises a fail safe device.

11. Pump according to previous claim characterized in that said fail-safe device comprises at least two pairs of windings on the poles of the stator (151) of the second motor connected in parallel to a drive (170) which drives the second motor, in which the second motor it is of the brushless type.

Pump according to any preceding claim characterized in that the drive (70; 170) of the first and / or second motor (50; 150) comprises a double section configuration with a CPU (71) for controlling a first ( 72a) and a second (72b) driver for driving a respective first (73a) and second (73b) bridge.