PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE4424996A1 18.01.1996
Titel Kreiselpumpe, insbesondere für Springbrunnen
Anmelder OASE - PUMPEN Wübker Söhne GmbH & Co, Maschinenfabrik, 48477 Hörstel, DE
Erfinder Hoffmeier, Dieter, 49477 Ibbenbüren, DE
Vertreter Busse & Busse Patentanwälte, 49084 Osnabrück
DE-Anmeldedatum 15.07.1994
DE-Aktenzeichen 4424996
Offenlegungstag 18.01.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.01.1996
IPC-Hauptklasse F04D 29/22
IPC-Nebenklasse F04D 13/06   A01K 63/04   H02K 5/128   
Zusammenfassung Eine Kreiselpumpe, insbesondere für Springbrunnen und Aquarien, bei der ein Elektromotor und eine Pumpe koaxial zueinander angeordnet sind, wobei der Elektromotor als Einphasen-Synchronmotor mit einem Permanentmagnetrotor ausgebildet und mit einem offenen Laufrad der Pumpe mit von einer Nabe nach außen spiralförmig bezüglich einer vorgegebenen Drehrichtung zurückgebogenen Laufradschaufeln verbunden ist, wird im Sinne einer einfachen und preiswerten Fertigung wie auch einer kompakten und robusten Ausführung ohne wesentlichen Einbußen im Gesamtwirkungsgrad dadurch verbessert, daß die Laufradschaufeln derart elastisch ausgebildet sind, daß sie sich bei einem Anlauf des Synchronmotors entgegen der vorgegebenen Drehrichtung um zumindest 2% in radialer Länge aufspreizen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe, insbesondere für Springbrunnen und Aquarien, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekannte Pumpen dieser Art sind mit einem Einphasen-Synchronelektromotor mit einer drehfelderzeugenden Hilfswicklung im Stator ausgestattet, die für einen Anlauf in der fest vorgegebenen Drehrichtung sorgt. Indem motorseitig eine vorgegebene Drehrichtung gewährleistet wird, kann auch ein drehrichtungsabhängiges Laufrad eingesetzt werden. Mit spiralförmigen Laufradschaufeln kann im Vergleich zu einem drehrichtungsunabhängigen Laufrad mit radial erstreckten Laufradschaufeln ein höherer hydraulischer Wirkungsgrad erreicht werden. Die laufradseitig erzielten Vorteile, die sich in der erforderlichen Motorleistung, den Fertigungskosten und der Baugröße niederschlagen, werden allerdings zum Teil durch den Aufwand für einen Hilfswicklungskreis im Stator aufgehoben und insbesondere im Bereich kleiner Pumpen für den Gebrauch im Haus- und Gartenbereich ist nicht nur die Anschlußmöglichkeit an einen einphasigen Netzanschluß, sondern auch die in Zwang zu einer äußerst kostengünstigen, und kompakten Bauweise zu berücksichtigen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Kreiselpumpe zu schaffen, die sich durch eine einfache und preiswerte Fertigung auszeichnet und eine kompakte und robuste Ausführung ohne wesentliche Einbußen im Gesamtwirkungsgrad schafft.

Die erfindungsgemäße Lösung nach Anspruch 1 sieht vor, als Antrieb einen Einphasen-Synchronmotor mit Permanentmagnetrotor ohne zusätzliche Hilfswicklung zu verwenden und die Anlaufrichtung eines solchen Motors durch die Reaktion des Laufrades festzulegen. Dies wird mit dem Kunstgriff ermöglicht, die spiralförmigen Laufradschaufeln in der Weise elastisch-federnd auszubilden, so daß sie sich beim Anlaufen des Einphasen-Synchronmotors in Gegenrichtung zur vorgegebenen Drehrichtung des spiralförmigen Laufrades in radialer Länge aufspreizen. Da einerseits bei einem solchen Einphasen-Synchronmotor die Drehrichtung des Läufers anlaufbedingt "offen" ist, andererseits bei einem spiralförmig ausgebildeten Laufrad nur dann ein brauchbarer hydraulischer Wirkungsgrad erzielt werden kann, wenn die "richtige" Drehrichtung des Laufrades eingehalten wird, sieht die Erfindung vor, daß das Laufrad selbst die "richtige" Drehrichtung auswählt. Läuft der Motor zunächst gegen die richtige Drehrichtung an oder pendelt er im Anlauf gegen die richtige Drehrichtung, so stellen sich die Laufradschaufeln auf, wodurch der Wasserwiderstand wesentlich erhöht und der Motor abgebremst wird. Mit der Tendenz des Einphasen-Synchronmotors zum Anlauf-Pendeln und der vom Laufrad bestimmten Vorzugsrichtung wird der Motor gezwungen, in der richtigen Drehrichtung anzulaufen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Längsschnitt durch eine Kreiselpumpe,

Fig. 2 Draufsicht auf Motor und Pumpenrad der Kreiselpumpe nach Fig. 1 (ohne Motor- und Pumpengehäuse),

Fig. 3 (Schnitt-)Ansicht nach Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 Seitenansicht von Rotor und Laufrad der Kreiselpumpe gemäß Fig. 1 bis 3, in axial auseinandergezogener Zuordnung,

Fig. 5 Schnitt nach Linie V-V in Fig. 4,

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines Laufrades in einer Schnittansicht entsprechend der Fig. 5 und

Fig. 7 Ansicht einer dritten Ausführungsform eines Laufrades in Schnittansicht entsprechend Fig. 5 und 6 zusammen mit einem zugehörigen Pumpengehäuse.

Die in Fig. 1 als ganzes im Längsschnitt dargestellte und mit 1 bezeichnete Kreiselpumpe umfaßt einen Einphasen-Induktionsmotor 2 mit einem außenliegenden Stator 3 und einem innenliegenden drehbar gelagerten Permanentmagnetrotor 4, der axial mit einem Laufrad 5 eines Pumpenteils 6 verbunden und zwischen zwei Lagern, nämlich einem motorseitigen Stecklager 7 und einem pumpenseitigen Stecklager 8 gelagert ist. Letzteres ist in einem Spiralgehäuse 9 des Pumpenteils 6 gehalten, und zwar zentral in einem axialen Einlauf in Form eines Saugkanals 10, durch den die zu pumpende Flüssigkeit, etwa das Wasser eines Springbrunnens mit Hilfe des Laufrades 5 zentrifugal zu einem Auslauf in Form eines Druckstutzens 11 bewegt wird, der mit einer leicht konischen Aufweitung diffusorartig ausgebildet ist, um aus der Strömungsenergie der Flüssigkeit in der Pumpe möglichst verlustarm einen höheren Druck rückzugewinnen.

Der Elektromotor 2 der Kreiselpumpe ist ein Einphasen-Synchronmotor, wobei der Permanentmagnetrotor auf die Überleitung von Strom auf den Rotor und damit auf Bürsten, Schleifringe und Kommutatoren zu verzichten erlaubt. Damit wird das Grundkonzept eines Spaltrohrmotors mit einem Spaltrohr 12 möglich, welches den Rotor 4 und das Stecklager 7 wasserdicht umgibt und zum Pumpenteil 6 hin nach außen hin einer ringförmigen Stirnwand in einen äußeren Teil eines Pumpengehäuses übergeht. Denn nur der Stator 3 ist an eine Wechselspannungszufuhr angeschlossen, dabei allerdings von innen und außen durch Spaltrohr 12 und Außengehäuse 13 gekapselt und im übrigen noch in den freibleibenden Bereichen mit Epoxidharz ausgegossen, so daß eine hohe elektrische Sicherheit gewährleistet ist.

Ersichtlich ist diese Ausführungsform eines Einphasen-Induktionsmotors nicht nur elektrisch überaus sicher, sondern auch im Hinblick auf Kreiselpumpen montagefreundlich, da der Rotor 4 und das Laufrad 5 von der dem Pumpenteil 6 zugewandten offenen Seite des Spaltrohrs 12 eingesteckt werden können, um danach das Spiralgehäuse gleichfalls in axialer Richtung aufzusetzen. Bei bevorzugter Ausführung des Gehäuses in Kunststoff mit der Möglichkeit der Verwendung weitgehend schraubfreier Verbindungen, insbesondere der Möglichkeit von Steck- und Rastverbindungen ergibt sich eine äußerst leichte und schnelle Montage.

Aus Fig. 2 und 3 ist hinsichtlich des Aufbaus des Stators 3 noch näher ersichtlich, daß dieser einen Blechpaket 14 in U-Form mit zwei langgestreckten Schenkeln 15,16 umfaßt, die jeweils eine Wicklungshälfte 17,18 der Motorwicklung tragen und endseitig eine im wesentlichen zylindrische Öffnung umgreifen, innerhalb der sich (das nicht dargestellte Spaltrohr 12) und der Rotor 4 befindet. Aus Fig. 3 ist erkennbar, daß das Blechpaket 14 den Rotor nicht mit exakt kreiszylindrischen Polschuhflächen umgibt, sondern mit einander gegenüberliegenden, allerdings asymmetrisch zum Blechpaket angeordneten Bereichen 19, 20 einen Magnetspalt schafft, der eine Randlage in bezug auf die Polschuhausformung der Schenkel 15, 16 betont. Dies hat sich in bezug auf den von Haus aus kritischen Anlauf des Einphasen-Induktionsmotors bewährt, da sich der Dauermagnetrotor in Ruhe asymmentrisch ausrichtet und beim Einschalten außerhalb der indifferenten Mittellage liegt. Damit ergibt sich ein generell erleichterter Anlauf des Rotors.

Eine bestimmte Drehrichtung des Motors ist in bezug auf eine drehrichtungsabhängige Ausbildung des Pumpenteils mit richtungsbezogener Abstimmung von Laufrad 5 und Spiralgehäuse 9 zwingend erforderlich. Sicherheit in dieser Hinsicht wird gemäß der Erfindung vom Laufrad 5 her geschaffen, welches mit Laufradschaufeln 21 ausgestattet ist, die sich bei einem "falschen" Anlauf des Synchronmotors entgegen der vorgegebenen Drehrichtung elastisch aufspreizen. Die herkömmlich bei derartigen Laufrädern nicht erwünschte Verformung kann durch eine allgemeine Elastizität des Werkstoffs und/oder durch eine gezielte Querschnittsgestaltung der Laufradschaufeln insbesondere zu einem mittleren Bereich in der Nähe einer Nabe 22 konstruktiv vorgegeben werden.

Eine Sperre gegen einen "falschen" Anlauf läßt sich grundsätzlich schon dadurch erreichen, daß das beim Rückwärtslauf sich aufspreizende Laufrad einen Strömungswiderstand bildet, bei dem der Einphasen-Induktionsmotor außer Tritt fällt und in eine Pendelbewegung übergeht, aus der er dann - gegebenenfalls nach weiteren Versuchen - in einen Vorwärts-Anlauf gelangt. Die Laufradschaufeln behalten dabei in jeder Drehrichtung einen Bewegungsspalt gegenüber dem Pumpengehäuse.

Das Laufrad kann aber auch in bezug auf das Spiralgehäuse 9 so ausgelegt werden, daß die Enden der Laufradschaufeln beim Aufspreizen infolge falscher Laufrichtung mit einer umfangsseitigen Innenwand 23 des Spiralgehäuses oder auch mit nach innen vorspringenden feststehenden Teilen an diesem, etwa mit rippenartigen oder flossenartigen Anschlägen 24 zusammentreffen. Letzteres ist in Fig. 7 mit einer Darstellung des Laufrads veranschaulicht, bei dem neben der schraffierten Fläche eines Laufrads 25 in gebrochenen Linien auch die aufgespreizte Form des Laufrads 25 bei Rückwärtslauf und die entsprechend gegenüber der Ruhestellung gekrümmte Form der Laufradschaufeln beim Vorwärtslauf eingezeichnet sind.

Eine Aufspreizung der Laufradschaufeln ab etwa 2% radialer Länge, d. h. des (radialen) Abstands der Enden der Laufradschaufeln von der zugehörigen Achse kann den Strömungswiderstand im Rückwärtslauf bereits so stark erhöhen, daß der antreibende Einphasen-Induktionsmotor keinen Synchronanlauf erreicht. Ebenso kann eine solche begrenzte Aufspreizung genügen, die Laufradschaufeln mit den Anschlägen zusammen zu bringen und damit einen "falschen" Anlauf zu stoppen. Vorzugsweise werden die Laufradschaufeln auf eine Aufspreizung von 5 bis 10% bei Rückwärtslauf ausgelegt.

Eine elastische Ausbildung und/oder Anlenkung der Laufradschaufeln schafft nicht nur drehrichtungsabhängige, sondern auch lastabhängige Effekte. Während vorbekannte Laufradschaufeln mit starrer Sichelform (bei der fest vorgegebenen Synchrondrehzahl) nur in einem sehr begrenzten mittleren Bereich von Förderhöhe und Durchsatz gute Leistungen erbringen und einen guten Wirkungsgrad anbieten, erzielen die erfindungsgemäß nachgiebig gestalteten Laufradschaufeln über Förderhöhe und Durchsatz weite Arbeitsbereiche mit guter Leistung und hohem Wirkungsgrad. Überdies ist die vom Synchronmotor angeforderte und aufzubringende Leistung - anders als bei herkömmlichen Pumpen - über den gesamten Bereich, d. h. in dem Grenzbereich mit maximaler Förderhöhe (Durchsatz 0) ebenso wie im Grenzbereich mit maximalem Durchsatz (Förderhöhe 0) wie in mittleren Arbeitsbereichen etwa konstant und paßt sich damit der Leistungskennlinie des Synchronmotors vorzüglich an. Dies führt insgesamt zu einer sehr guten Leistungsausbeute im Rahmen der gegebenen Baugröße.

Daneben ergibt sich über den gesamten Leistungsbereich der Motorpumpe eine besondere Laufruhe. Gerade durch die durchgängig hohe, von der Pumpenbelastung nach Förderhöhe und Durchsatz wenig abhängige Motorbelastung läßt sich ein Vollast-Betrieb sicherstellen. Damit wird ein Teillastbetrieb vermieden, in dem gerade Einphasen-Synchronmotoren zu starken Schwingungen mit nach außen dringenden Vibrationen und Geräuschen neigen. Diese Eigenschaften sind gerade bei kleinen und einfachen Motorpumpen der hier in Frage stehenden Art herausragend.

Für den Fall, daß die elastische Ausbildung der Laufradschaufeln für ein Aufspreizen beim Rückwärtslauf zu einer unerwünscht starken Verformung beim Vorwärtslauf führt, können die Schaufeln durch Distanzstützen stabilisiert werden. In Fig. 5 sind Distanzstützen 26 veranschaulicht, die von der Nabe 22 ausgehend schwertartig in einer mittleren Radialebene verlaufen und damit die Strömung im Pumpenteil wenig beeinflussen, die Schaufeln abstützen, wenn sie sich unter Last zurückbiegen.

Eine ganz ähnliche Wirkung läßt sich mit Distanzstützen 27 bei einem Laufrad 28 gemäß Fig. 6 erzielen, die nicht an einer Laufradnabe 29, sondern als rückwärtige Flossen an Laufradschaufeln 30 ansetzen.

Wie insbesondere die Fig. 1, 2 und 4 verdeutlichen, kann die Momentenübertragung zwischen Rotor 4 und Laufrad 5 mit Hilfe einer Freilaufkupplung erfolgen, bei der eine koaxiale Zuordnung einer Steckwelle 31 und einer Mitnehmerhülse 32 rastend zusammengebracht werden, wobei die Mitnehmerhülse 32 soweit frei gegenüber der Welle 31 über einen Winkelbereich, hier von mehr als 120° zu beiden Seiten verdrehbar ist, bis eine Mitnehmernase 33 an der Hülse 32 auf der einen oder anderen Seite gegen einen Mitnehmeranschlag 34 trifft, der mit der Welle 31 umläuft. Der damit geschaffene Freilauf kann in vielen Fällen nützlich sein, den heiklen Anlauf des Einphasen-Induktionsmotors zu erleichtern, da dieser nicht unter Last erfolgt. Es hat sich allerdings gezeigt, daß durch eine geeignete Auslegung des Laufrades mit der feder-elastischen Ausbildung der Laufradschaufeln ein Anlauf - in Vorwärtsrichtung - gefördert wird, der vielfach auf einen solchen Freilauf zu verzichten ermöglicht. Letzteres ist insbesondere bei Massenprodukten unter Verwendung möglichst weniger Teile, insbesondere spritzgegossener Teile aus Kunststoff, und bei einem Zwang zur einfachen Montage und kurzen Montagezeiten ein wesentlicher Fertigungsvorteil.


Anspruch[de]
  1. 1. Kreiselpumpe, insbesondere für Springbrunnen und Aquarien, bei der ein Elektromotor und eine Pumpe koaxial zueinander angeordnet sind, wobei der Elektromotor als Einphasen-Synchronmotor mit einem Permanentmagnetrotor ausgebildet und mit einem offenen Laufrad der Pumpe mit von einer Nabe nach außen spiralförmig bezüglich einer vorgegebenen Drehrichtung zurückgebogenen Laufradschaufeln verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufradschaufeln (21, 30) derart elastisch ausgebildet sind, daß sie sich bei einem Anlauf des Synchronmotors (2) entgegen der vorgegebenen Drehrichtung um zumindest 2% in radialer Länge aufspreizen.
  2. 2. Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufradschaufeln (21, 30) in aufgespreiztem Zustand in einem zumindest einen Bewegungsspalt belassenden Abstand vom Pumpengehäuse (9) enden.
  3. 3. Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgestellten Laufradschaufeln (21, 30) die in radialer Richtung angeordnete Innenwand (23) des Pumpengehäuses berühren.
  4. 4. Kreiselpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (23) mit zumindest einem Anschlag (24) für die sich aufstellenden Laufradschaufeln (21, 30) versehen ist.
  5. 5. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (5, 28) zwischen den Laufradschaufeln Distanzstützen (26, 27) aufweist.
  6. 6. Kreiselpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzstützen (26, 27) schwertförmig mit einer den Laufradschaufeln angepaßten Kontur ausgebildet sind.
  7. 7. Kreiselpumpe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzstützen (26) von der Nabe (22) des Laufrades (5) aus vorwiegend radial nach außen verlaufen.
  8. 8. Kreiselpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzstützen (27) an den Laufradschaufeln (30) angeordnet sind und sich von diesen in Umlaufrichtung nachlaufend erstrecken.
  9. 9. Kreiselpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzstützen (26, 27) flächig ausgebildet sind und in einer Bewegungsebene des Laufrads liegen.
  10. 10. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine einen winkelbegrenzten Freilauf gewährende Freilaufkupplung (31, 32, 33, 34) zwischen Laufrad (5) und Rotor (4).
  11. 11. Kreiselpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Freilauf mehr als 120° zu beiden Seiten beträgt.
  12. 12. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpengehäuse als Spiralgehäuse (9) ausgebildet ist.
  13. 13. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spaltrohr (12) den Rotor (4) und den Stator (3) des Einphasen-Synchronmotors voneinander trennt, wobei der Rotor (4) zusammen mit der Pumpe (6) in einem gemeinsamen Naßbereich liegt.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com