具有整体冷却的电机及独立控制的转子速度的模块化多级整体密封电动泵制造技术

一种整体电动泵模块，其将其转子排量的至少90％引导在其电机壳体表面的至少50％上，从而在很少需要或不需要单独的流动路径的情况下冷却电机。所述排放物可以流过形成在所述电机壳体和泵壳体之间的环形空间，并且可以在所述电机壳体的基本上所有侧和后部上延伸。所述转子可以固定到旋转轴上，或者围绕固定轴旋转，该固定轴可以螺纹连接到所述电机和/或模块壳体中。多个模块可以组合成多级泵，其中转子速度由相应的变频驱动器独立地控制。所述电机可以是径向或轴向永磁体或感应电机。单独的冷却流可以例如在泵送加热的处理流体时提供额外的冷却。实施方式包括导向叶片和/或扩散器。

Modular multistage integral seal electric pump with integral cooling motor and independently controlled rotor speed

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有整体冷却的电机及独立控制的转子速度的模块化多级整体密封电动泵相关申请本申请要求2017年10月25日提交的美国申请No.15/793,457的优先权，其通过引用整体并入本文用于所有目的。
本专利技术涉及泵，更具体地，涉及整体密封的电动泵。
技术介绍
在传统的叶片泵(rotodynamicpump)设计中，流体流动和压力由在固定泵壳内旋转的叶轮产生。驱动转子所需的扭矩由外部驱动器提供并通过旋转轴传递到叶轮。通过增加串联的多个叶轮级并使用更大的驱动器以通过相同的轴向所有级提供扭矩，可以实现更高的压力。轴的直径必须更大并且轴的长度必须更长，以适应所有转子级的组合的扭矩和轴向长度。具有高级数或垂直布置的泵可使用非常长的轴，这导致与轴偏转和临界速度相关的各种转子动力问题。此外，需要动态密封件来保持旋转轴穿透固定泵壳的位置处的压力边界。这些密封件是泄漏和其它失效模式的来源。此外，需要刚性基板以允许泵和电机安装并彼此对准，从而避免振动问题。即使具有刚性基板，泵上的喷嘴负载也会引起驱动电机和机械密封件之间的对准问题。通过不包括轴密封件的设计，消除了传统泵的这些问题中的一些问题。例如，磁耦合传动不需要泵轴上的动态密封，因为电机的驱动扭矩通过泵壳体磁耦合到内轴。然而，这些设计仍然存在由于使用单个长轴来驱动所有泵级而产生的问题，并且它们仍然需要仔细地将电机与泵壳体对准，以便尽可能有效地联接电机和泵轴。即使这样，由于在电机和泵轴之间缺乏物理联接，也损失了大量的能量。而且，用于磁耦合的部件和产品润滑的轴承增加了设计的复杂性。另一种避免动态密封的方法是将电机本身包括在泵壳内。这些所谓的"密封电机"方法中的一些方法使用径向电机设计，使得永磁体附接在转子的外径处或附近，并且电磁定子围绕转子。其它方法采用轴向马达设计，使得盘形或"薄饼(pancake)"永磁无刷DC电机包括在离心泵的壳体内，以提供高功率密度并产生可能的最紧凑和重量轻的单级泵单元。这些所谓的"整体电机"或"密封电机"泵消除了动态轴密封件，但是它们仍然通常仅使用单个轴来驱动所有转子级。此外，由于电机位于泵壳体内部，因此可能难以冷却密封电机。通常，必须在泵内设置特殊的流动路径，以将来自泵排出口的一些工作流体通过浸没产品润滑轴承中的凹槽和/或通过另外适当的路径分流到泵吸入流中，以提取从电机定子产生的热量。分流的工作流体通过来自外部定子壁的对流而被加热，并且将热量携带到吸入室以通过与未分流的工作流体一起被抽走而被排出。然而，当分流的流体从泵排出室通过邻近外部定子壁的通道，并且通过中空的旋转轴、轴承和/或其它合适的路径到达吸入室时，由于流体加热和由于从排出压力到吸入压力的转变而产生的压降的组合，可能发生相变。这种暴露于气相流体会导致过热和/或轴承失效。此外，将泵输出的特定部分分流到冷却流中的要求必然降低泵的效率。用于盘式电动泵的压头产生(headgeneration)和流量输送受到在给定直径下电机可产生的扭矩量的限制。所产生的总压头是转子直径及其旋转速度的函数。对于给定直径和速度而言，流量输送由叶轮宽度确定。旋转速度受到用于驱动电机的逆变器的频率和叶轮入口处可用的NPSH(净正吸入压头)的限制。使用更大直径的叶轮(电机盘)来开发更高的泵压头需要使用更大和更厚的壳体和结构部件来容纳所开发的泵压头压力以及更高的吸入压力。当需要高压头时，一种减小泵壳和部件的尺寸和重量的方法是使用高速运行的小直径叶轮。然而，对于整体盘式电机设计，较小直径的叶轮提供较小的可用盘面积来容纳永磁盘式电机，从而限制了可由电机产生的扭矩。另一个限制是可以输送一定范围的压力和流速的盘式电机设计(磁性转子和定子)的相对不可用性(unavailability)。在传统的泵中，这些限制通常通过在泵内包括多个泵级以及一个大电机以驱动所有级所需的组合转矩来克服。然而，大部分由于与集成电机相关的增加的复杂性，大多数密封电动泵设计是单级泵，或者仅包括驱动固定到公共轴的多个转子的一个电机。然而，由于要求所有转子必须以相同的速率转动，多级泵受到限制。此外，任何一级的故障都将导致整个泵的立即、完全故障。参考图1，在一定程度上减轻这些问题的一种方法是在单个密封电机设计100内包括两个离心泵级，使得每一级由其自己的电机102驱动，并且使得这两级背靠背定位，从而电机102被包括在外壳112内的共同的中心空间内，并且可以由共同的处理流路径(processflowpath)104冷却。在图1所示的例子中，两个转子106朝向相反的方向，并且每个转子包括连接到其后侧的永磁体110。在一些型式中，电机102由单独的变频驱动器("VFD's")114控制且每个转子10围绕单独的固定轴108旋转，而在其它型式中，电机共享共同的控制器和/或轴。通过将两个电机102放置在相同的体积内，在该方法中的冷却路径104仅比单级整体电机设计中的冷却路径稍微复杂，并且使由于将流体分流到冷却路径中而导致的效率损失最小化。然而，这种方法本质上仅限于两级。因此，需要一种整体电动泵设计，其可延伸到多于两级，每一级具有其自己的电动机，而不需要更加复杂的、专用电机冷却流路径。
技术实现思路
公开了一种整体电机泵模块(integralmotorpumpmodule)，其引导处理流体从转子排出到电机壳体的表面上，从而减少或消除对单独的专用电机冷却流路径的任何需要。在实施方式中，进入模块入口的流体的超过80％通过排放路径被引导到模块出口，并且电机壳体的至少20％与排放路径直接接触。在实施方式中，进入模块的流体的超过90％通过排放路径从入口流到出口，并且电机壳体的超过50％与排放路径直接接触。在各种实施方式中，电机壳体的超过80％与排放路径直接接触。在一些实施方式中，电机的中心轴线与转子的旋转轴线基本共线，并且排放路径围绕电机壳体，使得来自转子的处理流体通过形成在电机壳体与泵壳体之间的环形区域轴向地流过电机壳体，由此电机壳体的轴向居中的圆周的至少90％与处理流体直接接触。在实施方式中，基本上整个圆周与处理流体直接接触。在一些实施方式中，模块中的转子固定到旋转轴，而在其它实施方式中，转子在轴承上围绕固定轴旋转，所述固定轴可螺纹连接到电机壳体和/或泵或泵模块壳体中。在另外的实施方式中，没有轴，并且作为替代，叶轮的前部上的磨损环间隙用作主要径向和轴向轴承。在实施方式中，所公开的模块被实现为单级泵，而在其他实施方式中，所公开的多个模块被组合以形成可扩展到任意数量的泵级的多级泵。在这些实施方式的一些中，每一级中的电机可以被独立地驱动，使得每一级的转子速度可以被单独地控制。在一些实施方式中，所公开的泵模块包括径向电机设计，由此多个永磁体附接在转子的周边处或附近，并且转子由电磁定子围绕。在其它实施方式中，所公开的模块包括轴向"盘式"电机，由此多个永磁体附接到转子的后侧，并且在转子旋转时使得多个永磁体靠近轴向相邻的定子的电磁线圈通过。在其它实施方式中的转子包括利用非永磁体的感应电机，例如"鼠笼式"转子线圈，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有整体电机的泵模块，所述泵模块包括：/n模块壳体；/n转子，所述转子悬置在所述模块壳体内，所述转子的正面朝向所述泵模块的近端定向；/n电机，所述电机位于所述模块壳体内，所述电机被构造成驱动所述转子的旋转，所述电机包括：/n电机壳体，所述电机壳体定位于所述模块壳体内；/n定子，所述定子位于所述电机壳体内，所述定子包括被引导朝向所述转子的电磁体；以及/n磁性装置，所述磁性装置固定于所述转子且被配置成在所述转子旋转时接近所述电磁体通过；以及/n处理流路径，所述处理流路径在所述模块壳体与所述电机壳体之间延伸经过所述电机壳体的长度，并且延伸经过所述电机壳体的表面的至少20％，所述处理流路径被构造成使得因所述转子而从模块入口流动经过所述泵模块到达模块出口的处理流体的至少80％流动通过所述处理流动路径并与所述电机壳体直接物理接触。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种具有整体电机的泵模块，所述泵模块包括：
模块壳体；
转子，所述转子悬置在所述模块壳体内，所述转子的正面朝向所述泵模块的近端定向；
电机，所述电机位于所述模块壳体内，所述电机被构造成驱动所述转子的旋转，所述电机包括：
电机壳体，所述电机壳体定位于所述模块壳体内；
定子，所述定子位于所述电机壳体内，所述定子包括被引导朝向所述转子的电磁体；以及
磁性装置，所述磁性装置固定于所述转子且被配置成在所述转子旋转时接近所述电磁体通过；以及
处理流路径，所述处理流路径在所述模块壳体与所述电机壳体之间延伸经过所述电机壳体的长度，并且延伸经过所述电机壳体的表面的至少20％，所述处理流路径被构造成使得因所述转子而从模块入口流动经过所述泵模块到达模块出口的处理流体的至少80％流动通过所述处理流动路径并与所述电机壳体直接物理接触。


2.如权利要求1所述的泵模块，其中，所述转子是离心转子，所述离心转子被配置成将所述处理流体从所述离心转子的中心区域驱动到所述离心转子的外周。


3.根据权利要求1所述的泵模块，其中，所述转子由可旋转轴悬置，并且所述转子固定到所述轴。


4.根据权利要求1所述的泵模块，其中，所述转子由固定轴悬置，并且所述转子构造成围绕所述轴旋转。


5.根据权利要求4所述的泵模块，其中，所述转子通过一对轴承支撑在所述固定轴上，所述一对轴承中的一个轴承保持所述转子的轴向位置，而所述一对轴承中的另一个轴承提供所述转子的径向支撑。


6.根据权利要求4所述的泵模块，其中，所述转子通过单个单向推力轴承支撑在所述固定轴上。


7.根据权利要求4所述的泵模块，其中，所述转子通过由所述处理流体润滑的至少一个轴承支撑在所述固定轴上。


8.根据权利要求4所述的泵模块，其中所述固定轴固定到所述电机壳体和所述模块壳体中的至少一者。


9.根据权利要求4所述的泵模块，其中所述固定轴通过螺纹附接而固定到所述电机壳体和所述模块壳体中的至少一者。


10.根据权利要求1所述的泵模块，其中，固定到所述转子的所述磁性装置是永磁体。


11.根据权利要求1所述的泵模块，其中，固定到所述转子的所述磁性装置是鼠笼式线圈。


12.根据权利要求1所述的泵模块，其中，所述处理流路径在所述电机壳体的表面的至少50％上延伸，并且使得从所述模块入口...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·贾奇，A·德雷斯，N·哈维拉，D·小奥列克松，
申请(专利权)人：福斯管理公司，
类型：发明
国别省市：美国;US