DE102019200560A1

DE102019200560A1 - Gerotorpumpe und Verfahren zur Herstellung eines Druckausgleichs in einer Gerotorpumpe

Info

Publication number: DE102019200560A1
Application number: DE102019200560.8A
Authority: DE
Inventors: Tilo Schäfer; Bernd Denfeld; Uwe Becker
Original assignee: Magna Powertrain Bad Homburg GmbH
Current assignee: Hanon Systems EFP Deutschland GmbH
Priority date: 2018-09-14
Filing date: 2019-01-17
Publication date: 2020-03-19
Anticipated expiration: 2039-01-18
Also published as: DE102019200560B4; US20200088191A1; CN110905802B; US11428221B2; JP2020056402A; US20220349401A1; US11703049B2; CN110905802A; JP6952958B2

Abstract

Gerotorpumpe mit einem Innenrotor und einem Außenrotor, der auch Rotor eines elektrischen Antriebs ist, mit einem Gehäuse und einem das Gehäuse mit dem Motorraum verschließenden Flansch, wobei der Rotor auf einer Welle angeordnet ist und an einem Spalt gegen den Flansch dichtet, wobei zusätzlich zum Spalt eine Vorrichtung vorhanden ist, mit der mindestens ein teilweiser Druckausgleich zwischen Saugbereich der Gerotorpumpe und dem Motorraum der Gerotorpumpe erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gerotorpumpe mit einem Innenrotor und einem Außenrotor, der auch Rotor eines elektrischen Antriebs ist, mit einem Gehäuse und einem das Gehäuse mit dem Motorraum verschließenden Flansch, wobei der Rotor auf einer Welle angeordnet ist und an einem Spalt gegen den Flansch dichtet.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Druckausgleichs in einer Gerotorpumpe.
Stand der Technik
Aus der noch nicht veröffentlichten DE 10 2018 202 150 ist eine Gerotorpumpe bekannt, die eine Membran aufweist, und die Dichtheit einer Gerotorpumpe mit einem Pumpenarbeitsraum, in welchem ein Innenrotor sowie ein Außenrotor drehbar angeordnet sind und der von einem Gehäusedeckel begrenzt wird mit einer Druckmembran, verbessert.
Im speziellen Fall einer solchen hoch integrierten Gerotorpumpe, in der elektrischer Rotor und Pumpenrotor baulich vereint sind, treten Axialkräfte auf welche durch ein Axiallager auf von der Gerotorpumpe gegenüberliegenden Seite der Welle aufgenommen werden. Gleichzeitig ergibt sich durch die Verschiebung des Rotors auf besagtes Axiallager zu ein Spalt zwischen Rotor und Seitenplatte. In Getrieben wo solche Pumpen zum Einsatz kommen werden Druckspitzen beobachtet die zu Bauteilschädigung führen können.
Die durch die Axialkräfte erzeugte Bewegung verursacht mechanische Reibung im Axiallager, sowie Leckage im Spalt zwischen Rotor und Seitenplatte.
Druckspitzen im Getriebe müssen aufgenommen werden, so dass Bauteile stark überdimensioniert ausgelegt werden müssen.
Aus der internationalen Offenlegungsschrift WO 2016/096755 A1 ist eine Zahnringpumpe mit einem Gehäuse bekannt. Innerhalb des Gehäuses ist randseitig einer Gehäuseöffnung eines Gehäusegrundkörpers eine von einer Motorwelle durchsetzte Seitenplatte gehäusefest angeordnet. Diese, vorzugsweise starre Seitenplatte liegt rand- beziehungsweise außenumfangsseitig in einer ringförmigen Einkerbung des Gehäusegrundkörpers ein. Die starre Seitenplatte weist eine sich über einen Umfangsabschnitt erstreckende, kreisbogenförmige Durchtrittsöffnung auf. Zwischen dieser Seitenplatte und dem Gehäusedeckel ist in das Gehäuse eine auch als Membran bezeichnete flexible Anpressplatte eingesetzt. Diese, bevorzugt kreisförmige Anpressplatte ist mit deren Außenrand zwischen dem Gehäusegrundkörper und dem Gehäusedeckel öffnungs- beziehungsweise randseitig eingespannt und somit ebenfalls gehäusefest gehalten. Mittels der flexiblen Anpressplatte werden insbesondere temperaturbedingte Gehäuse- oder Pumpenteildehnungen reduziert und/oder kompensiert.
Diese Gerotorpumpen arbeiten mit zwei Seitenplatten zwischen denen Außen- und Innenrotor druckkompensiert geführt sind. Dies bedingt einen Lagerbereich zwischen hydraulischem Pumpenrotor und elektrischem Rotor des Antriebsmotors, welcher Einbauraum und Herstellkosten erhöht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrisch getriebene Gerotorpumpe zu schaffen, bei der der Druckunterschied zwischen Motorraum und Druckbereich optimiert wird, um Leckagen und Axialkräfte zu minimieren.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst mit einer Gerotorpumpe mit einem Innenrotor und einem Außenrotor, der auch Rotor eines elektrischen Antriebs ist, mit einem Gehäuse und einem das Gehäuse mit dem Motorraum verschließenden Flansch, wobei der Rotor auf einer Welle angeordnet ist und an einem Spalt gegen den Flansch dichtet, wobei zusätzlich zum Spalt eine Vorrichtung vorhanden ist, mit der mindestens ein teilweiser Druckausgleich zwischen Druckbereich der Gerotorpumpe und dem Motorraum der Gerotorpumpe erfolgt.
Durch gezielten Aufbau von Druck im sonst drucklosen Motorraum der Gerotorpumpe wird das Axiallager der Gerotorpumpe entlastet, wodurch seine Reibung sinkt, sowie der Spalt zwischen Rotor und Flansch zusammengedrückt, wodurch die Leckage sinkt.
Der Zustrom zu diesem Raum wird durch die Leckage im besagten Spalt selbst bedingt, mehr Zustrom bedeutet also mehr Innendruck und somit verbesserte Dichtwirkung, was regelungstechnisch einer Gegenkopplung gleichkommt.
Die Reduzierung der Druckspitzen, bzw. deren Auslöschung entlastet andere Komponenten, sowie insbesondere Drucksensoren, deren Genauigkeit dadurch auch verbessert werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung eine Verbindung zwischen Motorraum und Saugbereich, die im Flansch vorgesehen ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Vorrichtung aus einem Hohlraum in der Welle, sowie Verbindungen zwischen Motorraum und Hohlraum der Welle und Hohlraum der Welle zum Saugbereich bestehen.
Die durch den Hohlraum in der Welle zustande gekommene Durchströmung des Motorraums der Gerotorpumpe hat den Nebeneffekt, dass Verlustwärme von Elektromotor und Elektronik von der entstandenen Strömung abgeführt werden
Es ist von Vorteil, dass der Hohlraum in der Welle eine Verjüngung aufweist, die als Drossel dient. Dadurch lässt sich das Zwischendruckniveau im Motorraum besser einstellen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform ist es auch, wenn die Vorrichtung aus einem Hohlraum in der Welle sowie Verbindungen zwischen Motorraum und Hohlraum der Welle und Hohlraum der Welle zu einem Exzenterlager der Gerotorpumpe besteht.
In dieser Ausführungsform ist die Durchströmung des Motorraums nicht nur zum Abführen der Verlustwärme des Elektromotors von Vorteil, sondern die Durchströmung dient auch dazu, die Versorgung des Exzenterlagers zu verbessern.
In allen Ausführungsformen ist es vorteilhaft, dass die mindestens eine der Verbindung eine Reduktion im Querschnitt aufweist, die als Drossel dient.
Dadurch lässt sich der Zwischendruck sowie das Maß der Durchströmung besser einstellen.
Die Aufgabe wird des Weiteren gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines Druckausgleichs in einer Gerotorpumpe, wobei ein Zufluss von unter Druck stehende Medium durch den Spalt in den Motorraum der Gerotorpumpe erfolgt und mindestens eine Verbindung zwischen Motorraum und dem Saugbereich oder zum Exzenterlager vorliegt, über die das Medium abgeführt wird.
Es ist von Vorteil, dass über den Zustrom und den Abstrom des Mediums ein Zwischendruck im Motorraum hergestellt wird.
Figurenliste

1: Explosionsdarstellung der Gerotorpumpe,
2: Schnitt durch eine erfindungsgemäße Gerotorpumpe mit Bohrung zum Saugbereich
3: Schnitt durch eine erfindungsgemäße Gerotorpumpe, mit Wellenbohrung und Drosselquerschnitt,
4: Schnitt durch eine erfindungsgemäße Gerotorpumpe mit Motorraum- Abfluss über das Lager des Exzenters zur Verbesserung der Schmierung und Kühlung desselben,
5: Schnitt durch eine erfindungsgemäße Pumpe mit vergrößertem Spiel am Axiallager des Rotors zur Entlastung des Druckraums bei Druckspitzen,
6: Schnitt durch eine erfindungsgemäße Pumpe mit Spalt unter dem Rotor zur Entlastung des Druckraums bei Druckspitzen.

1 zeigt in einer Explosivdarstellung das Gehäuse 2, das mit einem Flansch 3 verschlossen wird. Im Inneren ist ein Innenrotor 4 und ein Außenrotor 5 mit einer Welle 6 zu erkennen. Der Außenrotor 5 ist getrennt dargestellt. Am Flansch 3 sind Einlass- und Auslassöffnungen zu erkennen.
In den 2 bis 4 ist eine Gerotorpumpe 1 mit einem Gehäuse 2 in verschiedenen Schnittansichten dargestellt.
In dem Gehäuse 2 sind in einem Pumpenarbeitsraum der Gerotorpumpe 1 ein Innenrotor 4 und ein Außenrotor 5 drehbar angeordnet.
In dem Gehäuse 2 ist eine Welle 6 mit Hilfe einer Lagereinrichtungen 9 um eine Drehachse 28 drehbar gelagert.
Ein Flansch 3 dient als Gehäusedeckel, mit welchem das Gehäuse 2, das im Wesentlichen topfartig ausgebildet ist, abgeschlossen wird.

In das Gehäuse 2 der Gerotorpumpe 1 ist ein Elektromotor 30 mit einem Rotor 31 und einem Stator integriert. Der Stator umfasst ein Statorblechpaket mit Wicklungen, die zusammen mit dem Statorblechpaket in ein Kunststoffmaterial eingebettet sind. Das Kunststoffmaterial ist, zum Beispiel in einem Spritzgussverfahren, so geformt, dass es das Gehäuse 2 der Gerotorpumpe 1 darstellt.
Der Rotor 31 des Elektromotors 30 umfasst ein Rotorblechpaket 32 und eingegossene Magnete. Das Rotorblechpaket ist zusammen mit den Magneten 36 mit einem Kunststoffmaterial umspritzt. Der Rotor 31 des Elektromotors 30 ist durch das Kunststoffmaterial einstückig mit dem Außenrotor 5 der Gerotorpumpe 1 verbunden. Stator und Rotor des Elektromotors bilden einen Motorraum 33 aus, in dem kein Druck herrscht.
Das Kunststoffmaterial dient also sowohl zur Darstellung des Rotors 31 des Elektromotors 30 als auch zur Darstellung des Außenrotors 5 der Gerotorpumpe 1. So wird der Außenrotor 5 der Gerotorpumpe 1 durch den Rotor 31 des Elektromotors 30 direkt angetrieben.
Dabei ist der Rotor 31 des Elektromotors 30 zusammen mit dem Außenrotor 5 der Gerotorpumpe 1 auf der Welle 6 in dem Gehäuse 2 der Gerotorpumpe 1 gelagert. Der Innenrotor 4 der Gerotorpumpe 1 ist unabhängig von dem Außenrotor 5 auf einem Exzenter 6 gelagert. Dadurch ist der Innenrotor 4 der Gerotorpumpe 1 exzentrisch zu der Welle 6 und dem Außenrotor 5 angeordnet.
Die Gerotorpumpe 1 weist im oberen Bereich einen Saugbereich 22 und im unteren Bereich einen Druckbereich 21 auf. Der Gehäusedeckel, der Flansch 3 ist aus einem Kunststoffmaterial oder Metall gebildet.
Im Flansch 3 ist einen Verbindung 10 zwischen dem Motorraum 33 der elektrischen Maschinen 30 und dem Saugbereich 22 angeordnet.
Der Motorraum 33 der elektromotorisch betriebenen Gerotorpumpe wird durch Zustrom des Mediums durch den Spalt 35 aus dem Druckbereich 21 auf ein Zwischendruckniveau gebracht, das über dem atmosphärischen Druck liegt.
Durch gezielten Aufbau von Druck im ansonst drucklosen Motorraum 33 der Gerotorpumpe wird das Axiallager 9 entlastet, wodurch die Reibverluste sinken und sich der Spalt 35 zwischen Rotor 5 und Flansch 3 verkleinert, wodurch die Leckage sinkt.
Der Zustrom des Medium in den Motorraum 33 wird durch die Leckage im Spalt selbst bedingt. Ein höherer Zustrom bedeutet also einen höheren Innendruck im Motorraum und somit eine verbesserte Dichtwirkung des Rotors 5 am Flansch 3, was regelungstechnisch einer Gegenkopplung gleichkommt.
3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Gerotorpumpe 1.
Über den Spalt 35 erfolgt ein Zustrom des Mediums in den Motorraum. Über eine Verbindung 11 steht der Motorraum 33 mit der Welle 6 in Verbindung, die einen sich entlang der Achse 28 erstreckenden Hohlraum 25 aufweist.
Der Abstrom aus dem Motorraum 33 findet durch den Hohlraum 25 in den Bereich des Sauganschlusses 7 oder einen Leckage-Pfad mit einer Verbindung 12 direkt zum Saugbereich 22 statt.
Zur Abstimmung des sich ergebenden Druckniveaus im Motorraum wird im Abstrom- Pfad, also z. B. in der Welle ein Drosselquerschnitt 26 vorgesehen.
Die durch eine Hohlwelle zustande gekommene Durchströmung des Motorraums 33 der Gerotorpumpe hat den Nebeneffekt, dass Verlustwärme von Elektromotor 30 und Elektronik von der entstandenen Strömung abgeführt werden, sowie Schmierversorgung eine Versorgung der Lager verbessert werden kann.
Durch Entlasten eines Axiallagers im Elektromotor wird die Reibung des Rotors minimiert, wobei gleichzeitig durch Vergrößern der Flächenpressung in einem Spalt zwischen Rotor und Seitenwand die Leckage minimiert wird.
In der 4 ist eine Ausführungsform beschrieben, die eine Verbindung 11 zwischen Motorraum 33 und Welle 6 herstellt und einen Hohlraum 25 in der Welle 6 aufweist, der in einer Verbindungsbohrung 13 mündet, die eine Verbindung von der Welle 6 zum Exzenterlager 27 herstellt. Die Verbindungsbohrung 13 ist im Durchmesser reduziert und stellt einen Drossel 13a für den Rückstrom des Mediums dar.
Durch gezielten Aufbau von Druck im sonst drucklosen Motorraum der Pumpe wird das Axiallager entlastet, wodurch seine Reibung sinkt, sowie der Spalt zwischen Rotor und Platte zusammengedrückt, wodurch die Leckage sinkt. Dieses Zwischendruckniveau ist hoch genug, um eine ausreichende Abdichtung der Pumpe zu gewährleisten, lässt aber ein entlastendes Abheben des Rotorpakets bei Druckspitzen zu.
Der zuvor beschriebene Effekt der Kompensation durch Innendruck beruht auf Leckage in den Motorraum der Pumpe. Kommt nur eine zeitlich eng begrenzte Druckspitze am Eingang der Pumpe an, weicht das Rotorpaket von der Druckplatte sofort zurück, da zu dem Zeitpunkt des Eintreffens der Druckspitze noch kein Druck entsprechender Höhe im Motorraum aufgebaut werden konnte. Um ein solches Zurückweichen zu ermöglichen ist es lediglich erforderlich dem Rotorpaket genau so viel axiales Spiel zu gewährleisten, dass damit ein Öffnen des Druckraums ermöglicht wird, ohne dem Rotorpaket so viel Spiel zu erlauben, dass es im Vibrationsfall, ohne oder mit geringem Arbeitsdruck, zu Zerstörungen durch Aufschlag in den axialen Anschlägen, also dem Axiallager oder der Druckplatte kommen kann.
Diese Anforderung wird mit einem Spalt 37 erfüllt, der zwischen einem Sicherungsring 40 und einer Lagerscheibe 41 an der Welle 6 vorgesehen ist.
Bezugszeichenliste

1: Gerotorpumpe
2: Gehäuse
3: Flansch
4: Innenrotor
5: Außenrotor
6: Welle
7: Sauganschluss
8: Druckanschluss
9: Radial-Axial-Lager
10: Verbindung
11: Verbindung Motorraum
12: Verbindung Tank
13: Verbindungsbohrung
13a: Drossel
21: Druckbereich
22: Saugbereich
25: Hohlraum
26: Drossel
27: Exzenterlager
28: Achse
30: Elektromotor
31: Rotor
32: Rotorblechpaket
33: Motorraum
35: Spalt
36: Magnet
37: Spalt
40: Sicherungsring
41: Lagerscheibe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102018202150 [0003]
WO 2016/096755 A1 [0007]

Claims

Gerotorpumpe (1) mit einem Innenrotor (4) und einem Außenrotor (5), der auch Rotor (31) eines elektrischen Antriebs ist, mit einem Gehäuse (2) und einem das Gehäuse (2) mit dem Motorraum (33) verschließenden Flansch (3), wobei der Rotor (31) auf einer Welle (6) angeordnet ist und an einem Spalt (35) gegen den Flansch (3) dichtet, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Spalt (35) mindestens eine Vorrichtung vorhanden ist, mit der mindestens ein teilweiser Druckausgleich zwischen Saugbereich (22) der Gerotorumpe (1) und dem Motorraum (33) der Gerotorpumpe (1) erfolgt.
Gerotorpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Verbindung (10) zwischen Motorraum (33) und Saugbereich (22) ist, wobei die Verbindung (10) als Bohrung im Flansch (3) vorgesehen ist.
Gerotorpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus einem Hohlraum (25) in der Welle (6) sowie Verbindungen (11, 12) zwischen Motorraum und Hohlraum der Welle und Hohlraum der Welle zum Saugbereich (22) besteht.
Gerotorpumpe (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (25) in der Welle eine Verjüngung aufweist, die als Drossel (26) dient.
Gerotorpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aus einem Hohlraum (25) in der Welle (6), sowie Verbindungen (11, 13) zwischen Motorraum (33) und Hohlraum (25) der Welle (6) und Hohlraum (25) der Welle zu einem Exzenterlager (27) der Gerotorpumpe (1) besteht.
Gerotorpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Verbindungen (10,11,25,13) eine Reduktion im Querschnitt aufweist, die als Drossel (13a) dient.
Verfahren zum Herstellen eines Druckausgleichs in einer Gerotorpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass ein Zufluss von unter Druck stehende Medium durch den Spalt (35) in den Motorraum (33) der Gerotorpumpe (1) erfolgt und mindestens eine Verbindung zwischen Motorraum (33) und dem Saugbereich (22) oder zum Exzenterlager (27) vorliegt, über die das Medium abgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass über den Zustrom und den Abstrom des Mediums ein Zwischendruck im Motorraum hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei durch einen zusätzlichen Spalt (27) zwischen einem Sicherungsring (40) und einer Lagerscheibe (41) einen Druckanpassung bei Druckspitzen erfolgt.