DE102018122292A1

DE102018122292A1 - Zentrifugalpumpenanordnungen mit Axialflux-Elektromotor und Verfahren zu deren Montage

Info

Publication number: DE102018122292A1
Application number: DE102018122292.0A
Authority: DE
Inventors: Samuel Augustin Dieckhaus; Teng WU; Matthew James TURNER; Jason Jon Kreidler
Original assignee: Regal Beloit Australia Pty Ltd; Regal Beloit America Inc
Current assignee: Regal Beloit Australia Pty Ltd; Regal Beloit America Inc
Priority date: 2017-09-14
Filing date: 2018-09-12
Publication date: 2019-03-14
Also published as: US20190078571A1; CN109510369B; CN109510369A; US10605245B2

Abstract

Eine Elektromotoranordnung umfasst eine Statoranordnung und eine Rotoranordnung, die benachbart zu der Statoranordnung angeordnet ist, um dazwischen einen axialen Spalt zu bilden. Die Statorbaugruppe ist so ausgebildet, dass sie eine erste axiale Kraft auf die Rotorbaugruppe induziert. Die Elektromotoranordnung umfasst auch ein Laufrad, das direkt mit der Rotorbaugruppe gegenüber der Statorbaugruppe gekoppelt ist, so dass die Rotorbaugruppe und das Laufrad um eine Achse drehbar sind. Eine durch das Laufrad geleitete Flüssigkeit induziert eine zweite axiale Kraft auf das Laufrad. Die Elektromotoranordnung umfasst ferner eine hydrodynamische Lageranordnung, die ein mit der Rotoranordnung gekoppeltes Drehelement und ein stationäres Element umfasst, das das Drehelement zumindest teilweise derart umgibt, dass eine Drehung des Drehelements in Bezug auf das stationäre Element konfiguriert ist, eine dritte axiale Kraft auf die Rotorbaugruppe zu induzieren.

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der nicht vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 15 / 704,750 , eingereicht am 14. September 2017, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme vollständig aufgenommen wird.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Das Gebiet der Offenbarung betrifft im Allgemeinen Zentrifugalpumpenanordnungen und insbesondere Zentrifugalpumpenanordnungen, die einen mit einem Laufrad gekoppelten Axialfluss-Elektromotor umfassen.
Zumindest einige bekannte Zentrifugal pumpen umfassen ein Laufrad zum Leiten eines Fluids durch die Pumpe. Das Laufrad ist mit einer Welle gekoppelt, die auch mit einem Rotor eines Elektromotors gekoppelt ist, so dass eine Drehung des Rotors eine Drehung des Laufrads verursacht. Bei zumindest einigen bekannten Elektromotoren ist der Rotor von einem Stator derart beabstandet, dass in einer ersten Richtung eine ständig vorhandene axiale Anziehungskraft zwischen den Magneten am Rotor und dem Stahlkern des Stators vorhanden ist. Zusätzlich überträgt das rotierende Laufrad während des Rotierens kinetische Energie in das gepumpte Fluid, wodurch der Druck des Fluids erhöht wird. Mit zunehmendem Druck wirkt eine axiale Saugkraft in entgegengesetzter Richtung auf das Laufrad. Bei zumindest einigen bekannten Zentrifugalpumpen ist die axiale Ansaugkraft bei Betrieb mit hohen Drehzahlen größer als die axiale Magnetkraft und kann den Rotor vom Stator wegziehen, wodurch der Betrieb des Elektromotors unterbrochen wird.
Zusätzlich kann bei zumindest einigen bekannten Pumpen die axiale Magnetkraft bewirken, dass der Rotor den Stator berührt, wenn die Pumpe nicht in Betrieb ist, und auch nach der Rotationsinitialisierung für eine kurze Zeitdauer, jedoch bevor das Laufrad den Rotor von dem Stator wegzieht. Während der Drehung bei niedriger Geschwindigkeit können sich Rotor und Stator berühren und große Reibungskräfte zwischen den beiden Komponenten verursachen. Solche Reibungskräfte können die Lebensdauer des Elektromotors verkürzen und außerdem unerwünschte Geräusche erzeugen.
KURZE BESCHREIBUNG
Gemäß einem Aspekt wird eine Elektromotoranordnung bereitgestellt. Die Elektromotoranordnung umfasst eine Statoranordnung und eine Rotoranordnung, die benachbart zu der Statoranordnung angeordnet ist, um dazwischen einen axialen Spalt auszubilden. Die Statoranordnung ist konfiguriert, um eine erste axiale Kraft auf die Rotoranordnung zu induzieren. Die Elektromotoranordnung umfasst auch ein Laufrad, das direkt mit der Rotorbaugruppe gegenüber der Statorbaugruppe gekoppelt ist, so dass die Rotorbaugruppe und das Laufrad so konfiguriert sind, dass sie sich um eine Achse drehen. Eine durch das Laufrad geleitete Flüssigkeit induziert eine zweite axiale Kraft auf das Laufrad. Die Elektromotoranordnung umfasst ferner eine hydrodynamische Lageranordnung, die ein mit der Rotoranordnung gekoppeltes Drehelement und ein stationäres Element umfasst, das das Drehelement zumindest teilweise umgibt, so dass die Drehung des Drehelement s in Bezug auf das stationäre Element konfiguriert ist, um eine dritte axiale Kraft auf die Rotorbaugruppe zu induzieren.
Gemäß einem anderen Aspekt wird eine Pumpenanordnung bereitgestellt. Die Pumpenanordnung umfasst ein Pumpengehäuse und eine mit dem Pumpengehäuse gekoppelte Elektromotoranordnung. Die Elektromotoranordnung umfasst eine Rotoranordnung, die benachbart zu einer Statoranordnung angeordnet ist, um dazwischen einen axialen Spalt auszubilden, wobei die Statoranordnung konfiguriert ist, um eine erste axiale Kraft auf die Rotoranordnung zu induzieren. Die Motoranordnung umfasst auch eine hydrodynamische Lageranordnung mit einem Drehelement, das mit der Rotoranordnung gekoppelt ist, und ein stationäres Element, das das Drehelement zumindest teilweise umgibt. Die Drehung des Drehelements in Bezug auf das stationäre Element ist konfiguriert, um eine zweite axiale Kraft auf die Rotoranordnung zu induzieren. Die Pumpenanordnung umfasst auch ein Laufrad, das direkt mit der Rotorbaugruppe gegenüber der Statorbaugruppe gekoppelt ist, so dass die Rotorbaugruppe und das Laufrad so konfiguriert sind, dass sie sich um eine Achse drehen, wobei ein durch das Laufrad kanalisiertes Fluid eine dritte axiale Kraft auf das Laufrad induziert.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Zusammenbauen einer Pumpenanordnung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Koppeln einer Rotoranordnung mit einer Statoranordnung derart, dass ein axialer Spalt dazwischen gebildet wird und derart, dass die Statoranordnung eine erste axiale Kraft auf die Rotoranordnung induziert. Das Verfahren umfasst auch das Koppeln eines Drehelements einer hydrodynamischen Lageranordnung an die Rotoranordnung und das Koppeln eines stationären Elements der hydrodynamischen Lageranordnung in Umfangsrichtung um das Drehelement. Die Drehung des Drehelements in Bezug auf das stationäre Element ist konfiguriert, um eine zweite axiale Kraft auf die Rotoranordnung zu induzieren. Das Verfahren umfasst ferner das Koppeln eines Laufrads direkt an die Rotorbaugruppe gegenüber der Statorbaugruppe, so dass die Rotorbaugruppe und das Laufrad so konfiguriert sind, dass sie sich um eine Achse drehen. Ein durch das Laufrad kanalisiertes Fluid ist so konfiguriert, dass es eine dritte axiale Kraft auf das Laufrad ausübt.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Zentrifugalpumpe, die ein Laufrad, eine Elektromotoranordnung und eine hydrodynamische Lageranordnung darstellt;
2 ist eine Querschnittsansicht der in 1 gezeigten Zentrifugalpumpe;
3 ist eine Querschnittsansicht der in 2 gezeigten Zentrifugalpumpe, wobei ein Teil der hydrodynamischen Lageranordnung der Klarheit halber entfernt ist;
4 ist eine perspektivische Querschnittsansicht der Lageranordnung und des Laufrads;
5 ist eine Querschnittsansicht der Lageranordnung und des Laufrads, die in 4 gezeigt sind;
6 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform einer Lageranordnung, die mit der in 2 gezeigten Zentrifugalpumpe verwendet werden kann;
7 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform einer Lageranordnung, die mit der in 2 gezeigten Zentrifugalpumpe verwendet werden kann;
8 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform einer Lageranordnung, die mit der in 2 gezeigten Zentrifugalpumpe verwendet werden kann; und
9 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform einer Lageranordnung, die mit der in 2 gezeigten Zentrifugalpumpe verwendet werden kann.

Obwohl bestimmte Merkmale verschiedener Ausführungsformen in einigen Zeichnungen gezeigt werden können und in anderen nicht, ist dies nur der Einfachheit halber. Jedes Merkmal einer Zeichnung kann in Verbindung mit irgendeinem Merkmal einer anderen Zeichnung referenziert und / oder beansprucht werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Zentrifugalpumpenanordnung 100. 2 ist eine Querschnittsansicht der Pumpenanordnung 100, die eine Axialfluss-Elektromotoranordnung 102, ein Laufrad 104, eine hydrodynamische Lageranordnung 105 und ein Pumpengehäuse 106 veranschaulicht. 3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Elektromotoranordnung 102 und des Laufrads 104, wobei das Pumpengehäuse 106 und ein Teil der Lageranordnung 105 der Klarheit halber entfernt sind. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst die Pumpenanordnung 100 ein Pumpengehäuse 106, das das Laufrad 104 und mindestens einen Abschnitt der Motoranordnung 102 umgibt. Das Pumpengehäuse 106 umfasst einen Fluideinlass 110 und eine Spiralwand 112, die einen Abschnitt eines Fluidströmungskanals 114 bildet, und einen Fluidauslass 116. Im Betrieb strömt Fluid durch den Einlass 110 und wird durch den Kanal 114 um die Wand 112 herum geleitet, bis das Fluid die Pumpe 100 durch den Gehäuseauslass 116 verlässt.
In der beispielhaften Ausführungsform ist das Laufrad 104 innerhalb des Pumpengehäuses 106 angeordnet und umfasst einen Einlassring 118, der eine Einlassöffnung 120 bildet. Das Laufrad 104 umfasst auch eine hintere Platte 122 und mehrere Schaufeln 124, die zwischen den Einlassring 118 und den hinteren Platte 122 gekoppelt sind. Wie hierin detaillierter beschrieben wird, ist die hintere Platte 122 des Laufrads 102 direkt mit der Motoranordnung 102 gekoppelt, so dass die Motoranordnung 102 dazu ausgebildet ist, das Laufrad 102 um eine Drehachse 126 zu drehen. Im Betrieb dreht der Motor 102 das Laufrad 104 um die Achse 126, um das Fluid in axialen Richtung in das Pumpengehäuse 106 durch den Gehäuseeingang 110 zu ziehen. Das Fluid wird durch die Einlassöffnung 120 in den Einlassring 118 geleitet und durch die Schaufeln 124 innerhalb des Kanals 114 gedreht, um das Fluid entlang der Wand 112 und radial durch den Gehäuseauslass zu leiten. Die durch die Pumpenanordnung 100 bewegte Fluidmenge steigt mit zunehmender Drehzahl des Laufrads 104 an, so dass das Laufrad 104 einen Fluidstrom mit hoher Geschwindigkeit erzeugt, der aus dem Auslass ausgestoßen wird 116.
Das Laufrad 104 induziert kinetische Energie in das gepumpte Fluid, wenn es sich dreht, wodurch das Fluid unter Druck gesetzt wird. In der beispielhaften Ausführungsform übt das unter Druck stehende Fluid eine axiale Saugkraft 128 auf das Laufrad 104 aus. Die axiale Kraft 128 wirkt in axialer Richtung von der Motoranordnung 102 weg durch den Pumpengehäuseinlass 110. Wenn die Drehzahl des Laufrads 104 ansteigt, steigt sowohl der Druck des Fluids als auch die resultierende axiale Saugkraft 128 entsprechend. Das heißt, die Größe der axialen Saugkraft 128 basiert auf der Drehzahl des Laufrads 104. Wie hier beschrieben, werden mit zunehmender Größe der axialen Kraft 128 das Laufrad 104 und ein Abschnitt der Motoranordnung 102 in Richtung des Einlasses 110 gezogen.
In der beispielhaften Ausführungsform umfasst die Motoranordnung 102 eine Statoranordnung 130, die ein Statorgehäuse 132, einen magnetischen Statorkern 134 und eine Vielzahl von Leiterspulen 136. Das Statorgehäuse 132 ist mit dem Pumpengehäuse 106 und Statorkern 134 gekoppelt, und mehrere Leiterspulen 136 sind innerhalb des Statorgehäuses 132 angeordnet. Die Motoranordnung 102 umfasst auch die Lageranordnung 105 und eine Rotoranordnung 140. Jede Leiterspule 136 umfasst eine Öffnung (nicht gezeigt), die sich eng an eine Außenform mehrerer Statorkernzähne 142 anpasst, so dass jeder Statorzahn 142 so konfiguriert ist, dass er innerhalb einer Leiterspule 136 angeordnet ist. Die Motoranordnung 102 kann eine Leiterspule 136 pro Statorzahn 142 oder eine Leiterspule 136 umfassen, die an jedem anderen Zahn 142 angeordnet ist. Statorkern 134 und Spulen 136 sind innerhalb des Statorgehäuses 132 angeordnet, das mit mehreren Befestigungselementen 144 mit dem Pumpengehäuse 106 gekoppelt ist.
In der beispielhaften Ausführungsform liefert ein Frequenzumrichter (nicht gezeigt) ein Signal, beispielsweise ein pulsbreitenmoduliertes (PWM) Signal, an den Motor 102. In einer alternativen Ausführungsform kann der Motor 102 eine Steuerung (nicht gezeigt) enthalten, die durch Verdrahtung mit den Leiterspulen 136 verbunden ist. Die Steuerung ist so konfiguriert, dass sie gleichzeitig eine Spannung an eine oder mehrere der Leiterspulen 136 anlegt, um die Leiterspulen 136 in einer vorgewählten Reihenfolge zu kommutieren, um die Rotoranordnung 140 um die Achse 126 zu drehen.
Die Rotoranordnung 140 ist innerhalb des Pumpengehäuses 106 in der Nähe des Kanals 114 angeordnet und umfasst eine hintere Eisen- oder Rotorscheibe 146 mit mindestens einer ersten axialen Oberfläche 148. Die Rotoranordnung 140 umfasst auch einen Magnethalter 150, der mit dem Rotor 104 gegenüber dem Laufrad 104 gekoppelt ist und mehrere Permanentmagneten 152, die unter Verwendung eines Klebstoffs mit dem Magnethalter 150 gekoppelt sind. Alternativ können die Magneten 152 mit dem Magnethalter 150 unter Verwendung irgendeines Rückhalteverfahrens gekoppelt sein, das den Betrieb des Motors 102, wie hierin beschrieben, erleichtert. In einer anderen Ausführungsform sind die Magneten 152 direkt mit der Rotorscheibe 146 gekoppelt.
In der beispielhaften Ausführungsform ist die Rotoranordnung 140 neben der Statoranordnung 130 angeordnet, um dazwischen einen axialen Spalt 154 zu bilden. Wie oben beschrieben, wird an die Wicklungen 136 der Reihe nach eine Spannung angelegt, um die Drehung der Rotoranordnung 140 zu bewirken. Insbesondere steuern die Wicklungen 136 den Fluss des magnetischen Flusses zwischen dem magnetischen Statorkern 134 und den Permanentmagneten 152. Die Magneten 152 werden vom magnetischen Statorkern 134 angezogen so dass eine axiale Magnetkraft 156 über dem Spalt 154 immer vorhanden ist. Als solcher induziert der Statorkern 134 der Statoranordnung 130 eine axiale Magnetkraft 156 in einer axialen Richtung vom Laufrad 104 weg zu der Rotoranordnung 140. Genauer gesagt, die axiale Magnetkraft 156 wirkt in einer der axialen Ansaugkraft 128 des Laufrads 104 entgegengesetzten Richtung. Wenn die Größe des axialen Spalts 154 abnimmt, steigt die axiale Magnetkraft 156 zwischen der Statoranordnung 133 und der Rotoranordnung 140 an. Das heißt, die Größe der axialen Magnetkraft 156 basiert auf einer Länge des axialen Spalts 154. In ähnlicher Weise steigt mit der Geschwindigkeit des Laufrads 104 auch die axiale Saugkraft 128 gegenüber der magnetischen Kraft 152.
Wie am besten in 3 gezeigt ist, ist das Laufrad 104 direkt mit der Rotorbaugruppe 140 gegenüber der Statorbaugruppe 130 gekoppelt, so dass das Laufrad 104 die Rotorbaugruppe 140 berührt, um eine Drehung des Laufrads 104 und der Rotorbaugruppe 140 um die Achse 126 zu ermöglichen. Wie hier verwendet, soll der Begriff „direkt“ beschreiben, dass die Rotoranordnung 140 mit dem Laufrad 104 ohne irgendeine dazwischen angeordnete Struktur gekoppelt ist, um die Rotoranordnung 140 vom Laufrad 104 zu trennen. Insbesondere ist die Rotorscheibe 146 direkt mit dem Laufrad 104 gekoppelt. Noch genauer ist die Rotorscheibe 146 direkt mit der hinteren Platte 122 des Laufrads 104 gekoppelt. In einer Ausführungsform ist die axiale Oberfläche 148 der Rotorscheibe 146 mit einer axialen Oberfläche 164 der hinteren Platte 122 in einer direkten Beziehung gekoppelt und berührt diese direkt. In der beispielhaften Ausführungsform und wie in 3 gezeigt ist, ist die Rotorscheibe 146 unter Verwendung mehrerer Befestigungselemente 166 mit der Laufradplatte 122 gekoppelt. In einer anderen Ausführungsform ist die Rotoranordnung 140 einstückig mit dem Laufrad 104 ausgebildet. Insbesondere ist die Rotorscheibe 146 vorgesehen integral mit der hinteren Platte 122 des Laufrads 104 ausgebildet, so dass die Rotorscheibe 146 und die hintere Platte 122 eine einzige monolithische Komponente bilden. Im Allgemeinen sind die Rotoranordnung 140 und das Laufrad 104 unter Verwendung einer beliebigen Befestigungseinrichtung, die den Betrieb der Pumpenanordnung 100 wie hierin beschrieben erleichtert, direkt miteinander gekoppelt. Wie oben beschrieben, enthalten herkömmliche Pumpen eine Welle, die die Rotoranordnung mit dem Laufrad koppelt. Bei einer hier beschriebenen Ausführungsform, wie in den 2 und 3 gezeigt, umfasst die Pumpenanordnung 100 jedoch keine Welle, die zwischen der Rotoranordnung 140 und dem Laufrad 104 gekoppelt ist, da das Laufrad 104 direkt mit der Rotoranordnung 140 gekoppelt ist und diese berührt.
Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, umfasst die Lageranordnung 105 ein Drehelement 170, das mit der Rotorscheibe 146 mit mehreren Befestigungselementen 162 und einem stationären Element 172 verbunden ist, das das Drehelement 170 zumindest teilweise umschreibt. Außerdem weist die Lageranordnung 105 einen Lagerträger 174 auf, der mit dem Statorgehäuse 132 der Statoranordnung 130 gekoppelt ist. Der Lagerträger 174 bildet einen Hohlraum 176 aus, in dem das Drehelement 170 und das stationäre Element 172 zumindest teilweise untergebracht sind. Wie hierin beschrieben, induziert die Drehung des Drehelements 170 in Bezug auf das stationäre Element 172 eine axiale Hubkraft 175 an der Rotoranordnung 140. Insbesondere ist die Lageranordnung 105 eine hydrodynamische Lageranordnung, und die Drehung des Drehelements 170 relativ zu dem stationären Element 172 induziert die axiale Hubkraft 175, die bewirkt, dass sich das drehende Element 170 axial in Richtung der axialen Hubkraft 175 und der axialen Magnetkraft 156 bewegt. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Summe der axialen Hub- und Magnetkräfte 156 und 175 im Wesentlichen gleich der axialen Saugkraft 128 um die Größe des Luftspalts 154 zu steuern. Somit verhindert das Ausgleichen der axialen Kräfte 128, 156 und 175 ein Trennen der Rotoranordnung 140 von der Statoranordnung 130.
4 ist eine perspektivische Querschnittsansicht der Lageranordnung 105 und des Laufrads 104, und 5 ist eine Querschnittsansicht der Lageranordnung 105 und des Laufrads 104. In der beispielhaften Ausführungsform weist das Drehelement 170 ein erstes Ende 178 auf, ein gegenüberliegendes zweites Ende 180 und einen zylindrischen Körper 182, der sich dazwischen erstreckt. Das erste Ende 178 umfasst eine Scheibe 184, die direkt mit sowohl der Rotoranordnung 140 als auch dem Laufrad 104 gekoppelt ist, und das zweite Ende 180 umfasst eine rotierende Lagerplatte 186, die innerhalb des Hohlraums 176 des Lagerträgers 174 angeordnet ist. Das stationäre Element 172 umfasst ein erstes Ende 188, das in der Nähe des ersten Endes 178 des Drehelementes angeordnet ist, ein zweites Ende 190 mit einer stationären Lagerplatte 192, die benachbart zu der rotierenden Lagerplatte 186 innerhalb des Hohlraums 176 angeordnet ist, und einem röhrenförmigen Körper 194, der sich zwischen den Enden 188 und 190 erstreckt. Der Körper 194 des stationären Elements 172 umgibt den Körper 182 des Drehelements 170. Ferner umfasst in der beispielhaften Ausführungsform das erste Ende 188 des stationären Elements 172 ein sich verjüngendes Ende. In alternativen Ausführungsformen umfasst das erste Ende 188 ein im Wesentlichen flaches oder planares Ende (wie in 6 gezeigt). In anderen alternativen Ausführungsformen umfasst das erste Ende 188 des stationären Elements 172 eine Endplatte (wie in 7 gezeigt), die sich radial entlang der Scheibe 184 des Drehelements 170 erstreckt. Im Allgemeinen umfasst das erste Ende 188 des stationären Elements 172 jegliche Geometrie, die eine Unterstützung für das Drehelement 170 gegen die axiale magnetische Last 156 bereitstellt und den Kontakt der Rotoranordnung 140 und der Statoranordnung 130 verhindert.
In der beispielhaften Ausführungsform induziert die Drehung der rotierenden Lagerplatte 180 relativ zu der stationären Lagerplatte 190 eine axiale Hubkraft 175 und bewirkt, dass sich die rotierende Lagerplatte 180 von der stationären Lagerplatte 190 „hebt“, um dazwischen einen axialen Spalt 196 zu definieren.
Wie in den 4 und 5 gezeigt, umfasst die Lageranordnung 105 auch eine Endkappe 198, die mit dem Lagerträger 174 gegenüber der Rotoranordnung 140 gekoppelt ist. Die Endkappe 198 umfasst eine Endplatte 200, die mit dem Lagerträger 174 gekoppelt ist, und ein Abstandselement 202, das sich axial von der Endplatte 200 in den Hohlraum des Lagerträgers 174 und in Richtung der rotierenden Lagerplatte 186 erstreckt. In der beispielhaften Ausführungsform steuert das Abstandselement 202 die Größe des Luftspalts 154 zwischen der Rotoranordnung 140 und der Statoranordnung 130 (alle in 3 gezeigt). Wie hier beschrieben, induzieren die hydrodynamischen Eigenschaften der Lagerbaugruppe 105 insbesondere eine axiale Axialkraft 175 am Drehelement 170 und damit die Rotorbaugruppe 140 bei hohen Betriebsdrehzahlen, was die Rotorbaugruppe 140 näher an die Statorbaugruppe 130 zieht und die Größe des Luftspaltes 154 verringern kann. Zusätzlich wird die Rotoranordnung 140, wenn sie nicht in Betrieb ist, durch die axiale Magnetkraft 156 in Richtung der Statoranordnung 130 gezogen, und die axiale Saugkraft 128 liefert keine Gegenkraft. In der beispielhaften Ausführungsform steht das Abstandselement 202 mit der rotierenden Lagerplatte 182 in Eingriff, um die axiale Bewegung des Drehelements 170 und der Rotoranordnung 140 zu steuern, um einen Kontakt zwischen der Rotoranordnung 140 und der Statoranordnung 130 zu verhindern, sowohl bei Betrieb mit hohen Geschwindigkeiten als auch, wenn die Motoranordnung 102 nicht betriebsbereit ist. Wie in 5 gezeigt ist, greift das Abstandselement 202 in eine Ausnehmung 204 ein, die in der rotierenden Lagerplatte 186 ausgebildet ist, um die axiale Bewegung des Drehelements 170 und der Rotoranordnung 140 und damit die Größe des axialen Spaltes 256 zu steuern. In einer alternativen Ausführungsform umfasst das Abstandselement 202 eine röhrenförmige Struktur (wie in 8 gezeigt), die mit der rotierenden Lagerplatte 182 in Eingriff steht. In einer weiteren alternativen Ausführungsform umfasst das Abstandselement 202 eine im Wesentlichen massive zylindrische Struktur (wie in 9 gezeigt), die mit der rotierenden Lagerplatte 182 in Eingriff steht. Im Allgemeinen weist das Abstandselement 202 eine beliebige Geometrie auf, die es ermöglicht, dass die Lageranordnung 105 wie hier beschrieben arbeitet.
Im Betrieb werden die mit dem Statorkern 134 gekoppelten Leiterspulen 136 in einer zeitlichen Reihenfolge erregt, der ein axiales Magnetfeld erzeugt, das sich im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn um den Statorkern 134 bewegt, abhängig von der vorbestimmten Reihenfolge oder Abfolge, in der sich die Leiterspulen 136 erregt werden. Dieses sich bewegende Magnetfeld schneidet das von mehreren Permanentmagneten 152 erzeugte Flussfeld, um zu bewirken, dass sich die Rotoranordnung 140 um die Achse 126 relativ zur Statoranordnung 133 in der gewünschten Richtung dreht. Wie oben beschrieben, erzeugt die magnetische Anziehungskraft zwischen dem Statorkern 134 und den Magneten 152 eine axiale Magnetkraft 156, die in einer vom Laufrad 104 weggerichteten Richtung wirkt. Da die Rotorscheibe 146 direkt mit dem Laufrad 104 gekoppelt ist, bewirkt die Drehung der Rotorscheibe 146 eine Drehung des Laufrads 104. Wie oben beschrieben, setzt die Drehung des Laufrads 104 das durchströmende Fluid unter Druck, wodurch die axiale Saugkraft 128 am Laufrad 104 in eine Richtung von der Rotoranordnung 140 weg und entgegengesetzt zu der axialen Magnetkraft 156 induziert wird. Weiterhin induziert die Rotation des Drehelements 170 in Bezug auf das stationäre Element 172 die axiale Hubkraft 175 an der Rotoranordnung 140 und magnetisiert die Rotoranordnung 140 in der gleichen Richtung wie die axiale Magnetkraft 156 vor.
In der beispielhaften Ausführungsform ist die Summe der axialen Hubkraft 175 und der axialen Magnetkraft 156 und 175 im Wesentlichen gleich der axialen Saugkraft 128. Somit sind die axialen Kräfte 128, 156 und 175 im Wesentlichen ausgeglichen, um die Größe des Luftspalts 156 zu steuern, um eine ausgedehnte Trennung der Rotoranordnung 140 von der Statoranordnung 130 zu verhindern und auch einen Kontakt zwischen der Rotoranordnung 140 und der Statoranordnung 130 zu verhindern. Eine solche Steuerung des axialen Spalts 156 erleichtert die Verlängerung der Lebensdauer der Pumpenanordnung 100 und insbesondere der Motoranordnung 102.
Beispielhafte Ausführungsformen der Zentrifugalpumpenanordnung sind oben im Detail beschrieben. Die Zentrifugalpumpenanordnung und ihre Komponenten sind nicht auf die hier beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt, vielmehr können Komponenten der Systeme unabhängig und getrennt von anderen hierin beschriebenen Komponenten verwendet werden. Zum Beispiel können die Komponenten auch in Kombination mit anderen Maschinensystemen, Verfahren und Vorrichtungen verwendet werden und sind nicht darauf beschränkt, nur mit den hier beschriebenen Systemen und Vorrichtungen betrieben zu werden. Vielmehr können die beispielhaften Ausführungsformen in Verbindung mit vielen anderen Anwendungen implementiert und verwendet werden.
Obwohl spezifische Merkmale verschiedener Ausführungsformen der Offenbarung in einigen Zeichnungen gezeigt und in anderen nicht gezeigt sein können, dient dies nur der Einfachheit. Gemäß den Grundsätzen der Offenbarung kann auf ein beliebiges Merkmal einer Zeichnung in Verbindung mit einem beliebigen Merkmal einer anderen Zeichnung Bezug genommen und / oder beansprucht werden.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Art, zu offenbaren, und um es jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen, einschließlich der Herstellung und Verwendung von beliebigen Vorrichtungen oder Systemen und der Durchführung von eingeschlossenen Verfahren. Der patentierbare Umfang der Erfindung wird durch die Ansprüche gebildet und kann andere Beispiele einschließen, die dem Fachmann auf dem Gebiet in den Sinn kommen. Solche andere Beispiele sollen in den Schutzbereich der Ansprüche fallen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich nicht vom Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden zu den wörtlichen Sprachen der Ansprüche enthalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 15/704750 [0001]

Claims

Elektromotoranordnung, umfassend: eine Statoranordnung; eine Rotoranordnung, die benachbart zu der Statoranordnung angeordnet ist, um dazwischen einen axialen Spalt zu bilden, wobei die Statoranordnung so ausgebildet ist, dass sie eine erste axiale Kraft auf die Rotoranordnung ausübt; ein Laufrad, das direkt mit der Rotorbaugruppe gegenüber der Statorbaugruppe gekoppelt ist, so dass die Rotorbaugruppe und das Laufrad um eine Achse drehbar miteinander verbunden sind, wobei ein durch das Laufrad kanalisiertes Fluid eine zweite axiale Kraft auf das Laufrad induziert; und eine hydrodynamische Lageranordnung, die ein Drehelement umfasst, das mit der Rotoranordnung gekoppelt ist, und ein stationäres Element, das das Drehelement zumindest teilweise umschreibt, so dass eine Drehung des Drehelements in Bezug auf das stationäre Element dazu veranlasst wird, eine dritte axiale Kraft auf die Rotoranordnung zu induzieren.
Elektromotoranordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Axialkraft auf die Rotorbaugruppe in einer ersten Richtung wirkt, die zweite Axialkraft auf das Laufrad in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung wirkt und die dritte Axialkraft auf diese Rotoranordnung in der ersten Richtung wirkt.
Elektromotoranordnung nach Anspruch 2, bei der die Summe der ersten Axialkraft und der dritten Axialkraft im Wesentlichen der zweiten Axialkraft ähnlich ist.
Elektromotoranordnung nach Anspruch 1, wobei das Drehelement ein erstes Ende umfasst, das mit der Rotorbaugruppe gekoppelt ist, ein zweites Ende, das eine rotierenden Lagerplatte umfasst, und einen Körper, der sich zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende erstreckt, wobei die Drehung der rotierenden Lagerplatte in Bezug auf das stationäre Element so ausgebildet ist, dass sie die dritte axiale Kraft induziert.
Elektromotoranordnung nach Anspruch 4, wobei das stationäre Element ein erstes Ende aufweist, das nahe dem ersten Ende des Drehelements angeordnet ist, und ein zweites Ende, das eine stationäre Lagerplatte umfasst, die neben der rotierenden Lagerplatte angeordnet ist, um dazwischen einen zweiten axialen Spalt zu bilden.
Elektromotoranordnung nach Anspruch 5, wobei das erste Ende des stationären Elements ein sich verjüngendes Ende oder eine Endplatte aufweist.
Elektromotoranordnung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Lagerträger, der mit der Statorbaugruppe gekoppelt ist und einen Hohlraum bildet, wobei mindestens ein Abschnitt des Drehelements und mindestens ein Abschnitt des stationären Elements innerhalb des Hohlraums angeordnet sind.
Elektromotoranordnung nach Anspruch 7, ferner umfassend eine Endkappe, die mit dem Lagerträger gekoppelt ist, wobei die Endkappe ein Abstandselement umfasst, das so konfiguriert ist, dass es mit dem Drehelement in Eingriff steht, um den axialen Spalt zu definieren.
Elektromotoranordnung nach Anspruch 8, wobei der Abstandshalter in eine Ausnehmung eingreift, die in dem Drehelement ausgebildet ist.
Eine Pumpenanordnung, umfassend: ein Pumpengehäuse; eine Elektromotoranordnung, die mit dem Pumpengehäuse gekoppelt ist, wobei die Elektromotoranordnung Folgendes umfasst: eine Statoranordnung;eine Rotoranordnung, die benachbart zu der Statoranordnung angeordnet ist, um dazwischen einen axialen Spalt zu definieren, wobei die Statoranordnung so ausgebildet ist, dass sie eine erste axiale Kraft auf die Rotoranordnung ausübt; und eine hydrodynamische Lageranordnung, umfassend ein Drehelement, das mit der Rotoranordnung gekoppelt ist, und ein stationäres Element, das das Drehelement zumindest teilweise umschreibt, so dass eine Drehung des Drehelements in Bezug auf das stationäre Element dazu veranlasst wird, eine zweite axiale Kraft auf die Rotoranordnung zu induzieren; und ein Laufrad, das direkt mit der Rotorbaugruppe gegenüber der Statorbaugruppe gekoppelt ist, so dass die Rotorbaugruppe und das Laufrad um eine Achse drehbar sind, wobei ein von dem Laufrad geleitetes Fluid eine dritte axiale Kraft auf das Laufrad induziert.
Pumpenanordnung nach Anspruch 10, wobei die erste Axialkraft auf die Rotoranordnung in einer ersten Richtung wirkt, die dritte Axialkraft auf das Laufrad in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung wirkt und die zweite Axialkraft auf den Rotor wirkt Anordnung in der ersten Richtung, und wobei die Summe der ersten Axialkraft und der zweiten Axialkraft im Wesentlichen der dritten Axialkraft ähnlich ist.
Pumpenanordnung nach Anspruch 10, wobei das Drehelement ein erstes Ende aufweist, das mit der Rotoranordnung gekoppelt ist, ein zweites Ende, das eine rotierenden Lagerplatte umfasst, und einen Körper, der sich zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende erstreckt, wobei die Drehung der rotierenden Lagerplatte in Bezug auf das stationäre Element ist dazu eingerichtet ist, die zweite axiale Kraft zu induzieren.
Pumpenanordnung nach Anspruch 12, wobei das stationäre Element ein erstes Ende aufweist, das in der Nähe des ersten Endes des Drehelements angeordnet ist, und ein zweites Ende, das eine stationäre Lagerplatte umfasst, die benachbart zu der rotierenden Lagerplatte angeordnet ist, um dazwischen einen zweiten axialen Spalt zu bilden.
Pumpenanordnung nach Anspruch 10, ferner umfassend einen Lagerträger, der mit der Statoranordnung gekoppelt ist und einen Hohlraum ausbildet, wobei mindestens ein Teil des Drehelements und mindestens ein Teil des stationären Elements innerhalb des Hohlraums angeordnet sind.
Pumpenanordnung nach Anspruch 14, ferner umfassend eine Endkappe, die mit dem Lagerträger gekoppelt ist, wobei die Endkappe ein Abstandselement umfasst, das zum Eingriff mit dem Drehelement ausgebildet ist, um den axialen Spalt zu bilden.
Verfahren zum Zusammenbauen einer Pumpenanordnung, wobei das Verfahren umfasst: Koppeln einer Rotorbaugruppe an eine Statorbaugruppe, so dass dazwischen ein axialer Spalt ausgebildet ist, wobei die Statorbaugruppe eine erste axiale Kraft auf die Rotorbaugruppe induziert; Koppeln eines rotierenden Elements einer hydrodynamischen Lageranordnung an die Rotoranordnung; Koppeln eines stationären Elements der hydrodynamischen Lageranordnung in Umfangsrichtung um das Drehelement, wobei die Drehung des Drehelements bezüglich des stationären Elements so konfiguriert ist, dass es eine zweite axiale Kraft auf die Rotoranordnung ausübt; Koppeln eines Laufrads direkt an die Rotorbaugruppe gegenüber der Statorbaugruppe, so dass die Rotorbaugruppe und das Laufrad um eine Achse drehbar sind, wobei ein durch das Laufrad kanalisiertes Fluid so beschaffen ist, dass es eine dritte axiale Kraft auf das Laufrad ausübt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Koppeln der Rotorbaugruppe das Koppeln der Rotorbaugruppe derart umfasst, dass die erste axiale Kraft auf die Rotorbaugruppe in einer ersten Richtung wirkt, wobei das Koppeln des stationären Elements das Koppeln des stationären Elements derart umfasst, dass die zweite axiale Kraft vorliegt auf die Rotoranordnung in der ersten Richtung wirkt, und wobei das Koppeln des Laufrads das Koppeln des Laufrads derart umfasst, dass die dritte axiale Kraft in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung auf das Laufrad wirkt, wobei sich die Summe aus der ersten axialen Kraft und der zweiten axialen Kraft ergibt Die Kraft ist im Wesentlichen ähnlich wie die dritte Axialkraft.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Koppeln des Drehelements das Koppeln eines ersten Endes des Drehelements mit der Rotorbaugruppe umfasst, so dass eine rotierenden Lagerplatte an einem zweiten Ende der Drehbaugruppe von der Rotorbaugruppe beabstandet ist, wobei die Drehung der rotierenden Lagerplatte in Bezug auf das stationäre Element eingerichtet ist, die zweite axiale Kraft zu induzieren.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Koppeln des stationären Elements das Koppeln eines ersten Endes des stationären Elements in der Nähe des ersten Endes des Drehelements und das Koppeln einer stationären Lagerplatte an einem zweiten Ende des stationären Elements neben der rotierenden Lagerplatte umfasst, um einen zweiten axialen Spalt dazwischen zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 16, weiterhin umfassend: Koppeln eines Lagerträgers an die Statorbaugruppe derart, dass mindestens ein Teil des Drehelements und mindestens ein Teil des stationären Teils in einem durch den Lagerträger ausgebildeten Hohlraum angeordnet sind; und Koppeln einer Endkappe an den Lagerträger, wobei die Endkappe ein Abstandselement umfasst, das zum Eingriff mit dem Drehelement ausgebildet ist, um den axialen Spalt zu bilden.