Bomba de engranajes compacta y estanca.

Bomba de engranajes compacta y estanca.

La bomba de engranajes comprendiendo una carcasa estanca (100,

200) incluyendo un cuerpo de bomba (126) y una cubierta (156) con una cavidad en comunicación fluida con un área de aspiración (140) y un área de impulsión (152), una rueda dentada interior (102) provista de un número Z-1 de dientes externos alojada en dicha cavidad con capacidad de girar alrededor de un primer eje de rotación (Ei), una rueda dentada exterior (104) provista de un número Z de dientes internos alojada en la cavidad con capacidad de girar alrededor de un segundo eje de rotación (Ee) paralelo a dicho primer eje de rotación (Ei) y engranada con dicha rueda dentada interior (102), y unos primer y segundo conjuntos electromagnéticos internos que accionan la rotación de las ruedas dentadas interior y exterior (102, 104), respectivamente, donde dichos primer y segundo conjuntos electro-magnéticos internos son controlables independientemente por unos medios de control.

BOMBA DE ENGRANAJES COMPACTA Y ESTANCA Campo de la técnica

La presente invención concierne a una bomba de engranajes para fluidos provista de un doble conjunto electro-magnético que permite un diseño compacto y estanco, sin que haya ejes de transmisión acoplados externamente a la bomba, y donde dicho doble conjunto electro-magnético proporciona un par motor independiente para cada engranaje, con lo que se obtiene un engrane con una tensión de contacto mínima, o con una tensión de contacto controlada, con el fin de minimizar el desgaste de los engranajes.

Las bombas de engranajes tienen aplicación en numerosos sectores industriales, entre los cuales se encuentran el sector de la automoción y el sector de la aeronáutica.

Antecedentes de la invención

En esencia, una bomba de engranajes convencional consiste en un par de ruedas dentadas: un piñón con dientes externos denominada rueda dentada interior y una corona con dientes internos denominada rueda dentada exterior, alojadas en una cavidad de una carcasa formada en general por un cuerpo de bomba y una cubierta conectados entre sí. La mencionada cavidad está en comunicación fluida con un área de aspiración (entrada de fluido) y un área de impulsión (salida de fluido). Las dos ruedas dentadas giran alrededor de respectivos ejes paralelos y están conjugadas de forma que cada diente de la rueda dentada interior está en permanente contacto deslizante con la rueda dentada exterior formando los conocidos como puntos de contacto.

La rueda dentada exterior presenta un número Z de dientes, mientras que la rueda dentada interior presenta un número Z-1 de dientes. De esta manera, entre la rueda dentada interior y la rueda dentada exterior existen permanentemente Z puntos de contacto entre los cuales se forman unas correspondientes Z cámaras estancas definidas por superficies de los dientes de ambas ruedas dentadas y por superficies de la carcasa.

La acción de bombeo se produce por una variación del volumen de dichas cámaras estancas a consecuencia de la rotación completa de las ruedas dentadas interior y exterior, creando la circulación de sucesivas cámaras estancas con volumen de fluido creciente desde dicha área de aspiración a dicha área de impulsión. En general, el movimiento de rotación es impartido generalmente por un árbol de transmisión accionado por un motor

externo que hace girar la rueda dentada interior y la rueda dentada interior transmite el movimiento de rotación a la rueda dentada exterior, aunque se conocen medios de accionamiento alternativos.

Por ejemplo, la solicitud de patente US 20060039815 A1 da a conocer una bomba de engranajes que comprende un anillo magnético concéntrico con el eje de rotación de la rueda dentada exterior y fijado a una periferia exterior de la rueda dentada exterior, y un anillo con bobinados concéntrico con el eje de rotación de la rueda dentada exterior y fijado a la carcasa de manera que este anillo con bobinados está radialmente adyacente alrededor del mencionado anillo magnético. Cuando los bobinados son excitados mediante suministro de corriente eléctrica se genera un campo magnético en el anillo magnético que provoca la rotación de la rueda dentada exterior, y ésta transmite el movimiento de rotación a la rueda dentada interior por la fuerza ejercida por los dientes internos de la rueda dentada exterior sobre los dientes externos de la rueda dentada interior en los puntos de contacto.

La patente US 7500837 B2 describe una bomba de engranajes que incluye un conjunto electromagnético interno dispuesto para accionar la rotación de la rueda dentada interior, y ésta transmite el movimiento de rotación a la rueda dentada exterior por la fuerza ejercida por los dientes externos de la rueda dentada interior sobre los dientes internos de la rueda dentada exterior en los puntos de contacto.

La patente US 8182235 B2 da a conocer una bomba de engranajes que incluye un árbol de transmisión impulsado por un primer actuador mecánico externo y conectado operativamente a través de un primer embrague para accionar la rotación de la rueda dentada interior, una rueda dentada de accionamiento impulsada por un segundo actuador mecánico externo y conectada operativamente a través de un segundo embrague para accionar la rotación de la rueda dentada exterior, y un conjunto electromagnético interno adicional dispuesto para accionar la rotación de la rueda dentada exterior. Los tres accionamientos son alternativos y no está previsto que actúen simultáneamente para accionar la rotación de ambas ruedas dentadas interior y exterior, por lo que el movimiento de rotación a la rueda dentada interior es trasmitido a la rueda dentada exterior por la fuerza ejercida por los dientes externos de la rueda dentada interior sobre los dientes internos de la rueda dentada exterior en los puntos de contacto o alternativamente el movimiento de rotación a la rueda dentada exterior es trasmitido a la rueda dentada interior por la fuerza ejercida por los dientes internos de la rueda dentada exterior sobre los dientes externos de la rueda dentada interior en los puntos de contacto.

Las bombas de engranajes poseen un número importante de ventajas, como por ejemplo un bajo nivel de ruido y un reducido número de componentes, por lo que tienen aplicación en un amplio rango de sectores industriales, incluyendo el sector de la automoción y el sector de la aeronáutica. Sin embargo, algunas de las ventajas de su diseño tienen como contrapartida inconvenientes en algunos aspectos de su comportamiento.

El hecho de que en las bombas de engranajes de la técnica anterior el movimiento de rotación de una de las ruedas dentadas sea transmitido a la otra de las ruedas dentadas por la fuerza ejercida por una de ellas sobre la otra en los puntos de contacto genera una tensión llamada tensión de contacto en el material de ambas ruedas dentadas, lo que produce un desgaste en el perfil de los dientes.

Además, desde un punto de vista de dinámica de fluidos, este huelgo entre los dientes permite un flujo de fluido de unas de las cámaras estancas a otras favorecido por un gradiente de presión entre cámaras estancas y por un movimiento relativo de las ruedas dentadas. En consecuentemente, el rendimiento de la bomba se ve influenciado negativamente. Como las bombas de engranajes producen una fluctuación de caudal que se superpone al caudal medio, esta fluctuación de caudal se ve influenciada negativamente, produciendo pulsaciones de presión, las cuales son la mayor fuente de vibraciones y de fallos por fatiga en las bombas de engranajes de la técnica anterior.

Una desventaja importante de las bombas de engranajes es la ausencia de partes que puedan ser ajustadas para compensar el huelgo producido por desgaste en el perfil de los dientes de las ruedas dentadas, lo que tiene como resultado una progresiva reducción de la eficiencia de la bomba de engranajes, que puede llegar a ser notable. En consecuencia, cuando la pérdida de rendimiento debida a este desgaste en los perfiles del engranaje supera un umbral preestablecido, la única alternativa posible es la sustitución de ambas ruedas dentadas, con un importante coste económico asociado.

Se ha de tener presente que aunque se obtuviese una correcta selección de los parámetros de diseño de las ruedas dentadas que permitiese alcanzar una tensión de contacto óptima desde el punto de vista mecánico, no se puede obviar que estos mismos parámetros geométricos también determinan las características volumétricas de la bomba, y que una ganancia en el aspecto mecánico podrían conllevar un menoscabo en tales características volumétricas.

Exposición de la Invención

Tomando en consideración las desventajas del funcionamiento de las bombas de engranajes de la técnica anterior, un objetivo de la presente invención es eliminar la necesidad de transmisión del par motor de una de las ruedas dentadas a la otra mediante una fuerza ejercida en los puntos de contacto del engrane de la ruedas dentadas, y en consecuencia eliminar o reducir drásticamente la tensión mecánica conocida como tensión de contacto en el material de las ruedas dentadas.

La presente invención contribuye a alcanzar este y otros objetivos aportando una bomba de engranajes compacta y estanca que comprende una carcasa estanca que incluye un cuerpo de bomba y una cubierta conectados entre sí definiendo entre ambos una cavidad en comunicación fluida con un área de aspiración y un área de impulsión, una rueda dentada interior, provista de un número Z-1 de dientes externos, alojada en dicha cavidad con capacidad de girar alrededor de un primer eje de rotación, una rueda dentada exterior, provista de un número Z de dientes internos, alojada en la cavidad...

1.- Bomba de engranajes compacta y estanca, comprendiendo una carcasa estanca (100, 200) que incluye un cuerpo de bomba (126) y una cubierta (156) conectados entre sí definiendo entre ambos una cavidad en comunicación fluida con un área de aspiración (140) y un área de impulsión (152), una rueda dentada interior (102) provista de un número Z-1 de dientes externos alojada en dicha cavidad con capacidad de girar alrededor de un primer eje de rotación (Ei), una rueda dentada exterior (104) provista de un número Z de dientes internos alojada en la cavidad con capacidad de girar alrededor de un segundo eje de rotación (Ee) paralelo a dicho primer eje de rotación (Ei) y engranada con dicha rueda dentada interior (102), y unos medios de accionamiento para hacer rotar al menos una de dichas ruedas dentadas interior y exterior (102, 104), caracterizada por que dichos medios de accionamiento comprenden un primer conjunto electro-magnético interno que acciona la rotación de la rueda dentada interior (102) y un segundo conjunto electro-magnético interno que acciona la rotación de la rueda dentada exterior (104), donde dichos primer y segundo conjuntos electro-magnéticos internos son controlables independientemente por unos medios de control.

2 - Bomba de engranajes compacta y estanca, según la reivindicación 1, caracterizada por que dicho primer conjunto electro-magnético interno comprende un primer anillo con bobinado (114) coaxial con dicho primer eje de rotación (Ei) fijo respecto a dicho cuerpo de bomba (126) y un primer anillo magnético (118) coaxial con dicho primer eje de rotación (Ei), dispuesto radialmente adyacente a dicho primer anillo con bobinado (112) y fijo respecto a la rueda dentada interior (102), para transmitir un primer par motor y una primera velocidad de rotación a la rueda dentada interior (102).

3.- Bomba de engranajes compacta y estanca, según la reivindicación 2, caracterizada por que dicho primer anillo con bobinado (114) comprende dos primeros anillos concéntricos conectados entre sí por unos primeros nervios radiales en los que están dispuestos unos primeros bobinados (116).

4.- Bomba de engranajes compacta y estanca, según la reivindicación 2 o 3, caracterizada por que dichos dos primeros anillos concéntricos están encajados en unas primeros ranuras circunferenciales formadas en una superficie interior (148) del cuerpo de bomba (126) y en una superficie interior (160) de la cubierta (156).

5.- Bomba de engranajes compacta y estanca, según la reivindicación 2, 3 o 4, caracterizada por que dicho primer anillo magnético (118) comprende una pluralidad de

imanes permanente fijados a lo largo de un perímetro interior de la rueda dentada interior (102) alrededor del anillo con bobinado (114).

6.- Bomba de engranajes compacta y estanca, según la reivindicación 2, 3 o 4, caracterizada por que al menos una región circunferencial de la rueda dentada interior (102) está formada por un material magnético, donde dicha región circunferencial incluye un perímetro interior que forma dicho primer anillo magnético (118) situado alrededor del anillo con bobinado (114).

7.- Bomba de engranajes compacta y estanca, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada por que la rueda dentada interior (102) está guiada y soportada respecto al cuerpo de bomba (126) y respecto a la cubierta (156) por unos primeros cojinetes hidrodinámicos (144, 146).

8.- Bomba de engranajes compacta y estanca, según la reivindicación 2, caracterizada por que dicho primer anillo magnético (118) está fijado a un primer árbol (210) concéntrico con el primer eje de rotación (Ei), conectado a la rueda dentada interior (102) y alojado dentro de una primera carcasa de motor estanca (206) conectada de manera estanca al cuerpo de bomba (126), y dicho primer anillo con bobinado (114) está alojado dentro de dicha primera carcasa de motor estanca (206) y fijado a la misma alrededor del primer anillo magnético (118).

9.- Bomba de engranajes compacta y estanca, según la reivindicación 1, caracterizada por que dicho segundo conjunto electro-magnético interno comprende un segundo anillo magnético (120) coaxial con dicho segundo eje de rotación (Ee) y fijado a la rueda dentada exterior (104) y un segundo anillo con bobinado (122) coaxial con dicho segundo eje de rotación (Ee), dispuesto alrededor de dicho segundo anillo magnético (120) y fijo respecto a dicho cuerpo de bomba (126) para transmitir un segundo par motor y una segunda velocidad de rotación a la rueda dentada exterior (104).

10.- Bomba de engranajes compacta y estanca, según la reivindicación 9, caracterizada por que dicho segundo anillo con bobinado (122) comprende dos segundos anillos concéntricos conectados entre sí por unos segundos nervios radiales en los que están dispuestos unos segundos bobinados (124).

11.- Bomba de engranajes compacta y estanca, según la reivindicación 9 o 10, caracterizada por que dichos dos segundos anillos concéntricos están encajados en unas

segundas ranuras circunferenciales formadas en una superficie interior (148) del cuerpo de bomba (126) y en una superficie interior (160) de la cubierta (156).

12.- Bomba de engranajes compacta y estanca, según la reivindicación 9, 10 u 11, caracterizada por que dicho segundo anillo magnético (120) comprende una pluralidad de imanes permanente fijados a lo largo de un perímetro exterior de la rueda dentada exterior (104).

13.- Bomba de engranajes compacta y estanca, según la reivindicación 9, 10 u 11, caracterizada por que al menos una región circunferencial de la rueda dentada exterior (104) está formada por un material magnético, donde dicha región circunferencial incluye un perímetro exterior que forma dicho segundo anillo magnético (120).

14.- Bomba de engranajes compacta y estanca, según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, caracterizada por que la rueda dentada exterior (104) está guiada y soportada respecto al cuerpo de bomba (126) y respecto a la cubierta (156) por unos segundos cojinetes hidrodinámicos (164, 166).

15.- Bomba de engranajes compacta y estanca, según la reivindicación 9, caracterizada por que dicho segundo anillo magnético (120) está fijado a un segundo árbol (212) concéntrico con el segundo eje de rotación (Ee), conectado a la rueda dentada exterior (104) y alojado dentro de una segunda carcasa de motor estanca (208) conectada de manera estanca a la cubierta (156), y dicho segundo anillo con bobinado (122) está alojado dentro de dicha segunda carcasa de motor estanca (208) y fijado a la misma alrededor del segundo anillo magnético (120).

16.- Bomba de engranajes compacta y estanca, según la reivindicación 15, caracterizada por que dicho segundo árbol (212) está conectado a la rueda dentada exterior (104) por medio de un miembro de transmisión (204).

17.- Bomba de engranajes compacta y estanca, según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por que al menos una de las ruedas dentadas interior y exterior (102, 104) tiene un recubrimiento de un material sintético en aquellas áreas que hacen contacto con la otra de las ruedas dentadas interior y exterior (102, 104).

18.- Bomba de engranajes compacta y estanca, según la reivindicación 17, caracterizada por que dicho material sintético está seleccionado de un grupo que comprende un termoplástico y un elastómero.

19.- Bomba de engranajes compacta y estanca, según la reivindicación 18, caracterizada por que dicho termoplástico está seleccionado de un grupo que comprende polioximetileno y poliacetal.