CN114922825A - 一种盘式电机驱动的离心泵结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盘式电机驱动的离心泵结构。包括泵体、泵盖以及置于泵体和泵盖内的转子部件、盘式电机总成，泵体一端开设进口，泵盖封盖连接在泵体另一端上，转子部件、盘式电机总成均装在泵体和泵盖之间形成的内腔中，盘式电机总成套装在转子部件上，通过盘式电机总成驱动转子部件旋转进而产生离心运动，实现离心泵的功能。本发明实现转子的轴向力动态平衡和介质自冷却，具有轴向尺寸及整体重量小、维修性空间要求低、振动噪声性能好、轴向力自平衡及介质自冷却等特点。

Description

一种盘式电机驱动的离心泵结构

技术领域

本发明属于电力驱动水泵领域的一种离心泵结构，具体涉及一种由盘式电机驱动的结构紧凑型水泵。

背景技术

市面上的电力驱动的水泵，基本上采用三相异步电机，通过联轴器或者其他力矩传动器来驱动叶轮，其轴向尺寸一般较大。

通常电机冷却形式绝大部分采用风冷或者外接冷却水冷却，而对于结构较为紧凑、复杂的设备，其运行时实际的散热量难以计算，后期容易造成电机散热困难，影响电机使用效率与寿命。

常规的水泵因叶轮前后盖板压力不平衡，难以实现转子轴向力平衡，加速消耗轴承等易损件的寿命。

现有水泵的结构中叶轮与轴之间的力矩传递路程较长，不利于实现设备的减振降噪要求。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是克服背景技术的不足，提供了一种盘式电机驱动的离心泵结构，该结构具有结构紧凑、设备重量低、轴向占用空间小、轴向力自平衡以及电机散热性能好等优势，其主要适用于船、艇舱室内空间狭小的场合。

本发明主要内容是针对应用盘式电机后对传统离心泵结构进行技术改进，着力解决电机散热、力矩传递与轴向力平衡等问题，具体方案说明如下：

本发明包括泵体、泵盖以及置于泵体和泵盖内的转子部件、盘式电机总成，泵体一端开设进口，泵盖封盖连接在泵体另一端上，转子部件、盘式电机总成均装在泵体和泵盖之间形成的内腔中，盘式电机总成套装在转子部件上，通过盘式电机总成驱动转子部件旋转进而产生离心运动，实现离心泵的功能。

所述的转子部件包括叶轮和泵轴；泵轴一端部通过圆柱销和泵盖内端面固定连接，叶轮同轴可旋转地套装在泵轴上，泵轴两端穿出过叶轮后均套装圆螺母，通过圆螺母将叶轮轴向有限移动地限位安装。

所述的叶轮和泵盖之间布置有盘式电机总成，所述的盘式电机总成包括上转子、定子和下转子，叶轮和泵盖之间固定布置有不旋转的、环形的定子，定子套装在泵轴外且和泵轴、叶轮均不连接，定子和泵盖之间布置有环形的上转子，定子和叶轮之间布置有环形的下转子，定子位于上转子与下转子之间，定子分别和两侧的上转子、下转子之间均不连接、具有间隙；上转子与下转子在径向的内圈部之间固定连接成一体的转子，转子和叶轮固定连接；定子上缠有线圈绕组，上转子和下转子端面贴有永磁体。

所述的上转子在和泵盖之间设有自平衡腔室结构，自平衡腔室结构包括设置泵盖内端面上的内外两道环形凸起以及设置在靠近泵盖的上转子端面上的环形凸起，上转子的环形凸起位于泵盖的内外两道环形凸起之间，上转子的环形凸起紧邻泵盖的外环形凸起布置但具有间隙，泵盖的内环形凸起和上转子端面之间具有间隙。

所述的叶轮在朝向泵体进口的一端开设环形入流口，在外周面开设环形出流口，环形入流口和环形出流口之间通过叶轮内部的环形流道连通形成叶轮内部的叶轮流道，叶轮环形出流口周围的泵体内设有环形腔。

所述的泵盖的内环形凸起和上转子的端面围成泄压腔，泵盖的内外两道环形凸起之间和上转子的端面围成调压腔，泵盖的内环形凸起和上转子端面之间具有的间隙作为径向节流环，上转子的环形凸起和泵盖的外环形凸起之间的间隙作为轴向节流环。

所述的叶轮、上转子和下转子的内圈部设置有相连通的过流孔，泄压腔经过流孔和叶轮内的叶轮流道直接连通。

所述的泵盖在泄压腔处上开设排气口，排气口处安装排气阀。

所述的泵轴一端向泵体进口延伸并在端部通过叶轮螺母安装导流环。

所述的叶轮在朝向泵体进口的端部外周固定套装有叶轮口环，叶轮口环和泵体进口内壁之间存在口环间隙。

所述的定子通过螺钉和接线盖固定连接，接线盖固定在泵体和泵盖端面之间。

所述的接线盖和泵盖之间设有密封圈，通过密封圈实现静密封。

所述的盘式电机总成的上转子和下转子通过键同轴固定于转子部件的叶轮上，直接驱动叶轮旋转。

所述的泵轴的两端均固定套装有推力盘，两端的推力盘之间的泵轴上依次套装有轴套和弹性衬套，轴套和弹性衬套之间的的泵轴上套装定位套，叶轮内孔的两端均通过各自的一个轴承分别套装在轴套、弹性衬套上且和两端的推力盘可旋转地轴向连接。

所述的转子部件中的轴套、轴承及推力盘是耐磨损的碳化硅材料。

所述的实现轴向力动态平衡其原理如下：

叶轮出口介质扬程较高，而盘式电机所处的位置介质扬程相对较低，介质会经过电机转子间隙及电机定子过流孔进入轴向节流环，再流入调压腔室；

此时调压腔室内的压力逐渐升高，克服叶轮前盖板向上的压力后，整个转子部件向下浮动，径向节流环间隙变大，泄去一部分压力，流经转子过流孔、叶轮过流孔，回流进入叶轮入口；

当调压腔室内的压力变小后，由于受叶轮前盖板的压力，整个转子部件向上浮动，径向节流环间隙变小；

如此反复调整，最终达到轴向力的动态平衡，此平衡原理已经在实践中得到了验证。

所述的介质自冷却其其原理如下：电机定子在实际运行过程中，其绕组会产生一定的发热量，而电机总成整个浸没于流体介质中，介质通过各种过流孔流动着带走热量。

本发明主要是为解决背景技术的问题而设计开发的，由盘式电机驱动的离心泵其主要特点是将盘式电机整个浸没于介质中，并放置于泵体内，这一结构有利于电机的散热并减小设备轴向尺寸与整体重量；盘式电机固定在叶轮后盖板上，减小力矩传递路径，直接驱动叶轮旋转，有利于提高设备的振动噪声性能；泵体内部各部件合理布置有节流间隙与过流孔，用于实现轴向力自平衡。

本发明的有益效果是：

本发明能够很好地解决了传统设计难题，突破了传统设计思维，其具有轴向尺寸及整体重量小、维修性空间要求低、振动噪声性能好、轴向力自平衡及介质自冷却等特点。

本发明应用盘式电机具有轴向尺寸小的特点，可应用于轴向安装空间受限的情况；通过设置定子转子过流孔、叶轮过流孔及轴承轴套导流槽等带走定子绕组产生的发热量，增加设备的运行的可靠性与寿命；通过设置泵盖调压环、转子调压环，来实现转子的轴向力动态平衡；通过键连接，使电机直接驱动叶轮旋转做功，减少机械损失，提高振动噪声性能。

本发明优势在于：

1)将传统离心泵机组的电机和泵体集成在一起。整个泵机组的尺寸仅为普通离心泵头大小，在尺寸和重量上均有大幅度的减小。

2)本发明设备结构紧凑，制造成本低。

3)在轴向力平衡上，利用泵前后腔压差以及推力盘结合的形式，实现轴向力自平衡。

4)由于本发明将电机与泵体集成在一起，在对泵进行维修时只需要将泵盖上的螺栓拆下就能更换泵体里面的易损件，大幅提升了整个设备的维修可操作性。

5)相比于传统电机驱动的离心泵，实现了电机直接驱动叶轮而无需联轴器，这对整个泵的振动噪声性能提升有着明显的优势。

附图说明

图1是应用盘式电机的离心泵结构总图。

图2是压力腔室局部放大图。

图3是叶轮口环局部放大图。

图4是应用盘式电机的离心泵外形图。

图5是转子部件结构图。

图6是转子部件外形图。

图7是盘式电机总成结构图。

图中：泵体1、盘式电机总成2、叶轮键3、泵盖4、圆柱销5、转子部件6、排气阀7、圆螺母8、密封垫9、螺母10、螺栓11、电源接插件12、叶轮螺母13、口环间隙14、泄压腔15、径向节流环16、调压腔17、轴向节流环18、固定用螺钉21、电机上转子22、电机定子23、电机下转子24、接线盖25；叶轮口环61、叶轮62、轴承63、轴套64、弹性衬套65、推力盘66、泵轴67、定位套68、圆螺母69。

具体实施方式

现结合附图对本发明具体如何实施进行进一步说明。

如图1所示，离心泵结构立式布置，包括泵体1、泵盖4以及放置于泵体1和泵盖4内的转子部件6、盘式电机总成2，泵体1一端开设进口，泵盖4封盖连接在泵体1另一端上，转子部件6、盘式电机总成2均装在泵体1和泵盖4之间形成的内腔中，盘式电机总成2套装在转子部件6上，通过盘式电机总成2驱动转子部件6旋转进而产生离心运动，实现离心泵的功能。

如图5所示，转子部件6包括叶轮62和泵轴67；泵轴67轴向沿泵体1进口布置，泵轴67一端部通过圆柱销5和泵盖4内端面固定连接，叶轮62通过轴承63、轴套64、弹性衬套65、推力盘66、定位套68同轴可旋转地套装在泵轴67上，泵轴67两端穿出过叶轮62后均套装圆螺母，图1中，上端穿出后套装圆螺母8，下端穿出后套装圆螺母69，通过圆螺母将叶轮62轴向有限移动地限位安装。

具体实施中，叶轮62在朝向靠近泵盖4的一端通过轴向延伸出环形套筒部，环形套筒部通过轴承63、轴套64、弹性衬套65、推力盘66、定位套68同轴可旋转地套装在泵轴67上。叶轮62的环形套筒部外周设置有键槽，键槽用于安装盘式电机总成2，键槽中安装键，上转子22和下转子24通过键3同轴套装在环形套筒部上。

叶轮62在朝向泵体1进口的一端开设环形入流口，在外周面开设环形出流口，环形入流口和环形出流口之间通过叶轮62内部的环形流道连通形成叶轮62内部的叶轮流道，叶轮62环形出流口周围的泵体1内设有环形腔。环形腔周围的泵体1一侧壁开设有出口。

如图5和图6所示，泵轴67的两端均固定套装有推力盘66，两端的推力盘66分别轴向定位连接泵轴67两端的圆螺母，两端的推力盘66之间的泵轴67上依次套装有轴套64和弹性衬套65，轴套64和弹性衬套65之间的的泵轴67上套装定位套68，轴套64、弹性衬套65、定位套68均和泵轴67一样保持固定不旋转，叶轮62内孔的两端均通过各自的一个轴承63分别套装在轴套64、弹性衬套65上且和两端的推力盘66可旋转地轴向连接，通过轴承63同时实现了轴向支撑旋转和径向支撑旋转。且叶轮62通过两端的轴承63可轴向小幅移动地安装于两端的推力盘66之间。

两轴承63过盈装配于叶轮内孔中，泵轴上依次放置有推力盘66、弹性衬套65、轴套64及定位套68；泵轴67穿入叶轮轴承内孔后装入剩余推力盘66，并用圆螺母69并紧固定。转子部件6中两端的轴套64、轴承63放置于两端推力盘66之间，限制转子轴向位移。

泵轴67一端向泵体1进口延伸并在端部通过叶轮螺母13安装导流环，导流环用于限制泵轴向窜动。在泵体1进口设置有导流环，导流环和泵轴67配合后用叶轮螺母13进行固定。

如图3所示，叶轮62在朝向泵体1进口的端部外周固定套装有叶轮口环61，叶轮口环61点焊固定于叶轮62上，叶轮口环61是设备在长时间运转下而引起的口环间隙14变大进而导致流量、扬程偏离性能要求，可不必更换新的叶轮或泵体而做的可更换件，叶轮口环61和泵体1进口内壁之间存在口环间隙14，口环间隙14是用于辅助调节转子轴向力平衡，同时并保证叶轮入口流体不出现相对紊乱的流动状态。

具体实施中，叶轮口环61与泵体1配合形成0.25mm左右的口环间隙14。

轴承63、轴套64及推力盘66的摩擦面材料均采用碳化硅材质，其内壁开有导流槽，并采用水润滑的形式减少运转过程中的摩擦阻力，同时也是作为介质流动的通道，有利于带走电机运转过程中产生的发热量。

弹性衬套65上设置有线切割槽，以补偿弹性衬套65自身材料受热膨胀的变形，补偿弹性衬套在多种温度工况下的材料热膨胀量差异，避免发热膨胀产生摩擦。

如图7所示，叶轮62和泵盖4之间布置有盘式电机总成2，盘式电机总成2包括上转子22、定子23和下转子24，叶轮62和泵盖4之间固定布置有不旋转的、环形的定子23，定子23套装在泵轴67外且和泵轴67、叶轮62均不连接，定子23和泵盖4之间布置有环形的上转子22，定子23和叶轮62之间布置有环形的下转子24，定子23位于上转子22与下转子24之间，定子23分别和两侧的上转子22、下转子24之间均不连接、具有间隙；

上转子22与下转子24内圈部均径向向内延伸并越过定子23的内圈部，上转子22与下转子24在径向的内圈部之间通过铆钉固定连接成一体的转子，转子和叶轮62固定连接；

盘式电机总成2整体呈圆盘状，定子23上缠有线圈绕组，上转子22和下转子24端面贴有永磁体。通过对定子23上的线圈绕组通电控制产生磁场，带动上转子22和下转子24上的永磁体旋转运动，进而带动上转子22和下转子24旋转。

具体实施中，上下转子周向布置有若干对磁极，相邻的永磁体磁极相同，上下转子对应的永磁体磁极相反；线圈绕组全部封装于电机定子23中，封装材料均为环氧树脂等绝缘材料；因电磁感应产生的交替磁场使得线圈线圈所受的电磁力方向不发生改变，保证了电机的连续运转。

上下转子22/24轴向均布若干磁钢片，且上下磁极相互对应。

如图1和图4所示，定子23通过螺钉21和环形的接线盖25固定连接，接线盖25固定在泵体1和泵盖4端面之间，接线盖25通过密封垫9、螺栓11和螺母10连接固定在泵体1和泵盖4之间，由此使得定子23固定安装。接线盖25和泵盖4之间设有密封圈9，通过密封圈9实现静密封。

接线盖25内布置穿线孔，通过穿线孔外接电源接插件12，电源接插件12和定子23上的线圈绕组电连接。

盘式电机总成2的上转子22和下转子24通过键3同轴固定与转子部件6的叶轮62上，直接驱动叶轮旋转62。

上转子22在和泵盖4之间设有自平衡腔室结构，自平衡腔室结构包括设置泵盖4内端面上的内外两道环形凸起以及设置在靠近泵盖4的上转子22端面上的环形凸起，上转子22的环形凸起位于泵盖4的内外两道环形凸起之间，上转子22的环形凸起紧邻更靠近泵盖4的外环形凸起布置但具有间隙，泵盖4的内环形凸起和上转子22端面之间具有间隙。

如图2所示，泵盖4的内环形凸起和上转子22的端面围成泄压腔15，泵盖4的内外两道环形凸起之间和上转子22的端面围成调压腔17，泵盖4的内环形凸起和上转子22端面之间具有的间隙作为径向节流环16，上转子22的环形凸起和泵盖4的外环形凸起之间的间隙作为轴向节流环18，用于实现转子部件6的轴向力动态平衡。

泵盖4在泄压腔15处上开设排气口，排气口处安装排气阀7，排气阀7用于泵起动前排尽空气。

具体实施中，径向节流环16和轴向节流环18均存在0.25mm左右的节流间隙。

调压腔17两端均只能通过径向节流环16、轴向节流环18和两侧的腔连通，使得调压腔17相对封闭的腔室，进而对叶轮62的轴向进行平衡作用。

叶轮62、上转子22和下转子24的内圈部设置有相连通的用于流通介质传递热量的过流孔，过流孔为较小的通孔，泄压腔15经过流孔和叶轮62内的叶轮流道直接连通，通过过流孔同时实现循环泄压和冷却，循环介质的流体介质流经过流孔带走电机发热量。

电机定子23侧边钻有过流孔、电机上下转子过流孔和叶轮过流孔与调压腔室相互作用形成完整的水流压力通路，来实现轴向力的动态平衡及介质自冷却。

轴向节流环、径向节流环以及各过流孔共同作用，调节调压腔和泄压腔的压力，并通过两节流间隙间隙中介质流速的动态变化，来调节叶轮62前后盖板的压力差，实现轴向力的动态平衡。

从泵体1进口进入的流体介质进入叶轮62内部的叶轮流道，流体介质再从叶轮62内部的叶轮流道流入到泵体1的环形腔，一部分流经环形腔后从泵体1出口流出，另一部分从环形腔流入到定子23和下转子24之间的环形间隙中，再从定子23和下转子24之间的环形间隙流入到定子23内圈部分别和上转子22、下转子24之间形成的内圈过渡腔中，再从内圈过渡腔流入到定子23和上转子22之间的环形间隙中，再从定子23和上转子22之间的环形间隙流入到泵盖4的外环形凸起外周和上转子22端面之间的后腔中，再从后腔经轴向节流环18流入到调压腔17，再从调压腔17经径向节流环16流入到泄压腔15中，再从泄压腔15经过流孔流回到叶轮流道进行循环，可以流出泵体将离心泵结构工作的热量带走。

当叶轮62和转子整体朝向靠近泵盖4轴向移动时，带动径向节流环16、轴向节流环18的间隙变小，调压腔17的流入量和流出量均变得较小，使得调压腔17变成相对封闭的腔室，此时调压腔17被叶轮62和转子整体挤压，使得调压腔17的压力增大，调压腔17会反馈流体介质作用力向转子进而带动叶轮62轴向回复到平衡位置，朝向远离泵盖4轴向移动。

当叶轮62和转子整体朝向远离泵盖4轴向移动时，带动径向节流环16、轴向节流环18的间隙变大，调压腔17的流入量和流出量均变大，使得调压腔17不再相对封闭，调压腔17流动性增强，调压腔17的压力变小，叶轮62会受泵体进口的流体介质冲击向靠近泵盖4轴向移动。

本发明通过盘式电机总成2、叶轮62和泵盖4之间关系的设置，巧妙地使得盘式电机总成2的转子轴向地自适应浮动运动，调节两侧、周围的压力，实现了轴向力动态自平衡的效果和优势。

在离心泵结构内部的水压上升时候，会使得温度升高，通过泄压腔15经过流孔流回到叶轮流道进行循环，能够流动带动热量，同时起到很好的介质自冷却作用。

Claims (10)

1.一种盘式电机驱动的离心泵结构，其特征在于：包括泵体(1)、泵盖(4)以及置于泵体(1)和泵盖(4)内的转子部件(6)、盘式电机总成(2)，泵体(1)一端开设进口，泵盖(4)封盖连接在泵体(1)另一端上，转子部件(6)、盘式电机总成(2)均装在泵体(1)和泵盖(4)之间形成的内腔中，盘式电机总成(2)套装在转子部件(6)上，通过盘式电机总成(2)驱动转子部件(6)旋转进而产生离心运动，实现离心泵的功能。

2.根据权利要求1所述的一种盘式电机驱动的离心泵结构，其特征在于：

所述的转子部件(6)包括叶轮(62)和泵轴(67)；泵轴(67)一端部通过圆柱销(5)和泵盖(4)内端面固定连接，叶轮(62)同轴可旋转地套装在泵轴(67)上，泵轴(67)两端穿出过叶轮(62)后均套装圆螺母，通过圆螺母将叶轮(62)轴向有限移动地限位安装；

所述的叶轮(62)和泵盖(4)之间布置有盘式电机总成(2)，所述的盘式电机总成(2)包括上转子(22)、定子(23)和下转子(24)，叶轮(62)和泵盖(4)之间固定布置有不旋转的、环形的定子(23)，定子(23)套装在泵轴(67)外且和泵轴(67)、叶轮(62)均不连接，定子(23)和泵盖(4)之间布置有环形的上转子(22)，定子(23)和叶轮(62)之间布置有环形的下转子(24)，定子(23)位于上转子(22)与下转子(24)之间，定子(23)分别和两侧的上转子(22)、下转子(24)之间均不连接、具有间隙；上转子(22)与下转子(24)在径向的内圈部之间固定连接成一体的转子，转子和叶轮(62)固定连接；定子(23)上缠有线圈绕组，上转子(22)和下转子(24)端面贴有永磁体。

3.根据权利要求2所述的一种盘式电机驱动的离心泵结构，其特征在于：

所述的上转子(22)在和泵盖(4)之间设有自平衡腔室结构，自平衡腔室结构包括设置泵盖(4)内端面上的内外两道环形凸起以及设置在靠近泵盖(4)的上转子(22)端面上的环形凸起，上转子(22)的环形凸起位于泵盖(4)的内外两道环形凸起之间，上转子(22)的环形凸起紧邻泵盖(4)的外环形凸起布置但具有间隙，泵盖(4)的内环形凸起和上转子(22)端面之间具有间隙。

4.根据权利要求2所述的一种盘式电机驱动的离心泵结构，其特征在于：

所述的叶轮(62)在朝向泵体(1)进口的一端开设环形入流口，在外周面开设环形出流口，环形入流口和环形出流口之间通过叶轮(62)内部的环形流道连通形成叶轮(62)内部的叶轮流道，叶轮(62)环形出流口周围的泵体(1)内设有环形腔。

5.根据权利要求2所述的一种盘式电机驱动的离心泵结构，其特征在于：

所述的泵盖(4)的内环形凸起和上转子(22)的端面围成泄压腔(15)，泵盖(4)的内外两道环形凸起之间和上转子(22)的端面围成调压腔(17)，泵盖(4)的内环形凸起和上转子(22)端面之间具有的间隙作为径向节流环(16)，上转子(22)的环形凸起和泵盖(4)的外环形凸起之间的间隙作为轴向节流环(18)。

6.根据权利要求1所述的一种盘式电机驱动的离心泵结构，其特征在于：

所述的叶轮(62)、上转子(22)和下转子(24)的内圈部设置有相连通的过流孔，泄压腔(15)经过流孔和叶轮(62)内的叶轮流道直接连通。

7.根据权利要求1所述的一种盘式电机驱动的离心泵结构，其特征在于：

所述的泵盖(4)在泄压腔(15)处上开设排气口，排气口处安装排气阀(7)。

8.根据权利要求1所述的一种盘式电机驱动的离心泵结构，其特征在于：

所述的叶轮(62)在朝向泵体(1)进口的端部外周固定套装有叶轮口环(61)，叶轮口环(61)和泵体(1)进口内壁之间存在口环间隙(14)。

9.根据权利要求1所述的一种盘式电机驱动的离心泵结构，其特征在于：

所述的泵轴(67)的两端均固定套装有推力盘(66)，两端的推力盘(66)之间的泵轴(67)上依次套装有轴套(64)和弹性衬套(65)，轴套(64)和弹性衬套(65)之间的的泵轴(67)上套装定位套(68)，叶轮(62)内孔的两端均通过各自的一个轴承(63)分别套装在轴套(64)、弹性衬套(65)上且和两端的推力盘(66)可旋转地轴向连接。

10.根据权利要求1或9所述的一种盘式电机驱动的离心泵结构，其特征在于：所述的转子部件(6)中的轴套(64)、轴承(63)及推力盘(66)是耐磨损的碳化硅材料。

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