Ec-Motorkreiselpumpe

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Motorkreiselpumpe mit einem Synchron-Elektromotor insbesondere einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor, wobei das Pumpenlaufrad auf der Welle des Motorenrotors sitzt, und statt eines Axiallagers die Welle allein durch Radiallager gehalten und axial begrenzt verschieblich ist in einer Richtung, bei der der Motorenrotor um ein bestimmtes Maß aus dem Motorenstator axial zum Pumpeneinlass hin beweglich ist, wobei die vom Magnetfeld des Stators auf den Motorenrotor ausgeübte Axialkraft der vom Pumpenlaufrad erzeugten Axialkraft entgegengesetzt ist.

[0002] In der Gebäudetechnik werden vielfach Kreiselpumpen mit sogenannten Nassläufermotoren eingesetzt. Aufgrund der neuen Anforderungen an den Energieverbrauch, wird der klassische AC-Motor durch einen EC-Motor ersetzt. Bei einem EC-Motor wird der Rotor mit Permanentmagnete ausgestattet. Dies führt dazu, dass sich bereits im stromlosen Zustand magnetische Kräfte ausbilden. Aufgrund dieser magnetischen Kräfte zwischen dem Rotormagnet und dem Statorpaket wird der Rotor axial mittig unter das Statorpaket gezogen. Hier heben sich die axial wirkenden, magnetischen Kräfte gegenseitig auf. Wenn der Rotor axial aus der Mittellage bewegt wird, bildet sich eine axiale Rückstellkraft aus.

[0003] Bei Kreiselpumpen erzeugt der Pumpenläufer hohe axial wirkende Kräfte. Um die axial auftretenden Kräfte abzufangen, sind üblicherweise die Motoren mit wenigstens einem Axiallager ausgestattet. Damit sie bei einer Änderung der Wirkrichtung sicher anliegen, werden diese zudem noch durch einen Versatz zwischen Rotor zum Stator "vorgespannt". Hierdurch werden ein Abheben des Axiallagers und die damit einhergehenden Geräusche verhindert.

[0004] Bekannt sind Konstruktionen mit AC-Motoren ohne Axiallager im Motor. Hier wurden die Kräfte mittels eines hydraulischen Axialschubausgleichs kompensiert. Eine solche Kompensation führt zu relativ hohen Verlusten beim Wirkungsgrad der Pumpe. Zudem gelingt es nicht, die Kräfte vollständig zu eliminieren. Da bei einem AC-Motor die zentrierend wirkenden Kräfte sehr gering sind, mussten diese Pumpen so konstruiert werden, dass der Rotor in axialer Richtung relativ weit hin und her schwingen kann. Dies wirkt sich nicht nur negativ auf den Wirkungsgrad und die Akustik, sondern auch auf die axiale Baulänge der Pumpe aus.

[0005] Auch sind Pumpen bekannt, die kein Axiallager benötigen. Hier werden die Laufräder der Pumpe ohne Deck- und Nabenscheibe ausgeführt. Diese Laufräder erzeugen keine Axialkräfte, haben aber einen deutlich geringeren Wirkungsgrad.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kreiselpumpe mit einem EC-Motor zu entwickeln, bei dem auf ein mechanisches Axiallager verzichtet werden kann, ohne die oben beschriebenen Nachteile der bekannten Lösungen zu haben.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Pumpenlaufrad auf seiner Rückseite Hilfsschaufeln aufweist, die eine axiale Kraft auf die Welle bewirken, die die axiale Kraft des Stators unterstützt.

[0008] Eine solche Lösung erreicht eine Kombination aus der axial wirkenden, magnetischen Kraft zwischen Stator und Rotor und einer hydraulischen Entlastungseinrichtung dergestalt, dass sich die entgegen gesetzten Axialkräfte aufheben. Dies ist beispielsweise sinnvoll möglich, wenn die sich maximal ohne Entlastungseinrichtung ergebende hydraulische Axialkraft nicht größer ist als ca. das achtfache der magnetischen Axialkraft bei einer maximalen sinnvollen Auslenkung zwischen Statorpaket und Rötormagnet.

[0009] Die hydraulische Entlastungseinrichtung muss also nicht die gesamte sich ergebene Axialkraft kompensieren, sondern nur einen geringeren Teil. Damit bleibt der damit einhergehende Wirkungsgradverlust gering und die Auslenkung des Rotors in einem für den Motor zulässigen Bereich. Die sonst durch ein Axiallager entstehenden Reibungsverluste entfallen dagegen vollständig. Die durchgeführten Versuche zeigen, dass sich hierdurch der Gesamtwirkungsgrad der Pumpen wesentlich verbessern lässt. Zusätzlich entfallen die Kosten für das Axiallager.

[0010] Zusätzlich oder alternativ wird hierzu vorgeschlagen, dass der zwischen der Pumpenlaufrad-Rückseite und der Pumpenkammerwand befindliche Pumpenrückraum durch einen an der Laufradrückseite vorstehenden koaxialen Laufrad-Dichtring und einen an der Pumpenkammerwand vorstehenden, an dem Laufrad-Dichtring angrenzenden koaxialen Kammerwand-Dichtring in einen äußeren und einen inneren Teilraum unterteilt ist, wobei der innere Teilraum über mindestens eine Öffnung in der Rückseite des Pumpenlaufrads mit dem Innenraum des Pumpenlaufrads verbunden ist. Hierbei kann nur im Bereich des äußeren Teilraums das Pumpenlaufrad auf seiner Rückseite Hitfsschaufeln aufweisen.

[0011] Bei Pumpen mit kleinen axialen hydraulischen Kräften kann auf Rückenschaufeln verzichtet werden, wenn die hydraulischen Axialkräfte gleich oder kleiner sind als die magnetische Kraft bei einer maximalen sinnvollen Auslenkung zwischen Statorpaket und Rotormagnet.

[0012] Bei Pumpen mit größeren axialen hydraulischen Kräften, kann zur Begrenzung der Auslenkung des Rotors zusätzlich noch ein relativ kleines, magnetisch wirkendes, statisches Axiallager eingesetzt werden.

[0013] Um den Einfluss auf die Motorcharakteristik auf ein sinnvolles Maß zu begrenzen, sollte die maximale Verschiebung des Rotors zum Stator begrenzt werden. Eine sinnvolle Größe ist bei Magneten mit einer Feldstärke von > 700 mT ca. 5 % der Rotorpaketlänge. Bei schwächeren Magneten kann dieser Wert größer sein. Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass die Magnete des Motorenrotors eine magnetische Flussdichte von > 500 mT insbesondere von > 700 mT aufweisen.

[0014] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die maximale Verschiebung des Motorenrotors zum Motorenstator 3 bis 10 % insbesondere 5 bis 8 % der axialen Länge des Motorenstators beträgt.

[0015] Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt.

[0016] Mit größtem Vorteil ist die erfindungsgemäße Lösung bei kleineren Pumpen einsetzbar mit einer Leistungsaufnahme von 1 bis 10 Watt.

[0017] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden näher beschrieben.

[0018] Eine Motorkreiselpumpe weist ein Pumpengehäuse und ein am Pumpengehäuse angeflanschten oder vergossenen Elektromotor auf. Der Elektromotor ist ein Synchron-Elektromotor insbesondere ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor (EC-Motor) mit einem Stator und einem im Stator angeordneten Spalttopf, innerhalb dem ein mindestens einen Permanentmagneten aufweisender Motorenrotor mit einer Welle läuft, auf deren pumpenseitigem Ende das Pumpenlaufrad befestigt ist. Das Pumpenlaufrad der Kreiselpumpe ist vorzugsweise ein insbesondere offenes Radiallaufrad, dessen kreisförmige koaxiale Laufradscheibe auf der dem Pumpeneinlass zugewandten Seite Schaufeln trägt, die das Fördermedium insbesondere Wasser einer Zentralheizung radial zum Pumpenauslass fördern. Hierbei erzeugt das Pumpenlaufrad durch das Ansaugen der Flüssigkeit einen axialen Zug auf die Welle in Richtung weg vom Motor.

[0019] Die Welle der Motorkreiselpumpe ist allein durch Radiallager gehalten, d. h. es fehlt ein Axiallager. Die vom Pumpenlaufrad erzeugte axiale Bewegung der Welle führt dazu, dass der Motorenrotor um ein bestimmtes Maß aus der im Stillstand mittigen Lage innerhalb des Stators herausgezogen wird. Diese axiale Bewegung des Motorenrotors mit der Welle beträgt bei einer Feldstärke der Rotor-Permanentmagnete von > 500 mT ca. 8 % der Rotorpaketlänge und bei > 700 mT ca. 5 % der Rotorpaketlänge.

[0020] Dieses begrenzte Herausziehen des Motorenrotors aus seiner mittigen Lage innerhalb des Stators führt dazu, dass der Magnetismus des Stators eine axiale Rückstellkraft auf den Rotor erzeugt, die der Wirkung der axialen Kraft des Pumpenlaufrades entgegengesetzt ist. Eine weitere Unterstützung dieser Axialkraft erfolgt durch auf der Rückseite der Laufradscheibe angeordnete radiale Schaufeln, die auf der Laufradrückseite eine Strömung erzeugen, die eine Kraft auf das Laufrad axial in Richtung des Motors bewirken. Damit ist gesichert, dass das Pumpenlaufrad nicht gegen die Innenwand des Pumpengehäuses bzw. nicht gegen den Innenrand der Einlassöffnung stößt. Somit erübrigt sich die zusätzliche Anordnung eines Axiallagers.

[0021] Alternativ oder zusätzlich zu den am Pumpenlaufrad angeordneten Rückschaufeln ist ein Dichtungsspalt auf der Rückseite des Laufrades angeordnet, mit einem an der Laufradrückseite vorstehenden koaxialen Laufrad-Dichtring und einen an der Pumpenkammerwand vorstehenden, an dem Laufrad-Dichtring angrenzenden koaxialen Kammerwand-Dichtring. Hierdurch wird der Pumpenrückraum in einen äußeren und einen inneren Teilraum unterteilt, wobei der innere Teilraum über Öffnungen in der Rückwand des Laufrades mit dem Laufradinnenraum verbunden ist. Hierbei kann im Bereich des äußeren Teilraums das Laufrad radiale Rückenschaufeln tragen. Diese Maßnahme erzeugt auch eine hydraulische Gegenkraft zum Achsschub des Pumpenlaufrades und unterstützt damit die obengenannten magnetischen Kräfte.

[0022] In einer nicht dargestellten Ausgestaltung ist am Rotor ein Axiallager angeordnet, das als Notlauflager nur dann zum Einsatz kommt, wenn aufgrund einer Verringerung der Magnetkräfte des Motorenstators das Gleichgewicht der Kräfte nicht mehr gegeben ist und damit die Welle durch den Pumpenläufer so weit tiefer in die Pumpe gezogen wird, dass die Welle am Axiallager anliegt.

[0023] Die erfindungsgemäßen Lösungen sind bei Pumpen mit Permanentmagnetrotor vorteilhaft einsetzbar insbesondere bei Pumpen mit einer Leistungsaufnahme bis zu 600 Watt und besonders vorteilhaft bei sehr kleinen Pumpen mit 1 bis 10 Watt.

Ansprüche

1. Motorkreiselpumpe mit einem Synchron-Elektromotor insbesondere einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor, wobei das Pumpenlaufrad auf der Welle des Motorenrotors sitzt, und statt eines Axiallagers die Welle allein durch Radiallager gehalten und axial begrenzt verschieblich ist in einer Richtung, bei der der Motorenrotor um ein bestimmtes Maß aus dem Motorenstator axial beweglich ist, wobei die vom Magnetfeld des Stators auf den Motorenrotor ausgeübte Axialkraft der vom Pumpenlaufrad erzeugten Axialkraft entgegengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenlaufrad auf seiner Rückseite Hilfsschaufeln aufweist, die eine axiale Kraft auf die Welle bewirken, die die axiale Kraft des Stators unterstützt.

2. Motorkreiselpumpe mit einem Synchron-Elektromotor insbesondere einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor, wobei das Pumpenlaufrad auf der Welle des Motorenrotors sitzt, und statt eines Axiallagers die Welle allein durch Radiallager gehalten und axial begrenzt verschieblich ist in einer Richtung, bei der der Motorenrotor um ein bestimmtes Maß aus dem Motorenstator axial beweglich ist, wobei die vom Magnetfeld des Stators auf den Motorenrotor ausgeübte Axialkraft der vom Pumpenlaufrad erzeugten Axialkraft entgegengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen der Pumpenlaufrad-Rückseite und der Pumpenkammerwand befindliche Pumpenrückraum durch einen an der Laufradrückseite vorstehenden koaxialen Laufrad-Dichtring und einen an der Pumpenkammerwand vorstehenden, an dem Laufrad-Dichtring angrenzenden koaxialen Kammerwand-Dichtring in einen äußeren und einen inneren Teilraum unterteilt ist, wobei der innere Teilraum über mindestens eine Öffnung in der Rückseite des Pumpenlaufrads mit dem Innenraum des Pumpenlaufrads verbunden ist.

3. Motorkreiselpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nur im Bereich des äußeren Teilraums das Pumpenlaufrad auf seiner Rückseite Hilfsschaufeln aufweist.

4. Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete des Motorenrotors eine magnetische Flussdichte von > 500 mT insbesondere von > 700 mT aufweisen.

5. Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Verschiebung des Motorenrotors zum Motorenstator 3 bis 10 % insbesondere 5 bis 8 % der axialen Länge des Motorenstators beträgt.

6. Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ihr Elektromotor einen Nassläufer mit Spalttopf oder Spaltrohr aufweist.

7. Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Notlauf-Axiallager angeordnet ist, das bei abnehmender Magnetkraft des Motorenstators zum Einsatz kommt.

8. Pumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Notlauf-Axiallager in einem Radiallager angeordnet ist.

9. Pumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Notlauf-Axiallager ein Magnetlager ist.