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DE69917138T2 - Bürstenloser Pumpenmotor aus trennbarem Blechpaket mit flüssigem Kühlsystem - Google Patents

Bürstenloser Pumpenmotor aus trennbarem Blechpaket mit flüssigem Kühlsystem Download PDF

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DE69917138T2 DE69917138T DE69917138T DE69917138T2 DE 69917138 T2 DE69917138 T2 DE 69917138T2 DE 69917138 T DE69917138 T DE 69917138T DE 69917138 T DE69917138 T DE 69917138T DE 69917138 T2 DE69917138 T2 DE 69917138T2
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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpen-Motor-Einheit, die eine Kreiselpumpe zum Fördern von Wasser oder einer anderen Flüssigkeit und einen bürstenlosen Elektromotor, der eine verbesserte teilbare Lamellenbaugruppe aufweist, umfasst, wobei der Motor in ihm angebrachte Kühlmittelkanäle aufweist, um gewisse Bereiche des Motors zu kühlen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Pumpen-Motor-Einheiten des mit einem Trockenwicklungssatz ausgestatteten Typs umfassen normalerweise einen in einer Läuferkammer angebrachten Läufer und eine Ständerbaugruppe. Die Ständerbaugruppe, die Blechlamellen und einen Wicklungssatz aufweist, ist auf funktionsfähige Weise mit der Läuferbaugruppe verbunden.
  • Im US-Patent Nr. 5.729.072 wird ein Typ einer Ständerbaugruppe offenbart, welche eine geteilte lamellierte Eisenkernbaugruppe aufweist. Die geteilte lamellierte Kernbaugruppe umfasst eine Vielzahl von einzelnen lamellierten Eisenkernen, die für jede Pol-Zahn-Einheit geteilt sind. Die Wicklungen sind senkrecht zu den Pol-Zahn-Abschnitten der Eisenkerne gewickelt, und die Eisenkerne sind dann an Umfangsabschnitten derselben kombiniert, so dass eine zylindrische Form gebildet wird. Danach werden die lamellierten Eisenkerne durch Verschweißen oder Verkleben benachbarter Eisenkerne an den Umfangsabschnitten fest miteinander verbunden, um die Ständerbaugruppe zu definieren. Da jedoch die äußeren Umfangsabschnitte von benachbarten lamellierten Eisenkernen zusammengeschweißt oder zusammengeklebt sind, um die Ständerbaugruppe zu definieren, kann an diesen Stellen eine magnetische Streuung auftreten, welche den Wirkungsgrad des Motors um ca. 5% bis 10% verringern kann. Außerdem kann ein erheblicher Zeitaufwand erforderlich sein, um diese Ständerbaugruppe herzustellen, da jeder lamellierte Eisenkern gesondert gewickelt werden muss und danach die lamellierten Eisenkerne durch Verschweißen oder Verkleben kombiniert werden.
  • Weitere geteilte lamellierte Eisenkernbaugruppen werden in US-A-4.392.072, GB-A-2.123.318, GB-A-1.572.417 und US-A-5.212.419 offenbart.
  • Im Allgemeinen hat in Pumpen-Motor-Einheiten die Läuferbaugruppe eine von Lagern gestützte Welle mit einem Laufrad der Pumpe gemeinsam. Wasserpumpen-Motor-Einheiten besitzen im Allgemeinen irgendeine Art von Kühlung, um ihren Betriebsbereich zu erweitern. Es ist wünschenswert, die Temperatur solcher Geräte unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes zu halten, um eine Schädigung des Geräts durch Wärmedurchschlag oder Verformung infolge einer Wärmedehnung von Elementen des Geräts zu verhindern.
  • Pumpen-Motor-Einheiten, die Ständerbaugruppen mit geteilten lamellierten Kernen aufweisen, lassen sich schwer kühlen, da das Kühlmittel vom Wicklungssatz isoliert sein sollte, um die Wicklungen trocken zu halten. Folglich ist es notwendig, eine effiziente Ständerbaugruppe bereitzustellen, die eine geteilte lamellierte Kernbaugruppe aufweist, welche so gestaltet ist, dass die Wicklungen von dem durch den Motor fließenden Kühlmittel isoliert sind.
  • Ferner sind Wasserpumpen-Motor-Einheiten, die zur Verwendung in modernen Automobilen bestimmt sind, elektronisch gesteuert und weisen im Allgemeinen eine elektronische Steuereinheit auf, die elektrisch mit den Wicklungen des Motors gekoppelt ist. Die elektronische Steuereinheit erzeugt Wärme, welche die Betriebstemperatur der Pumpen-Motor-Einheit begrenzen kann. Folglich ist es notwendig, für eine Kühlung nicht nur der Lager und der Ständerbaugruppe des Geräts, sondern auch der elektronischen Steuereinheit desselben zu sorgen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Entsprechend der Erfindung wird ein Ständer für einen Motor bereitgestellt, wie es im unabhängigen Anspruch dargelegt ist, und es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Ständerbaugruppe für einen Elektromotor bereitgestellt, wie es in dem das Verfahren betreffenden unabhängigen Anspruch dargelegt ist.
  • Weitere Aufgaben, Merkmale und charakteristische Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sowie die Arbeitsweisen und die Funktionen der zugehörigen Elemente der Konstruktion, die Kombination der Teile und wirtschaftliche Aspekte der Herstellung werden beim Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Ansprüche unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, wobei alle diese Elemente Bestandteile der vorliegenden Patentbeschreibung sind, noch klarer ersichtlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Schnittansicht einer Wasserpumpen-Motor-Einheit, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird;
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Kernelements der Ständerbaugruppe der Pumpen-Motor-Einheit von 1;
  • 3 ist eine Draufsicht einer Vielzahl von Kernelementen, die durch eine Verbindungskonstruktion verbunden sind, so dass eine Kernbaugruppe gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung gebildet wird;
  • 4 ist eine Schnittdarstellung der Kernbaugruppe von 3, wobei massive Kernelemente oberhalb der Linie A dargestellt sind und aus geschichteten Blechen bestehende Kernelemente unterhalb der Linie A dargestellt sind;
  • 5 ist eine Draufsicht einer gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung bereitgestellten Ständerbaugruppe, die ohne die auf ihr angebrachten Wicklungen dargestellt ist; und
  • 6 ist eine Schnittansicht einer gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung bereitgestellten Ständerbaugruppe, wobei massive Kernelemente oberhalb der Linie A dargestellt sind und aus geschichteten Blechen bestehende Kernelemente unterhalb der Linie A dargestellt sind.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER GEGENWÄRTIG BEVORZUGTEN BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Es wird auf die Zeichnungen Bezug genommen; in 1 ist eine allgemein mit 10 bezeichnete bürstenlose Gleichstrom-Wasserpumpen-Motor-Einheit des mit einem Trockenwicklungssatz ausgestatteten Typs dargestellt, welche die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpert. Die Wasserpumpen-Motor-Einheit 10 kann in Automobilen verwendet werden.
  • Die Wasserpumpen-Motor-Einheit 10 umfasst ein Pumpengehäuse 12, das eine Laufradkammer 14 definiert. In der Laufradkammer 14 ist ein Laufrad 16 angeordnet. Das Pumpengehäuse und das Laufrad können von irgendeinem herkömmlichen Typ sein, der einen Auslass an einem äußeren oder Hochdruckteil 20 der Laufradkammer 14 und einen Einlass an einem Niederdruckteil 22 der Laufradkammer 14 aufweist.
  • Eine allgemein mit 26 bezeichnete Motorbaugruppe ist mit einem ersten Ende 28 derselben mittels einer Verschraubung 30 mit dem Pumpengehäuse 12 gekoppelt. Die Motorbaugruppe 26 enthält eine allgemein mit 32 bezeichnete Ständerbaugruppe, die Blechlamellen 34, Wicklungen 36 und einen Kraftflussring 37 aufweist.
  • Die Ständerbaugruppe 32 ist von dem mit einem teilbaren Kern ausgestatteten Typ. Folglich ist, wie aus den 2–4 ersichtlich ist, eine Vielzahl von einzelnen Schichtungs-Kernelementen 38 vorgesehen. Die Kernelemente 38 können von einem massiven Typ sein, der vorzugsweise aus einem Pulvermetall geformt und mit Silikon isoliert ist, wie 2 zeigt und wie oberhalb der Linie A in 4 dargestellt ist. Stattdessen können die Kernelemente 38 auch aus einer Vielzahl von geschichteten Blechen gebildet sein, die aneinandergefügt sind, wie unterhalb der Linie A in 4 dargestellt ist. Gewisse Flächen der Kernelemente 38', welche der Einwirkung des Kühlmittels ausgesetzt sein werden, können mit einem gegen das Kühlmittel beständigen Material wie etwa einem dünnen Kunststofffilm beschichtet sein, um zu verhindern, dass Kühlmittel zwischen die einzelnen Bleche des Kernelements 38' eindringt, wie weiter unten ersichtlich wird.
  • Wie in den 3 und 4 dargestellt ist, sind die einzelnen Kernelemente 38 mittels einer aus einem elektrisch nichtleitenden Material hergestellten Verbindungskonstruktion 40 verbunden, so dass eine allgemein mit 42 bezeichnete, im Großen und Ganzen ringförmige Kernbaugruppe gebildet wird, bei der benachbarte Kerne so angeordnet sind, dass sie einander nicht berühren. Folglich ist zwischen benachbarten Kernelementen 38 ein Zwischenraum 44 vorhanden. Dieser Zwischenraum 44 verringert die magnetische Streuung, so dass das Magnetfeld zu einem Permanentmagneten der Läuferbaugruppe verlaufen kann und nicht zu benachbarten Kernelementen 38 streut, wie weiter unten ersichtlich wird.
  • Die Verbindungskonstruktion 40 ist vorzugsweise aus irgendeiner Art von Kunststoffwerkstoff hergestellt, welcher seine Form in einem Temperaturbereich von –40 bis 140 Grad Celsius beibehalten kann. Wie in 4 dargestellt, ist die Verbindungskonstruktion 40 vorzugsweise durch Overmolding-Technologie (Überspritzen) auf Flächen der einzelnen Kernelemente 38 hergestellt. Die Verbindungskonstruktion 40 weist einander gegenüberliegende Trennabschnitte 46 und 48 auf, die jeweils die Form eines sich axial erstreckenden ringförmigen Flansches besitzen.
  • Es ist leicht einzusehen, dass die Ständerbaugruppe 32 innere Blechlamellen aufweist, dass jedoch aufgrund der Verbindungskonstruktion 40 die Wicklungen 36 der Ständerbaugruppe 32 mit einem "Außen"-Wickelvorgang unter Verwendung einer herkömmlichen Wickelmaschine gewickelt werden können. Folglich ist in 6 die Ständerbaugruppe 32 mit Wicklungen 36 um die Kernelemente 38 dargestellt. Die Wicklungen 36 sind um die Kernelemente 38 gewickelt, wobei sich ein Abschnitt der Verbindungskonstruktion 40 zwischen der Wicklung 36 und dem jeweiligen Kernelement 38 befindet.
  • Um die Ständerbaugruppe 32 zu vervollständigen, ist ein aus dem Pulvermetall oder aus demselben Material wie die Schichtungs-Kernelemente hergestellter Kraftflussring 37 um den Außenumfang der Kernbaugruppe 42 herum angeordnet. Der Kraftflussring 37 ist ebenfalls mit Kunststoffwerkstoff 52 überspritzt.
  • Es wird auf die 1 und 4 Bezug genommen; die Ständerbaugruppe 32 weist einen Innenteil auf, der eine Läuferkammer 52 definiert. Eine allgemein mit 54 bezeichnete Läuferbaugruppe ist in der Läuferkammer 52 angeordnet. Am äußeren Umfangsabschnitt der Läuferbaugruppe 54 sind die herkömmlichen Permanentmagnete 56 so angebracht, dass ein sehr enger Luftspalt zwischen den Blechlamellen 34 und den Magneten 56 vorhanden ist, um den Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen. Wie in 1 dargestellt ist, ist eine Welle 58 vorgesehen, auf welcher die Läuferbaugruppe 54 und das Laufrad 16 angebracht sind. Die Welle 58 ist hohl und bewirkt somit über den durch sie hindurchführenden Kanal 60, dass die Läuferkammer 52 mit der Laufradkammer 14 kommuniziert.
  • Die Welle 58 ist mittels der allgemein mit 62 bezeichneten Lagerkonstruktion drehbar gelagert, welche auf eine wirksame Art und Weise mit der Welle 58 gekoppelt ist, so dass sie die Welle bei ihrer Rotationsbewegung stützt. Bei der dargestellten Ausführungsform umfasst die Lagerkonstruktion 62 ein Paar Lager 64. Wie in 1 dargestellt, sind die Lager 64 in einem Lagergehäuse 66 von der Form einer Nabe angebracht, welches mit dem Pumpengehäuse 12 gekoppelt ist.
  • Eine elektronische Steuereinheit 68, welche die für den Betrieb der Wasserpumpen-Motor-Einheit 10 erforderlichen Schaltungen enthält, ist mit den Wicklungen 36 der Ständerbaugruppe 32 elektrisch verbunden. Die elektrische Verbindung erfolgt durch Verwendung von Kontaktfahnen-Taschen, welche den Anfangs- und den End-Drahtanschluss enthalten. Diese elektrische Verbindung wird in der am 31. Oktober 1997 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 08/961.688 mit dem gleichen Inhaber mit dem Titel "Pump Motor Having Fluid Cooling System" (Pumpen-Motor-Einheit mit einem Fluid-Kühlsystem) offenbart. Die elektronische Steuereinheit 68 weist eine Oberseite 70 auf, die sich mit der Läuferkammer 52 in Kontakt befindet. Die Oberseite 70 kann Bestandteil einer Wärmesenke der elektronischen Steuereinheit 68 sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist eine allgemein mit 72 bezeichnete Kühlmitteldurchflussweg-Konstruktion vorgesehen, um zu ermöglichen, dass Kühlmittel vom Hochdruckteil 20 der Laufradkammer 14 zu einem Einlass 74 der Motorbaugruppe 26 strömt und in die Läuferkammer 52 einströmt, so dass die Läuferbaugruppe 54 in das Kühlmittel eingetaucht werden kann. Der Durchfluss des Kühlmittels in der Motorbaugruppe 26 ist durch den Pfeil in 1 dargestellt.
  • Das Kühlmittel kommt mit der Oberseite 70 der elektronischen Steuereinheit 68 in Berührung, um die elektronische Steuereinheit 68 zu kühlen. Das Kühlmittel kommt mit den Kernelementen 82, auf denen sich wie oben erörtert das elektrisch nichtleitende Material befindet, in Kontakt, um die Kernelemente 38 zu kühlen. Die Trennabschnitte 46 und 48 der Verbindungskonstruktion 40 sind so angeordnet, dass eine Abdichtung zwischen der Verbindungskonstruktion 40 und dem Motorgehäuse und der elektronischen Steuereinheit 68 gewährleistet wird, um zu verhindern, dass das Kühlmittel mit den Wicklungen 36 in Kontakt kommt. Das Kühlmittel strömt in den hohlen Teil der Welle 58 ein, um die Lagerkonstruktion 62 zu kühlen, und anschließend strömt das Kühlmittel durch den Kanal 60 zurück zum Niederdruckteil 22 der Laufradkammer 14.
  • Somit ist offensichtlich, dass die Blechlamellen der Kernbaugruppe, die Lagerkonstruktion und die elektronische Steuereinheit durch das zirkulierende Kühlmittel wirksam gekühlt werden. Infolge der Trennabschnitte der Verbindungskonstruktion ist das Kühlmittel in der Läuferkammer von der Ständerbaugruppe 32 isoliert, so dass die Wicklungen 36 derselben trocken bleiben können, ohne Kontakt mit dem Kühlmittel, und trotzdem indirekt durch das zirkulierende Kühlmittel gekühlt werden können.

Claims (17)

  1. Ständer (32) für einen Elektromotor (26), wobei der Ständer (32) umfasst: eine Vielzahl von Kernelementen (38), die eine im Großen und Ganzen ringförmige Kernbaugruppe (42) bilden; Wicklungen (36), die um die Kernelemente (38) herum angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner umfasst: eine aus einem elektrisch nichtleitenden Material bestehende Verbindungskonstruktion (40), die durch "Overmolding" (Überspritzen) der besagten Vielzahl von Kernelementen (38) hergestellt ist, die sich zwischen diesen an radial inneren Endabschnitten benachbarter Kernelemente (38) erstreckt, um die Vielzahl von Kernelementen (38) in Positionen relativ zueinander zu halten, in denen sie feste Abstände voneinander aufweisen, und die die besagten Kernelemente (38) miteinander verbindet, um die im Großen und Ganzen ringförmige Kernbaugruppe (42) zu bilden.
  2. Ständer (32) nach Anspruch 1, wobei die besagte Verbindungskonstruktion (40) aus einem Kunststoffwerkstoff besteht.
  3. Ständer (32) nach Anspruch 2, wobei der besagte Kunststoffwerkstoff so konstruiert und angeordnet ist, dass er in einem Temperaturbereich von ungefähr –40 bis 140 Grad Celsius seine Form behält.
  4. Ständer (32) nach Anspruch 1, wobei jedes der besagten Kernelemente (38) aus Pulvermetall besteht.
  5. Ständer (32) nach Anspruch 1, wobei jedes der besagten Kernelemente (38) aus einer Vielzahl von Blechlamellen besteht.
  6. Ständer (32) nach Anspruch 1, welcher ferner einen Kraftflussring umfasst, der mit einem Außenumfangsabschnitt der besagten Kernbaugruppe gekoppelt ist.
  7. Ständer (32) nach Anspruch 1, wobei die besagte Verbindungskonstruktion (40) einen Innendurchmesserabschnitt definiert und ferner Trennabschnitte (46, 48) definiert, die sich von gegenüberliegenden Seiten aus axial erstrecken, um ringförmige Flansche (46, 48) zu definieren, welche die besagten Wicklungen (36) von dem besagten Innendurchmesserabschnitt isolieren.
  8. Verfahren zur Herstellung einer Ständerbaugruppe (32) für einen Elektromotor (26), wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Vielzahl von einzelnen Kernelementen (38), gekennzeichnet durch den Schritt des Herstellens einer aus einem elektrisch nichtleitenden Material bestehenden Verbindungskonstruktion (40) durch "Overmolding" (Überspritzen) über und zwischen den besagten Kernelementen (38) an radial inneren Abschnitten benachbarter Kerne, um die Kernelemente (38) in Positionen relativ zueinander zu halten, in denen sie feste Abstände voneinander aufweisen, und dadurch eine im Großen und Ganzen ringförmige Kernbaugruppe zu bilden; und Durchführen eines Wickelvorgangs vom "Außen-Typ", um Draht um die besagten Kernelemente (38) zu wickeln.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der besagte Schritt des Herstellens der besagten Verbindungskonstruktion (40) durch "Overmolding" das "Overmolding" von Kunststoffwerkstoff auf Flächen an den Kernelementen (38) beinhaltet.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der besagte Kunststoffwerkstoff in einem Temperaturbereich von –40 bis 140 Grad Celsius die ringförmige Form beibehält.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, welches ferner den Schritt der Anbringung eines Kraftflussrings (37) an einem Außenumfangsabschnitt der Kernelementbaugruppe (38) nach dem besagten Wickelvorgang umfasst.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei jedes Kernelement (38) als ein massives, aus Pulvermetall hergestelltes Element vorgesehen wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei jedes Kernelement (38) als eine Vielzahl von geschichteten Blechen (34), die aneinandergefügt sind, vorgesehen wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei an bestimmten Flächen der besagten Kernelemente (38) gegen Kühlmittel beständiges Material vorgesehen wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei die besagte Verbindungskonstruktion (40) durch Overmolding-Technologie so hergestellt wird, dass einander gegenüberliegende, sich axial erstreckende ringförmige Flansche (46, 48) definiert werden.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der besagte Draht so gewickelt wird, dass er an die besagten ringförmigen Flansche (46, 48) angrenzt.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei ein Kraftflussring (37) an einem Außenumfangsabschnitt der besagten Kernelemente (38) so vorgesehen wird, dass der besagte gewickelte Draht im Großen und Ganzen zwischen den besagten Flanschen (46, 48) und diesem Kraftflussring (37) angebracht ist.
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