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的制作方法

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(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。

技术实现要素：

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，其中在泵操作期间由定子电磁体感应电流。由此，转矩从电机的电磁体定子线圈直接传递到转子，而不使用旋转轴。在实施方式中，使用静态密封方法将电机线圈与工作流体密封，这消除了对动态机械密封的任何需要，并且避免了否则将由此引起的对准、泄漏和/或维护的问题。

在实施方式中，转子的轴向和径向定位通过每个转子级上的产品润滑轴承提供。通过在实施方式中为每个转子级使用单独的轴承，每级中的轴承可设计成仅处理来自该级的负载，并且完全消除了多级布置中的组合级负载导致的轴承过载的风险。在实施方式中使用工作流体作为轴承的润滑剂消除了对外部油润滑系统的需要，并且大大简化了整个泵的设计。

在涉及泵送加热的处理流体的实施方式中，电机冷却可通过包括外部冷却的流体路径而进一步增强，处理流体或单独的专用冷却流体通过该外部冷却的流体路径循环。电机的流体冷却允许整个泵更高的性能极限和更大的功率密度。

在实施方式中，泵包括多个完全模块化的泵级，由此任何数量的泵级可以串联组合，而不会增加泵的设计、操作和维护的额外复杂性或复杂度。特别地，高级计数(highstagecounts)不会引起关于轴尺寸、轴偏转、转子动力学、轴承负载、电机对准或级之间的对准的任何问题。

实施方式包括多个变频驱动器(vfd’s)，并且在这些实施方式中的一些实施方式中，泵的每一级中的电机由专用vfd独立地控制。这些实施方式中的一些的关键益处之一在于，第一级可以以比泵的其余部分低的速度运行，以便适应低的净正吸入压头("npsh")和非高峰(off-peak)状态。在一些应用中，仅改变最后级的速度提供了精确控制输出压力和/或流量的有用方法。

为每一级提供单独的vfd驱动器也可以用作故障安全冗余(fail-saferedundancy)，由此如果一个级故障，则其余的将继续运行并且泵将继续工作。泵级故障后的继续工作可以具有减小的压头和流量，或者可以增加剩余泵级的速度以补偿故障泵级损失的压头和流量。这种方法产生了故障情况，其中泵可能以减小的压头和流量继续运行，直到操作者(在意识到级故障之后)有时间安全地关闭系统。相反，传统泵中的一个级故障将导致整个泵的故障，从而导致性能的完全损失和系统的突然的、不受控制的停机。

在实施方式中，每个泵级中的电机是轴向盘或"薄饼"型电机。在一些实施方式中包括永磁电机，而在其它实施方式中使用感应电机。包括永磁电机的一些实施方式还包括变速驱动器，其使得泵级的同步运行速度能够上升到3600rpm以上。

在各种实施方式中，泵级是具有径向流动叶轮的离心设计。这些实施方式中的一些包括具有低于约2,000美国单位(usunit)的比转速(specificspeed)的叶轮。其它实施方式包括具有径向磁通电机设计和更高比转速的混合流动叶轮设计的泵级。

在实施方式中，单向推力轴承用来代替单独的轴向和径向轴承。泵级实施方式包括插入穿过叶轮轮毂并螺纹连接到泵级壳体中的固定轴，这便于容易组装和维护而无需特殊工具。在各种实施方式中，使用无传感器电机以及适当的vfd还减少了每一级上所需的仪器。

某些实施方式包括具有反转(inverted)转子/定子配置的级，由此该转子和定子两者可在相反方向上彼此独立地旋转。并且一些实施方式包括固定到共同的固定轴或旋转轴的多个转子，其可以与定子和/或扩散器(diffuser)单独旋转的实施方式组合。在这些实施方式的一些中，扩散器以类似于专利申请us15/101,460的公开内容的方式实施。

本发明的第一总体方面是具有整体电机(integralmotor)的泵模块。该泵模块包括模块壳体、悬置在模块壳体内的转子、位于模块壳体内的电机、以及处理流路径，所述转子的前表面朝向泵模块的近端定向，所述电机配置成驱动所述转子的旋转，所述电机包括：位于所述模块壳体内的电机壳体；位于所述电机壳体内的定子，所述定子包括朝向所述转子定向的电磁体；以及固定到所述转子且配置成在所述转子旋转时在所述电磁体附近经过的磁性装置，所述处理流路径在所述电机壳体的长度上在所述模块壳体与所述电机壳体之间延伸，并在所述电机壳体的表面的至少20％上延伸，所述处理流路径配置成使得因所述转子而从模块入口流动通过泵模块到模块出口的处理流体的至少80％流动通过所述处理流路径并与所述电机壳体直接物理接触。

在实施方式中，所述转子是离心转子，其构造成将所述处理流体从其中心区域驱动到其外周。

在上述实施方式的任何一个中，所述转子可以通过可旋转轴悬挂，并且所述转子可以固定到所述轴。或者，所述转子可由固定轴悬挂，并且所述转子可构造成围绕该轴旋转。在这些实施方式的一些中，转子通过一对轴承支撑在固定轴上，其中一个轴承保持所述转子的轴向位置，而另一个轴承提供所述转子的径向支撑。在这些实施方式的其它实施方式中，所述转子通过单个单向推力轴承支撑在固定轴上。在这些实施方式的任一个中，所述转子可以通过由所述处理流体润滑的至少一个轴承支撑在固定轴上。在这些实施方式的任一个中，所述固定轴可以固定到所述电机壳体和所述模块壳体中的至少一个。在这些实施方式的任何一个中，所述固定轴可以通过螺纹附接固定到所述电机壳体和所述模块壳体中的至少一个。

在上述实施方式的任何一个中，可以固定到所述转子的磁性装置可以是永磁体或鼠笼式线圈。

在上述实施方式的任一个中，所述处理流路径可以在所述电机壳体的表面的至少50％上延伸，并且可以使从模块入口经过泵模块到达模块出口的处理流体的至少90％流过所述处理流路径并与所述电机壳体直接物理接触。

在上述实施方式的任一个中，所述处理流路径可以在所述电机壳体的整个圆周的至少90％上延伸。

在上述实施方式的任一个中，所述处理流路径可以是所述泵模块内的、所述处理流从所述模块入口流动到所述模块出口所通过的唯一流动路径。

除了前一个实施方式之外的任何上述实施方式还可以包括与所述处理流路径不同的冷却流路径，所述冷却流路径被构造成能够在所述电机壳体与温度低于在所述处理流路径中流动的所述处理流体的温度的冷却流体之间进行热交换。

上述实施方式中的任一个可包括位于所述处理流路径内的导向叶片，所述导向叶片被构造成引导所述处理流体流过所述处理流路径。

在上述实施方式的任一个中，所述定子可被构造成独立于所述转子旋转并沿与所述转子的旋转方向相反的方向旋转。

上述实施方式中的任一个还可包括扩散器，该扩散器与所述转子协作但由单独的扩散器电机驱动，且由此能够独立于所述转子旋转。

在上述实施方式的任一个中，所述电机可以是径向电机，由此所述电磁体被引导朝向所述转子的径向外周；所述磁性装置固定在所述转子的径向外周附近。或者，所述电机是轴向电机，由此所述电磁体被引导朝向所述转子的远侧；并且所述磁性装置固定到所述转子的远侧。

本发明的第二总体方面是一种泵，包括多个互连的根据第一总体方面的泵模块。

在实施方式中，所述泵模块的至少两个电机可以被独立地控制，以便使对应的转子以不同的速率旋转。在这些实施方式的一些中，独立控制的两个泵模块由单独的变频驱动器控制。在这些实施方式的一些中，所有的泵模块都可以被独立地控制。例如，每个所述泵模块可以由相应的变频驱动器控制。

在上述实施方式的任一个中，所有泵模块可以基本上彼此相同。

在上述实施方式的任一个中，所述泵模块的至少两个转子可由共同的轴支撑。并且在这些实施方式的一些中，所述轴是可旋转轴。

本文所述的特征和优点并非是包括了所有的，且特别地，参考附图、说明书和权利要求书，许多额外特征和优点对于所属领域的技术人员而言是显而易见的。此外，应当注意，在说明书中使用的语言主要是出于可读性和指导性的目的而选择的，而不是为了限制本发明主题的范围。

附图说明

图1是按比例绘制的由专用冷却流冷却的现有技术两级整体电动泵的横截面图；

图2a是具有径向电机设计的本发明的单级模块的简化截面图；

图2b是具有轴向电机设计的本发明的两级实施方式的按比例绘制的横截面图；

图3是类似于图2的实施方式的按比例绘制的截面图，但是包括单独的冷却流路径(冷却路径未按比例绘制)；

图4是类似于图2的实施方式的按比例绘制的截面图，但在处理流路径中包括导向叶片；以及

图5是按比例绘制的图2的泵的外壳的透视图。

具体实施方式

本发明是一种整体电动泵或泵模块，其被构造成引导处理流从转子排出到整体电机壳体的表面上，从而减少或消除对单独的、专用电机冷却流路的任何需要。例如，在图2a的实施方式中，来自转子206的排出流202被引导以经过和围绕模块的电机壳体204，使得电机212被叶轮206的排出流直接冷却，并且不需要单独的、专用冷却流体路径。

在实施方式中，进入模块入口222的流体的超过80％通过排放路径202被引导到模块出口224，并且电机壳体204的至少20％与排放路径202直接接触。在实施方式中，进入模块200的流体的超过90％通过排放路径202从入口222流动到出口224，并且电机壳体204的至少50％与排放路径202直接接触。

在图2b的双模块泵220中，每一级中的电机212的中心轴线与转子206旋转所围绕的固定轴208基本共线，使得来自转子206的处理流体通过形成在电机壳体204和泵壳体218之间的环形区域202轴向地流过电机壳体204，由此电机壳体204的轴向中心圆周的至少90％与处理流体直接接触。在图2的实施方式中，环形排放流区域202在每一级中基本上围绕电机壳体204的整个圆周，使得电机壳体204的基本上整个圆周沿其长度和后表面与处理流体直接接触。

在图2a的实施方式中，转子206固定到旋转轴，而在图2b的实施方式中，转子206在轴承214上围绕固定轴208旋转，该固定轴在图2b的实施方式中螺纹连接到电机壳体204中。在类似的实施方式中，轴208是带螺纹的或以其他方式由泵或泵模块壳体218支撑，或由泵或泵模块壳体218和电机壳体204的任何组合支撑。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。

在实施例中，所公开的模块作为单级泵来实现，而在其他实施方式中，诸如图2b，多个所公开的模块被组合以形成多级泵。虽然为了便于说明，在图2b中仅示出了两级，但是应当理解，实施方式可扩展到任意数量的泵级。在这些实施方式的一些中，每级中的转子206被独立地驱动，使得每级的转子速度可被单独地控制。例如，单独的变频驱动器("vfd")216可以专用于泵的每一级的控制。

在图2b的实施方式中，在泵220的每一级中，多个永磁体210附接到转子206的后侧，并且随着转子206旋转而靠近相邻定子214的电磁线圈212通过。在其它实施方式中，转子206包括感应电机，该感应电机利用非永磁体210例如"鼠笼式"转子线圈，其中在泵操作期间由定子电磁体212感应出电流。由此，转矩从电磁电机线圈212直接传递到转子206，而不使用旋转轴。在实施方式中，使用静态密封方法204将电机线圈212与工作流体密封，这消除了对动态机械密封的任何需要，并且避免了否则将由此引起的对准、泄漏和/或维护的问题。

在图2的实施方式中，转子206的轴向和径向定位由每个转子级中的产品润滑轴承(product-lubricatedbearings)214提供。通过对每个转子级使用单独的轴承214，每级中的轴承214可设计成仅处理来自该级的负载，并且完全消除了多级布置中的组合级负载导致的轴承过载的风险。在实施方式中，使用工作流体作为轴承214的润滑剂消除了对外部油润滑系统的需要，并且大大简化了整个泵的设计。

参考图3，在涉及泵送加热的处理流体的实施方式中，通过包括供处理流体或单独的专用冷却流体循环通过的外部冷却流体路径300，可以进一步增强电机冷却。电机的流体冷却允许整个泵的更高的性能极限和更大的功率密度。

参照图4，实施方式包括导向叶片。在所示的实施方式中，导向叶片400控制流动路径202在电机212的端部处的区段中的处理流体的流动，该区段朝向模块的中心线径向向内转向。导向叶片400将流动路径分成多个单独但对称的通道，直到流动到达所述中心线并且轴向流入下一级。在实施方式中，导向叶片400将流动路径202内的处理流体引导成紧密接近电机壳体218。导向叶片400还可以提供壳壁，该壳壁可以用于将电力电缆从密封的电机腔212、穿过流体通道202、并且从泵壳218出来的路线到达变频控制器216。在实施方式中，导向叶片400还可用作翅片，以提供额外的对流表面积来冷却电机212，和/或为连接到外部冷却流体源的整体式冷却通道300提供空间。

在图2b-4的实施方式中，泵220包括多个完全模块化的泵级。虽然在这些图中仅示出了两个级，但是可以容易地看出，可以串联组合任何数量的级，而不增加泵220的设计、操作和维护的额外复杂性或复杂度。特别地，根据所公开的设计的高级计数不会引起关于轴尺寸、轴偏转、转子动力学、轴承负载、电机对准或级之间的对准的任何问题。图5是图2的泵的透视图。

再次参考图2b和4，实施方式包括多个变频驱动器(“vfd’s”)216，并且在这些实施方式中的一些中，泵的每一级中的电机212由专用vfd216独立地控制。这些实施方式中的一些的关键益处之一在于，第一级可以以比泵的其余部分低的速度运行，以便适应低的净正吸入压头("npsh")和非高峰状态。在一些应用中，仅改变最后级的速度提供了精确控制输出压力和/或流量的有用方法。

为每一级提供单独的vfd驱动器216也可以用作故障安全冗余，由此如果一级故障，则其余的将继续运行并且泵将继续工作。泵级故障后的继续工作可以具有减小的压头和流量，或者可以增加剩余泵级的速度以补偿故障泵级的损失的压头和流量。这种方法产生了故障情况，其中泵可能以减小的压头和流量继续运行，直到操作者(在意识到级故障之后)有时间安全地关闭系统。相反，传统泵中的一级故障通常导致整个泵的故障，从而导致性能的完全损失和系统的突然的、不受控制的停机。

在图2a的实施方式中，电机是径向电机，其包括围绕转子的外周安装的永磁体，而图2b-4的实施方式在每个泵级中包括电机，其是盘式或"薄饼"式电机，其包括安装在转子206的后表面上的永磁体210。在其它实施方式中使用感应电机。一些实施方式包括变速驱动器，其使得泵级的同步运行速度能够上升到3600rpm以上。

在图2a-5的实施方式中，泵级是具有径向流动叶轮206的离心设计。这些实施方式中的一些包括具有低于约2,000美国单位的比转速的叶轮。其它实施方式包括具有径向磁通电机设计的泵级。

在图2b-4的实施方式中，组合的径向和单向推力轴承214用来代替单独的轴向和径向轴承。所示实施方式包括固定轴208，其插入叶轮206的轮毂并旋入泵级壳体218中，这便于容易组装和维护而无需特殊工具。使用无传感器电机以及适当的vfd驱动器216还减少了对所示实施方式中的每个级上的仪器的任何要求。

某些实施方式包括具有反转转子/定子配置的级，由此转子和定子两者可在相反方向上彼此独立地旋转。并且一些实施方式包括固定到共同的固定轴或旋转轴的多个转子，在一些实施方式中，这与单独旋转的定子和/或扩散器结合，例如与驱动转子和扩散器的单独的电机结合。在这些实施方式的一些中，扩散器以类似于专利申请us15/101,460的公开内容的方式实施。

为了说明和描述的目的，已经给出了本发明的实施方式的上述描述。然而，无论在本申请中的形式或位置如何，本申请的每一页及其上的所有内容被表征、标识或编号，都被认为是本申请的用于所有目的实质性部分。本说明书不是穷举的，也不是要将本发明限制为所公开的精确形式。根据本公开，许多修改和变化是可能的。

尽管本申请以有限数量的形式示出，但是本发明的范围不限于这些形式，而是可以在不脱离本发明的精神的情况下进行各种改变和修改。本文所呈现的公开内容没有明确地公开落入本发明的范围内的特征的所有可能的组合。在不背离本发明的范围的情况下，本文公开的用于各种实施方案的特征通常可以互换并组合成不是自相矛盾的任何组合。特别地，在不背离本公开的范围的情况下，在以下从属权利要求中呈现的限制可以以任何数量和任何顺序与它们相应的独立权利要求组合，除非从属权利要求在逻辑上彼此不兼容。