WO2004044433A1

WO2004044433A1 - Elektrisch angetriebene pumpe

Info

Publication number: WO2004044433A1
Application number: PCT/EP2003/012152
Authority: WO
Inventors: Michal Kalavsky
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH
Priority date: 2002-11-05
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2004-05-27
Also published as: DE10251463A1; CN100400892C; CN1711424A; US20050260088A1; EP1567772A1

Abstract

Eine Pumpe hat eine Pumpkammer, in der ein Flügelrad (15) und ein mit dem Flügelrad verbundener Rotor (21, 22) einer elektrischen Maschine angeordnet sind. Ein Strömungsweg (20) verläuft vom Einlass (6) zum Auslass (14) der Pumpkammer durch einen zentralen Durchgang des Rotors (21, 22).

Description

Elektrisch angetriebene Pumpe

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrisch angetriebene Pumpe mit einem in einer Pumpkammer rotierenden Flügelrad. Derartige Pumpen werden in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern eingesetzt, wo Flüssigkeiten gegen einen geringen Gegendruck bewegt werden müssen, wie etwa zum Umwälzen von Waschflüssigkeiten in Geschirrspülmaschinen oder Waschmaschinen, als Kühlwasserpumpen für Brennkraftmaschinen, als Lenzpumpen auf Schiffen etc.

Die meisten Pumpen für Flüssigkeiten haben einen zweiteiligen Aufbau mit einem Motor, der eine Welle antreibt, und einem in Längsrichtung der Welle an den Motor anschließenden, von der Welle angetriebenen Pumpenkopf. Eine solche Anordnung führt zu einer in Richtung der Welle langgestreckten Bauform der Pumpe, die nicht für alle

Einbausituationen in Geräten, in denen eine solche Pumpe zum Einsatz kommt, gut geeignet ist. So ist zum Beispiel in einer Spülmaschine eine Pumpe zum Umwälzen der Spülflüssigkeit im Allgemeinen unterhalb einer Spülkammer angeordnet. Die Bauhöhe der

Pumpe sollte möglichst niedrig sein, um die bei vorgegebener Gehäusehöhe der

Spülmaschine erreichbare Höhe der Spülkammer nicht unnötig zu beschränken. Dies zwingt dazu, die herkömmlichen Pumpen mit axial langgestreckter Bauform mit horizontal orientierter Welle einzubauen. Die Bauhöhe einer solchen Pumpe lässt sich nur verringern, wenn der Durchmesser ihrer rotierenden Teile reduziert wird, was die

Leistungsfähigkeit beeinträchtigt.

Ein weiterer Nachteil des herkömmlichen Konstruktionsprinzips ist, dass die zum Pumpenkopf führende Welle zuverlässig abgedichtet sein muss, um den Motor vor aus dem Pumpenkopf austretender Flüssigkeit zu schützen.

Um das Problem der Abdichtung zu lösen und gleichzeitig den Rotor der elektrischen Maschine zu kühlen, wurde in DE 199 03 817 A1 vorgeschlagen, das Flügelrad einer Kühlwasserpumpe für ein Kraftfahrzeug wenigstens teilweise aus einem magnetischen Material zu fertigen, welches gleichzeitig als Rotor einer das Flügelrad antreibenden elektrischen Maschine dient. Diese Pumpe kommt zwar ohne eine Drehwelle mit Drehdurchführung zwischen der elektrischen Maschine und dem Pumpenkopf aus, sie ermöglicht jedoch keine Verkürzung der Baulänge der Pumpe in axialer Richtung. Vielmehr wird ein in axialer Richtung ungewöhnlich langgestrecktes Schaufelrad verwendet, dass hinsichtlich seiner Funktion in der axialen Richtung in zwei Abschnitte aufgegliedert werden kann, einen Abschnitt, der tief in einen vom Stator der elektrischen Maschine umgebenden Teil der Pumpkammer eintaucht und, indem er dort dem Feld des Stators ausgesetzt ist, als Rotor fungiert, aber praktisch keine Pumpwirkung entfaltet, und einen zweiten Abschnitt, der kaum noch vom Feld des Stators erfasst wird, der dafür aber in Höhe von Ein- und Auslass der Pumpkammer liegt und somit praktisch ausschließlich Pumpwirkung entfaltet. Das eingangs erwähnte Konstruktionsprinzip, dem zufolge Motor und Pumpenkopf in Längsrichtung der Welle nebeneinander liegen, ist auch bei dieser herkömmlichen Pumpe befolgt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine elektrisch angetriebene Pumpe zu schaffen, die eine gegenüber herkömmlichen Pumpen bei gleichbleibender Pumpleistung verringerte Baulänge in axialer Richtung aufweist und dadurch an die Einbaubedingungen in bestimmten Geräten besser angepasst ist und eine bessere Raumausnutzung ermöglicht als herkömmliche Flügelradpumpen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Pumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Indem ein zentraler Durchgang des Rotors vorgesehen wird, durch den der Strömungsweg vom Einlass zum Auslass der Pumpkammer der Pumpe gelegt ist, gelingt es, die Funktionen des Pumpenkopfs und des elektrischen Antriebs auf gleicher Höhe entlang der Achse der Pumpe zu realisieren und damit die Baulänge der Pumpe in axialer Richtung zu verringern.

Bei den meisten herkömmlichen Flügelradpumpen weist das Flügelrad eine Nabe auf, von der die Flügel abstehen, und die freien Enden der Flügel rotieren entlang einer stationären Gehäusewand der Pumpe. Bei der erfindungsgemäßen Pumpe ist der Strömungsweg nicht durch diese Gehäusewand begrenzt, sondern durch einen Radkranz, der Teil des Flügelrades ist und über die Flügel mit dessen Nabe verbunden ist. Dieser Radkranz trägt den Rotor der elektrischen Maschine.

Die elektrische Maschine ist vorzugsweise vom durch wenigstens einen Permanentmagneten erregten Typ, insbesondere eine bürstenlose Gleichstrommaschine. Der wenigstens eine Permanentmagnet einer solchen Maschine ist vorzugsweise einteilig von dem Radkranz umgeben, um ihn vor dem Kontakt mit der zu pumpenden Flüssigkeit zu schützen. Zu diesem Zweck können der Radkranz bzw. vorzugsweise das gesamte Flügelrad durch Umspritzen des Permanentmagneten mit einem Kunststoffmaterial hergestellt sein.

Ein Stator der elektrischen Maschine ist vorzugsweise radial außerhalb des Rotors angeordnet. Eine Wand der Pumpkammer verläuft dann zweckmäßigerweise durch einen zwischen Stator und Rotor gebildeten Spalt.

Um den Zusammenbau der Pumpe zu vereinfachen, ist das Gehäuse der Pumpe vorzugsweise aus einem ersten und einem zweiten Teil aufgebaut, wobei der erste Teil einen zylindrischen Abschnitt, bei dem es sich insbesondere um die durch den Spalt zwischen Stator und Rotor verlaufende Wand handeln kann, eine den Einlass begrenzende, einwärts gerichtete Schulter an einem ersten Ende des zylindrischen Abschnitts und eine auswärts gerichtete Schulter an einem zweiten Ende des zylindrischen Abschnitts umfasst, und der zweite Teil einen an der zweiten Schulter montierbaren Deckel bildet. So kann das Flügelrad einfach von dem zweiten Ende her in den zylindrischen Abschnitt des ersten Gehäuseteils eingeschoben und darin durch Montieren des Deckels eingeschlossen werden, während der Stator von der ersten Seite des zylindrischen Abschnitts her aufgeschoben werden kann.

Eine Fassung für je ein Ende einer Welle des Flügelrades ist zweckmäßigerweise an jedem der zwei Teile des Gehäuses gebildet.

Die Tatsache, dass bei der erfindungsgemäßen Pumpe das Flügelrad direkt mit dem Rotor verbunden ist, erlaubt es, beide drehbar an einer stationären Welle zu montieren.

Um eine reibungsarme Aufhängung des Flügelrades zu erzielen, ist dieses vorzugsweise über wenigstens ein Ringlager an der Welle gelagert. Zweckmäßigerweise ist ein solches

Ringlager fest mit dem Flügelrad verbunden und um die stationäre Welle drehbar. Das

Flügelrad selbst ist somit keiner direkten Reibungsbelastung ausgesetzt und kann daher aus einem preiswerten Material mit geringer Reibungsbelastbarkeit gefertigt sein, ohne dass dies die Lebensdauer der Pumpe beeinträchtigt.

An der Innenfläche des Ringlagers ist wenigstens ein axialer Kanal vorgesehen. In diesen Kanal kann die von der Pumpe gepumpte Flüssigkeit eindringen, wodurch zum einen das Lager gekühlt wird und zum anderen die Ausbildung eines reibungsmindernden Flüssigkeitsfilms zwischen der Innenfläche des Ringlagers und der Welle gefördert wird.

Das Ringlager weist zweckmäßigerweise zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Außendurchmessern auf, wobei ein erster Abschnitt mit kleinem Außendurchmesser in eine zentrale Bohrung des Flügelrades eingreift und der zweite Abschnitt mit größerem Außendurchmesser außerhalb der zentralen Bohrung zu liegen kommt und so einen Anschlag bildet, der die axiale Position des Ringlagers an dem Flügelrad festlegt.

Um eine stabile Führung zu erreichen, sind vorzugsweise zwei Ringlager von entgegengesetzen Enden her in die zentrale Bohrung des Flügelrades eingeführt. Diese zwei Ringlager sind vorzugsweise identisch.

Die erfindungsgemäße Pumpe eignet sich besonders, um in einem Gerät wie etwa einer Spülmaschine mit vertikal orientierter Achse des Flügelrades eingebaut zu werden. Auf diese Weise beansprucht die Pumpe nur eine geringe Höhe innerhalb eines zugunsten der Spülkammer möglichst niedrig zu haltenden Einbauraums unterhalb der Spülkammer der im Vergleich zu einer herkömmlichen Pumpe gleicher Leistung eventuell vergrößerte Durchmesser der erfindungsgemäßen Pumpe wirft im allgemeinen in einem solchen Einbauraum mit geringen vertikalen aber großen seitlichen Abmessungen keine Probleme auf.

Wenn die Pumpe mit vertikal orientierter Achse eingebaut ist, ist es auch zweckmäßig, das der Einlass höher als der Auslass gelegen ist. Im Betrieb einer solchen Pumpe ist . nämlich deren Flügelrad einem in Richtung des Einlasses wirkenden Druck des gepumpten Mediums ausgesetzt, so dass bei hochgelegenem Einlass auf die Lager des Flügelrades wirkende axiale Kräfte, die zum Einen durch diesen Druck und zum Anderen durch das Gewicht des Flügelrades verursacht sind, einander wenigstens teilweise kompensieren und so zu einer geringen Lagerbelastung führen. Um diejenige Fassung, die bei Drehung des Flügelrades axial belastet ist, vor Reibverschleiß zu schützen, ist vorzugsweise an einem Ende der Welle eine Unterlegscheibe drehfest angebracht, die bei montierter Welle zwischen der Fassung und ihr benachbarten rotierenden Teilen zu liegen kommt. Wenn die Pumpe mit ausreichender Leistung betrieben wird, kann davon ausgegangen werden, dass die in Richtung des Einlasses wirkende Druckkraft die Gewichtskraft des Flügelrades unabhängig von der Einbaulage überwiegt, so dass das Ende der Welle, an dem die Unterlegscheibe angebracht ist, vorzugsweise das einlassseitige Ende der Welle sein wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren.

Fig. 1 zeigt einen axialen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Pumpe,

Fig. 2 zeigt die einzelnen Teile der Pumpe in einer auseinandergezogenen Darstellung

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht der Welle der Pumpe, und

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ringlagers der Pumpe.

Das Gehäuse der Pumpe setzt sich zusammen aus zwei Teilen 1 , 2, die z. B. im Spritzguss aus Kunststoff einteilig gefertigt sind. Das erste Gehäuseteil 1 weist einen zylindrischen Abschnitt 3 auf, an dessen zwei Enden eine sich im Bezug auf die Achse des zylindrischen Abschnitts 3 radial nach innen erstreckende Schulter 4 bzw. eine radial nach außen erstreckende Schulter 5 angeformt sind. Die sich nach innen erstreckende Schulter 4 begrenzt eine Einlassöffnung 6 der Pumpe. In der Mitte dieser Einlassöffnung 6 ist eine Fassung 7 für eine Welle 18 durch Streben 8 gehalten, die die Fassung 7 mit der einwärts gerichteten Schulter 4 verbinden.

An der vom zylindrischen Abschnitt 3 abgewandten Seite der nach außen gerichteten Schulter 5 ist konzentrisch zur Achse eine umlaufende Rippe 9 geformt. Die Rippe 9 hat eine gleichmäßig zu einem Viertelkreis gekrümmte Innenfläche und eine zylindrische Außenfläche, auf die eine zylindrische Außenwand 10 des zweiten Gehäuseteils 2 aufgesteckt ist. In einem flachen Boden des Gehäuseteils 2 ist eine zweite Fassung 13 für das gegenüberliegende Ende der Welle 18 vorgesehen. Der Boden 11 und die Außenwand 10 sind durch eine umlaufende Rinne 13 miteinander verbunden, deren freier Querschnitt jeweils in Höhe eines von der Rinne 13 ausgehenden Auslassstutzens 14 maximal ist und von dort ausgehend zu einem diametral gegenüberliegenden Punkt der Rinne 13 in beiden Richtungen gleichmäßig abnimmt.

Der Boden 11 , der zylindrische Abschnitt 3 und die nach innen gerichtete Schulter 4 begrenzen eine zylindrische Pumpkammer, in der ein Flügelrad 15 um die Welle 18 drehbar gehalten ist. Das Flügelrad 15 hat in an sich bekannter Weise eine Nabe 16 in Form eines Rotationshyperbolpids oder eines Kegels, dessen Öffnungswinkel sich zum Scheitel hin, d.h. zur Einlassöffnung 6 hin, fortschreitend verengt, und die eine Mehrzahl von Flügeln 17 trägt, die sich jeweils in einer durch die Längsachse der Pumpe verlaufenden Ebene erstrecken. Die Nabe 16 hat eine axiale Bohrung, deren Durchmesser größer ist als der der durch sie hindurch verlaufenden, in den Fassungen 7, 12 gehaltenen Welle 18.

Die Welle 18 ist in Fig. 3 in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. Sie hat die Form eines im wesentlichen zylindrischen Metallstabes, der an seinen zwei Enden mit achsenparallelen Abflachungen 25 versehen ist, die den Enden jeweils einen unrunden Querschnitt verleihen. Die Fassungen 7, 12 sind jeweils komplementär zu diesem unrunden Querschnitt geformt, so dass die Welle 18 in dem Pumpengehäuse drehfest gehalten ist. Auf eines der Enden der Welle 18 ist eine metallische Unterlegscheibe 28 lose aufgeschoben. Sie hat eine zentrale Öffnung mit einer zum abgeflachten Ende der Welle 18 komplementären Form, so dass sie über die axiale Ausdehnung der Abflachung 25 hinweg verschiebbar, aber nicht drehbar ist.

Das Flügelrad 15 ist an der Welle 18 mit Hilfe von zwei identischen Ringlagern 27 gehalten, von denen eines in perspektivischer Ansicht in Fig. 4 gezeigt ist. Das Ringlager 27 ist eine einteilige Hülse aus Metall. Es weist in axialer Richtung zwei aufeinander folgende Abschnitte 29, 30 auf, die über eine radiale Schulter (in Fig. 4 vom Betrachter abgewandt) verbunden sind. Der Außendurchmesser des schmaleren Abschnitts ist so bemessen, dass er in die axiale Bohrung der Nabe 16 einpressbar ist; während der zweite Abschnitt, wie in Fig. 2 gezeigt, in axialer Richtung über die Nabe 16 übersteht. Der Innendurchmesser einer zentralen Bohrung des Ringlagers 27 ist geringfügig größer als der Außendurchmesser der Welle 18, wobei das Spiel zwischen beiden so bemessen ist, dass sich im Betrieb der Pumpe zwischen beiden ein Film aus der zu pumpenden Flüssigkeit ausbilden kann. Das Eindringen der Flüssigkeit zwischen das Ringlager 27 und die Welle 18 wird begünstigt durch zwei radiale Schlitze 31 , die an der Stirnseite des Abschnitts 30 gebildet sind und auf jeweils einen Kanal 32 münden, der sich in axialer Richtung über die Innenfläche 33 der Bohrung erstreckt.

Die Flügel 17 des Flügelrades 15 tragen einen Radkranz 19, der in ähnlicher Weise wie die Oberfläche der Nabe 16 gekrümmt ist und zusammen mit dieser einen Strömungsweg 20 begrenzt, der von der Einlassöffnung 6 zunächst axial nach unten verläuft, um dann immer weiter in die radiale Richtung abzubiegen, und schließlich aus dem Flügelrad 15 an dessen Umfangsfläche austritt und die Rinne 12 erreicht.

An der der Einlassöffnung 6 zugewandten Seite des Radkranzes 19, wo der Strömungsweg 20 noch nicht in radialer Richtung auseinanderläuft, ist ein Permanentmagnet 21 und eine Blechpackung 22 in den Radkranz eingebettet. Magnet 21 und Blechpackung 22 bilden einen Ring, durch den der Strömungsweg 20 hindurch verläuft. Um diesen Ring herum ist ein Kranz von Elektromagneten 23 angeordnet. Der Permanentmagnet 21 und Elektromagnete 23 bilden den Rotor bzw. den Stator eines bürstenlosen, elektronisch kommutierten Gleichstrommotors. Durch einen Luftspalt zwischen Permanent- und Elektromagneten erstrecken sich der zylindrische Abschnitt 3 des ersten Gehäuseteils 1 , der in Höhe dieser Magnete nur eine Dicke von Millimeterbruchteilen hat, und eine den Permanentmagneten 21 einschließende dünne Schicht des Radkranzes 19.

Der Radkranz 19 ist ringsum von der die Pumpe durchströmenden Flüssigkeit umgeben. Da Permanentmagnet 21 und Blechpackung 22 vom Material des Radkranzes 19 dicht umspritzt sind, sind sie vor der Flüssigkeit geschützt. Die Elektromagnete 23 sind von der Flüssigkeit durch die einteilige, dichte Wand des ersten Gehäuseteils 1 getrennt. Eine Drehdurchführung, die im Laufe des Betriebs undicht werden und den Durchtritt von zu pumpender Flüssigkeit zu stromführenden Teilen der Pumpe ermöglichen könnte, ist nicht vorhanden. Die einzigen Dichtungen, die an der erfindungsgemäßen Pumpe benötigt werden, sind die zwischen den zwei Gehäuseteilen 1, 2, die z. B. durch eine Klebung, Ultraschallschweißung oder dergleichen realisiert werden kann, zwischen dem ersten Gehäuseteil 1 und einem Anschluss einer Zufuhrleitung, hier durch einen in eine Nut des Gehäuseteils 1 eingebetteten Elastomer-Dichtring 24 realisiert, und zwischen dem Auslassstutzen 14 und einer daran angeschlossenen (nicht dargestellten) Leitung. An keiner dieser Dichtungen sind zu dichtende Teile gegeneinander beweglich, was eine gute Langzeit-Dichtheit erwarten lässt.

Claims

Patentansprüche

1. Pumpe mit einer Pumpkammer, die einen Einlass (6) und einen Auslass (14) aufweist und in der ein Flügelrad (15) und ein mit dem Flügelrad verbundener Rotor (21 , 22) einer elektrischen Maschine angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungsweg (20) vom Einlass zum Auslass der Pumpkammer durch einen zentralen Durchgang des Rotors (21 , 22) verläuft.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelrad (15) eine Nabe (16), Flügel (17) und einen durch die Flügel (17) mit der Nabe (16) verbundenen Radkranz (19) aufweist, und dass der Rotor (21 , 22) am Radkranz (19) angebracht ist.

3. Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Radkranz (19) eine in Durchströmungsrichtung divergente, den Strömungsweg (20) begrenzende

Innenfläche hat..

4. Pumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (21, 22) wenigstens einen Permanentmagneten (21) aufweist.

5. Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (21) von dem Randkranz (19) einteilig umgeben ist.

6. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stator (23) der elektrischen Maschine radial außerhalb des Rotors (21,

22) angeordnet ist.

7. Pumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wand (3) der Pumpkammer sich durch einen zwischen Stator (23) und Rotor (21 , 22) gebildeten Spalt erstreckt.

8. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse der Pumpe aus einem ersten und einem zweiten Teil (1 , 2) aufgebaut ist, wobei der erste Teil (1) einen zylindrischen Abschnitt (3), eine den Einlass (6) begrenzende, einwärts gerichtete Schulter (4) an einem ersten Ende des zylindrischen Abschnitts (3) und eine auswärts gerichtete Schulter (5) an einem zweiten Ende des zylindrischen Abschnitts umfasst und der zweite Teil (2) einen an der zweiten Schulter (5) montierbaren Deckel bildet.

9. Pumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der zwei Teile (1 , 2) eine Fassung (7, 12) für ein Ende einer Welle (18) des Flügelrades (15) aufweist.

10. Pumpe, mit einer Pumpkammer, die einen Einlass (6) und einen Auslass (14) aufweist und in der ein Flügelrad (15) und ein mit dem Flügelrad verbundener Rotor (21 , 22) einer elektrischen Maschine angeordnet sind, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor

(21 , 22) und das Flügelrad (15) um eine stationäre Welle (18) drehbar montiert sind.

11. Pumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelrad (15) über wenigstens ein Ringlager (27) an der Welle (18) gelagert ist, und dass das

Ringlager (27) mit dem Flügelrad (15) rotiert.

12. Pumpe nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Ringlager (27) wenigstens einen axialen Kanal (32) an seiner Innenfläche (33) aufweist.

13. Pumpe nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringlager (27) einen in eine zentrale Bohrung des Flügelrades (15) eingreifenden ersten Abschnitt (29) und einen außerhalb der Bohrung liegenden zweiten Abschnitt (30) aufweist, dessen Außendurchmesser größer als der des ersten Abschnitts (29) ist.

14. Pumpe nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Ringlager (27) von entgegengesetzten Enden her in eine zentrale Bohrung des Flügelrades (15) eingeführt sind.

15. Pumpe nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet dass die an einem einlassseitigen Ende der Welle (18) eine Unterlegscheibe (28) drehfest angebracht ist.

16. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse des Flügelrades (15) in Einbaulage der Pumpe vertikal orientiert ist.

17. Pumpe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (6) höher als der Auslass (14) gelegen ist.

18. Haushaltsgerät, insbesondere Geschirrspülmaschine, gekennzeichnet durch eine Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche.