[发明专利]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

说明书

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。

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。

技术领域

本发明涉及泵，更具体地，涉及整体密封的电动泵。

背景技术

在传统的叶片泵(rotodynamic pump)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(head generation)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。