WO2015067514A1 - Elektromotorische wasserpumpe - Google Patents

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WO2015067514A1
WO2015067514A1 PCT/EP2014/073295 EP2014073295W WO2015067514A1 WO 2015067514 A1 WO2015067514 A1 WO 2015067514A1 EP 2014073295 W EP2014073295 W EP 2014073295W WO 2015067514 A1 WO2015067514 A1 WO 2015067514A1
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WO
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rotor
water pump
space
pump
electromotive
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PCT/EP2014/073295
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English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe Klippert
Christoph Otto
Original Assignee
Brose Fahrzeugteile GmbH & Co. Kommanditgesellschaft, Würzburg
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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
    • F04D13/0606—Canned motor pumps
    • F04D13/0613—Special connection between the rotor compartments
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/5806—Cooling the drive system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/5813—Cooling the control unit
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/12—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof specially adapted for operating in liquid or gas
    • H02K5/128—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof specially adapted for operating in liquid or gas using air-gap sleeves or air-gap discs
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/14—Structural association with mechanical loads, e.g. with hand-held machine tools or fans

Definitions

  • the invention relates to an electromotive water pump, in particular centrifugal or radial pump for a motor vehicle cooling system, with a suction nozzle and a discharge nozzle having pump housing, in which a stator and a pump impeller driving rotor is arranged.
  • Water pumps can basically be categorized into so-called secondary flow pumps and main flow pumps.
  • a main flow pump is primarily used for cooling the internal combustion engine of a motor vehicle.
  • Conventional water pumps are typically powered by the V-belt of the internal combustion engine.
  • Such water pumps are therefore directly coupled to the engine speed of the engine, which may result in certain operating situations of the vehicle to an unbalanced cooling of the engine. So a sufficient volume flow must be ensured both in the idle engine with hot engine, as well as at maximum speed. This leads at high speed to unwanted turbulence and power losses through the mechanical pump.
  • electromotive water pumps for the cooling circuit of an internal combustion engine are already known, the drive is electrically or electronically controlled by means of an electric motor which drives a impeller, which is arranged in an example spiral pump chamber (spiral channel) of a pump housing.
  • Such electromotive water pumps can be used in many areas of the engine compartment and of the engine speed virtually independently (electronically) controllable, which also basically a V-belt can be omitted, which in turn can lead to an approximately 10% CO 2 savings.
  • EP 1 850 010 B1 discloses an electromotive water pump with an integrated electric motor which drives a pump wheel.
  • the known water pump includes a between a pump cover part and A containment shell, which is held by a motor housing part, for separating a wet space in which the rotor is arranged, and a dry space, in which the stator of the motor, coil or field windings of the brushless DC motor electric motor is arranged.
  • the invention has for its object to provide a particularly suitable electromotive water or coolant pump with a suction nozzle and a discharge nozzle having pump housing, in which a stator and a pump impeller driving rotor are arranged.
  • the water pump should have a comparatively effective cooling for the electric motor and in particular its electronics.
  • the electromotive water pump comprises a pump housing with a suction nozzle and with a discharge nozzle.
  • the pump housing has a pump cover and a shaped like a pot motor housing part, wherein the suction and / or the discharge nozzle are in particular part of the pump cover.
  • the water pump further comprises a stator and a rotor which is in operative connection with an impeller and thus drives this.
  • the pump wheel on the suction and / - or the discharge nozzle facing side of the rotor is arranged.
  • the operation of the rotor or the stator is suitably carried out in the manner of an electronically commutating DC motor.
  • the rotor comprises a number of permanent magnets and the stator comprises a number of electromagnets, which are energized by means of an electronics, wherein the electronics is expediently constructed in a bridge circuit, for. B. in a B6 circuit.
  • a split pot for example made of plastic, arranged, which is in particular rotationally fixed in the pump housing. If it is an internal rotor, therefore, the rotor is within the gap pot and the stator surrounds these two.
  • the stator is substantially hollow cylindrical and the containment shell is internally thereof.
  • the stator bears against the pot wall of the split pot.
  • the rotor is spaced from the pot bottom of the can, so that a first space is formed between the rotor and the pot bottom.
  • the pot bottom is in this case on the side of the rotor, which is located either opposite the suction nozzle, the discharge nozzle or particularly preferably the two nozzles. In other words, the rotor is located between at least one of the sockets and the bottom of the pot.
  • the rotor has a discharge channel extending from the first space to the side of the rotor facing the nozzle.
  • the drainage channel passes through the rotor.
  • a hydraulic connection is provided between the first space and the side of the rotor facing the connection, the flow rate and / or flow rate of which can be optimized for the cooling of the rotor and adjusted without any further restrictions.
  • the first space is filled with at least part of the liquid to be pumped.
  • the course of the discharge channel is parallel to the rotor axis, alternatively the course is wound in the manner of a spiral around the motor axis.
  • the cross section of the drainage channel is suitably round.
  • the outflow channel is preferably completely surrounded by further components of the rotor, so that the outflow channel is shaped in the manner of a tunnel.
  • the rotor comprises a number of such channels, in particular between six and eight channels.
  • the drainage channels are preferably distributed around the rotor axis, wherein the distance to the rotor axis is smaller than the radius of the rotor. In particular, the distance between all outflow channels to the rotor axis is the same.
  • each of the angles is the same, which is formed between two adjacent drainage channels with the rotor axis as apex, resulting in a symmetrical about the rotor axis arrangement of the drainage channels. That way is a removal of a fluid located in the first space on the side facing the nozzle of the rotor is not limited to a limited space but distributed substantially over the first space, which contributes to a more efficient cooling of the water pump.
  • the electromotive water pump is z. As a centrifugal or radial pump and / or is suitably used within a motor vehicle, the electromotive water pump is in particular a part of the motor vehicle.
  • the electrical operating voltage is preferably 48 V or alternatively 12 V.
  • the electromotive water pump is part of a motor vehicle cooling system and especially the main flow pump.
  • the electromotive water pump is primarily used for cooling an internal combustion engine of the motor vehicle.
  • the power of the electromotive water pump is suitably between 400 W and 1, 6 kW.
  • the pressure on the side of the pressure port is substantially 2.5 bar.
  • the rotor comprises a laminated core, which in turn has a number of rotor laminations, which are stacked in an electrically insulating manner in order to avoid parasitic eddy currents.
  • the laminated core preferably has a recess.
  • the drainage channel is formed. Consequently, the drainage channel runs at least partially within the laminated core.
  • the individual rotor laminations are suitably punched out accordingly.
  • each rotor plate has a circular cut-out to allow a drainage channel with a round cross-section.
  • the recess is rectangular or has a different shape. In this way, it is comparatively easy cost possible to realize the drainage channel.
  • the recess is encapsulated.
  • the overmold forms the boundary of the drainage channel and the rotor laminations are protected from corrosion due to contact with the liquid to be conveyed.
  • the overmoulding is a plastic, and suitably the overmolding takes place. spraying in one step in which other components of the rotor, in particular the laminated core, are overmolded with the plastic.
  • a gap is formed between the pot wall and the rotor, which prevents friction between the rotor and the gap pot o- at least reduced, and thus increases the efficiency of the electromotive water pump.
  • the discharge nozzle is connected by means of the gap and by means of the drainage channel hydraulically connected to the suction nozzle.
  • a secondary circuit is created to the main circuit, namely to the hydraulic connection of the pressure nozzle with the suction nozzle by means of the impeller. Consequently, there are two hydraulic connections between the discharge nozzle and the suction nozzle, namely on the one hand via the impeller and on the other hand via the gap and the discharge channel.
  • the gap opens in the first space, so that a liquid from the discharge nozzle first flows through the gap into the first space and from there through the drainage channel to the suction nozzle.
  • a portion of the liquid to be pumped namely the water is thus forced through the gap in the first room and pumped from there through the drainage channel to the suction due to the prevailing between the suction and the pressure port pressure difference.
  • the amount of liquid flowing through the secondary circuit adjusted by adjusting the cross-sectional geometry of the drainage channel.
  • elements of the electromotive water pump to be cooled are thermally contacted with the bottom of the pot. Consequently, during operation of the electromotive water pump, the part of the liquid used for cooling is first heated in the gap of the stator and its existing electromagnet. In the first room, a mixing of the liquid takes place thereafter and an additional heat exchange with the bottom of the pot, which is thus cooled. The heated water is transported away through the drainage channel and expediently again fed to the liquid to be pumped and mixed.
  • the component used for cooling is the Liquid comparatively low, so that the liquid to be pumped is not excessively heated when adding the heated cooling water and thus always comparatively low-temperature water passes through the gap formed between the rotor and the pot wall in the first room.
  • the outflow channel opens in a second room.
  • the second room is located in the center of the impeller. Consequently, the liquid conveyed through the drainage channel exits in the center of the impeller and is conveyed outwardly therefrom by means of any impeller blades and due to the prevailing centrifugal force during operation of the electromotive water pump.
  • the impeller is located on the side facing the nozzle of the rotor, so that the drainage channel extends from the first space to the second space.
  • the rotor is rotatably mounted about a fixed axis, which serves as a pump or motor shaft, which is parallel to the rotor axis.
  • the axis is rotatably connected to the containment shell or is held by this. In this way, a comparatively maintenance-free storage of the rotor is possible.
  • located at the end of the rotor in the direction of the axis in particular made of carbon plain bearings to reduce friction and thus to increase the efficiency of the electromotive pump.
  • the axis has a groove.
  • a further (third) hydraulic connection between the first space and the side of the rotor opposite this space is created.
  • the groove extends from the first space to the side of the rotor facing the neck, at which the outlet channel also opens. Consequently, a hydraulic connection parallel to the outflow channel is provided by means of the groove.
  • the possible flow rate is increased from the first space to the side of the rotor facing the neck, wherein the liquid transported in the groove is not subject to the rotational movement of the rotor.
  • the cross-section of the groove is chosen in particular such that during operation of the electromotive water pump, the pressure of the liquid in the groove is greater than 1 bar, suitably greater than 10 bar and in particular greater than 50 bar. Suitably, the pressure is less than 100 bar.
  • the groove extends spirally around the axis.
  • the rotor during operation of the electromotive water pump, the rotor at no point on the axis / shaft, but is held at a defined distance due to the water pressure. This avoids an imbalance in the rotor and contributes to a reduction of friction due to the storage by means of the liquid to be pumped.
  • the bearing of the rotor is a hydrodynamic plain bearing.
  • the liquid transported by means of the groove is a fraction of the liquid conveyed by means of the drainage channel.
  • the groove opens in the second space, ie in the center of the impeller, which allows a relatively easy removal of the liquid conveyed through the groove.
  • the drainage channel also opens in the second room. Consequently, the liquid conveyed through the drainage channel and through the groove is mixed in the second space before it is discharged therefrom. In this way, a comparatively simple construction of the electromotive water pump is made possible.
  • a balancing element is disposed within the drainage channel and in particular tied there.
  • the balancing element an imbalance of the rotor is compensated or at least reduced.
  • such an imbalance results due to the lack of rotor material in the region of the drainage channel or in the case of an asymmetrical arrangement of the drainage channels, if a plurality of drainage channels are present.
  • FIG. 1 is a perspective view of an electromotive water pump with a pump housing
  • FIG. 2a, b the water pump of FIG. 1 in sectional views
  • Fig. 3 shows a detail III of Fig. 2b on a larger scale.
  • FIG. 1 shows an electric motor-driven water pump 2 with a pump cover 4 and with a motor housing part 6, which are screwed together via a cover flange 8 and a housing flange 10 to a pump housing 12 with each other.
  • the pump cover 4 has an axial inlet or suction nozzle 14 and a radially oriented drain or discharge nozzle 16.
  • an electronics cover 18 is attached thereto.
  • FIGS. 2a and 2b show in a sectional view parallel to the rotor axis 20, the electromotive water pump 2.
  • the motor housing part 6 is an electrically or electronically commutated electric motor with a number of electromagnets 22 exhibiting stator 24 and with a arranged around a fixed axis (motor or pump shaft) 26 rotating rotor 28.
  • the electromagnets 22 are energized by means disposed in the electronics cover 18 electronics 30 having, for example, executed in B6 circuit inverter switch (inverter switch).
  • the rotor 28 comprises a laminated core 32, in which a number of permanent magnets 34 is held.
  • the laminated core 32 is constructed of individual stacked and mutually electrically isolated, soft magnetic rotor laminations 36, which are completely encapsulated by a plastic 38. Consequently, none of the rotor laminations 36 are in direct mechanical contact with the liquid to be pumped (water).
  • Each of the rotor laminations 36 is punched out such that within the laminated core 32, a number of cylindrical recesses 40 is formed. Again, the rotor laminations 36 with the plastic 38 um- splashes, and the recesses 40 thus lined by means of the plastic 38.
  • the remaining, not filled with the plastic 38 areas of the recesses 40 each form a drain channel 42, each of the drainage channels 42 is opened on both sides.
  • the rotor 28 is positively coupled to an impeller 44 and mounted axially about the fixed motor shaft 26 in a cover-side slide bearing 46 and in a cup bottom side slide bearing 48. Below the cover-side sliding bearing 46, ie between the cover-side sliding bearing 46 and the rotor 28, a second space 50 is formed in the center of the impeller 44.
  • a split pot 52 is held in the pump housing 12, i. practically hooked into this.
  • the split pot 52 at its pot end facing away from the bottom 54 open tube end a radially extended tube collar 56 with double-cranked, about double-L or Z-shaped Spaltrohrflansch 58, with the split pot 52 in the flange 8, 10 between the pump cover. 4 and the motor housing part 6 is held.
  • the containment shell 52 further comprises a hollow cylindrical pot wall 60 which is inserted in a groove of the motor housing part 6, of which consequently a part forms the pot bottom 54.
  • the motor shaft 26 is rotatably held on the bottom of the pot 54, and fixed the cup bottom side slide bearing 48 to the bottom of the pot 54.
  • the rotor 28 is spaced from the pot bottom 54 by means of the cup bottom-side slide bearing 48, so that a first space 62 is formed between the rotor 28 and the cup bottom 54.
  • the rotor-side wet space is separated from the stator-side dry space.
  • the rotor 28 is spaced from the pot wall 60.
  • a circumferential gap 64 is formed between the rotor 28 and the pot wall 60, as well as from Fig. 3 is comparatively clearly visible. This extends from the radial end of the impeller 44 to the first space 62nd
  • the motor shaft 26 has a groove 66 running helically about the rotor axis 20, which creates a hydraulic connection between the first space 62 and the second space 50.
  • a parallel connection to represent the drainage channels 42 which also connect the first space 62 with the second space 50 hydraulically. In other words, each of the drainage channels 42 terminates in the first space 62 and the second space 50.
  • the pumped medium (water) enters via the suction port 14 and is conveyed radially outward, ie perpendicular to the motor shaft 20, by means of the electromotively driven pump wheel 44 on a spiral path and passes via the discharge port 16 from the water pump 2 off.
  • the liquid absorbs heat generated by the electromagnets 22 and thus cools the stator 24. Due to the friction prevailing between the liquid and the rotating rotor 28, the movement of the conveyed medium within the gap 64 is spiral around the rotor axis 20.
  • the medium is mixed and absorbs heat from the bottom of the pot 54, which is in thermal contact with the electronics 30.
  • the liquid located in the first space 62 is further pressed or sucked either through the groove 66 or the drainage channels 42 into the second space 50, which opens into the suction nozzle 14. There, the liquid which has been conveyed through the first space 62 is mixed with the liquid entering through the suction nozzle 14 and again conveyed by means of the impeller 44 to the discharge nozzle 16.
  • the cross-section of the groove 66 is comparatively small, so that within the groove comparatively high pressures result, up to 100 bar, which leads to a relatively low friction between the rotor 26 and the shaft 28 due to the hydrodynamic sliding bearing.
  • the cross-section of the drainage channels 42 is set to a delivery rate of the liquid which optimally cools the stator 24 and the electronics 30.
  • a balancing element 68 is arranged, by means of which an imbalance of the rotor 28 is reduced and the flow rate of the liquid is adjusted through the discharge channel 42.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromotorische Wasserpumpe (2) mit einem einen Saugstutzen (14) und einen Druckstutzen (16) aufweisenden Pumpengehäuse (10), in dem ein Stator (24) und ein ein Pumpenrad (44) antreibender Rotor (28) angeordnet sind. Zwischen dem Stator (24) und dem Rotor (28) ist ein einen Topfboden (54) und eine Topfwand (60) umfassender Spalttopf (52) angeordnet, dessen Topfboden (54) sich auf der zumindest einem der Stutzen (14, 16) abgewandten Seite des Rotors (28) befindet. Zwischen dem Topfboden (54) und dem Rotor (28) ist ein erster Raum (62) gebildet, und der Rotor weist einen Abflusskanal (42) auf, der vom ersten Raum (62) zu der dem Stutzen (14, 16) zugewendet Seite des Rotors (28) reicht.

Description

Beschreibung
Elektromotorische Wasserpumpe
Die Erfindung betrifft eine elektromotorische Wasserpumpe, insbesondere Kreiseloder Radialpumpe für ein Kraftfahrzeugkühlsystem, mit einem einen Saugstutzen und einem Druckstutzen aufweisenden Pumpengehäuse, in dem ein Stator und ein ein Pumpenrad antreibender Rotor angeordnet ist.
Wasserpumpen können grundsätzlich kategorisiert werden in so genannte Ne- benstrompumpen und Hauptstrompumpen. Eine Hauptstrompumpe dient vorrangig zur Kühlung des Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs. Herkömmliche Wasserpumpen werden typischerweise über den Keilriemen des Verbrennungsmotors angetrieben. Derartige Wasserpumpen sind daher direkt an die Motordrehzahl des Verbrennungsmotors gekoppelt, was bei bestimmten Betriebssituationen des Fahrzeugs zu einer unausgewogenen Kühlung des Verbrennungsmotors führen kann. So muss ein ausreichender Volumenstrom sowohl im Standgas bei heißem Motor, als auch bei Höchstdrehzahl sichergestellt sein. Dies führt bei Höchstdrehzahl zu ungewollten Turbulenzen und Verlustleistungen durch die mechanische Pumpe.
Auch sind bereits elektromotorische Wasserpumpen für den Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine bekannt, deren Antrieb elektrisch oder elektronisch gesteuert mittels eines Elektromotors erfolgt, der ein Pumpenrad antreibt, das in einer beispielsweise spiralförmigen Pumpenkammer (Spiralkanal) eines Pumpengehäuses angeordnet ist. Derartige elektromotorische Wasserpumpen sind in vielen Bereichen des Motorraums einsetzbar und von der Motordrehzahl praktisch unabhängig (elektronisch) steuerbar, wobei zudem grundsätzlich ein Keilriemen entfallen kann, was wiederum zu einer etwa 10%igen C02- Einsparung führen kann.
So ist beispielsweise aus der EP 1 850 010 B1 eine elektromotorische Wasserpumpe mit integriertem Elektromotor bekannt, der ein Pumpenrad antreibt. Die bekannte Wasserpumpe umfasst einen zwischen einem Pumpendeckelteil und einem Motorgehäuseteil gehaltenen Spalttopf zur Trennung zwischen einem Nassraum, in dem der Rotor angeordnet ist, und einem Trockenraum, in dem der die Motor-, Spulen- oder Feldwicklungen tragende Stator des als bürstenloser Gleichstrommotor ausgeführten Elektromotors angeordnet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete elektromotorische Wasser- oder Kühlmittelpumpe mit einem einen Saugstutzen und einen Druckstutzen aufweisenden Pumpengehäuse anzugeben, in dem ein Stator und ein ein Pumpenrad antreibender Rotor angeordnet sind. Zudem soll die Wasserpumpe eine vergleichsweise effektive Kühlung für den Elektromotor und insbesondere dessen Elektronik aufweisen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die elektromotorische Wasserpumpe umfasst ein Pumpengehäuse mit einem Saugstutzen und mit einem Druckstutzen. Vorzugsweise weist das Pumpengehäuse einen Pumpendeckel und ein nach Art eines Topfes geformtes Motorgehäuseteil auf, wobei der Saug- und/oder der Druckstutzen insbesondere Bestandteil des Pumpendeckels sind. Die Wasserpumpe umfasst ferner einen Stator sowie einen Rotor, der in Wirkverbindung mit einem Pumpenrad steht und dieses somit antreibt. Zweckmäßigerweise ist das Pumpenrad auf der dem Saug- und/- oder dem Druckstutzen zugewandten Seite des Rotors angeordnet. Der Betrieb des Rotors bzw. des Stators erfolgt geeigneterweise nach Art eines elektronisch kommutierenden Gleichstrommotors. Insbesondere umfasst der Rotor eine Anzahl von Permanentmagneten und der Stator eine Anzahl von Elektromagneten, die mittels einer Elektronik bestromt werden, wobei die Elektronik zweckmäßigerweise in einer Brückenschaltung aufgebaut ist, z. B. in einer B6-Schaltung.
Zwischen dem Rotor und dem Stator ist ein Spalttopf, z.B. aus Kunststoff, angeordnet, der insbesondere drehfest im Pumpengehäuse befestigt ist. Sofern es sich um einen Innenläufer handelt, befindet sich folglich der Rotor innerhalb des Spalt- topfes und der Stator umgibt diese beiden. Geeigneterweise ist der Stator im Wesentlichen hohlzylindrisch, und der Spalttopf befindet sich im Inneren hiervon. Beispielsweise liegt der Stator an der Topfwand des Spalttopfes an. Der Rotor ist von dem Topfboden des Spalttopfs beabstandet, so dass zwischen dem Rotor und dem Topfboden ein erster Raum gebildet ist. Der Topfboden befindet sich hierbei auf der Seite des Rotors, die entweder dem Saugstutzen, dem Druckstutzen oder besonders bevorzugt den beiden Stutzen gegenüber liegt. Mit anderen Worten befindet sich der Rotor zwischen zumindest einem der Stutzen und dem Topfbo- den.
Der Rotor weist einen Abflusskanal auf, der von dem ersten Raum zu der dem Stutzen zugewandten Seite des Rotors reicht. Mit anderen Worten führt der Abflusskanal durch den Rotor hindurch. Mittels des Abflusskanals ist eine hydraulische Verbindung zwischen dem ersten Raum und der dem Stutzen zugewandten Seite des Rotors geschaffen, deren Durchflussrate und/oder Durchflussmenge auf die Kühlung des Rotors hin optimiert werden und eingestellt werden kann ohne weiteren Beschränkungen zu unterliegen. Z.B. ist hierfür der erste Raum mit zumindest einem Teil der zu pumpenden Flüssigkeit befüllt.
Insbesondere ist der Verlauf des Abflusskanals parallel zur Rotorachse, alternativ ist der Verlauf nach Art einer Spirale um die Motorachse gewunden. Der Querschnitt des Abflusskanals ist geeigneterweise rund. Bevorzugt ist der Abflusskanal mit Ausnahme der Öffnungen zu dem ersten Raum bzw. zu der dem Stutzen zugewandten Seite hin vollständig von weiteren Bauteilen des Rotors umgeben, sodass der Abflusskanal nach Art eines Tunnels geformt ist. Zweckmäßigerweise umfasst der Rotor eine Anzahl von derartigen Kanälen, insbesondere zwischen sechs und acht Kanäle. Die Abflusskanäle sind bevorzugt um die Rotorachse herum verteilt, wobei der Abstand zur Rotorachse kleiner als der Radius des Rotors ist. Insbesondere ist der Abstand aller Abflusskanäle zur Rotorachse gleich.
Zweckmäßigerweise ist jeder der Winkel gleich, der zwischen zwei benachbarten Abflusskanälen mit der Rotorachse als Scheitel gebildet ist, was eine um die Rotorachse symmetrische Anordnung der Abflusskanäle ergibt. Auf diese Weise ist ein Abtransport einer sich im ersten Raum befindenden Flüssigkeit auf die dem Stutzen zugewandten Seite des Rotors nicht nur auf einen begrenzten Raum beschränkt sondern im Wesentlichen über den ersten Raum verteilt, was zu einer effizienteren Kühlung der Wasserpumpe beiträgt.
Die elektromotorische Wasserpumpe ist z. B. eine Kreisel- oder Radialpumpe und/oder wird geeigneterweise innerhalb eines Kraftfahrzeugs eingesetzt, wobei die elektromotorische Wasserpumpe insbesondere ein Bestandteil von dem Kraftfahrzeug ist. Die elektrische Betriebsspannung beträgt bevorzugt 48 V oder alternativ 12 V. Insbesondere ist die elektromotorische Wasserpumpe Bestandteil eines Kraftfahrzeugkühlsystems und besonders die Hauptstrompumpe. Z. B. dient die elektromotorische Wasserpumpe vorrangig der Kühlung eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs. Die Leistung der elektromotorischen Wasserpumpe beträgt zweckmäßigerweise zwischen 400 W und 1 ,6 kW. Im Betrieb der Wasserpumpe herrscht beispielsweise ein Druckunterschied zwischen dem Saugstutzen und dem Druckstutzen von 0,5 bar bis 2,5 bar. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Druck auf der Seite des Druckstutzens im Wesentlichen 2,5 bar.
Geeigneterweise umfasst der Rotor ein Blechpaket, das wiederum eine Anzahl Rotorbleche aufweist, die elektrisch isolierend übereinander gestapelt sind, um parasitäre Wirbelströme zu vermeiden. Das Blechpaket weist bevorzugt eine Aussparung auf. Mittels der Aussparung ist der Abflusskanal gebildet. Folglich verläuft der Abflusskanal zumindest teilweise innerhalb des Blechpakets. Hierfür sind die einzelnen Rotorbleche geeigneterweise entsprechend ausgestanzt. Beispielsweise weist jedes Rotorblech eine kreisrunde Ausstanzung auf, um einen Abflusskanal mit rundem Querschnitt zu ermöglichen. Alternativ hierzu ist die Aussparung rechteckig oder weist eine anderweitige Form auf. Auf diese Weise ist es vergleichsweise einfach kostengünstig ermöglicht, den Abflusskanal zu realisieren.
Zweckmäßigerweise ist die Aussparung umspritzt. Somit bildet die Umspritzung die Begrenzung des Abflusskanals und die Rotorbleche werden vor einer Korrosion aufgrund des Kontakts mit der zu befördernden Flüssigkeit geschützt. Insbesondere ist die Umspritzung ein Kunststoff, und geeigneterweise erfolgt die Um- spritzung in einem Arbeitsschritt in dem auch weitere Bestandteile des Rotors, insbesondere das Blechpaket, mit dem Kunststoff umspritzt werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist zwischen der Topfwand und dem Rotor ein Spalt gebildet, was eine Reibung zwischen dem Rotor und dem Spalttopf verhindert o- der zumindest reduziert, und somit den Wirkungsgrad der elektromotorischen Wasserpumpe erhöht. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Druckstutzen mittels des Spalts und mittels des Abflusskanals hydraulisch mit dem Saugstutzen verbunden. Hierdurch ist ein Nebenkreislauf zu dem Hauptkreislauf geschaffen, nämlich zu der hydraulischen Verbindung des Druckstutzens mit dem Saugstutzen mittels des Pumpenrads. Folglich existieren zwei hydraulische Verbindungen zwischen dem Druckstutzen und dem Saugstutzen, nämlich einerseits über das Pumpenrad und andererseits über den Spalt und den Abflusskanal.
Geeigneterweise mündet der Spalt in dem ersten Raum, so dass eine Flüssigkeit von dem Druckstutzen zunächst durch den Spalt in den ersten Raum fließt und von dort durch den Abflusskanal zum Saugstutzen. Während des Betriebs der elektromotorischen Pumpe wird somit aufgrund der zwischen dem Saug- und dem Druckstutzen herrschenden Druckdifferenz ein Teil der die zu pumpende Flüssigkeit, nämlich das Wasser, durch den Spalt in den ersten Raum gedrückt und von dort durch den Abflusskanal zum Saugstutzen gepumpt. Hierbei ist die Menge der Flüssigkeit, die durch den Nebenkreislauf fließt, mittels Anpassung der Querschnittsgeometrie des Abflusskanals eingestellt.
Insbesondere sind mit dem Topfboden zu kühlende Elemente der elektromotorischen Wasserpumpe thermisch kontaktiert. Folglich wird bei Betrieb der elektromotorischen Wasserpumpe der zur Kühlung herangezogene Teil der Flüssigkeit zunächst im Spalt von dem Stator und dessen vorhandenen Elektromagneten erwärmt. Im ersten Raum findet im Anschluss daran eine Vermischung der Flüssigkeit statt und ein zusätzlicher Wärmeaustausch mit dem Topfboden, der somit gekühlt wird. Das erhitzte Wasser wird durch den Abflusskanal abtransportiert und zweckmäßigerweise wiederum der zu pumpenden Flüssigkeit zugeführt und vermischt. Zweckmäßigerweise ist der zur Kühlung herangezogene Bestandteil der Flüssigkeit vergleichsweise gering, so dass die zu pumpende Flüssigkeit bei einer Zugabe des erwärmten Kühlwassers nicht übermäßig erhitzt wird und somit stets vergleichsweise niedertemperaturiges Wasser durch den zwischen Rotor und Topfwand gebildeten Spalt in den ersten Raum gelangt.
Zweckmäßigerweise mündet der Abflusskanal in einem zweiten Raum. Der zweite Raum befindet sich im Zentrum des Pumpenrads. Folglich tritt die durch den Abflusskanal geförderte Flüssigkeit im Zentrum des Pumpenrads aus und wird von dort mittels etwaiger Pumpenradflügel und aufgrund der herrschenden Zentrifugalkraft bei Betrieb der elektromotorischen Wasserpumpe nach außen hin weg befördert. Zweckmäßigerweise befindet sich hierbei das Pumpenrad auf der dem Stutzen zugewandten Seite des Rotors, so dass der Abflusskanal von dem ersten Raum zu dem zweiten Raum reicht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Rotor um eine fest stehende Achse, die als Pumpen- oder Motorwelle dient, drehbar gelagert, die parallel zur Rotorachse ist. Insbesondere ist die Achse drehfest an dem Spalttopf angebunden oder wird von diesem gehalten. Auf diese Weise ist eine vergleichsweise wartungsfreie Lagerung des Rotors ermöglicht. Insbesondere befinden sich am Abschluss des Rotors in Richtung der Achse insbesondere aus Kohlenstoff bestehende Gleitlager, um eine Reibung zu verringern und somit den Wirkungsgrad der elektromotorischen Pumpe zu erhöhen.
Zweckmäßigerweise weist die Achse eine Nut auf. Mittels der Nut ist eine weitere (dritte) hydraulische Verbindung zwischen dem ersten Raum und der diesem Raum gegenüber liegenden Seite des Rotors geschaffen. Mit anderen Worten reicht die Nut von dem ersten Raum bis zu der dem Stutzen zugewandten Seite des Rotors, an der auch der Abflusskanal mündet. Folglich ist mittels der Nut eine zu dem Abflusskanal parallele hydraulische Verbindung bereitgestellt. Somit ist die mögliche Fördermenge aus dem ersten Raum zu der dem Stutzen zugewandten Seite des Rotors erhöht, wobei die in der Nut transportierte Flüssigkeit nicht der Rotationsbewegung des Rotors unterliegt. Hierbei ist der Querschnitt der Nut insbesondere derart gewählt, dass bei Betrieb der elektromotorischen Wasser- pumpe der Druck der sich in der Nut befindlichen Flüssigkeit größer als 1 bar, zweckmäßigerweise größer als 10 bar und insbesondere größer als 50 bar ist. Geeigneterweise ist der Druck kleiner als 100 bar.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verläuft die Nut spiralförmig um die Achse. Auf diese Weise liegt bei Betrieb der elektromotorischen Wasserpumpe der Rotor an keiner Stelle an der Achse/Welle an, sondern wird aufgrund des Wasserdrucks in einem definierten Abstand gehalten. Dies vermeidet eine Unwucht in dem Rotor und trägt aufgrund der Lagerung mittels der zu pumpenden Flüssigkeit zu einer Verringerung der Reibung bei. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Lagerung des Rotors um eine hydrodynamische Gleitlagerung. Insbesondere ist die mittels der Nut transportierte Flüssigkeit ein Bruchteil der mittels des Abflusskanals geförderten Flüssigkeit.
Zweckmäßigerweise mündet die Nut im zweiten Raum, also im Zentrum des Pumpenrads, was einen vergleichsweise leichten Abtransport der durch die Nut geförderten Flüssigkeit erlaubt. Insbesondere mündet der Abflusskanal ebenfalls in dem zweiten Raum. Folglich wird die durch den Abflusskanal und die durch die Nut geförderte Flüssigkeit im zweiten Raum vermischt, bevor diese von dort abgeführt wird. Auf diese Weise ist eine vergleichsweise einfache Konstruktion der elektromotorischen Wasserpumpe ermöglicht.
Geeigneterweise ist innerhalb des Abflusskanals ein Wuchtelement angeordnet und insbesondere dort angebunden. Mittels des Auswuchtelements wird eine Unwucht des Rotors ausgeglichen oder zumindest verringert. Insbesondere ergibt sich eine derartige Unwucht aufgrund des Fehlens von Rotormaterial im Bereich des Abflusskanals oder bei einer unsymmetrischen Anordnung der Abflusskanäle, sofern mehrere Abflusskanäle vorhanden sind.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen: Fig. 1 in perspektivischer Darstellung eine elektromotorische Wasserpumpe mit einem Pumpengehäuse,
Fig. 2a, b die Wasserpumpe gemäß Fig. 1 in Schnittdarstellungen, und
Fig. 3 einen Ausschnitt III aus Fig. 2b in größerem Maßstab .
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 ist eine elektromotorisch angetriebene Wasserpumpe 2 mit einem Pumpendeckel 4 und mit einem Motorgehäuseteil 6, die über einen Deckelflansch 8 und einen Gehäuseflansch 10 zu einem Pumpengehäuse 12 miteinander verschraubt sind. Der Pumpendeckel 4 weist einen axialen Zulauf- oder Saugstutzen 14 sowie einen radial orientierten Ablauf- oder Druckstutzen 16 auf. Auf der dem Pumpendeckel 4 gegenüberliegenden Seite des Motorgehäuseteil 6 ist ein Elektronikdeckel 18 an diesem befestigt.
Fig. 2a und Fig. 2b zeigen in einer Schnittdarstellung parallel zur Rotorachse 20 die elektromotorische Wasserpumpe 2. Wie aus den Figuren ersichtlich ist, ist innerhalb des Motorgehäuseteils 6 ein elektrisch oder elektronisch kommutierter Elektromotor mit einem eine Anzahl Elektromagneten 22 aufweisender Stator 24 und mit einem um eine feststehende Achse (Motor- oder Pumpenwelle) 26 rotierenden Rotor 28 angeordnet. Die Elektromagneten 22 werden mittels einer in dem Elektronikdeckel 18 angeordneten Elektronik 30 bestromt, die beispielsweise in B6-Schaltung ausgeführte Umrichterschalter (Wechselrichterschalter) aufweist.
Der Rotor 28 umfasst ein Blechpaket 32, in dem eine Anzahl Permanentmagneten 34 gehalten ist. Das Blechpaket 32 ist aus einzelnen übereinandergeschichteten und gegeneinander elektrisch isolierten, weichmagnetischen Rotorblechen 36 aufgebaut, die mittels eines Kunststoffs 38 vollständig umspritzt sind. Folglich steht keines der Rotorbleche 36 in direktem mechanischen Kontakt mit der zu pumpenden Flüssigkeit (Wasser). Jedes der Rotorbleche 36 ist derart ausgestanzt, dass innerhalb des Blechpakets 32 eine Anzahl zylindrischer Aussparungen 40 gebildet ist. Auch hier sind die Rotorbleche 36 mit dem Kunststoff 38 um- spritzt, und die Aussparungen 40 folglich mittels des Kunststoffs 38 ausgekleidet. Die verbliebenen, mit dem Kunststoff 38 nicht ausgefüllten Bereiche der Aussparungen 40 bilden jeweils einen Abflusskanal 42, wobei jeder der Abflusskanäle 42 beidseitig geöffnet ist.
Der Rotor 28 ist mit einem Pumpenrad 44 formschlüssig gekoppelt und um die feststehende Motorwelle 26 in einem deckelseitigen Gleitlager 46 sowie in einem topfbodenseitigen Gleitlager 48 axial gelagert. Unterhalb des deckelseitigen Gleitlagers 46, also zwischen dem deckelseitigen Gleitlager 46 und dem Rotor 28 ist im Zentrum des Pumpenrads 44 ein zweiter Raum 50 gebildet.
Zwischen dem Stator 24 und dem Rotor 28 ist ein Spalttopf 52 im Pumpengehäuse 12 gehalten, d.h. in dieses praktisch eingehängt. Hierzu weist der Spalttopf 52 an dessen einem Topfboden 54 abgewandten offenen Rohrende einen radial ausgezogenen Rohrkragen 56 mit doppelt abgekröpftem, etwa doppel-L- oder Z- förmigem Spaltrohrflansch 58 auf, mit dem der Spalttopf 52 in der Flanschverbindung 8, 10 zwischen dem Pumpendeckel 4 und dem Motorgehäuseteil 6 gehalten ist.
Der Spalttopf 52 umfasst ferner eine hohlzylindrische Topfwand 60, die in einer Nut des Motorgehäuseteils 6 eingesetzt ist, von dem folglich ein Teil den Topfboden 54 bildet. Die Motorwelle 26 ist drehfest an dem Topfboden 54 gehalten, und das topfbodenseitige Gleitlager 48 an dem Topfboden 54 befestigt. Der Rotor 28 ist mittels des topfbodenseitigen Gleitlagers 48 von dem Topfboden 54 beabstandet, so dass zwischen dem Rotor 28 und dem Topfboden 54 ein erster Raum 62 gebildet ist. Mittels des Spalttopfs 52 wird der rotorseitige Nassraum vom stator- seitigen Trockenraum getrennt. Der Rotor 28 ist von der Topfwand 60 beabstandet. Folglich ist zwischen dem Rotor 28 und der Topfwand 60 ein umlaufender Spalt 64 gebildet, wie auch aus Fig. 3 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist. Dieser reicht von dem radialen Ende des Pumpenrads 44 bis zu dem ersten Raum 62. Die Motorwelle 26 weist eine spiralförmig um die Rotorachse 20 verlaufende Nut 66 auf, die eine hydraulische Verbindung zwischen dem ersten Raum 62 und dem zweiten Raum 50 schafft. Eine hierzu parallele Verbindung stellen die Abflusskanäle 42 dar, die auch den ersten Raum 62 mit dem zweiten Raum 50 hydraulisch verbinden. Mit anderen Worten mündet jeder der Abflusskanäle 42 in dem ersten Raum 62 und in dem zweiten Raum 50.
Bei Betrieb der nach dem Kreisel- oder Radialpumpenprinzip arbeitenden Wasserpumpe 2 tritt das Fördermedium (Wasser) über den Saugstutzen 14 ein und wird mittels des elektromotorisch angetriebenen Pumpenrades 44 auf einer Spiralbahn radial, also senkrecht zur Motorachse 20 nach außen befördert und tritt über den Druckstutzen 16 aus der Wasserpumpe 2 aus. Ein Bruchteil des Fördermediums wird aufgrund des erzeugten Drucks durch den Spalt 64 in den ersten Raum 62 befördert. Hierbei nimmt die Flüssigkeit von den Elektromagneten 22 erzeugte Wärme auf und kühlt somit den Stator 24. Aufgrund der zwischen der Flüssigkeit und dem sich drehenden Rotor 28 herrschenden Reibung ist die Bewegung des Fördermediums innerhalb des Spalts 64 spiralförmig um die Rotorachse 20. Im ersten Raum 62 wird das Fördermedium durchmischt und nimmt Wärme vom Topfboden 54 auf, der in thermischen Kontakt mit der Elektronik 30 steht.
Die sich in dem ersten Raum 62 befindende Flüssigkeit wird weiter entweder durch die Nut 66 oder die Abflusskanäle 42 in den zweiten Raum 50 gedrückt bzw. gesaugt, der im Saugstutzen 14 mündet. Dort wird die Flüssigkeit, die durch den ersten Raum 62 gefördert wurde mit der durch den Saugstutzen 14 eintretenden Flüssigkeit vermischt und erneut mittels des Pumpenrads 44 zum Druckstutzen 16 befördert. Der Querschnitt der Nut 66 ist vergleichsweise klein, so dass sich innerhalb der Nut vergleichsweise hohe Drücke ergeben, bis zu 100bar, was zu einer vergleichsweise geringen Reibung zwischen dem Rotor 26 und der Welle 28 aufgrund der hydrodynamische Gleitlagerung führt.
Der Querschnitt der Abflusskanäle 42 ist auf eine Fördermenge der Flüssigkeit eingestellt, die den Stator 24 und die Elektronik 30 optimal kühlt. Innerhalb eines der Abflusskanäle 42 ist ein Auswuchtelement 68 angeordnet, mittels dessen eine Unwucht des Rotors 28 verringert und die Durchflussmenge der Flüssigkeit durch den Abflusskanal 42 eingestellt wird.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind femer alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
2 Wasserpumpe 36 Rotorblech
4 Pumpendeckel 38 Kunststoff
6 Motorgehäuseteil 40 Aussparung
8 Deckelflansch 42 Abflusskanal
10 Gehäuseflansch 44 Pumpenrad
12 Pumpengehäuse 46 deckelseitiges Gleitlager
14 Saugstutzen 48 bodenseitiges Gleitlager
16 Druckstutzen 50 zweiter Raum
18 Elektronikdeckel 52 Spalttopf
20 Rotorachse 54 Topfboden
22 Elektromagnet 56 Rohrkragen
24 Stator 58 Spaltrohrflansch
26 Achse/Motorwelle 60 Topfwand
28 Rotor 62 erster Raum
30 Elektronik 64 Spalt
32 Blechpaket 66 Nut
34 Permanentmagnet 68 Auswuchtelement

Claims

Ansprüche
1. Elektromotorische Wasserpumpe (2) mit einem einen Saugstutzen (14) und einen Druckstutzen (16) aufweisenden Pumpengehäuse (10), in dem ein Stator (24) und ein ein Pumpenrad (44) antreibender Rotor (28) angeordnet sind,
- wobei zwischen dem Stator (24) und dem Rotor (28) ein einen Topfboden (54) und eine Topfwand (60) umfassender Spalttopf (52) angeordnet ist, dessen Topfboden (54) sich auf der zumindest einem der Stutzen (14, 16) abgewandten Seite des Rotors (28) befindet,
- wobei zwischen dem Topfboden (54) und dem Rotor (28) ein erster Raum (62) gebildet ist, und
- wobei der Rotor einen Abflusskanal (42) aufweist, der vom ersten Raum (62) zu der dem Stutzen (14, 16) zugewandet Seite des Rotors (28) reicht.
2. Elektromotorische Wasserpumpe (2) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Rotor (28) ein eine Anzahl Rotorbleche (36) umfassendes Blechpaket (32) mit einer Aussparung (40) zur Bildung des Abflusskanals (42) aufweist, wobei die Aussparung (40) insbesondere mittels Ausstanzungen der Rotorbleche (36) gebildet ist.
3. Elektromotorische Wasserpumpe (2) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Aussparung (40) umspritzt ist, insbesondere mittels Kunststoff (38).
4. Elektromotorische Wasserpumpe (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen der Topfwand (60) und dem Rotor (28) ein Spalt (64) gebildet ist, wobei der Druckstutzen (16) mittels des Spalts (64), und insbesondere mittels des ersten Raums (62), und mittels des Abflusskanals (42) hydraulisch mit dem Saugstutzen (14) verbunden ist.
5. Elektromotorische Wasserpumpe (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass der Abflusskanal (42) in einem um das Zentrum des Pumpenrads (44) gebildeten zweiten Raum (50) mündet.
6. Elektromotorische Wasserpumpe (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass der Rotor (28) um eine feststehende Achse (26) drehbar gelagert ist.
7. Elektromotorische Wasserpumpe (2) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Achse (26) eine, vorzugsweise spiralförmige, Nut (66) zur hydraulischen Verbindung des ersten Raums (62) mit der zumindest einem der Stutzen (14. 16) zugewandet Seite des Rotors (28) aufweist.
8. Elektromotorische Wasserpumpe (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nut (66) im zweiten Raum (50) mündet.
9. Elektromotorische Wasserpumpe (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
dass der Rotor (28) mehrere axial verlaufende Abflusskanäle (42) aufweist.
10. Elektromotorische Wasserpumpe (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Wuchtelement (68) innerhalb des Abflusskanals (42) angeordnet ist.
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