DE19921365B4

DE19921365B4 - Elektromagnetisch betriebene Pumpe mit Axialspaltlager

Info

Publication number: DE19921365B4
Application number: DE19921365A
Authority: DE
Inventors: Albert Genster; Ingo Fabricius
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 1999-05-10
Filing date: 1999-05-10
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2019-05-11
Also published as: DE19921365A1

Abstract

Elektromagnetisch betriebene Pumpe, insbesondere Spaltrohrpumpe, zur Förderung eines Mediums in einem Heizungs- oder Kühlsystem, mit einem Stator und mit einem auf einer Rotorachse (16) drehbar gelagerten Rotor (6), wobei der Rotor (6) ein Laufrad (9) trägt, das in einer mit einer zentralen Ansaugöffnung (11) versehenen Laufradkammer angeordnet ist, wobei zwischen dem Laufrad (9) und der Innenwand der Laufradkammer ein Gleitlager (19) angeordnet ist und wobei das Gleitlager (19) ein axiales Gleitlager (19) ist, das in einem Spalt zwischen der die Ansaugöffnung (11) umgebenden Innenwand der Laufradkammer und einer Stirnfläche des Laufrades (9) angeordnet ist, wobei das Laufrad (9) über das Gleitlager (19) gegen die Innenwand anliegt, das einen in die Innenwand eingelassenen Gleitring (19) aufweist, an dem das Laufrad (9) mit einem stirnseitigen Rand seiner zentralen Ansaugöffnung anliegt, wobei das Laufrad (9) eine Nabe (20) aufweist, mit der es auf einer an einem Pumpengehäuse (7) angebrachten und in die Laufradkammer...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetisch betriebene Kreiselpumpe, insbesondere eine Spaltrohrpumpe, zur Förderung eines Mediums in einem Heizungs- oder Kühlsystem mit einem Stator und mit einem drehbar gelagerten Rotor, wobei der Rotor ein Laufrad trägt, das in einer mit einer zentralen Ansaugöffnung versehenen Laufradkammer angeordnet ist.
Derartige Kreiselpumpen mit einem zentralen Ansaugstutzen sind in vielfältigen Bauformen und Größen bekannt. Wegen des vergleichsweise guten Wirkungsgrades werden diese Art von Kreiselpumpen auch mit relativ kleinen Förderleistungen von weniger als 50 Watt gebaut. Je kleiner jedoch die Leistung und damit die Baumaße der Kreiselpumpe, desto stärker macht sich ein spezifischer Nachteil bemerkbar. Dieser resultiert daraus, dass zwischen dem Laufrad und der Innenwand der Laufradkammer sich grundsätzlich ein Spalt auftut, der eine bestimmte Größe von wenigen Zehntel Millimetern (etwa 0.3 mm) nicht unterschreiten darf, damit der Freilauf des Laufrades unter allen Betriebsbedingungen gewährleistet ist.
Das durch diesen Spalt strömende Medium vermindert den Wirkungsgrad der Kreiselpumpe, wobei die Relation der Verschlechterung des Wirkungsgrades bei einer Reduzierung der Baugröße der Pumpe zunimmt, da das Absolutmaß des Spaltes unverändert bleibt.
Die DE 43 31 560 A1 beschreibt eine magnetisch gekuppelte Kreiselpumpe, bei der in axialem Einlaß der Pumpe, also an der Innenwand eine Hilfslaufscheibe angeordnet ist, die Axiallasten des Laufrades aufnehmen kann, falls sie auftreten. Der Spalt wird auf diese Weise nicht wirkungsvoll verringert, da der Fall eines anliegenden Laufrades die Ausnahme bildet.
Um den Durchfluß durch den Spalt zu verringern, ist es auch bekannt, diesen nach Möglichkeit zu verlängern, um den Strömungswiderstand zu erhöhen. Ein verlängerter Spalt birgt jedoch den Nachteil, dass er leichter verschmutzt und so zu einer Störung der Pumpenfunktion führt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kreiselpumpe der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die bei einfacher Bauweise und damit günstigen Herstellungskosten einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad, eine große Zuverlässigkeit und einfache Montage sowie Wartungsfreundlichkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Kreiselpumpe mit den kennzeichneten Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das zwischen dem Laufrad und der Innenwand der Laufradkammer angeordnete Gleitlager hat den großen Vorteil, dass der Bypassstrom um das Laufrad herum nahezu unterbunden ist. Dies spielt insbesondere bei Kreiselpumpen kleiner Abmessungen und geringer Leistung für die Erhöhung des Wirkungsgrades eine entscheidende Rolle. Der am Laufrad vorbeiführende Bypassstrom enthält lediglich das zur Schmierung des Gleitlagers benötigte Medium.
Besonders einfach und damit vorteilhaft ist es, das Gleitlager als axiales Gleitlager auszubilden, das zwischen einer um die Ansaugöffnung angeordneten Ringfläche und einer Stirnfläche des Laufrades angeordnet ist. Durch das axiale Gleitlager ist das Laufrad in axialer Richtung gegen das Pumpengehäuse gehalten. Das axiale Gleitlager ist dabei von besonderem Vorteil, wenn Laufrad und Welle bzw. Rotor in axialer Richtung entkoppelt werden. Das Laufrad wird dann in axialer Richtung „schwimmend” in der Laufradkammer gehalten. Durch das schwimmend gehaltene Laufrad ist eine größere Toleranz gegenüber baulichen Ungenauigkeiten gegeben, was zu einer Vereinfachung der Fertigung beiträgt. Die größere Unempfindlichkeit wirkt sich außerdem bei unterschiedlicher Wärmeausdehnung der einzelnen Bauteile aus.
In einer besonders einfachen Ausführungsform des axialen Gleitlagers ist in die Innenwand der Laufradkammer ein Gleitring eingelassen bzw. in eine dafür vorgesehene Nut eingepreßt, an dem das Laufrad mit einer stirnseitigen Kante anliegt. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch eine einfache Konstruktion und dadurch durch besondere Zuverlässigkeit aus.
Die bauliche Trennung zwischen dem Laufrad und dem Rotor wird vorteilhafterweise in einer sehr einfachen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kreiselpumpe realisiert, die für den Einsatz in Kraftfahrzeugen besonders geeignet ist. Dabei weist der Rotor einen dickwandigen Rotorzylinder auf, der an seiner einen Stirnseite das Laufrad trägt. Der Rotorzylinder ist dabei auf einer in den Hohlraum hineinragenden Achse, insbesondere vermittels eines Kohlelagers, drehbar gelagert. In einer besonders zu bevorzugenden Ausführungsform wird das Laufrad nur in Umfangsrichtung formschlüssig mit dem Rotorzylinder, insbesondere durch Aufstecken, gekoppelt. Das Laufrad selber bleibt dabei in axialer Richtung gegen das Axiallager beweglich. Der Rotorzylinder wird durch die magnetischen Kräfte zwischen dem Stator und dem Rotor in axialer Richtung gehalten. Dies Ausführungsform des Rotors mit Rotorzylinder wird vorteilhafter Weise im Falle von Spaltrohrpumpen eingesetzt, wo der hydraulische Teil vom elektrischen Teil vollständig durch den Spalttopf getrennt ist.
In einer besonderen Ausführungsform ist der Rotorzylinder aus einem Kunststoff gefertigt, in dem ein magnetisierbares Material in Form eines Pulvers eingebettet ist. Die Magnetisierung des Rotors erfolgt nach dessen Fertigung durch Anlegen magnetischer Felder. Die Trennung von Laufrad und Rotor führt in dieser Ausführungsform zu einer erheblichen Materialersparnis, da nur der Rotor und nicht die Einheit aus Rotor und Laufrad aus dem teuren „magnetisierbaren” Kunststoff gefertigt werden braucht.
Durch das abnehmbare Laufrad ist gleichfalls die Möglichkeit gegeben, unter Beibehaltung desselben Rotorzylinders ein anderes dem Einsatz der Pumpe angepasstes Laufrad zu benutzen. Das abnehmbare Laufrad läßt sich außerdem gegen ein Laufrad anderer Geometrie oder gegen ein Laufrad aus einem anderen Material, beispielsweise aus Metall, austauschen. Diese Möglichkeit erhöht die Flexibilität beim Einsatz der erfindungsgemäßen Kreiselpumpe.
Bei einer schwimmenden Lagerung ist es vorteilhaft, das Laufrad auf einer separaten Laufradachse drehbar zu lagern, die in die Laufradkammer hineinragt. Das Laufrad weist in dieser Ausführungsform eine zentrale Nabe auf, in der die Lagerbuchse eines Kohlelagers eingepreßt sein kann und in welche die Laufradachse eingesteckt ist. In dieser Ausführungsform kann der hydraulische Teil vollständig vom elektrischen Teil getrennt werden, was zu einer großen Wartungsfreundlichkeit der Kreiselpumpe führt.
Ein weiterer besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß mit dem erfindungsgemäßen Gleitlager, insbesondere mit dem Axialgleitlager, kleine und einfach aufgebaute Kreiselpumpen mit hohem Wirkungsgrad gebaut werden können. Diese Kreiselpumpen, deren Bauteile nahezu alle aus Kunststoff gefertigt werden können, sind bei hoher Leistungsfähigkeit von sehr geringem Gewicht und lassen sich besonders vorteilhaft im Kühlsystem von Kraftfahrzeugen einsetzten. Insbesondere die Laufradkammer und das Laufrad sind dabei aus Kunststoff gefertigt, was zu einer großen Gewichtsersparnis führt. Dabei können besondere Kunststoffe verwendet werden, die eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber den im Kraftfahrzeug verwendeten Kühlmedien gewährleisten.
Eine besondere Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
In der Figur ist ein Schnitt durch eine elektrisch betriebene Spaltrohrpumpe gezeigt, wie sie zur Förderung des Kühlmediums in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann. Der von einem Motorgehäuse 1 aus Kunststoff umgebene elektrische Antrieb der Pumpe weist einen Stator mit Statorwicklungen 2 auf, die über Leitungen 3 an eine Versorgungsspannung angelegt werden. Die Steuerungselektronik 4 der Pumpe ist an der hinteren Stirnseite der Pumpe angeordnet. Der Stator ist durch einen Spalttopf 5 von einem innerhalb des Stators drehbar gelagerten Rotor 6 hydraulisch getrennt. Das Motorgehäuse 1 ist über einen Flansch an einem aus Kunststoff geformten Pumpengehäuse 7 befestigt und mit einer O-Ring Dichtung 8 abgedichtet.
In einer im Pumpengehäuse 7 befindlichen Laufradkammer ist ein Laufrad 9 mit Flügeln 10 angeordnet, dem das Medium über einen Einlaßstutzen 11 zugeführt wird und welches das Medium zu einem Auslaßstutzen 12 fördert. Das Laufrad 9 mit den angeformten Flügeln 10 ist in diesem Falle aus Kunststoff geformt.
Der Rotor 6 weist einen hohlen Rotorzylinder 13 auf, der in diesem Falle aus Kunststoff geformt ist, wobei in den Kunststoff ein magnetisierbares Material eingebettet ist. Nach der Magnetisierung des Materials trägt die Außenwandung des Rotorzylinders 13 Permanentmagnete, die mit den Statorwicklungen 2 zusammenwirken. In den Innenraum des Rotorzylinders 13 ist eine Metallhülse 14 eingebracht, die zur Stabilisierung des Rotorzylinders 13 dient. In diese Metallhülse 14 ist eine Buchse 15 eines Kohlelagers eingepreßt, die drehbar auf einer starren Achse 16 gelagert ist. Gegen eine Verschiebung in axialer Richtung ist der Rotorzylinder 13 durch die magnetische Kraft zwischen dem Stator und dem Rotor 6 gehalten. Die starre Achse 16 ist in eine am Spalttopf 5 angeformte zylindrische Halterung 25 eingesteckt.
Das Laufrad 9 ist auf die stirnseitige Wandung des Rotorzylinders 13 mit Stiften 17 aufgesteckt und wird durch eine Halterung in Umfangsrichtung formschlüssig gehalten. Zur Zentrierung des Laufrades weist dieses in seiner Rückseite eine sich axial erstreckende Ringnut 18 auf, welche in die Metallhülse 14 eingesteckt ist.
Zwischen dem Laufrad 9 und der Innenwand der Laufradkammer ist ein axiales Gleitlager 19 vorgesehen, das in dem Spalt zwischen der die Ansaugöffnung umgebenden Innenwand der Laufradkammer und der Stirnfläche des Laufrades 9 angeordnet ist. Das Laufrad 9 liegt somit über das Gleitlager 19 gegen die Innenwand an, wobei in die Innenwand ein Gleitring 19 eingelassen ist.
Zur separaten Lagerung weist das Laufrad eine Nabe 20 auf, mit der es auf einer am Pumpengehäuse 7 angebrachten und in die Laufradkammer hineinragenden Laufradachse 21 gleitet. Die Laufradachse 21 ist in eine am Pumpengehäuse 7 angeformte Buchse 22 eingesteckt, wobei die Buchse 22 über radial verlaufende Stege 23 mit der Innenwandung der Ansaugöffnung verbunden ist. Die Stege 23 haben ein hydrodynamisch besonders günstiges Profil und bieten dem Fluß des Mediums lediglich einen geringen Widerstand. In die Nabe des Laufrades 9 ist eine Lagerbuchse 24 eines Kohlelagers eingepreßt, die mit der Laufradachse 21 ein Gleitlager bildet.

Claims

Elektromagnetisch betriebene Pumpe, insbesondere Spaltrohrpumpe, zur Förderung eines Mediums in einem Heizungs- oder Kühlsystem, mit einem Stator und mit einem auf einer Rotorachse (16) drehbar gelagerten Rotor (6), wobei der Rotor (6) ein Laufrad (9) trägt, das in einer mit einer zentralen Ansaugöffnung (11) versehenen Laufradkammer angeordnet ist, wobei zwischen dem Laufrad (9) und der Innenwand der Laufradkammer ein Gleitlager (19) angeordnet ist und wobei das Gleitlager (19) ein axiales Gleitlager (19) ist, das in einem Spalt zwischen der die Ansaugöffnung (11) umgebenden Innenwand der Laufradkammer und einer Stirnfläche des Laufrades (9) angeordnet ist, wobei das Laufrad (9) über das Gleitlager (19) gegen die Innenwand anliegt, das einen in die Innenwand eingelassenen Gleitring (19) aufweist, an dem das Laufrad (9) mit einem stirnseitigen Rand seiner zentralen Ansaugöffnung anliegt, wobei das Laufrad (9) eine Nabe (20) aufweist, mit der es auf einer an einem Pumpengehäuse (7) angebrachten und in die Laufradkammer hineinragenden Laufradachse (21) gleitet, wobei die Nabe (20) in der Laufradkammer angeordnet ist, derart dass das Laufrad (9) und der Rotor (6) in axialer Richtung entkoppelt sind.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (6) einen mit permanentmagnetischen Bereichen versehenen hohlen Rotorzylinder (13) aufweist, der auf der in den Hohlraum ragenden starren Rotorachse (16) drehbar gelagert ist und der an seiner Stirnseite das Laufrad (9) trägt.
Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorzylinder (13) in axialer Richtung beweglich (schwimmend) auf der Rotorachse (16) gehalten ist.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (9) in Umfangsrichtung formschlüssig auf die Stirnwand des Rotorzylinders (13) aufsetzbar ist.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet ist, dass die Laufradachse (21) in eine am Pumpengehäuse (7) angeformte Buchse (22) eingesteckt ist.
Pumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (22) zentral in der Ansaugöffnung (11) angeordnet ist und über radial verlaufende Stege (23) mit dem Außenrand der Ansaugöffnung (11) verbunden ist.
Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Lagerbuchse (24) in die Nabe (20) des Laufrades (9) eingepresst ist.
Verwendung der Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche zur Förderung des Kühlmediums im Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeuges.