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Querverweis auf verwandte
Anmeldungen
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/991
472, eingereicht am 30. November 2007. Der Offenbarungsgehalt der
obigen Anmeldung ist hierin durch Bezugnahme aufgenommen.
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Gebiet
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Die
vorliegende Offenlegung betrifft eine Motor- und Pumpenanordnung
und im Spezielleren eine Motor- und Pumpenanordnung mit verbesserten
Abdichtungseigenschaften, die eine Durchströmung reduzieren, wenn sie nicht
in Betrieb ist.
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Hintergrund
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Die
Angaben in diesem Abschnitt liefern lediglich Hintergrundinformation
in Bezug auf die vorliegende Offenlegung und können den Stand der Technik
darstellen oder nicht.
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Pumpen
für Fluide
umfassen einen weiten Bereich mechanischer Ausgestaltungen und Strömungseigenschaften.
Eine häufige
Forderung an die Pumpenströmungsgestaltung
ist eine konstante oder nicht pulsierende Strömung. Diese Forderung eliminiert
im Allgemeinen Kolbenpumpen, die typischerweise einen oder mehrere
sich hin- und herbewegende Kolben aufweisen, die einen pulsierenden
Strömungs-
und Druckausgang erzeu gen. Zentrifugalpumpen stellen eine deutlich
gleichmäßigere Ausgangsströmung bereit,
zeigen jedoch Leistungseigenschaften, die mit der Drehzahl stark
variieren.
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Gerotor-
und Zahnradpumpen stellen einen Mittelweg zwischen den vorhergehenden
widersprüchlichen
Leistungskriterien dar. Einerseits sieht ihr Aufbau, der zwei rotierende
und ineinandergreifende Elemente umfasst, einen relativ gleichmäßigen, d.
h. nicht pulsierenden Ausgang vor. Da die Pumpe im Wesentlichen
ein Verdrängungstyp
ist, sind andererseits ihre Drehzahleigenschaften gegenüber den
Strömungs-
und Druckeigenschaften im Wesentlichen proportional. Demzufolge
finden Gerotor- und Zahnradpumpen breite Verwendung in Anwendungen,
die einen unkomplizierten Aufbau, eine verlängerte Lebensdauer, minimales
Pulsieren und vorhersagbare Strömungseigenschaften
erfordern.
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Gelegentlich
tritt bei Gerotor- und Zahnradpumpen ein Problem in Verbindung mit
der Abdichtung zwischen den ineinandergreifenden Elementen und deren
Einfluss auf die Durchströmung,
d. h. der Vorwärts-
und insbesondere der Umkehrströmung auf,
wenn die Pumpe nicht in Betrieb ist. Abgesehen von der vernachlässigbaren
Strömung
zwischen den Seiten- und Stirnflächen
der Elemente und dem feststehenden Gehäuse, tritt die erheblichste
Strömung zwischen
den ineinandergreifenden oder beinahe ineinandergreifenden Elementen
auf. Abhängig
von der Stellung der Elemente und im Spezielleren dem Ausmaß, in dem
ein/e Umkehr (oder Vorwärts)-Strömung und
-druck in der Lage sind, die Pumpenelemente zurückzutreiben, kann die Möglichkeit
für eine relativ
erhebliche Rückwärts- oder
Vorwärtsströmung durch
die nicht arbeitende Pumpe bestehen. Solch eine Strömung durch
eine nicht arbeitende Pumpe ist im Allgemeinen nicht erwünscht, insbesondere
in parallelen Pumpeninstallatio nen oder Installationen, bei denen
Luft durch die nicht arbeitende Pumpe in die Saugseite der arbeitenden
Pumpe gesaugt werden kann.
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Zusammenfassung
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Die
vorliegende Erfindung sieht eine Motor- und Pumpenanordnung vor,
die einen reduzierten Vorwärts-
oder Umkehraustritt durch die Pumpe vorsieht, wenn sie nicht arbeitet.
Die vorliegende Erfindung umfasst eine Gerotor- oder Zahnradpumpe,
die durch einen Permanentmagnetmotor angetrieben ist, der, wenn
er abgeschaltet ist, ein Nutrastmoment (engl. cogging torque), d.
h. einen Widerstand gegen eine Rotation aufweist, das durch eine
Wechselwirkung zwischen Permanentmagneten in dem Rotor und Zähnen an
dem Stator bewirkt wird. Diese Wechselwirkung bewirkt, dass der
Rotor in einer von vielen definierten Rotationsstellungen zu liegen
kommt und einer Rotation widersteht, wenn eine elektrische Leistung
an den Motor unterbrochen wurde. Der Permanentmagnetmotor ist, vorzugsweise
direkt, mit einer Gerotorpumpe, die ineinandergreifende Rotoren aufweist,
oder einer Zahnradpumpe gekoppelt, die ineinandergreifende Zahnräder aufweist.
Wenn der Motor abgeschaltet ist, kommen die Pumpenrotoren oder -zahnräder in Ruhelage
und ihrer Rotation wird durch das Nutrastmoment des Motors widerstanden. Wenn
der Permanentmagnetmotor einen mehrphasigen Aufbau besitzt, kann
ein zusätzliches
Rotationswiderstandsmoment erzeugt werden, indem eine Phase des
mehrphasigen Motors erregt wird. Auch die innere Reibung innerhalb
der Pumpe, die durch den Fluiddruck auf die Pumpenrotoren oder -zahnräder verursacht
ist, behindert ihre Rotation. Die Erfindung findet speziell Anwendung
in Kraftfahrzeuggetrieben und Systemen mit parallelen Pumpen. Es sollte
einzusehen sein, dass die vorliegende Erfindung zusätzlich zu
Gerotor- und Zahnradpumpen die Kombination eines Permanentmagnetmotors
mit einer beliebigen Art von Verdrängungspumpe umfasst.
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Es
ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Motor- und Verdrängungspumpenanordnung
vorzusehen, die eine minimale Durchströmung erzielt, wenn der Motor
abgeschaltet ist.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Motor- und
Gerotor- oder Zahnradpumpenanordnung mit einem Permanentmagnetmotor vorzusehen,
der einer Rotation der Rotoren oder Zahnräder widersteht, wenn der Motor
abgeschaltet ist.
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Es
ist ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Motor-
und Zahnrad- oder Gerotorpumpenanordnung mit einem Permanentmagnetmotor
vorzusehen, der einer Rotation der Pumpenzahnräder oder Rotoren widersteht,
wenn eine Phase des Dreiphasenstrommotors erregt ist.
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Es
ist ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Motor-
und Pumpenanordnung mit einer minimalen Durchströmung in einem abgeschalteten
Zustand vorzusehen, die speziell zur Verwendung in parallelen Pumpeninstallationen
geeignet ist.
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Es
ist ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung eine Motor-
und Gerotorpumpenanordnung mit Zahnrädern vorzusehen, die einer
Rotation, wenn der Motor abgeschaltet ist, auf Grund einer erhöhten inneren
Reibung widerstehen, die durch einen auf die feststehenden Zahnräder wirkenden
Fluiddruck verursacht ist.
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Weitere
Ziele, Vorteile und Anwendungsgebiete werden aus der hierin bereitgestellten
Beschreibung offensichtlich. Es sollte einzusehen sein, dass die
Beschreibung und spezielle Beispiele nur Illustrationszwecken dienen sollen
und den Schutzumfang der vorliegenden Offenlegung nicht einschränken sollen.
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Zeichnungen
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Die
hierin beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich Illustrationszwecken
und sollen den Schutzumfang der vorliegenden Offenlegung in keiner
Weise einschränken.
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1 ist
eine schematische Darstellung eines automatischen Getriebes, das
zwei Hydraulikpumpen aufweist, welche parallel angeordnet sind;
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2 ist
eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Permanentmagnetmotors
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 ist
eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Permanentmagnetmotor-Stators gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4 ist
eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Permanentmagnetmotor-Rotors gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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5 ist
eine Aufriss-Stirnansicht einer Gerotorpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
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Die
nachfolgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft und soll die
vor liegende Offenlegung, ihre Anwendung oder Verwendungen nicht
einschränken.
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Unter
nunmehriger Bezugnahme auf 1 ist ein
automatisches Getriebe, das die vorliegende Erfindung beinhaltet,
veranschaulicht und allgemein durch die Bezugsziffer 10 bezeichnet.
Das automatische Getriebe 10 umfasst ein Metallgehäuse 12 mit einer
Vielzahl von Öffnungen,
Bohrungen, Schultern, Flanschen und anderen Merkmalen, die verschiedene
Komponenten wie z. B. eine Eingangswelle 14 und eine Ausgangswelle 16 ausrichten,
abstützen und
sichern. Der unterste Abschnitt des Gehäuses 12 definiert
einen Sumpf 18, der Hydraulikfluid von den verschiedenen
Hydraulikkomponenten des automatischen Getriebes 10 sammelt.
Ein Filter 24 ist in den Sumpf 18 eingetaucht
und entfernt Partikel aus dem Hydraulikfluid, das in eine verzweigte
Ansaug- oder Einlassleitung 26 gesaugt und zu einer ersten
Zahnradpumpenanordnung 30 und einer zweiten Gerotor- oder
Zahnradpumpenanordnung 40 geliefert wird. Die erste Zahnradpumpenanordnung 30 umfasst eine
erste Zahnradpumpe, die durch eine Komponente des automatischen
Getriebes 10 angetrieben ist, und liefert mit Druck beaufschlagtes
Hydraulikfluid in einer ersten Auslass- oder Versorgungsleitung 34.
Die zweite Gerotor- oder Zahnradpumpenanordnung 40 umfasst
eine zweite Gerotorpumpe 42, die durch einen Permanentmagnet-Elektromotor 44 angetrieben
ist, und liefert mit Druck beaufschlagtes Hydraulikfluid in einer
zweiten Auslass- oder Versorgungsleitung 46. Falls erwünscht, kann
ein Sperrventil 48 an dem Verbindungspunkt der Versorgungsleitungen 34 und 46 angeordnet
sein, um eine Rückströmung zu
der und durch die nicht arbeitende/n Pumpenanordnung 30 oder 40 zu
reduzieren. Die erste und die zweite Versorgungsleitung 34 und 46 liefern
so Hydraulikfluid an einen Getriebecontroller 50, der eine
Vielzahl von Steuerventilen, Schieberventilen und Durchgängen umfasst,
die Fluidausgänge
bereitstellen, die verschiedene Drehmoment übertragungsvorrichtungen wie
z. B. Kupplungen und Bremsen in dem automatischen Getriebe 10 steuern, um
einen Betrieb zu erreichen. Typischerweise und wie veranschaulicht,
werden die Versorgungsleitungen 34 und 46 entweder
vor oder in dem Getriebecontroller 50 kombiniert.
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Es
wird einzusehen sein, dass die erste Zahnradpumpenanordnung 30 und
die zweite Gerotor- oder Zahnradpumpenanordnung 40 jeweils
in einem einzigen automatischen Getriebe 10 verwendet werden,
um verschiedene Pump- oder Strömungseigenschaften
vorzusehen. Zum Beispiel wird die erste Zahnradpumpenanordnung 30,
da sie durch eine Komponente des automatischen Getriebes 10 angetrieben
ist, mit Druck beaufschlagtes Hydraulikfluid nur dann liefern, wenn
solch eine Komponente rotiert, während
die zweite Gerotorpumpenanordnung 40 aktiviert oder eingeschaltet
werden kann, wie gewünscht
oder erforderlich, um mit Druck beaufschlagtes Hydraulikfluid zu
liefern. Alternativ kann die erste Zahnradpumpenanordnung 30 einen
höheren Strömungs- und
niedrigeren Druckausgang aufweisen als die zweite Gerotorpumpenanordnung 40 oder umgekehrt,
oder die zweite Gerotorpumpenanordnung 40 kann bessere
Pumpeigenschaften bei kalten Temperaturen aufweisen als die erste
Zahnradpumpenanordnung 30. In jedem Fall ist vorstellbar,
dass zwei Pumpen, die parallel angeordnet sind, in dem automatischen
Getriebe 10 verwendet werden, um wünschenswerte und eindeutige
Hydraulikfluid-Pumpeigenschaften
vorzusehen.
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In
solch einer Installation ist es sehr wünschenswert, eine Hydraulikfluidströmung durch
die untätige,
d. h. ruhende Gerotorpumpenanordnung 40 zu reduzieren oder
zu eliminieren. Wie oben erklärt, zielt
die vorliegende Erfindung darauf ab. Diesbezüglich sollte einzusehen sein,
dass, während
die vorliegende Erfindung speziell in Verbindung mit einem parallelen
Pumpenaufbau in einem automatischen Getriebe geeignet und be schrieben
ist, die vorliegende Erfindung gleichermaßen zur Verwendung in anderen
Vorrichtungen und in Einzel-, d. h. nicht parallelen, oder in mehreren
parallelen Installationen geeignet ist, wo eine Reduktion der Strömung durch
die Pumpe oder Pumpen, insbesondere eine Umkehr- oder Rückströmung, wenn
diese nicht arbeiten, entweder wünschenswert
oder notwendig ist. Überdies sollte
einzusehen sein, dass, während
die zweite Gerotorpumpenanordnung 40 primär als eine
Gerotorpumpe beschrieben und bezeichnet ist, Zahnradpumpen und andere
Verdrängungspumpen
innerhalb des Bereiches der vorliegenden Erfindung liegen.
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Unter
nunmehriger Bezugnahme auf die 2, 3 und 4 ist
der Permanentmagnetmotor 44 der zweiten Gerotorpumpenanordnung 40 veranschaulicht,
der die Gerotor- oder Zahnradpumpenanordnung 42 antreibt.
Der Elektromotor 44 ist in einem zylindrischen Gehäuse 54 angeordnet
und durch dieses geschützt,
das einen Stator 56 des Elektromotors 44 trägt. Wie
in 3 veranschaulicht, umfasst der Stator 56 einen
Metallstatorkern 58, der eine Vielzahl von sich axial erstreckenden
T-förmigen Zähnen 62 definiert.
In dem gegenwärtigen
Motoraufbau werden achtzehn T-förmige
Zähne 62 in
dem Statorkern 58 verwendet, es sollte jedoch einzusehen
sein, dass mehr oder weniger Zähne 62 verwendet
werden können.
Eine Vielzahl von Nuthülsen 64 sind
zwischen den Zähnen 62 aufgenommen
und eine gleiche Vielzahl von elektrischen Wicklungen 66 ist
innerhalb der Nuthülsen 64 zwischen
den Zähnen 62 angeordnet.
Die elektrischen Wicklungen 66 können in entweder einer Einzel-
oder Mehr-, z. B. Dreiphasenkonfiguration angeordnet und verbunden sein.
Ein Paar isolierender Endkappen oder Sterne 68 vollenden
den Stator 56 und schützen
die elektrischen Wicklungen 66.
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Drehbar
in dem Stator 56 ist ein Rotor 72 angeordnet.
Der Rotor 72 umfasst einen zylindrischen Rotorkern 74,
der eine Vielzahl von, beispiels weise zwölf, Permanentmagneten 76 enthält. Es wird
einzusehen sein, dass mehr oder weniger Permanentmagneten 76 in
dem Rotorkern 74 verwendet werden können. Die Permanentmagneten 76 sind
mit um den Umfang abwechselnden Nord- und Südpolen um den Rotorkern 74 herum
angeordnet. Ein Balancering 78 ist an jeder Stirnfläche des
Rotorkerns 74 gesichert und der Rotor 72 ist auf
einer Stufenantriebswelle 82 angeordnet und gesichert,
wie in 2 veranschaulicht.
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Unter
nunmehriger Bezugnahme auf die 1, 2 und 5 ist
die Gerotorpumpe 42 an einem Ende des zylindrischen Gehäuses 54 des
Permanentmagnetmotors 44 angeordnet und durch ein geeignetes
Mittel (nicht veranschaulicht) daran gesichert und umfasst ein zylindrisches
Gehäuse 90,
das frei drehbar einen äußeren Rotor 92 aufnimmt,
der einen inneren Rotor 94 umgibt und durch diesen angetrieben
ist, welcher wiederum durch die Stufenantriebswelle 82 des
Permanentmagnetmotors 44 angetrieben ist. Auf einer Seite
einer Pumpkammer 96, die durch die Innenfläche des äußeren Rotors 92 und die
Außenfläche des
inneren Rotors 94 definiert ist, befindet sich eine Einlass-
oder Ansaugöffnung 98. Auf
der entgegengesetzten Seite der Pumpkammer 96 befindet
sich eine Auslass- oder
Drucköffnung 102.
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Der
Permanentmagnetmotor 44 umfasst auch eine Vielzahl von
Kugellageranordnungen 104, die der Stufenantriebswelle 82 zugehörig sind,
wie auch Fluiddichtungen 106, eine Lagervorspannscheibe 108 und
eine Endkappe 110, die an dem zylindrischen Gehäuse 54 durch
eine Vielzahl von Schraubverbindern 112 gesichert sind.
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Der
Pumpbetrieb der zweiten Gerotorpumpenanordnung 40 ist im
Wesentlichen herkömmlich. Wenn
jedoch der Fluss von elektrischer Leistung zu dem Permanentmagnetmotor 44 unterbrochen
ist, wird die magnetische Kraft von den Permanentmagneten 76 den
Rotor 72 mit den T-förmigen
Zähnen 62 des
Stators 56 ausrichten und dadurch ein Rotationswiderstandsmoment,
das Nutrastmoment des Motors 44, erzeugen. Dieses Nutrast-
oder Rotationswiderstands(Brems)-Moment ist allgemein ausreichend, um
eine Rotation der Pumpenrotoren 92 und 94 und damit
eine Strömung
durch die Gerotorpumpe 42, insbesondere umgekehrt oder
eine Rückströmung, zu
verhindern. Dieses Rotationswiderstandsmoment wird durch das Reibungs-
oder Bindungsmoment erhöht,
das durch die Rotoren 92 und 94 erzeugt wird, wenn
sie feststehend sind und einem Umkehr (oder Vorwärts)-Fluiddruck ausgesetzt
sind.
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Es
sollte einzusehen sein, dass, wenn ein ausreichendes Rotationswiderstands(Brems)-Moment
durch den Permanentmagnetmotor 44 in seinem deaktivierten
oder ausgeschalteten Zustand nicht erzeugt wird, sodass der Fluiddruck,
der auf den äußeren Rotor 92 und
den inneren Rotor 94 der Gerotorpumpe 42 ausgeübt wird,
ausreicht, um die Rotoren 92 und 94 zu drehen
und eine unerwünschte Strömung durch
die Gerotorpumpe 42 zu verursachen, eine der elektrischen
Wicklungen 66 eines dreiphasigen Permanentmagnetmotors 44 erregt
werden kann, um das Bremsmoment zu erhöhen und den Rotor 72 des
Permanentmagnetmotors 44 und die Rotoren 92 und 94 der
Gerotorpumpe 42 feststehend zu halten. Es sollte auch einzusehen
sein, dass, wenn der innere Rotor 94 wie auch der äußere Rotor 92 auf
Grund des Nutrastmoments des Permanentmagnetmotors 44 feststehend
sind, der Fluiddruck in der Auslassöffnung 102 und die
dazugehörige
Auslass- oder Versorgungsleitung 46 bei einem niedrigen positiven
Wert bei einer Zufuhr von einem mit Druck beaufschlagten Kreis wie
z. B. dem Ausgang der ersten Zahnradpumpenanordnung 30 gehalten
werden kann. Dieser niedrige, positive Druck an der Auslassöffnung 102 beseitigt
das Potential für
einen Luftaustritt in die gemeinsame Ansaugleitung 26,
der unerwünscht
ist.
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Schließlich sollte
einzusehen sein, dass, während
die Erfindung primär
in Verbindung mit einer Gerotorpumpe beschrieben wurde, sie gleichermaßen geeignet
ist und dieselben Vorteile bereitstellen wird, wenn eine Zahnradpumpe
und tatsächlich
jede beliebige Verdrängungspumpe
verwendet wird.
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Die
Beschreibung der Erfindung ist lediglich von beispielhafter Natur
und Abwandlungen, die nicht von dem wesentlichen Inhalt der Erfindung
abweichen, sollen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen.
Solche Abwandlungen sind nicht als Abweichung von dem Geist und
Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.