WO2017028839A1

WO2017028839A1 - Elektromotorisch angetriebene vakuumpumpe

Info

Publication number: WO2017028839A1
Application number: PCT/DE2016/000325
Authority: WO
Inventors: Conrad Nickel; Jens Hoffmann; Franz Pawellek
Original assignee: Nidec Gpm Gmbh
Priority date: 2015-08-19
Filing date: 2016-08-19
Publication date: 2017-02-23
Also published as: DE102015010846B4; DE102015010846A1

Abstract

Elektromotorisch angetriebene Vakuumpumpe für Land- und Luftfahrzeuge mit einer zylindrischen Arbeitskammer in der zwischen einer Ansaugöffnung und einer Ausströmöffnung ein Schieber angeordnet ist, der in einem Führungsschlitz eines Exzenterdrehkolbens gleitet, wobei die Antriebswelle (2) in nur einem Lager (36) mittels Wälzkörpern (16) im Wälzlagerring (15) so gelagert ist, dass die Antriebswelle (2) den Wälzlagerririg (15) pumpenseitig mit einem Exzentersitz (17) und antriebsseitig mit einem Rotorsitz (18) überragt, und beidseitig der Wälzkörper (16) zwischen der Antriebswelle (2) und dem Wälzlagerring (15) Dichtungen (19) angeordnet sind, und der Wälzlagerring (15) in einem innenzylindrischen Lagersitz (21) des Lagerflansches des Pumpengehäuses (1) so angeordnet ist, dass der Rotorsitz (18) das Pumpengehäuse (1) überragt, wobei auf dem Rotorsitz (18) ein mit einer Rotorwellenaufnahme (22) versehener, am Außenumfang mit Permanentmagneten (23) bestückter Rotortopf (24), der Rotor (35), eines bürstenlosen Gleichstrommotors, des BLDC-Motors (14), so angeordnet ist, dass dieser frei umlaufend den zylindrischen Lagerflansch (20) beabstandet umschließt.

Description

Elektromotorisch angetriebene Vakuumpumpe

Die Erfindung betrifft eine elektromotorisch angetriebene Vakuumpumpe für Land- und Luftfahrzeuge mit einer zylindrischen Arbeitskammer in der zwischen einer Ansaugöffnung und einer Ausströmöffnung ein Schieber angeordnet ist, der in einem Führungsschlitz eines Exzenterdrehkolbens gleitet.

Im Stand der Technik sind Vakuumpumpen in der Bauform von Drehkolbenpumpen, bei denen ein mit dem Gehäuse verbundener Schieber in einer von einem Exzenter angetriebenen Kolbentrommel verschiebbar gelagert ist, und deren Kolbentrommel an der zylindrischen Innenwand einer Arbeitskammer angepresst entlang gleitet, beispielsweise in der DE 42 67 55 A, der CH 129 486 A, der WO 2010 009603 A, wie auch in einer früheren Anmeldung der Anmelderin dieser Lösung, der DE 10 2006 016 791 B4, vorbeschrieben.

Die in der DE 10 2006 016 791 B4 vorbeschriebene, zwischenzeitlich bewährten Lösung einer mechanisch angetriebenen Vakuumpumpe mit einer zylindrischen Arbeitskammer, in der zwischen einer Ansaugöffnung und einer Ausströmöffnung ein Schieber angeordnet ist, der in einem Führungsschlitz eines Exzenter-Drehkolbens gleitet, erreicht bereits in einer einstufigen Verdichtung ein hohes Vakuum und gewährleistet selbst bei sehr hohen Drehzahlen eine hohe Zuverlässigkeit und eine hohe Lebensdauer.

BESTÄTIGUNGSKOPIE Diese in der DE 10 2006 016 791 B4 vorgestellte Lösung bewirkt eine definierte Verformung des Exzenterdrehkolbens, so dass während des gesamten Exzenterumlaufes dieser mit einer radialen Vorspannung stets dichtend an der Innenwand der zylindrischen Arbeitskammer anliegt.

In der DE 10 2012 009 419 B3 wurde diese vorgenannte Lösung von der Anmelderin weiterentwickelt und für ganz spezielle Einsatzfälle ausgerichtet. Charakteristisch für die vorgenannten Bauformen ist, dass diese Bauform zumeist„mechanisch" oder„mechanisch und elektrisch" angetrieben wurden. Im Stand der Technik werden jedoch auch ausschließlich elektromotorisch angetriebene Vakuumpumpen vorbeschrieben.

Bei den dabei eingesetzten Elektromotoren handelt es sich zumeist um Asynchronmotoren.

Da vielfach vermieden werden soll, dass der Motor in dem mit Betriebsmittel befüllten Raum angeordnet ist, ist eine bauliche, hermetische Trennung erforderlich, die meist durch einen sogenannten Spalttopf realisiert wird. Dieser Spalttopf ist entweder direkt im Motorspalt oder in einer Magnetkupplung angeordnet und besteht aus einem Material, in welchem durch die wechselnden magnetischen Felder keine oder nur sehr geringe Wirbelströme erzeugt werden.

Aus der DE 10 2004 024 554 A1 ist eine Drehschiebervakuumpumpe mit einer verlängerten, gleichzeitig als Motorwelle eines Asynchronmotors dienenden Pumpenwelle bekannt. In dieser Anmeldung werden Bauformen mit und ohne Spalttopf vorbeschrieben. Die in den Asynchronmotor hineinragende Pumpenwelle bewirkt zwangsläufig eine großvolumige Bauweise. Der Spalttopf bedingt zudem eine Vergrößerung des Motorspaltes, wodurch der Wirkungsgrad des Asynchronmotors abnimmt und die Leistungsaufnahme steigt. Der negative Einfluss des Spalttopfs auf die Weite des Motorspalts beruht auf mehreren sich summierenden Effekten. Dabei erzeugt die einseitige Befestigung über einen Befestigungsflansch eine Verkippung des Topfes. Daher muss der Motorspalt entsprechend groß gewählt sein. Im Übrigen birgt die in der DE 10 2004 024 554 A1 gemäß der Figur 2 vorgesehene Befestigung über den Flansch, bei vielen der nichtmagnetischen Materialien infolge des ungleichmäßigen Einleitens von Kräften über die Flanschverbindung die Gefahr von Spannungsrissen mit der Folge der Zerstörung.

Daher wurde in der DE 10 2006 022 772 A1 und der EP1 857 681 B1 eine Antriebsanordnung für eine Drehschiebervakuumpumpe vorbeschrieben, bei der neben der Vakuumpumpe ein als Spaltrohrmotor ausgeführter Asynchronmotor mit einer hermetisch dichten Trennung zwischen Rotor- und Statorbauteilen angeflanscht ist.

Auch bei dieser in der DE 10 2006 022 772 A1 und der EP1 857 681 B1 vorgestellte Bauform ist die Pumpenwelle in ihrer axialen Verlängerung gleichzeitig auch die Motorwelle eines Asynchronmotors, so dass auch diese Bauform wiederum einen sehr "langen" Bauraum erfordert.

Bei der Lösung nach der DE 10 2006 022 772 A1 und der EP1 857 681 B1 bestand die Aufgabe einen möglichst kleinen Motorspalt zu realisieren, dies wurde durch eine Gleitlagerung der Pumpen- und Motorwelle in der Vakuumpumpe in Verbindung mit der Anordnung eines zwischen dem Motorstator und dem Motorläufer angeordneten, als Spaltrohr fungierenden, zylindrischen Glasrohr/Trennelement realisiert, welches randseitig an seinem Außenumfang in zwei voneinander beabstandet angeordneten Führungen gelagert wurde.

Neben dem wiederum sehr "langen", ein großes Bauvolumen aufweisenden Bauraum ist diese Bauform zudem durch eine fertigungs- und kostenintensive Herstellung charakterisiert.

Neben diesen von Asynchronmotoren angetriebenen Vakuumpumpen ist aus der DE 20 10 207 A eine in Luftfahrzeugen eingesetzte Kraftstoffpumpe bekannt, die von einem bürstenlosen Gleichstrommotor mit Antriebswechselstrom angetrieben wird.

In der DE 10 2004 021 916 A1 wird zudem eine in Luftfahrzeugen eingesetzte Vakuumpumpe vorbeschrieben, welche ebenfalls von einem bürstenlosen Gleichstrommotor mit Antriebswechselstrom angetrieben wird. Bei dieser in der DE 10 2004 021 916 A1 vorgestellten Vakuumpumpe ist die Antriebswelle der Vakuumpumpe über eine in Wellenrichtung neben der Vakuumpumpe angeordnete Kupplungseinrichtung mit dem in Reihe neben der Kupplungseinrichtung angeordneten bürstenlosen Gleichstrommotor derart verbunden, dass die Kupplungseinrichtung an der Motorwelle des bürstenlosen Gleichstrommotors mittels einer Spannzange befestigt ist.

Doch auch diese Lösung baut sehr "lang" und erfordert daher wiederum ebenfalls, wie alle anderen im Stand der Technik vorbeschriebenen Lösungen, einen in seinen Längenabmessungen sehr großen Bauraum.

Die bei den letztgenannten Lösungen eingesetzten bürstenlosen Gleichstrommotoren sind besonders für die Gleichstromnetze in Luft- und Landfahrzeugen geeignet, und bauen gegenüber herkömmlichen Gleichstrommotoren auch wesentlich kompakter.

Zudem weisen die bürstenlosen Gleichstrommotoren gegenüber herkömmlichen Gleichstrommotoren mit vergleichbarer Ausgangsleistung ein wesentlich geringeres Gewicht und auch einen wesentlich geringeren Stromverbrauch auf.

Daneben entwickeln die bürstenlose Gleichstrommotoren im Betrieb erheblich weniger Wärme als herkömmliche Gleichstrommotoren mit vergleichbarer Ausgangsleistung und besitzen somit auch einen deutlich höheren Wirkungsgrad.

Zudem kann bei bürstenlosen Gleichstrommotoren weder ein Bürsten- noch ein

Kohlenverschleiss eintreten, auch die durch Bürstenfeuer ausgelösten

Funkstörungen werden mittels dieser Lösung ausgeschlossen.

Bei der in der DE 10 2004 021 916 A1 vorgestellten Lösung wurde ein außen laufender bürstenloser Gleichstrommotor mit feststehenden Wicklungen eingesetzt, und bei relativ niedrigen Drehzahlen im Bereich zwischen 3.000

U/min und 3.500 U/min mit einem hohen Drehmoment angetrieben.

Zum Antrieb einer speziellen Vakuumpumpe mit einer optimalen

Pumpendrehzahl von 2.500 U/min ist bei dieser Lösung jedoch ein zusätzliches

Getriebe erforderlich, welches neben weiterem zusätzlichen Bauvolumen auch nochmals zusätzliche Herstellungskosten erfordert, und sich durch ein zusätzliches Getriebe auch das Gewicht der elektrisch angetriebenen Vakuumpumpe deutlich erhöht, wobei durch den Einsatz des Getriebes zusätzliche den Wirkungsgrad der Baugruppe absenkenden Reibungsverluste auftreten.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin eine mittels einer exzentrischen Umlaufbewegung arbeitende elektromotorisch angetriebene Vakuumpumpe für Land- und Luftfahrzeuge, mit einer zylindrischen Arbeitskammer in der zwischen einer Ansaugöffnung und einer Ausströmöffnung ein Schieber angeordnet ist, der in einem Führungsschlitz eines Exzenterdrehkolben gleitet, zu entwickeln, die die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, und insbesondere so klein baut, dass sie im Bauraum einer mit einer Riemenscheibe versehenen, mechanisch angetriebenen Vakuumpunpe angeordnet werden kann, und die gleichzeitig sehr einfach und robust aufgebaut ist, bei minimalem Materialeinsatz auch fertigungstechnisch einfach hergestellt und montiert werden kann, eine hohe Zuverlässigkeit bei niedrigen Reibungsverlusten und hoher Lebensdauer gewährleistet und die sich bei hohem volumetrischen Wirkungsgrad zudem durch einen sehr hohen mechanischen Wirkungsgrad auszeichnet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine elektromotorisch angetriebene Vakuumpumpe nach den Merkmalen des Hauptanspruches der Erfindung gelöst.

Vorteilhafte Ausführungen, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung, den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen zur erfindungsgemäßen Lösung. Nachfolgend soll nun die Erfindung an Hand von drei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit vier zugehörigen Figuren und den in den Figuren 5 und 6 dargestellten Kennlinien/Kennfeldern näher erläutert werden. zeigt in einem Teilschnitt eine Bauform der erfindungsgemäßen elektromotorisch angetriebenen Vakuumpumpe nach dem Orbiterprinzip mit gehäusefest angeordneten Sensoren 32 und einem umlaufenden, am Rotor 35 angeordneten Magnetringsensor 33 zur Lagededecktierung des Rotors 35;

Figur 2 : zeigt in einer räumlichen Darstellung eine Bauform der erfindungsgemäßen elektromotorisch angetriebenen Vakuumpumpe nach dem Orbiterprinzip mit Magnetringsensor 33 und Sensoren 32 und integrierter ECU/Steuereinheit 34 zum autarken Betrieb;

Figur 3 : zeigt eine sensorlose Bauform der erfindungsgemäßen elektromotorisch angetriebenen Vakuumpumpe nach dem Orbiterprinzip in einem Teilschnitt; zeigt diese sensorlose Bauform der erfindungsgemäßen elektromotorisch angetriebenen Vakuumpumpe nach dem Orbiterprinzip, gemäß Figur 3, in einer räumlichen Explosivdarstellung; zeigt die Gegenüberstellung der Kennlinien der Leitungsaufnahmen und deren Mittelwerte einerseits der erfindungsgemäßen elektrischen Vakuumpumpe nach dem Orbiterprinzip (Kennlinien C und D) gegenüber andererseits einer modernen, gegenwärtig in den Fahrzeugen eingesetzten mechanischen Vakuumpumpe ohne Orbiterprinzip (Kennlinien A und B) über einen "Neuen Europäischen Fahrzyklus" (NEFZ);

Figur 6 : zeigt die mittlere Leistungsaufnahme und die C02-Einsparungen der erfindungsgemäßen elektrischen Vakuumpumpe nach dem Orbiterprinzip mit und ohne Bremsenergierückgewinnung (Rekuperation) gegenüber den von im Stand der Technik Einsatz findenden herkömmlichen mechanisch angetrieben Vakuumpumpen mit und ohne Orbiterprinzip.

Die erfindungsgemäße, in den Figuren 1 bis 4 dargestellte, elektromotorisch angetriebene Vakuumpumpe besteht aus einem Pumpengehäuse 1 , einer im Pumpengehäuse 1 im Lager 36 drehbar gelagerten Antriebswelle 2, und einer im Pumpengehäuse 1 angeordneten, vom Pumpengehäuse 1 in Verbindung mit einem Pumpendeckel 3 gebildeten Arbeitskammer 4 mit einer zylinderförmigen Innenwandung 5, einer auf der Antriebswelle 2 angeordneten, Exzenterscheibe 6 mit einem an dieser exzentrisch angeordneten Lagerbolzen 7, einer drehbar auf dem Lagerbolzen 7 gelagerten, in der zylinderförmigen Innenwandung 5 der Arbeitskammer 4 umlaufenden Kolbentrommel, dem Orbiter 8, mit einem Zylindermantel 9, einem im Orbiter 8 angeordneten Führungsschlitz 10, sowie einer in der Arbeitskammer 4 angeordneten Ansaugöffnung 11 und einer in der Arbeitskammer 4 angeordneten Ausströmöffnung 12, mit einem zwischen der Ansaugöffnung 11 und der Ausströmöffnung 12 angeordneten Sperrschieber 13 der im Führungsschlitz 10 des Orbiters 8 verschiebbar, gleitend gelagert ist, und einem auf der Antriebswelle 2 angeordneten, die Vakuumpumpe antreibenden Elektromotor. Erfindungswesentlich ist, dass die Antriebswelle 2 in nur einem Lager 36 mittels Wälzkörpern 16 im Wälzlagerring 15 so gelagert ist, dass die Antriebswelle 2 den Wälzlagerring 15 pumpenseitig mit einem Exzentersitz 17 und antriebsseitig mit einem Rotorsitz 18 überragt, und dass beidseitig der Wälzkörper 16 zwischen der Antriebswelle 2 und dem Wälzlagerring 15 Dichtungen 19 angeordnet sind.

Kennzeichnend ist auch, dass der Wälzlagerring 15 so in einem innenzylindrischen Lagersitz 21 eines antriebsseitig starr am Pumpengehäuse 1 angeordneten, zylinderförmigen Lagerflansch 20 angeordnet ist, dass nur der Rotorsitz 18 das Pumpengehäuse 1 überragt.

Erfindungsgemäß ist auch, dass auf dem Rotorsitz 18 ein mit einer Rotorwellenaufnahme 22 versehener, am Außenumfang mit Permanentmagneten 23 bestückter Rotortopf 24, der Rotor (35), eines bürstenlosen Gleichstrommotors, des BLDC-Motors 14, so angeordnet ist, dass dieser den zylindrischen Lagerflansch 20 beabstandet so frei umlaufend umschließt, dass die Permanentmagnete 23 radial beabstandet im Bereich des im Lagersitz 21 angeordneten, mit Wälzkörpern 16 bestückten Wälzlagerringes 15 zu liegen kommen.

Wesentlich ist weiterhin, dass außen am Pumpengehäuse 1 , dem Lagerflansch 20 pumpenseitig benachbart, ein Statorsitz 25 derart angeordnet ist, dass dieser im Inneren des Pumpengehäuses 1 einen durch die Wandstärke des Pumpengehäuses 1 beabstandeten Exzenterscheibenaufnahmeraum 26 ausbildet in dem die auf dem Exzentersitz 17 der Antriebswelle 2 angeordnete Exzenterscheibe 6 frei umlaufen kann.

Diese erfindungsgemäße Anordnung und die Lagerung der Antriebswelle 2 mit dem Rotortopf 24 und der Exzentersscheibe 6 in einem erfindungsgemäßen, in den Figuren 1 und 3, dargestellten, kombinierten zweireihigen Lager mit den Dichtungen 19 bewirkt eine besonders geringe axiale Gesamtabmessung des Pumpengehäuses 1.

Im Stand der Technik werden gemeinsame Antriebswellen von Pumpe und Elektromotor stets in zwei voneinander beabstandeten Lagerstellen gelagert. Erfindungswesentlich ist in diesem Zusammenhang auch, dass am Statorsitz 25 der Stator 27 des BLDC-Motors 14 pumpenrandseitig gegenüber dem Rotortopf 24 lagepositioniert wird, wobei der Stator 27 wie auch die anderen Bauteile des BLDC-Motors 14, wie der Verschaltungsring 28, zudem gleichzeitig in einem Motordeckel 29 exakt lagepositioniert so angeordnet werden, dass nach dem Befestigen des Motordeckels 29 am Pumpengehäuse 1 , mit Hilfe von Befestigungselementen 30, alle Bauteile des BLDC-Motors 14 zueinander und gegenüber den anderen Bauteilen der Vakuumpumpe nicht nur exakt in der Lage positioniert sondern gleichzeitig auch in ihrer Lage sicher und zuverlässig fixiert sind.

Der bürstenlose (elektronisch kommutierte) Gleichstrommotor, der BLDC-Motor 14, ist frei von mechanischen Kommutierungseinrichtungen. Dieser läuft sehr geräuscharm, ist langlebig und praktisch wartungsfrei. Im geregelten Betrieb bleibt die eingestellte Drehzahl bei Last- und/oder Versorgungsspannungsschwankungen konstant.

Durch den erfindungsgemäßen Einsatz eines BLDC-Motors 14 mit integrierter Elektronik und entsprechenden Ansteuerkonzepten kann die Leistungsaufnahme weiter gesenkt werden. In Verbindung mit dem hohen mechanischen Wirkungsgrad werden Steuergeräte im KFZ deutlich weniger belastet.

Die Figur 1 zeigt in einem Teilschnitt eine Bauform der erfindungsgemäßen elektromotorisch angetriebenen Vakuumpumpe mit gehäusefest angeordneten Sensoren 32 und einem umlaufenden, am Rotor 35 angeordneten Magnetringsensor 33 (ohne integrierte Elektronik, d.h. ohne die in der Figur 2 dargestellte ECU/Stuereinheit 34) zur Lagededektierung des Rotors 35. Der Magnetringsensor 33 dient in Verbindung mit dem Sensoren 32 der Gewährleistung eines sicheren Anlaufs der von einem Motorsteuergerät im KfZ betriebenen, erfindungsgemäßen Vakuumpumpe.

Die Figur 2 zeigt in einer räumlichen Darstellung eine Bauform der erfindungsgemäßen elektromotorisch angetriebenen Vakuumpumpe mit Magnetringsensor 33 und Sensoren 32 und integrierter ECU/Steuereinheit 34 zum autarken Betrieb (Regelung erfolgt nicht mittels eines im KfZ angeordneten, externen Motorsteuergerätes). Auch in dieser Bauform dienen der Magnetringsensor 33 und die Sensoren 32 in Verbindung mit der integrierten ECU/Steuereinheit 34 der Gewährleistung eines sicheren Anlaufs erfindungsgemäßen Vakuumpumpe.

Mittels der in der Figur 2 dargestellten Bauform mit Magnetringsensor 33 und Sensoren 32 und integrierter Elektronik, d.h. mit einer ECU/Steuereinheit 34, kann die Leistungsaufnahme, gegenüber der in der Figur 1 dargestellten Bauform sowie gegenüber der in den Figuren 3 und 4 dargestellten sensorlosen Bauform, d.h. Bauformen ohne integrierte Elektronik, nochmals gesenkt werden.

Die Figuren 3 und 4 zeigen eine sensorlose Bauform der erfindungsgemäßen elektromotorisch angetriebenen Vakuumpumpe ohne integrierte ECU/Steuereinheit 34. Diese erfindungsgemäße, elektromotorisch angetriebenen Vakuumpumpe wird von einem im KfZ angeordneten externen Motorsteuergerät geregelt.

Die Figur 3 zeigt diese sensorlose Bauform in einem Teilschnitt, und Figur 4 zeigt diese sensorlose Bauform in einer räumlichen Explosivdarstellung.

Bei dieser in den Figuren 3 und 4 dargestellten sensorlosen Ansteuerung wird die Rotorposition durch die induzierte Phasenspannung bei Nulldurchgang der nicht bestromten Motorwicklungen detektiert. Der Nulldurchgang ist nichts anderes als eine Information über die aktuelle Lage des Rotors 35 und sagt dem Controller, wann er auf die nächste Phase umschalten soll, wann also die nächste Kommutierung mittels Puls-Weiten-Modulation stattfinden soll.

Durch eine sensorlose Kommutierung des bürstenlosen Gleichstrommotors ohne integrierter Elektronik, kann mit der erfindungsgemäßen Lösung zudem nochmals eine deutliche Kostenreduzierung und gleichzeitig eine weitere, damit verbundene deutliche Reduzierung des Bauraumes (insbesondere der Baulänge) von mindestens 20%, gegenüber den in den Figuren 1 und 2 dargestellten erfindungsgemäßen Lösungen, erzielt werden.

Die in den Figuren 3 und 4 dargestellte Bauform der erfindungsgemäßen Lösung für den sensorlosen Betrieb ist daher eine bevorzugte Variante.

Mittels der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten erfindungsgemäßen Anordnung ist es gelungen eine mittels einer exzentrischen Umlaufbewegung arbeitende elektromotorisch angetriebenen Vakuumpumpe für Land- und Luftfahrzeuge, mit einer zylindrischen Arbeitskammer in der zwischen einer Ansaugöffnung und einer Ausströmöffnung ein Schieber angeordnet ist, der in einem Führungsschlitz eines Exzenterdrehkolben gleitet, zu entwickeln, die so klein baut, dass sie im Bauraum einer mit einer Riemenscheibe versehenen, mechanisch angetriebenen Vakuumpumpe angeordnet werden kann, und die dabei gleichzeitig sehr einfach und robust aufgebaut ist, und bei minimalem Materialeinsatz auch fertigungstechnisch einfach hergestellt und montiert werden kann, eine hohe Zuverlässigkeit bei niedrigen Reibungsverlusten und hoher Lebensdauer gewährleistet und die sich bei hohem volumetrischen Wirkungsgrad zudem durch einen sehr hohen mechanischen Wirkungsgrad auszeichnet.

Kennzeichnend ist auch, dass der Rotortopf 24 einteilig aus einem weichmagnetischen Material ausgebildet ist.

Dadurch kann dieser, trotz seiner komplizierten Form (siehe Figuren 1 und 3), auf der Antriebswelle 2 montiert werden, ohne dass, wie üblich, zusätzliche Halteelemente die Rotorbleche mit der Welle verbinden. Hierdurch können Kosten für die Arbeitsschritte des Einpassens und Zusammenfügens zur Montage des Rotors 35 sowie Bauraum eingespart werden.

Der einteilige Aufbau des Rotortopfes 24 verringert den Montageaufwand bei der Herstellung der erfindungsgemäßen elektrischen Orbitervakuumpumpe. Der Rotortopf 24 ist erfindungsgemäß so ausgestaltet, dass er die Lagerstelle beabstandet ummantelt. Hierdurch wird die axiale Baulänge der gesamten erfindungsgemäßen Vakuumpumpe deutlich reduziert.

Vorzugsweise wird der Rotortopf 24 von einem homogenen weichmagnetischen Sinterteil gebildet. Durch die Auswahl des weichmagnetischen metallurgischen Pulvers als Ausgangsmaterial dieses Sinterteils, des Rotortopfes 24, wird ein weichmagnetischer Ausgangskörper zur Herstellung eines maßhaltigen Rotortopfes 24 zur Fixierung auf dem Rotorsitz 18 der Antriebswelle 2 und zur Aufnahme der Permanentmagnete 23 bereit gestellt. Weiterhin ist kennzeichnend, dass der Wälzlagerring 15 des Lagers 36 in dem zylindrischen Lagerflansch 20 nur eingepresst ist, d.h. dass stirnseitig am Lager 36 mit dem Wälzlagering 15 keine Lagesicherungselemente gegen Axialverschiebungen angeordnet sind.

Bei herkömmlichen im Stand der Technik vorbeschriebenen Vakuumpumpen hat ein allein mit Übermaß eingepresstes Lager, den Nachteil, dass bei Wärmeeintrag der Pressverband geschwächt wird.

Im Extremfall kann so aus dem Übermaß eine Übergangspassung werden. Unter bestimmten Betriebsbedingungen der Vakuumpumpe und/oder des Antriebssystems, z.B. in Verbindung mit einem Riementrieb, wird das Lager im Betriebszustand auch von Axialkräften beaufschlagt.

Ein derartiges unter Randbedingungen, wie Wärmeeintrag, von Axialkräften beaufschlagtes Lager kann sich unter Einwirkung dieser Axialkräfte axial verschieben, man spricht in diesem Zusammenhang von einem "kriechen" oder "wandern" des Lagers.

Um dies zu vermeiden ist bei herkömmlichen Vakuumpumpen eine axiale Lagesicherung der Lager, beispielsweise durch einen Bund und/oder einen Sicherungsring, aber auch durch Verstemmen u.ä. zwingend erforderlich.

All diese axialen Lagesicherungen sind jedoch bei dem, in der hier vorgestellten Lösung erfindungsgemäß angeordneten Lager 36 nicht erforderlich, da bei der erfindungsgemäßen Lösung die Antriebswelle 2 und das mit der Antriebswelle 2 verbundene Lager 36 allein von den elektromagnetischen Kräfte zwischen Stator 27 und Rotor 35, stets lagesicher exakt in seiner Ausgangslage gehalten wird.

Erfindungsgemäß ist weiterhin, dass zwischen dem Pumpengehäuse 1 und einem am Pumpengehäuse 1 mittels Befestigungselementen 30 angeordneten Pumpendeckel 3 eine Profildichtung 31 angeordnet ist.

Dies bewirkt eine zuverlässige Abdichtung der Arbeitskammer.

Erfindungsgemäß ist auch, dass der Pumpendeckel 3 und/oder der Motordeckel 29 mit Kühlmittelkanälen zur Kühlung und Kühlmittelverteilung zu anderen Verbrauchern versehen ist. Damit kann die erfindungsgemäße Vakuumpumpe auch unter extremen Einsatzbedingungen, wie bei hohen Temperaturen im Bereich des Abgastraktes montiert werden.

Mittels der erfindungsgemäßen Lösung ist es somit gelungen, eine elektrisch angetriebene Vakuumpumpe für Fahrzeuge bereit zu stellen, die so klein baut, dass sie im Bauraum einer mit einer Riemenscheibe versehenen, mechanisch angetriebenen Vakuumpumpe angeordnet werden kann, und dabei gleichzeitig sehr einfach und robust aufgebaut ist, bei minimalem Materialeinsatz auch fertigungstechnisch einfach hergestellt und montiert werden kann, eine hohe Zuverlässigkeit, bei niedrigen Reibungsverlusten und hoher Lebensdauer gewährleistet und die sich zudem bei hohem volumetrischen Wirkungsgrad durch einen sehr hohen mechanische Wirkungsgrad auszeichnet.

Mit dem erfindungsgemäß eingesetzten bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC-Motor 14) kann eine optimale bedarfsgerechte Regelung realisiert werden.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung bewirkt ein auf die Pumpenmechanik angepasstes Ansteuer-Kennfeld mit sanftem Anlauf und geringen Leistungsspitzen in Kombination mit dem durch die erfindungsgemäße Anordnung bewirkten hohen mechanischen Wirkungsgrad eine sehr geringe Leistungsaufnahme, wodurch die Steuergeräte weniger belastet, damit geschont, und eine lange Lebensdauer auch dieser Komponenten der erfindungsgemäßen Lösung bewirkt werden kann.

Der erfindungsgemäß Einsatz findende BLDC-Motor 14 ist frei von mechanischen Kommutierungseinrichtungen. Er läuft sehr geräuscharm, ist langlebig und praktisch wartungsfrei. Im geregelten Betrieb bleibt die eingestellte Drehzahl bei Last- und/oder Versorgungsspannungsschwankungen konstant.

In der Figur 5 sind die Kennlinien der Leitungsaufnahmen und deren Mittelwerte der erfindungsgemäßen elektrischen Vakuumpumpe denen einer modernen, gegenwärtig in den Fahrzeugen eingesetzten mechanischen Vakuumpumpe über einen Fahrzyklus eines Fahrzeuges, dem "Neuen Europäischen Fahrzyklus" (NEFZ), einander gegenüber gestellt.

Die als Volllinie dargestellte durchgehende, stark um den Mittelwert "schwankende" Kennlinie A beschreibt die Leistungsaufnahme einer mechanischen Vakuumpumpe über einen Fahrzyklus.

Bei Bremsvorgängen oder wenn ein zu geringer Unterdruck in dem Bremskraftverstärker detektiert wird, muss die Vakuumpumpe mehr Arbeit verrichten, gegenüber dem evakuierten Zustand. Zu erkennen ist dies am stark um den Mittelwert "schwanken" der Kennlinie A mit großen Leistungsausschlägen und damit verbundenen Leistungsspitzen.

Dabei wird die mechanische Vakuumpumpe während des gesamten Fahrzyklusses "mitgeschleppt", d.h. auch dann, selbst wenn kein Unterdruck benötigt wird.

Daraus ergibt sich die als "unterbrochene Strichlinie" dargestellte Kennlinie B mittlere Leistungsaufnahme von ca. 100 Watt über einen Fahrzyklus.

Diesen Kennlinien A und B des Verlaufes der Leistungsaufnahme und die daraus resultierende durchschnittlichen Leistungsaufnahme einer mechanischen Vakuumpumpe über einen Fahrzyklus, sind in der Figur 5 dem Verlauf der Leistungsaufnahme und die durchschnittlichen Leistungsaufnahme einer erfindungsgemäßen elektrischen Vakuumpumpe gegenübergestellt.

Die Kennlinie C der Leistungsaufnahme der erfindungsgemäßen elektrischen Vakuumpumpe zeigt nur schmale Balken, da diese bedarfsgerecht angesteuert wird. Die sich daraus ergebende Kennlinie D der mittleren Leistungsaufnahme über einen Fahrzyklus ist als "Strichpunktierte-Linie" dargestellt und liegt als Mittelwert bei ca. 18 Watt und damit deutlich unter dem der Kennlinie B mit einer Mittleren Leistungsaufnahme von ca. 100 Watt.

Aus diesen in der Figur 5 dargestellten Leistungsaufnahmen resultiert dann die in Figur 6 dargestellte CO₂-Einsparung bei Einsatz einer erfindungsgemäßen elektrischen Orbiterakuumpumpe gegenüber dem Einsatz von mechanischen, im Stand der Technik hauptsächlich Einsatz findenden herkömmlichen mechanischen Vakuumpumpen, wie aber auch gegenüber der neuen Generation der Orbitervakuumpumpen mit mechanischem Antrieb.

In dieser Figur 6 sind von links nach rechts die mittlere Leistungsaufnahme (linke y-Achse) einer im Stand der Technik hauptsächlich Einsatz findenden herkömmlichen mechanischen Vakuumpumpe (Balken B) , die mittlere Leistungsaufnahme einer mechanisch angetrieben, nach dem Orbiterprinzip arbeitenden Vakuumpumpe (Balken E), die mittlere Leistungsaufnahme einer erfindungsgemäßen, elektrisch angetriebenen nach dem Orbiterprinzip arbeitende Vakuumpumpe (Balken D) und die mittlere Leistungsaufnahme einer erfindungsgemäßen, elektrisch angetriebenen Vakuumpumpe mit Orbiter im Betrieb mit Bremsenergie-Rückgewinnung durch Rekuperation (Balken F) dargestellt.

Dabei werden durch die auf dem Orbitervakuumpumpenprinzip aufbauende, erfindungsgemäße elektromotorische Lösung mit BLDC Motor, neben den bereits beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Lösung, beachtliche zusätzliche, vom Fachmann nicht zu erwartende CO₂-Einsparungen gegenüber herkömmlich angetriebenen Vakuumpumpen (ohne Orbiterprinzip) erreicht. Entsprechend der Leitungsaufnahme im Fahrzyklus, ermittelt gemäß dem "Neuen Europäischen Fahrzyklus", ergeben sich dabei die in der Figur 6 dargestellten CO₂-Potentiale (Balken G, H, I und K).

Mit der erfindungsgemäßen elektrischen Orbitervakuumpumpe werden ohne Bremsenergierückgewinnung (Balken I) 0,60 g CO₂/km und bei Betrieb mit Bremsenergierückgewinnung d.h. durch Rekuperation sogar (Balken K) 0,75 g CO₂/km gegenüber einer herkömmlichen Vakuumpumpe ohne Orbiterprinzip mit mechanischem Antrieb (Balken G), eingespart.

Die erfindungsgemäße Lösung kann mit all den erfindungsgemäßen Vorteilen sehr gut in die bereits für mechanische Vakuumpumpen im Motorraum des Fahrzeuges vorgesehenen Bauräume integriert werden. Dadurch kann eine mechanische Vakuumpumpe schnell und unproblematisch durch die erfindungsgemäße Lösung einer elektromotorisch angetriebenen Vakuumpumpe mit Orbiter nach dem "Plug and Play" Prinzip ersetzt werden kann.

Dies war mit den im Stand der Technik bisher bereit gestellten Lösungen von herkömmlichen elektromotorisch angetriebenen Vakuumpumpen, die sich durch einen länglichen Aufbau, für den erst ein geeigneter Bauraum gefunden werden musste, und die sich auch durch eine wesentlich kürzere Lebensdauer auszeichneten, nicht möglich, da gegenwärtig bei Einsatz eines Bürstenmotors auch von einer Lebensdauer von ca. 1000 h auszugehen ist.

An dieser Stelle ist daher auch zwingend anzumerken, dass durch den eingesetzten BLDC-Motor 14 zudem gleichzeitig auch die hohen in der Automobilindustrie geltenden Lebensdaueranforderungen (von 1800 h bis 4000 h) gewährleistet werden können. Gegenwärtig war, wie oben erwähnt, bei einem Bürstenmotor stets mit einer Lebensdauer von ca. 1000 h auszugehen. Damit konnte man den strengen Maßstäben der Automobilindustrie nicht gerecht werden.

Bezugszeichenzusammenstellung

1 Pumpengehäuse

2 Antriebswelle

3 Pumpendeckel

4 Arbeitskammer Innenwandung

Exzenterscheibe

Lagerbolzen

Orbiter

Zylindermantel

Führungsschlitz

Ansaugöffnung

Ausströmöffnung

Sperrschieber

BLDC-Motor

Wälzlagerring

Wälzkörper

Exzentersitz

Rotorsitz

Dichtung

Lagerflansch

Lagersitz

Rotorwellenaufnahme

Permanentmagnet

Rotortopf

Statorsitz

Exzenterscheibenaufnahmeraum

Stator

Verschaltungsring

Motordeckel

Befestigungselement

Profildichtung

Sensor

Magnetringsensor

ECU/Steuereinheit

Rotor 36 Lager

P Leistungsaufnahme

t Betriebszeit

A Leistungsaufnahme einer mechanischen Vakuumpumpe (Stand der Technik)

B Mittelwert der Leistungsaufnahme einer mechanischen Vakuumpumpe (Stand der Technik)

C Leistungsaufnahme einer erfindungsgemäßen elektrischen

Vakuumpumpe nach dem Orbiterprinzip

D Mittelwert der Leistungsaufnahme einer erfindungsgemäßen elektrischen

Vakuumpumpe nach dem Orbiterprinzip

E Mittelwert der Leistungsaufnahme einer mechanischen

Orbitervakuumpumpe (Stand der Technik)

F Mittelwert der Leistungsaufnahme einer erfindungsgemäßen elektrischen

Vakuumpumpe nach dem Orbiterprinzip mit

Bremsenergierückgewinnung (Rekuperation)

G CO₂-Einsparung in g/km einer mechanischen Vakuumpumpe (Stand der

Technik)

H CO₂-Einsparung in g/km einer mechanischen Vakuumpumpe nach dem

Orbiterprinzip (Stand der Technik)

I CO₂-Einsparung in g/km einer erfindungsgemäßen elektrischen

Vakuumpumpe nach dem Orbiterprinzip

K CO₂-Einsparung in g/km einer erfindungsgemäßen elektrischen

Vakuumpumpe nach dem Orbiterprinzip mit

Bremsenergierückgewinnung (Rekuperation)

Claims

Patentansprüche

1. Elektromotorisch angetriebene Vakuumpumpe mit einem Pumpengehäuse (1 ), einer im Pumpengehäuse (1 ) in Lagern drehbar gelagerten Antriebswelle (2), und einer im Pumpengehäuse (1 ) angeordneten, vom Pumpengehäuse (1) allein, oder vom Pumpengehäuse (1 ) in Verbindung mit einem Pumpendeckel (3) gebildeten Arbeitskammer (4) mit einer zylinderförmigen Innenwandung (5), einer auf der Antriebswelle (2) angeordneten Exzenterscheibe (6) mit einem an dieser exzentrisch angeordneten Lagerbolzen (7), einer drehbar auf dem Lagerbolzen (7) gelagerten, in der zylinderförmigen Innenwandung (5) der Arbeitskammer (4) umlaufenden Kolbentrommel, dem Orbiter (8), mit einem Zylindermantel (9), einem im Orbiter (8) angeordneten Führungsschlitz (10), sowie einer in der Arbeitskammer (4) angeordneten Ansaugöffnung (1 1 ) und einer in der Arbeitskammer (4) angeordneten Ausströmöffnung (12), mit einem zwischen der Ansaugöffnung (11 ) und der Ausströmöffnung (12) angeordneten Sperrschieber (13) der im Führungsschlitz (10) des Orbiters (8) verschiebbar, gleitend gelagert ist, und einem auf der Antriebswelle (2) angeordneten, die Vakuumpumpe antreibenden Elektromotor, dadurch gekennzeichnet,

dass die Antriebswelle (2) in nur einem Lager (36) mittels Wälzkörpern (16) im Wälzlagerring (15) so gelagert ist, dass die Antriebswelle (2) den Wälzlagerring (15) pumpenseitig mit einem Exzentersitz (17) und antriebsseitig mit einem Rotorsitz (18) überragt, und beidseitig der Wälzkörper (16) zwischen der Antriebswelle (2) und dem Wälzlagerring (15) Dichtungen (19) angeordnet sind, und

dass der Wälzlagerring (15) in einem antriebsseitig starr am Pumpengehäuse (1 ) angeordneten, im Pumpengehäuse (1 ) integrierten, zylinderförmigen Lagerflansch (20) so in einem innenzylindrischen Lagersitz (21 ) des Lagerflansches angeordnet ist, dass der Rotorsitz (18) das Pumpengehäuse (1 ) überragt, und dass auf dem Rotorsitz (18) ein mit einer Rotorwellenaufnahme (22) versehener, am Außenumfang mit Permanentmagneten (23) bestückter Rotortopf (24), der Rotor (35), eines bürstenlosen Gleichstrommotors, des BLDC-Motors (14), so angeordnet ist, dass dieser frei umlaufend den zylindrischen Lagerflansch (20) beabstandet so umschließt, dass die Permanentmagnete (23) radial beabstandet im Bereich des im Lagersitz (21 ) angeordneten mit Wälzkörpern (16) bestückten Wälzlagerringes (15) angeordnet sind, und

dass außen am Pumpengehäuse (1 ) dem Lagerflansch (20) pumpenseitig benachbart ein Statorsitz (25) so angeordnet ist, dass dieser durch die Wandstärke des Pumpengehäuses (1 ) beabstandet im Inneren des Pumpengehäuses (1 ) gleichzeitig einen Exzenterscheibenaufnahmeraum (26) ausbildet in dem die auf dem Exzentersitz (17) der Antriebswelle (2) angeordnete Exzenterscheibe (6) frei umläuft, und

dass am Statorsitz (25) der Stator (27) des BLDC-Motors (14) pumpenrandseitig gegenüber dem Rotortopf (24) positioniert wird, wobei der Stator (27) wie auch die anderen Bauteile des BLDC-Motors (14), wie der Verschaltungsring (28) zudem gleichzeitig auch in einem Motordeckel (29) exakt lagepositioniert so angeordnet werden, dass nach dem Befestigen des Motordeckels (29) am Pumpengehäuse (1 ), mit Hilfe von Befestigungselementen (30), alle Bauteile des BLDC-Motors (14) zueinander und gegenüber den anderen Bauteilen der Vakuumpumpe nicht nur exakt in der Lage positioniert sondern gleichzeitig auch in ihrer Lage sicher und zuverlässig fixiert sind.

2. Elektromotorisch angetriebene Vakuumpumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rotortopf (24) einteilig aus einem weichmagnetischen Material ausgebildet ist.

3. Elektromotorisch angetriebene Vakuumpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der einteilige Rotortopf (24) von einem homogenen weichmagnetischen Sinterteil gebildet wird.

4. Elektromotorisch angetriebene Vakuumpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzlagerring (15) des Lagers (36) in dem zylindrischen Lagerflansch (20) eingepresst ist, d.h. dass stirnseitig am Lager (36) keine Lagesicherungselemente gegen Axialverschiebungen angeordnet sind.

5. Elektromotorisch angetriebene Vakuumpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Pumpengehäuse (1) und einem am Pumpengehäuse (1) mittels Befestigungselementen (30) angeordneten Pumpendeckel (3) eine Profildichtung (31 ) angeordnet ist.

6. Elektromotorisch angetriebene Vakuumpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpendeckel (3) und/oder der Motordeckel (29) mit Kühlmittelkanälen zur Kühlung und Kühlmittelverteilung zu anderen Verbrauchern versehen ist.