具有轴向磁通电动机的离心泵组件及其组装方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年1月27日提交的美国专利申请no.15/418,155和2017年1月27日提交的美国专利申请no.15/418,171的优先权，其全部公开内容通过引用整体并入本文。

本发明的领域总体上涉及离心泵组件，更具体地涉及包括联接到叶轮的轴向磁通电动机的离心泵组件。

背景技术：

至少一些已知的离心泵包括用于引导流体通过泵的叶轮。叶轮经由静压轴承联接到轴，该轴联接到电动机的转子，使得转子的旋转引起轴承和叶轮的旋转。在至少一些已知的电动机中，使用单独的泵来输送静压轴承的操作所需的加压流体流。额外的泵增加了泵系统的复杂性和成本，这可能会抑制在成本敏感的应用中使用静压轴承。

此外，至少一些已知的离心泵包括流体动力轴承(hydrodynamicbearing)。在设计流体动力轴承时，需要考虑许多因素。其中之一是轴承在操作中流体动力学地“提升”并将旋转轴承部件与静止轴承部件分开的能力。轴承“提升”以确保正确操作至关重要。如果轴承没有“提升”，则两个轴承材料之间将存在大的摩擦，从而导致大的摩擦扭矩阻力、拖曳转矩阻力和材料磨损。为了确保轴承提升(bearinglift)，轴承被设计成使压力速度(pv)因数(pressurevelocityfactor)落在预定范围内。pv因数基于旋转部件的速度和旋转轴承部件与静止轴承部件之间的摩擦系数。然而，至少一些已知的旋转轴承部件是扁平盘，从而导致盘的内径和外径之间的速度差。该速度差导致大范围的pv因数，其中至少一些可能在期望范围之外。流体动力轴承在期望的pv因数范围之外的操作可能导致泵组件的低效操作和/或轴承部件的使用寿命缩短。

技术实现要素：

在一方面，提供了一种电动机组件。该电动机组件包括轴承组件，该轴承组件包括旋转部件和至少一个静止部件。电动机组件还包括联接到旋转部件的叶轮。该叶轮包括入口和出口，并且构造成在入口与出口之间引导流体。电动机组件还包括直接联接到叶轮的转子组件。在旋转部件和至少一个静止部件之间限定了一流体流动通道。该流动通道包括靠近叶轮出口的第一端和靠近叶轮入口的第二端。

在另一方面，提供了一种泵组件。该泵组件包括泵壳体和联接到泵壳体的电动机壳体。该泵组件还包括电动机组件，该电动机组件包括轴承组件，该轴承组件包括旋转部件和至少一个静止部件。该电动机组件还包括联接到旋转部件的叶轮。该叶轮包括入口和出口并且构造成在入口与出口之间引导流体。电动机组件还包括直接联接到叶轮的转子组件。在旋转部件与所述至少一个静止部件之间限定有一流体流动通道。该流动通道包括靠近叶轮出口的第一端和靠近叶轮入口的第二端。

在又一方面，提供了一种组装泵组件的方法。该方法包括提供轴承组件，该轴承组件包括旋转部件和至少一个静止部件。该方法还包括将叶轮联接到旋转部件，其中叶轮包括入口和出口并且构造成在其间引导流体。转子组件直接联接到叶轮。该方法还包括在旋转部件与至少一个静止部件之间限定一流体流动通道。该流动通道包括靠近叶轮出口的第一端和靠近叶轮入口的第二端。

在一方面，提供了一种流体动力轴承组件。该流体动力轴承组件包括第一静止部件、联接到第一静止部件的轴以及与第一静止部件相对地联接到该轴的第二静止部件。该流体动力轴承组件还包括旋转部件，该旋转部件在第一静止部件与第二静止部件之间联接到轴。该旋转部件包括具有第一直径的第一端面和具有大于第一直径的第二直径的相对的第二端面。

在另一方面，提供了一种泵组件。该泵组件包括流体动力轴承组件，该流体动力轴承组件包括第一静止部件、联接到第一静止部件的轴以及与第一静止部件相对地联接到轴的第二静止部件。流体动力轴承组件还包括旋转部件，该旋转部件在第一静止部件与第二静止部件之间联接到轴。该旋转部件包括具有第一直径的第一端面和具有大于第一直径的第二直径的相对的第二端面。该泵组件还包括联接到旋转部件的叶轮和直接联接到叶轮的转子组件。

附图说明

图1是包括叶轮、电动机和流体动力轴承的示例性离心泵组件的截面图；

图2是离心泵组件的由图1中的框2-2界定的部分的放大截面图，其示出了穿过离心泵组件的示例性流动通道；

图3是图1所示的离心泵组件的一部分的放大截面图，其示出了穿过离心泵组件的替代流动通道；

图4是包括叶轮、电动机和流体动力轴承的替代离心泵组件的截面图；

图5是图4所示的替代流体动力轴承的旋转部件的截面图；

图6是旋转部件的端面的轴向端视图，其示出了图5所示的流体动力轴承组件的旋转部件的速度分布；

图7是可与图4所示的替代流体动力轴承组件一起使用的替代旋转部件；以及

图8是可与图4所示的替代流体动力轴承组件一起使用的另一替代旋转部件。

尽管各种实施例的特定特征可能在一些附图中被示出而在其它附图中未被示出，但这只是为了方便。任何图的任何特征可结合任何另一图的任何特征被引用和/或要求专利权保护。

具体实施方式

图1是示例性离心泵组件100的截面图，其示出了轴向磁通电动机组件102、叶轮104和泵壳体106。图2是电动机组件102和叶轮104的放大截面图，为清楚起见，泵壳体106被移除。在该示例性实施例中，泵组件100包括泵壳体106和电动机壳体108。泵壳体106包围电动机组件102的至少一部分和叶轮104，而电动机壳体108包围电动机组件102。泵壳体106包括流体入口110、限定流体流动腔114的一部分的涡旋壁112以及流体出口116。在操作中，流体流过入口110并被引导通过围绕壁112的通道114，直到流体经壳体出口116离开泵100。

在该示例性实施例中，叶轮104定位在泵壳体106内并且包括限定入口开口120的入口环118。叶轮104还包括背板122和联接在入口环118与背板122之间的多个叶片124。如本文进一步详细描述的，叶轮102的背板122直接联接到电动机组件102，使得电动机组件102构造成使叶轮102绕旋转轴线126旋转。在操作中，电动机102使叶轮104围绕轴线126旋转，以通过壳体入口110将流体沿轴向方向吸入泵壳体106中。流体被引导通过入口环118中的入口开口120并通过通道114内的叶片124转向，以沿着壁112引导流体径向穿过壳体出口116。由于叶轮104的速度升高，由泵组件100移动的流体量增加，使得叶轮104产生从出口116排出的高速流体流。

当叶轮旋转时，叶轮104将动能赋予泵送流体，这使得流体加压。也就是说，负压流体的区域127存在于叶轮104的上游，更具体地，在叶轮叶片124的上游靠近入口110和120。相应地，正压流体的区域129存在于叶轮104的下游，靠近壳体106的出口116。这样，叶轮104的旋转引起叶轮104两侧的压差。在该示例性实施例中，负压流体在叶轮104上施加轴向吸力128。轴向力128通过泵壳体入口110作用在远离电动机组件102的轴向方向上。当叶轮104的速度升高时，流体的压力和所产生的轴向吸力128也相应地增加。也就是说，轴向吸力128的大小基于叶轮104的旋转速度。

在该示例性实施例中，电动机组件102包括定子组件130，该定子组件130包括磁定子芯134和定位在电动机壳体108内的多个导体线圈136。电动机组件102还包括轴承组件138和转子组件140。每个导体线圈136包括开口(未示出)，该开口紧密地贴合多个定子芯齿(未示出)中的一个的外部形状，使得每个定子齿构造成定位在导体线圈136内。电机组件102可以每个定子齿包括一个导体线圈136，或者在每隔一个齿上定位一个导体线圈136。

在该示例性实施例中，变频驱动器(未示出)向电动机102提供信号，例如脉冲宽度调制(pwm)信号。在一替代实施例中，电动机102可包括控制器(未示出)，其通过配线联接到导体线圈136。控制器配置成一次向一个或多个导体线圈136施加电压，以便以预选的顺序转换导体线圈136，以使转子组件140绕轴线126旋转。

转子组件140靠近腔114定位在泵壳体106内，并且包括具有至少第一轴向表面148的背铁或转子盘146。在该示例性实施例中，转子组件140还包括直接联接到转子盘146的多个永磁体152。在另一实施例中，转子组件140包括与叶轮104相对地联接到转子盘146的磁体保持器(未示出)，并且永磁体152联接到磁体保持器。

如图1中最佳所示，叶轮104与定子组件130相对地直接联接到转子组件140，使得叶轮104接触转子组件140，以使叶轮104和转子组件140能够绕轴线126旋转。如本文所用，术语“直接”意在描述转子组件140联接到叶轮104，没有任何中间结构定位在其间以将转子组件140与叶轮104分开。更具体地，转子盘146直接联接到叶轮104。更具体地，转子盘146直接联接到叶轮104的背板122。在一个实施例中，转子盘146的轴向表面148以面对面的关系联接到并直接接触背板122的轴向表面164。在该示例性实施例中，并且如图3所示，转子盘146使用多个紧固件166联接到叶轮背板122。在另一实施例中，转子组件140与叶轮104一体地形成。更具体地，转子盘146与叶轮104的背板122一体地形成，使得转子盘146和背板122形成单个整体部件。通常，转子组件140和叶轮104使用便于如本文所述的泵组件100的操作的任何附接装置直接联接在一起。

在该示例性实施例中，转子组件140定位成邻近定子组件130，以在它们之间限定轴向间隙154。衬套(未示出)围绕定子组件130，以防止芯134和线圈136暴露于壳体106和108内的流体。如上所述，电压按顺序施加到线圈136以引起转子组件140的旋转。更具体地，线圈136控制磁定子芯134和永磁体152之间的磁通量的流动。磁体152被吸向磁定子芯134，使得始终存在穿过间隙154的轴向磁力(未示出)。因此，定子组件130的定子芯134在远离叶轮104的轴向方向上向转子组件140施加轴向磁力。更具体地，轴向磁力沿与叶轮104的轴向吸力128相反的方向作用。随着轴向间隙154的尺寸减小，定子组件130与转子组件140之间的轴向磁力增加。也就是说，轴向磁力的大小基于轴向间隙154的长度。

在该示例性实施例中，叶轮104包括圆柱形延伸部157，其从背板122朝向电动机壳体108轴向延伸。更具体地，延伸部157轴向延伸通过转子组件140并进入由定子芯134限定的开口132，以至少部分地与定子组件130轴向重叠。此外，延伸部157联接到轴承组件138的旋转部件170。旋转部件170外接在轴承组件138的静止轴172周围并且轴向地定位在轴承组件138的第一静止部件174和第二静止部件176之间。在该示例性实施例中，轴承组件138包括流体动力轴承。

如图2中最佳所示，在旋转部件170与静止部件172、174和176之间限定了流体流动通道178。通道178包括靠近叶轮出口116的第一端180和靠近叶轮入口120的第二端182。在该示例性实施例中，第一端180是通道178的入口，第二端182是通道178的出口。此外，第一端180位于转子组件140的第一轴向侧，第二端182位于转子组件140的相对的第二轴向侧。如下面进一步详细描述的，通道178的入口端180对应于叶轮104的出口116，并且通道178的出口端182对应于叶轮104的入口120。此外，通道178的入口端180对应于叶轮104的正压侧129，而通道178的出口端182对应于叶轮104的负压侧127。在该示例性实施例中，区域127和129之间的在叶轮104两侧的压差使流体从通道入口180经通道178流到通道出口182，以为轴承组件138提供工作流体。

如图2所示，通道178的一部分沿转子组件140与定子组件130之间的轴向间隙154径向延伸，然后跟随叶轮延伸部157并遇到轴承组件138。在该示例性实施例中，通道178包括在旋转部件170与第一静止部件174之间的第一径向部分184、在旋转部件170与静止轴172之间的轴向部分186以及在旋转部件170与第二静止部件176之间的第二径向部分188，使得第一径向部分184、轴向部分186和第二径向部分188串联地流体连通。另外，第一静止部件174、第二静止部件176和静止轴172中的每一者包括形成在其中的沟槽(未示出)，以使得在电动机启动时在静止部件174、172和176与旋转部件170之间能够存在流体。流动通道178的第一径向部分184、轴向部分186和第二径向部分188分别沿着静止部件174、172和176中的沟槽延伸。

在操作中，联接到定子芯134的导体线圈136按时间顺序通电，该顺序提供轴向磁场，该轴向磁场根据导体线圈136通电的预定顺序或次序围绕定子芯134顺时针或逆时针移动。该移动磁场与由多个永磁体152产生的通量场相交，以使转子组件140在期望的方向上相对于定子组件130绕轴线126旋转。如本文所述，由于转子盘146直接联接到叶轮104，所以转子盘146的旋转引起叶轮104的旋转，这将从入口120经叶轮104流到出口116的流体加压。由此产生的跨叶轮104和转子组件140的压差以及将通道入口180定位在叶轮104的正压侧129且将通道出口182定位在叶轮的负压侧127迫使流体通过流动通道178。通过通道178的流体将轴承组件138加压并克服定子组件130与转子组件140之间的轴向磁力，以使得组件100能够如本文所述操作。因此，跨叶轮104和转子组件140的压差使得轴承组件138能够加压而不需要单独的泵。

图3是图1所示的离心泵组件100的一部分的放大截面图，其示出了通过离心泵组件100的替代流动通道190。流动通道190在操作和组成上基本上类似于流动通道178，除了流动通道190沿着定子组件130的轴向外表面径向向内延伸而不是在转子组件140与定子组件130之间延伸这一点。这样，图3所示的部件用与图1和2中所用相同的参考标号进行标示。

如图3所示，通道190的一部分在定子组件130的外表面与电动机壳体108之间轴向延伸，然后围绕定子组件130弯曲以在定子组件130的轴向端面与电动机壳体108之间径向延伸。然后，流动通道190延伸穿过由定子芯134限定的开口132，然后遇到轴承组件138。类似于流动通道178，流动通道190包括在旋转部件170与第一静止部件174之间的第一径向部分184、在旋转部件170与静止轴172之间的轴向部分186以及在旋转部件170与第二静止部件176之间的第二径向部分188，使得第一径向部分184、轴向部分186和第二径向部分188串联地流动连通。另外，第一静止部件174、第二静止部件176和静止轴172中的每一者都包括形成在其中的沟槽(未示出)，以使得在电机起动时在静止部件174、172和176与旋转部件170之间能够存在流体。流动通道178的第一径向部分184、轴向部分186和第二径向部分188分别沿着静止部件174、172和176中的沟槽延伸。

在操作中，联接到定子芯134的导体线圈136按时间顺序通电，这提供了轴向磁场，该轴向磁场根据导体线圈136通电的预定顺序或次序围绕定子芯134顺时针或逆时针移动。该移动磁场与由多个永磁体152产生的通量场相交，以使转子组件140在期望的方向上相对于定子组件130围绕轴线126旋转。如本文所述，由于转子盘146直接联接到叶轮104，所以转子盘146的旋转引起叶轮104的旋转，这将对从入口120经叶轮104流到出口116的流体加压。由此产生的跨叶轮104和转子组件140的压差以及将通道入口180定位在叶轮104的正压侧129且将通道出口182定位在叶轮的负压侧127迫使流体通过流动通道190。通过通道190的流体对轴承组件138加压并克服定子组件130与转子组件140之间的轴向磁力，以使得组件100能够如本文所述操作。因此，跨叶轮104和转子组件140的压差使得轴承组件138能够加压而不需要单独的泵。

图4示出了离心泵组件200的一个替代实施例。离心泵组件200在操作和组成上基本上类似于离心泵组件100(在图1中示出)，除了离心泵组件200在轴承组件138中包括替代的旋转部件202而不是旋转部件170(如图1所示)这一点。此外，离心泵组件200包括叶轮104的替代延伸部分204而不是延伸部分157(如图1所示)。这样，图3所示的部件用与图1中所用相同的参考标号进行标示。

图5是轴承组件138的旋转部件202的截面图，图6是旋转部件202的端面的轴向端视图，其示出了旋转部件202的速度分布。

在该实施例中，为了确保轴承提升(bearinglift)，轴承组件138设计成使压力速度(pv)因数落入预定范围内。pv因数基于旋转部件202的速度和旋转部件202与第二静止部件176之间的摩擦系数。然而，如图6所示，旋转部件202的圆形形状导致盘旋转部件202的内径和外径之间的速度差。在至少一些已知的轴承组件中，该速度差可导致沿着半径的宽范围的pv因数，其中至少有一些可能在期望范围之外。然而，如本文所述，轴承组件138的旋转部件202包括使得沿着旋转部件202的半径的每个点具有与沿着半径的每个其他点相同的pv因数的形状。

如图5所示，旋转部件202包括第一端面206、相对的第二端面208和在它们之间延伸的主体表面210。主体表面210包括沿着旋转部件202的轴向长度的至少一部分的旋转部件202的径向外表面。第一端面206包括第一直径d1，第二端面208包括第二直径d2，该第二直径d2大于第一直径d1。此外，旋转部件202包括在两个端面206和208处相同的内径id。然而，旋转部件202包括在第一端面206处的第一外径od1和在第二端面208处的第二外径od2。使得第二外径od2相对于第一外径od1径向偏移。这样，第一端面206包括在内径id与第一外径od1之间的第一宽度w1。类似地，第二端面208包括在内径id与第二外径od2之间的第二宽度w2，其中第二宽度w2大于第一宽度w1。另外，内径id和第一外径od1两者都具有第一轴向长度l1，而第二外径od2包括小于第一轴向长度l1的第二轴向长度l2。

如图4所示，第二端面208定位成邻近第二静止部件176，第一端面206定位成邻近第一静止部件174。或者，第一端面206定位成邻近第二静止部件176，第二端面208定位成邻近第一静止部件174。此外，在该实施例中，旋转部件202是单个整体件。在另一实施例中，旋转部件202是联接在一起的多个部件。

可以看出，主体表面210的形状使得旋转部件202的直径基于沿着旋转部件202的轴向长度的位置而改变。改变的直径引起如箭头212所示的沿着第一端面206和主体表面210的分布力。箭头表示随着旋转部件202的直径沿着轴线126增大，对旋转部件202施加的轴向力更小，使得靠近第一端面206的旋转部件被施加的力比靠近第二端面208的旋转部件被施加的力大。如图4所示，主体表面210包括在第一端面206与第二端面208之间延伸的非线性表面。更具体地，主体表面210包括连续弯曲的表面。

图7是可与图4所示的流体动力轴承组件138一起使用替代旋转部件300。如图7所示，旋转部件300包括在第一端面206与第二端面208之间线性延伸的主体表面310。在这样的实施例中，线性主体表面310相对于旋转轴线126倾斜地定向。如图7所示，线性主体表面310还具有第一端面206与第二端面208之间的恒定斜率。

图8是可与图4所示的流体动力轴承组件138一起使用的另一替代旋转部件400。如图8所示，旋转部件400包括在第一端面206与第二端面208之间延伸的阶梯式主体表面410。通常，旋转部件202的主体表面210是非线性的、线性的、阶梯式的或其任何组合中的任何一者，这有利于如本文所述的旋转部件202的操作。

返回参考图6，第二端面208限定在内径id与第二外径od2之间的半径r。旋转部件202的渐变速度由第二端面208上的箭头214示出。旋转部件202的渐变速度214示出了沿着半径r距内径id更近的点比沿着半径r更接近第二外径od2的点移动得更慢，其中沿着半径r的速度由箭头214的长度表示。通过随长度改变直径而在旋转部件202上产生的渐变分布力212补偿沿着半径r的渐变速度214。这种构型导致第二端面208的半径r上的最佳的、更窄的pv因数范围。更具体地，旋转部件202的pv因数在沿着半径r的每个点处基本上相似。再更具体地，第二端面208包括第一点216，其距表面208的中点或轴线124第一距离d1。旋转部件202包括在第一点216处的第一pv因数。类似地，第二端面208包括第二点218，其距表面208的中点或轴线124第二距离d2。旋转部件202在第二点218处包括第二pv因数。如本文所述，在沿着半径r的第一点216和第二点218处的第一和第二pv因数基本上彼此类似，尽管旋转部件202的速度由于旋转部件202的轴向长度上的直径变化而渐变。端面208上的基本上恒定的pv因数引起轴承组件138的操作更有效并且旋转部件202以及静止部件174和176的使用寿命增加。

返回参考图4，叶轮104包括延伸部分204，其从背板122朝向电动机壳体108轴向延伸并且联接到轴承组件138的旋转部件202。延伸部分204包括径向内表面220，其在形状上对应于旋转部件202的主体表面210的形状。也就是说，在主体表面210弯曲的实施例中，如图4所示，内表面220也相应地弯曲。通常，径向内表面220是与主体表面210的形状匹配或对应的任何形状，以有利于如本文所述的组件200的操作。

在操作中，联接到定子芯134的导体线圈136按时间顺序通电，这提供了轴向磁场，该轴向磁场根据导体线圈136的通电的预定顺序或次序围绕定子芯134顺时针或逆时针移动。该移动磁场与由多个永磁体152产生的通量场相交，以使转子组件140在期望的方向上相对于定子组件130绕轴线126旋转。如本文所述，由于转子盘146直接联接到叶轮104，所以转子盘146的旋转引起叶轮104的旋转，这对从入口120经叶轮104流到出口116的流体加压。由此产生的跨叶轮104和转子组件140的压差以及将通道入口180定位在叶轮104的正压侧129且将通道出口182定位在叶轮的负压侧127迫使流体通过流动通道178。通过通道178的流体对轴承组件138加压并克服定子组件130与转子组件140之间的轴向磁力，以使得组件100能够如本文所述操作。

本文描述的设备、方法和系统提供了一种泵组件，其具有联接到叶轮的电动机。更具体地，电动机的转子组件直接联接到叶轮。叶轮包括入口和出口，并且构造成在其间引导流体，并且还联接到轴承组件的旋转部件。在旋转部件与轴承组件的至少一个静止部件之间限定了流体流动通道。该流动通道包括靠近叶轮出口的入口和靠近叶轮入口的出口。如本文所述，由于转子盘直接联接到叶轮，所以转子盘的旋转引起叶轮的旋转，这对从叶轮入口流到叶轮出口的流体加压。由此产生的跨叶轮的压差结合将通道入口定位在叶轮的正压侧且将通道出口定位在负压侧上迫使流体通过流动通道。通过流动通道的流体对轴承组件加压，以使组件100能够如本文所述操作而不需要单独的泵。

此外，使轴承组件的旋转部件的直径在其长度上逐渐变细以具有渐变的分布力补偿了沿着旋转部件的端面的半径的渐变速度。这样的构型导致端面半径上的最佳的更窄的pv因数范围。跨旋转部件端面上的基本上恒定的pv因数引起轴承组件的操作更有效并且其旋转和静止部件的使用寿命增加。

以上详细描述了离心泵组件的示例性实施例。该离心泵组件及其部件不限于本文所述的特定实施例，相反，系统的部件可独立地使用并与本文所述的其它部件分开使用。例如，各部件也可以与其它机器系统、方法和设备组合使用，并且不限于仅用本文所述的系统和设备来实践。相反，可以结合许多其它应用来实施和利用示例性实施例。

尽管可能在一些附图中示出了本发明的各种实施例的具体特征而在其它附图中未予示出，但这只是为了方便。根据本发明的原理，可以结合任何其它附图的任何特征来参考附图的任何特征和/或要求其专利权保护。

该书面描述使用例子来公开本发明，包括最佳模式，并且使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例没有不同于权利要求的文字语言所描述的结构元件，或者包括与权利要求的文字语言无实质性区别的等同结构元件，则认为此类其它示例包含在权利要求的保护范围内。