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.15/418,146和2017年1月27日提交的美国专利申请no.15/418,103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。叶轮联接到轴，该轴还联接到电动机的转子，使得转子的旋转引起叶轮的旋转。在至少一些已知的电动机中，转子与定子间隔开，使得在转子上的磁体与定子的钢芯之间具有始终存在的轴向吸引力。该轴向力可以足够大，使得电动机的轴承系统需要特殊的设计考虑以承受该轴向力。另外，旋转叶轮在其旋转时将动能分配到泵送流体中，这增加了流体的压力。由于该压力增加，产生了作用在叶轮上的轴向吸力。在至少一些已知的离心泵中，轴向吸力也可能需要轴承系统的设计考虑。

此外，至少一些已知的离心泵位于可能导致被引导通过其中的流体在泵不工作时冻结的环境中。当流体冻结时，叶轮可被锁定到位，并且随后在对流体进行除霜之前所进行的旋转叶轮的尝试可能导致叶轮或整个泵的使用寿命缩短。另外，在至少一些离心泵中，电动机的定子产生相对高的热量并且可能需要复杂和高成本的冷却系统。

技术实现要素：

在一方面，提供了一种电动机组件。该电动机组件包括定子组件和转子组件，该转子组件定位成邻近定子组件，以在其间限定轴向间隙。定子组件构造成在转子组件上施加第一轴向力。电动机组件还包括叶轮，该叶轮与定子组件相对地直接联接到转子组件，使得转子组件和叶轮构造成绕一轴线旋转。由叶轮引导的流体在叶轮上施加第二轴向力。

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，该电动机组件包括定子组件和转子组件，转子组件定位成邻近定子组件，以在其间限定轴向间隙。定子组件构造成在转子组件上施加第一轴向力。电动机组件还包括叶轮，该叶轮与定子组件相对地直接联接到转子组件，使得转子组件和叶轮构造成绕一轴线旋转。由叶轮引导的流体在叶轮上施加第二轴向力。

在又一方面，提供了一种组装泵组件的方法。该方法包括提供定子组件并将转子组件联接到定子组件，使得在其间限定了轴向间隙。定子组件构造成在转子组件上施加第一轴向力。该方法还包括将叶轮与定子组件相对地直接联接到转子组件，使得转子组件和叶轮构造成绕一轴线旋转。由叶轮引导的流体构造成在叶轮上施加第二轴向力。

在一方面，提供了一种用于将流体泵送通过流体腔的电动机组件。该电动机组件包括定子组件，该定子组件包括多个导电线圈，导电线圈构造成将热能传递到流体腔内的流体。该电动机组件还包括转子组件，该转子组件定位成邻近定子组件，以在其间限定轴向间隙。电动机组件还包括叶轮，该叶轮与定子组件相对地直接联接到转子组件，使得转子组件和叶轮构造成绕一轴线旋转。转子组件和叶轮构造成浸没在流体腔内的流体中。

在又一方面，提供了一种泵组件。该泵组件包括限定流体腔的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，该电动机组件包括定子组件，该定子组件定位在电动机壳体内并且包括多个导电线圈，导电线圈构造成将热能传递到流体腔内的流体。电动机组件还包括转子组件，转子组件定位成邻近定子组件并位于泵壳体内。电动机组件还包括叶轮，该叶轮与定子组件相对地直接联接到转子组件，使得转子组件和叶轮构造成绕一轴线旋转。转子组件和叶轮构造成浸没在流体腔内的流体中。

在又一方面，提供了一种组装用于将流体泵送通过流体腔的泵组件的方法。该方法包括提供具有多个导电线圈的定子组件，所述导电线圈构造成将热能传递到流体腔内的流体。该方法还包括将转子组件定位成邻近定子组件，使得在其间限定轴向间隙，以及将叶轮与定子组件相对地直接联接到转子组件，使得转子组件和叶轮构造成绕一轴线旋转。转子组件和叶轮构造成浸没在流体腔内的流体中。

附图说明

图1是示例性离心泵的透视图；

图2是图1所示的离心泵的截面图；

图3是图2所示的离心泵的放大截面图，其示出了电动机和叶轮；

图4是离心泵的替换实施例的透视图；

图5是图4所示的离心泵的底部透视图，其示出了叶轮；

图6是图4所示的离心泵的截面图，其示出了叶轮和电动机；以及

图7是电动机和叶轮的由图6中的框7-7所包围的部分的放大截面图。

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的透视图。图2是泵组件100的截面图，示出了轴向磁通电动机组件102、叶轮104和泵壳体106。图3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、限定流体流动通道114的一部分的涡旋壁(scrollwall)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。随着叶轮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。在该示例性实施例中，加压流体在叶轮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包括电动机壳体108，该电动机壳体108包括第一部分130和第二部分132。电动机组件102还包括定子组件133，该定子组件133包括磁定子芯134和多个导体线圈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(conform)多个定子芯齿142中的一个的外部形状，使得每个定子齿142构造成定位在导体线圈136内。电机组件102可以每个定子齿142包括一个导体线圈136，或者每隔一个齿142包括一个导体线圈136。定子芯134和线圈136定位在电动机壳体108的第二部分132内，该第二部分132利用多个紧固件144联接到泵壳体106。

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(commutate)导体线圈136，以使转子组件140绕轴线126旋转。

转子组件140靠近通道114定位在泵壳体106内，并且包括至少具有第一轴向表面148的背铁或转子盘146。转子组件140还包括与叶轮104相对地联接到转子盘146的磁体保持器150和使用粘合剂联接到磁体保持器150的多个永磁体152。或者，磁体152可以使用任何便于如本文所述的电动机102的操作的保持方法联接到磁体保持器150。在另一实施例中，磁体152直接联接到转子盘146。

在该示例性实施例中，转子组件140定位成邻近定子组件133，以在其间限定轴向间隙154。如上所述，电压依次施加到线圈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与永磁体152之间的磁通量流动。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156。这样，定子组件133的定子芯134在远离叶轮104的轴向方向上将轴向磁力156分配给转子组件140。更具体地，轴向磁力156作用在与叶轮104的轴向吸力128相反的方向上。随着轴向间隙154的尺寸减小，定子组件133与转子组件140之间的轴向磁力156增大。也就是说，轴向磁力156的大小基于轴向间隙154的长度。

转子盘146联接到轴承组件138的旋转部件158，并且定子组件133联接到轴承组件138的固定部件160。在该示例性实施例中，轴承组件138包括流体动力轴承(流体动压轴承，hydrodynamicbearing)，其中旋转部件158使用多个紧固件162联接到转子盘146。在另一些实施例中，轴承组件138包括便于如本文所述的电动机102的操作的任何轴承类型。

如图3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，而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而直接联接在一起。如上所述，传统的泵包括将转子组件联接到叶轮的轴。然而，在本文所述的一个实施例中，如图2和3所示，泵组件100不包括联接在转子组件140与叶轮104之间的轴，因为叶轮104直接联接到转子组件140并与转子组件140接触。

在操作中，联接到定子芯134的导体线圈136按时间顺序通电，该顺序提供根据导体线圈136通电的预定顺序或次序而围绕定子芯134顺时针或逆时针移动的轴向磁场。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133绕轴线126旋转。如上所述，定子芯134与磁体152之间的磁吸引力产生轴向磁力156，其作用在远离叶轮104的方向上。此外，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。如上所述，叶轮104的旋转对流过其中的流体加压，这在远离转子组件140的方向上对叶轮104施加轴向吸力128。如图3所示，轴向吸力128作用在轴向磁力156的反方向上。在该实施例中，当转子盘146直接联接到叶轮104时，轴向磁力156抵抗轴向吸力128以减小力的总和，这有利于延长轴承组件138的使用寿命。在一些实施例中，力156和128相等，使得它们彼此抵消。

此外，在该示例性实施例中，轴向间隙154是可调节的以改变轴向磁力156的大小。另外，电动机组件102是变速电动机，因此叶轮104的速度也可以被调节以调节流体的轴向吸力128。修改叶轮104的速度和气隙154中的至少一者有助于在泵组件100内形成朝向电动机组件102或朝向泵106的期望偏压。因此，通过减小泵组件100内的合力并将合力偏向电动机组件102或泵106，可以将简单且低成本的轴承组件138用于集成式泵组件100。

图4是离心泵组件200的一个替代实施例的透视图，示出了泵壳体206和电动机壳体208。图5是离心泵组件200的底部透视图，其中为清楚起见移除了泵壳体206并示出了叶轮204。图6是泵组件200的截面图，其示出了叶轮204和轴向磁通电动机组件202，图7是电动机组件202和叶轮204的由图6中的框7-7限定的部分的放大截面图。

在该示例性实施例中，泵组件200包括泵壳体206和电动机壳体208。泵壳体206包围电动机组件202的至少一部分和叶轮204，而电动机壳体208包围电动机组件202。泵壳体206包括流体入口210、限定流体流动通道214的一部分的涡旋壁212和流体出口216。在操作中，流体流过入口210并且被引导通过壁212周围的通道214，直到流体经壳体出口216离开泵200。

在该示例性实施例中，叶轮204定位在泵壳体206内并且包括限定入口开口220的入口环218。叶轮204还包括背板222和联接在入口环218与背板222之间的多个叶片224。如本文进一步详细描述的，叶轮202的背板222直接联接到电动机202，使得电动机202构造成使叶轮202围绕旋转轴线226旋转。在运转中，电动机202使叶轮204绕轴线226旋转，以将流体沿轴向方向经壳体入口210吸入由泵壳体206限定的流体腔228中。流体被引导通过入口环218中的入口开口220，并通过通道214内的叶片224转向，以沿着腔228内的壁212引导流体通过壳体出口216。当叶轮204的速度增加时，由泵组件200移动的流体量增加，使得叶轮204产生从出口216排出的高速流体流。

在该示例性实施例中，电动机组件202包括定子组件232，定子组件232包括磁定子芯234和多个导体线圈236。电动机组件202还包括轴承组件238和转子组件240。每个导体线圈236包括开口(未示出)，其紧密地贴合多个定子芯齿242中的一个的外部形状，使得每个定子齿242构造成定位在导体线圈236内。电动机组件202可每个定子齿242包括一个导体线圈236或在每隔一个齿242上定位一个导体线圈236。

在该示例性实施例中，电动机组件202还包括控制电动机组件202的操作的电子模块244。在一个实施例中，电子模块244通过配线耦合到导体线圈236并且构造成一次向一个或多个导体线圈236施加电压，用于以预选的顺序转换导体线圈236，以使转子组件240绕轴线226旋转。如图6所示，电子模块244耦合到定子组件232并且与定子组件232一起定位在由电动机壳体208限定的腔245内。

转子组件240定位在泵壳体206的流体腔228内，并且包括背铁或转子盘246，其至少具有第一轴向表面248(如图7所示)。在该示例性实施例中，转子组件240还包括至少一个永磁体250，其使用粘合剂与叶轮204相对地联接到转子盘246。或者，磁体250可以使用任何有助于如本文所述的电动机组件202的操作的保持方法联接到转子盘246。在另一实施例中，磁体250联接到磁体保持器，磁体保持器继而联接到转子盘246。此外，磁体250是单个环形磁体或多个磁体中的一者。

在该示例性实施例中，转子组件240定位成邻近定子组件232，以在其间限定轴向间隙254(在图7中示出)。此外，叶轮204与定子组件232相对地直接联接到转子组件240，使得叶轮204和转子组件240绕轴线226旋转并且定位在流体腔228内并且浸没在流体腔228内的流体中。更具体地，转子盘246联接到叶轮204。再更具体地，转子盘246联接到叶轮204的背板222。在一个实施例中，转子盘246的轴向表面248以面对面的关系联接到背板222的轴向表面255。在该示例性实施例中，并且如图7所示，转子盘246使用多个紧固件257联接到叶轮背板222上。在另一实施例中，转子组件240与叶轮204一体地形成。更具体地，转子盘246与叶轮204的背板222一体地形成。通常，转子组件240和叶轮204使用任何便于如本文所述的泵组件200的操作的附接装置而直接联接在一起。

在该示例性实施例中，叶轮204包括圆柱形延伸部256，其从背板222朝向电动机壳体208轴向延伸。延伸部256联接到轴承组件238的旋转部件258。旋转部件258外接在轴承组件238的固定部件260周围。在该示例性实施例中，轴承组件238包括流体动力轴承。在另一些实施例中，轴承组件238包括有助于如本文所述的电动机102的操作的任何轴承类型。

如图7最佳所示，电动机壳体208还包括壁262，壁262将流体腔228与定子组件232分开并且至少部分地限定腔245。更具体地，壁262将流体的流动限制在泵壳体206内并且将定子组件232和电子模块244与流体腔228基本上密封。在该示例性实施例中，壁262包括轴向部分264，轴向部分264直接位于导体线圈236的径向内侧，从而在壁轴向部分264和叶轮延伸部256之间形成径向间隙266。如本文所述，间隙266使得流体能够在电动机壳体208的壁262与叶轮204的延伸部256之间流动。此外，壁262还包括径向部分268，径向部分268在定子组件232与转子组件240之间的轴向间隙254内径向延伸。另外，壁262限定流体通道270，其与导体线圈236的径向外侧的流体腔228流体连通。在该示例性实施例中，如下面进一步详细描述的，壁部264和268在流体腔228与收纳定子组件232和电子模块244的电动机腔245之间形成屏障。壁部264和268定位在导体线圈236附近，使得当需要加热时，来自导体线圈236的热量通过壁部264和268传递，以加热流体腔228内的流体。类似地，在操作期间，流过壁262的相对冷的流体用于冷却定子组件232的导体线圈236和定子芯234，并且还用于冷却电子模块244。

在操作中，电子模块244构造成一次向一个或多个导体线圈236施加电压，用于以预选的顺序转换导体线圈236，以使转子组件240绕轴线226旋转。联接到定子芯234的导体线圈236按时间顺序通电，这提供轴向磁场，该轴向磁场根据导体线圈236通电的预定顺序或次序围绕定子芯234顺时针或逆时针移动。该移动磁场与由永磁体250产生的通量场相交，以使转子组件240在期望的方向上相对于定子组件232绕轴线226旋转。

在该示例性实施例中，可以控制施加到导体线圈236的电压，使得导体线圈236内的电能被转换成从线圈236辐射的热能272。此外，频率施加到导体线圈236，以改变转子组件240中的磁通量，使得转子组件240的电磁部件——即转子盘246——被加热。热能272从导体线圈236辐射并且传递到流体腔228内的流体。更具体地，热能272从导体线圈236经壁262的轴向部分264和径向部分268传递到流体腔228内的流体。此外，由于转子组件240定位成靠近定子组件232，所以热能272还有助于加热磁体250和/或转子盘246，使得在磁体250和/或转子盘246的紧密周围的流体的温度升高。如本文所述的泵组件200的感应加热用于防止流体冻结或对已冻结的流体进行除霜。

在该示例性实施例中，泵组件200可位于使得当泵组件200未操作时流体腔228内的流体冻结的环境中。由于转子组件240和叶轮204浸没在流体中，所以当流体冻结时，转子组件240和叶轮204可被锁定到位。在这种情况下，可以以加热导体线圈236而不引起转子组件240旋转的方式施加电压。然后，热能272经壁262传递到冷冻流体和磁体250和/或转子盘246，以便于解冻流体，从而使浸没的转子组件240和叶轮204能够旋转。具体地，热能272传递到轴向间隙254和径向间隙266，以便于加热其中的流体。将转子组件240联接到叶轮204并将转子组件240和叶轮204定位在流体腔228内并且还紧邻定子组件232的导体线圈236使得热能272能够使腔272内的流体升温并且还使磁体250和/或转子盘246升温。此外，将转子组件240浸没在流体腔228内的流体中使转子组件240暴露于流体，这有利于冷却磁体250和/或转子盘246并防止转子组件240超过预定的温度极限。

另外，在标准操作期间，导体线圈236和电子模块244两者都产生热量，其可能需要冷却以防止导体线圈236和电子模块244超过预定的温度极限。在该示例性实施例中，导体线圈236和电子模块244与泵组件200的电动机壳体208一起紧邻流体腔228定位。如上所述，相对冷的流体沿着壁262的轴向部分264和径向部分268流动，使得壁262的温度降低。冷却的壁262降低了电动机腔245的温度，这有利于冷却腔245内的导体线圈236和电子模块244。电动机腔245内的电子模块244和导体线圈236紧邻泵壳体206的流体腔228内的流体有助于降低导体线圈236和电子模块244的温度。

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。转子组件承受来自定子组件的轴向吸力，并且叶轮承受来自流过其中的流体的轴向吸力。如本文所述，轴向吸力作用在轴向磁力的反方向上以减小力的总和，这有利于延长电动机组件、特别是轴承组件的使用寿命。

此外，直接联接转子组件和叶轮并将转子组件定位成邻近定子组件使得能够将热量从定子组件传递到转子组件和泵内的流体。更具体地，电压施加到定子组件的多个导体线圈而使导体线圈升温。热能从导体线圈辐射并经电动机壳体的壁传递到转子组件并且传递到转子组件浸没在其中的流体，以便于使流体和转子组件升温。另外，将转子组件浸没在流体中使转子组件暴露于流体，这有利于冷却转子组件的部件并防止转子组件过热。此外，电动机腔内的电子模块和导体线圈紧邻泵壳体的流体腔内的流体有利于冷却导体线圈和电子模块。

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，确切而言，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。

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。