CN103430432A - 用于气密密封定子的弹性锥、对应的马达和制造方法 - Google Patents

Abstract

一种马达(40)包括：壳体(42)，其具有腔体；定子(48)，其被构造成附连到腔体的内侧；弹性锥(62)，其被构造成附连到壳体(42)的第一端部；刚性锥(60)，其被构造成附连到与第一端部相对的壳体(42)的第二端部；非金属部分(56)，其被构造成附连到弹性锥(62)和刚性锥(60)；以及转子(52)，其设置在腔体内侧且被构造成在定子(48)内侧旋转。壳体(42)、弹性锥(62)、刚性锥(60)和非金属部分(56)形成其中封装整个定子(48)的气密封罩，并且气密封罩被构造成容纳冷却定子(48)的冷却流体且还防止冷却流体到达转子(52)。

Description

用于气密密封定子的弹性锥、对应的马达和制造方法

技术领域

本文所公开的主题的实施例大体上涉及方法和系统，且更特别地涉及用于密封封罩同时在该封罩暴露于热应力时保持封罩的完整性的机构和技术。

背景技术

在过去几年中，随着化石燃料价格的增长，在许多方面与化石燃料的处理有关的兴趣也增加。此外，存在对制造更高效且可靠的马达、机器、涡轮、压缩机等以有利于石油和天然气基产品的更好生产和分配的增加兴趣。

一个这样的领域大体上涉及流体输送系统，且更特别地涉及用于使流体移动通过管线的电机。例如，流体从陆上或海上地点输送到处理装置以用于后续用途。存在需要在不同地点之间输送的许多类型的流体。一种这样的流体可以是高度腐蚀性气体。在其它应用中，流体输送在烃处理工业和化工工业中使用且以便有利于分配到最终用户。至少一些流体输送站使用诸如由燃气涡轮驱动的压缩机、风扇和/或泵的机械。这些涡轮中的一些经由齿轮箱驱动相关联的流体输送设备，该齿轮箱将燃气涡轮输出传动轴速度增加或者减小至预定的设备传动轴速度。电机(即，电能驱动马达或电驱动器)相比机械驱动器(例如，燃气涡轮)在操作灵活性(例如可变速度)、可维护性、更低资本成本和更低操作成本、更高效率以及环境相容性方面可能是有利的。

另外，电驱动器通常在构造上比机械驱动器更简单，通常需要更小的占用面积，可以更容易与流体输送设备集成，可以消除对齿轮箱的需求，和/或可以比机械驱动器更可靠。然而，使用电驱动器的系统经由在例如定子内的驱动构件产生热量，并且可能需要辅助系统以有利于热去除。例如，一些电驱动器使用作为主要热传递介质输送的流体并导引该流体通过和围绕定子。然而，在一些情况下，被输送的流体可能具有可不利地影响定子的构件的效率的腐蚀性组分或杂质。例如，被输送的酸性流体负面地影响定子的铜构件。

由于这些原因，传统的电机可以将电机的定子置于隔离定子与转子的封罩的内侧，如在Kaminski等人(美国专利No. 7,508,101，该专利的全部内容以引用方式并入本文)和Kaminski等人(美国专利No. 7,579,724，该专利的全部内容以引用方式并入本文)中所公开的那样。可在封罩内侧提供油以将定子保持在不损坏铜或其它构件的油环境中，并且还在输送的流体仅接触转子的同时从定子除去热量。封罩具有由金属制成的壁的部分和在定子与转子之间的由非金属材料制成的一个壁，如本领域中已知的。

传统电机的问题是在机器的操作期间施加到非金属壁的热应力/应变。如果金属壁和非金属壁之间的热应力/应变是显著的，则非金属部分可能断裂，这导致油从封罩释放并损坏电机。当电机在操作且其温度从环境温度(其可为约20℃)增加至操作温度(其可在80至150℃的范围内)时，产生热应力/应变。有助于热应力的另一因素是金属壁和非金属壁的热膨胀系数的差异，因为已知金属通常具有为非金属部分三倍大的热膨胀系数。因此，在操作时，金属壁比非金属壁膨胀更多，这可导致非金属壁由于金属壁所施加的应力/应变而失效。

因此，将希望提供防止封罩的非金属壁的应变的系统和方法。

发明内容

根据一个示例性实施例，存在一种马达，该马达包括：壳体，其具有腔体；定子，其被构造成附连到腔体的内侧；弹性锥(cone)，其被构造成附连到壳体的第一端部；刚性锥，其被构造成附连到与第一端部相对的壳体的第二端部；非金属部分，其被构造成附连到弹性锥和刚性锥；以及转子，其设置在腔体内侧且被构造成在定子内侧旋转。壳体、弹性锥、刚性锥和非金属部分形成其中封装整个定子的气密封罩，并且气密封罩被构造成容纳冷却定子的冷却流体且还防止冷却流体到达转子。

根据另一示例性实施例，存在一种将附连到马达的壳体的弹性锥。弹性锥包括：弯曲主体，其从宽端延伸至窄端；一个或多个孔，其在宽端中且被构造成接纳用于将弹性锥附连到马达的壳体的螺栓；以及接纳部分，其设置在窄端中且被构造成接纳将马达的定子与马达的转子隔离的非金属壁的端部。接纳部分具有构造成接纳金属密封件的沟槽，该密封件密封弹性锥和非金属壁之间的界面。

根据又一示例性实施例，存在一种用于在马达内侧提供气密密封封罩的方法。该方法包括：将定子附连到马达的壳体；将刚性锥附连到壳体的第一端部；将弹性锥附连到壳体的第二端部，第二端部与第一端部相对，使得定子被壳体、刚性锥和弹性锥包围；将非金属壁连接到刚性锥和弹性锥以形成气密密封封罩，使得定子在封罩的内侧；以及将转子设置在定子内侧并通过非金属壁面向定子。

根据又一示例性实施例，存在一种用于输送流体的系统。该系统包括：压缩机，其被构造成增加流体的压力；以及马达，其连接到压缩机且被构造成驱动压缩机。马达包括：壳体，其具有腔体；定子，其被构造成附连到腔体的内侧；弹性锥，其被构造成附连到壳体的第一端部；刚性锥，其被构造成附连到与第一端部相对的壳体的第二端部；非金属部分，其被构造成附连到弹性锥和刚性锥；以及转子，其设置在腔体内侧且被构造成在定子内侧旋转。壳体、弹性锥、刚性锥和非金属部分形成其中封装整个定子的气密封罩，并且气密封罩被构造成容纳冷却定子的冷却流体且还防止冷却流体到达转子。

附图说明

被包括到说明书中并组成其一部分的附图示出了一个或多个实施例，并且与该描述一起说明这些实施例。在附图中：

图1是具有两个刚性锥的马达的示意图；

图2是用于形成封罩的在马达中使用的刚性锥的示意图；

图3是根据示例性实施例的具有一个刚性锥和一个弹性锥的马达的示意图；

图4是根据示例性实施例的弹性锥的示意图；

图5是根据示例性实施例的弹性锥和非金属壁的示意图；

图6是根据示例性实施例的弹性锥和非金属壁之间的连接的示意图；

图7是根据示例性实施例的弹性锥的示意图；

图8是根据示例性实施例的图7的弹性锥的细节的示意图；

图9是示出根据示例性实施例的用于组装马达与弹性锥的方法的流程图；以及

图10是根据示例性实施例的用于输送流体的系统的示意图。

具体实施方式

示例性实施例的下列描述参考了附图。不同图中的相同参考标号表示相同或类似的元件。下面的详细描述不限制本发明。而是，本发明的范围由所附权利要求限定。为简明起见，下面的实施例关于具有定子和转子的电机的术语和结构进行讨论。然而，接下来要讨论的实施例不限于这些系统，而是可以应用于使用具有由不同材料制成的壁的封罩的其它系统。

在说明书全文中，对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因此，在说明书全文中，在不同地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定指相同实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以任何合适方式组合。

根据示例性实施例，电动马达的定子设置在具有金属壁和非金属壁的封罩的内侧。非金属壁一端附连到弹性壁，该弹性壁不像刚性壁那样多地拉伸非金属壁，因此当金属壁由于温度增加而膨胀时，在非金属壁上施加较少的应力/应变。

如图1所示，电动马达10包括壳体12。壳体12具有其中设置有定子16的腔体14。定子16相对于壳体12是固定的，即，定子16相对于壳体12不旋转。转子18设置在壳体12的内侧，但转子18被构造成绕纵向轴线X旋转。两个刚性锥20和22附连到壳体12以面向定子16的端部。在两个锥20和22之间设置有非金属壁24。非金属壁24附连到锥20和22且被构造成不碰触定子16。

图2更详细地示出了非金属壁24和锥22之间的连接。硬钎焊层26设置在锥22和非金属壁24之间，并且封罩28由壳体12和非金属壁24限定。封罩28用硬钎焊层26气密地密封。相同的硬钎焊层被施加在非金属壁24的另一端和锥20之间。

然而，由于壳体12和锥20及22由金属制成，而非金属壁24由不是金属的材料形成，因而当电机10的温度例如从室温(约20℃)增加至机器的操作温度(约150至250℃)时，壳体和锥的膨胀大于非金属壁的膨胀，这使非金属壁产生热应力/应变。在一个应用中，施加到非金属壁的应力/应变的方向由图2中的S示出。该应力/应变在一些情况下可使非金属壁24断裂。如果这发生，则在定子16和转子18之间循环的可能损害性的流体可进入腔体14并损坏定子16。另外，如果在腔体14内侧使用冷却流体以用于冷却定子16，则冷却流体可泄漏到转子18，从而产生不期望的问题。

根据图3所示的示例性实施例，电动马达40示出为具有壳体42和面向定子48的两个侧面44和46。定子48固定地附连到壳体42。壳体42的侧面46(也称为承载壳体支撑件)连接到承载壳体50，其包括用于可旋转地支撑转子52的承载系统。非金属壁56连接在刚性锥60和弹性锥62之间。刚性锥60类似于图1所示的刚性锥20。刚性锥60附连到壳体42的一个侧面44。在一个应用中，刚性锥60抵靠非金属壁56被压缩，并且在刚性锥60和非金属壁56之间夹有密封件64。

然而，非金属壁56的另一端不如图1所示附连到刚性锥，而是附连到弹性锥62，弹性锥62减小了当壳体的温度增加时施加到非金属壁56的应力/应变。图4示出设置在壳体42的两个侧面44和46之间的弹性锥62。此外，由壳体42、侧面44、刚性锥60、非金属壁56和弹性锥62形成腔体66，定子气密地密封在该腔体66中。在一个应用中，刚性锥46不界定腔体66。用于冷却定子的冷却流体设置在腔体66内侧。在一个应用中，冷却流体可以是油。

非金属壁56连接到弹性锥62，使得来自腔体66的冷却流体不逸出而到达转子52。为此，可以在弹性锥62和非金属壁56之间的界面处提供密封68。在一个应用中，密封68可以是金属密封件。在一个应用中，密封68与密封64等同。

根据图4所示的示例性实施例，弹性锥62可由多个螺栓70附连到壳体42。可在壳体42和弹性锥62中形成对应的孔72以允许螺栓70进入壳体42。在一个示例性实施例中，相同的螺栓70还用来将侧面46附连到壳体42，如例如图4中所示。

参照图5和图6讨论上述示例性实施例中的一个或多个的一个优点。图5更详细地显示弹性锥62以间隙76组装到壳体42的中间部分78。换言之，当弹性锥62的端部62a接触非金属壁56时，端部62b与中间部分78形成间隙76。因此，当弹性锥62在端部62b处附连到壳体42时，由弹性锥62将张力T(参见图6)施加到非金属壁56。弹性锥62的这种预加载与间隙76成比例。应指出，在传统马达中，在组装马达时，没有张力被施加到室温下的非金属部分。在一个应用中，间隙76在1和5mm之间。在另一应用中，间隙被计算成使得它大于壳体的热膨胀。在又一应用中，间隙被计算成为壳体热膨胀的至少五倍大。

此外，考虑马达在使用且壳体42、刚性锥60、弹性锥62和非金属壁56的温度已从室温增加至操作温度。由于壳体42比非金属壁56更大的膨胀，预计在非金属壁56中出现热应力/应变力S，如图6所示。然而，由于弹性锥62被预加载，热应力/应变力S最终减小和/或抵消张力T，从而最小化可能损坏非金属壁56的力。根据间隙76的尺寸以及壳体42和弹性锥62的材料，预加载力T可以被计算为抵消由于热膨胀出现的力S。在一个应用中，力T减小力S的影响但不抵消力S。

根据示例性实施例，弹性锥62可被视为充当非金属壁56上的弹簧，从而朝刚性锥60偏置非金属壁(参见图3)。根据弹性锥62的弹性性能和间隙76的尺寸，由弹性锥62在预加载时施加的力T可根据需要调整。作为将用于弹性锥62的材料的示例，应指出，超合金、ICONEL合金(600、625、718等)或钢合金可以用于弹性锥。弹性锥62的弹性可由其特定形状和尺寸而不是由材料的具体组成提供。这样，弹性锥的弹性约为刚性锥的10倍。在一个应用中，弹性锥具有高抗拉特性，并且其被成形为具有比刚性锥更高的弹性常数。

在一个应用中，壳体在达到80和150℃之间的操作温度时可膨胀约1mm，并且弹性锥被构造成减小非金属壁中与壳体膨胀相关联的热应力。在示例性实施例中，非金属壁56在接触界面80处被硬钎焊到弹性锥62。备选地，非金属壁56可螺栓连接到弹性锥62或由本领域的其它已知手段附连。然而，存在界面80除密封件68之外不含任何附连材料的情况。在这种情况下，由弹性锥62施加到非金属壁56的偏置力是将这两个元件保持在一起的唯一手段。

在另一示例性实施例中，马达10可包括设置在转子52的对应端部处的第一和第二承载装置50(参见图3)以及设置在定子的对应端部处的第一和第二承载壳体支撑装置(51和46)，使得弹性锥设置在第二承载壳体和定子之间。

根据图7所示的示例性实施例，弹性锥包括：弯曲主体100，其从宽端102延伸至窄端104；一个或多个孔106，其在宽端102中且被构造成接纳用于将弹性锥附连到马达的壳体的螺栓；以及接纳部分108(参见图8)，其设置在窄端104中且被构造成接纳将马达的定子与马达的转子隔离的非金属部分的端部。接纳部分108具有构造成接纳金属密封件的沟槽110，该金属密封件密封弹性锥和非金属部分之间的界面。弹性锥具有类似于弯曲锥的三维形状，如图7所示。

根据图9所示的示例性实施例，存在一种用于在马达内侧提供气密密封封罩的方法。该方法包括：步骤900，将定子附连到马达的壳体；步骤902，将刚性锥附连到壳体的第一端部；步骤904，将弹性锥附连到壳体的第二端部，第二端部与第一端部相对，使得定子被壳体、刚性锥和弹性锥包围；步骤906，将非金属壁连接到刚性锥和弹性锥以形成气密密封封罩，使得定子在封罩的内侧；以及步骤908，将转子设置在定子内侧并通过非金属壁面向定子。

根据图10所示的示例性实施例，存在一种用于有利于输送油和气体产品的系统120。例如，系统120可包括马达122和压缩机124。在一个应用中，压缩机124被泵代替。马达122可以是图3所示的马达40或本领域已知的其它马达。马达122的轴可经由联接器126直接联接到压缩机124的轴。备选地，联接器126可以是齿轮箱。马达122可连接到电网(未示出)且被构造成驱动压缩机124。压缩机124可具有入口128，待输送的产品在该入口128处提供。产品的一部分可以例如在入口130被转向通过马达122。产品可以如关于图1和图4所讨论那样冷却马达122，然后用过的产品在压缩机124的入口128处返回。具有高压力的产品在出口132处被输出到例如输送管线中。如图10中所示，马达122和124可设置在相同壳体中。备选地，这两个单元可设置在不同壳体中。

所公开的示例性实施例提供了用于防止作为马达内侧的封罩的一部分的非金属壁开裂或失效的系统和方法。应理解，该描述并不意图限制本发明。相反，示例性实施例意图覆盖被包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的替代形式、修改和等同物。此外，在示例性实施例的详细描述中，陈述了许多特定细节，以便提供对所主张发明的全面理解。然而，本领域技术人员将会理解，各种实施例可在没有此类具体细节的情况下实现。

虽然所提出示例性实施例的特征和要素在特定组合的实施例中被描述，但是每个特征或要素可以在没有实施例的其它特征和要素的情况下单独使用，或者在有或没有本文所公开的其它特征和要素的情况下以各种组合使用。

该书面描述使用所公开主题的示例来使本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包括在内的方法。本主题的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。此类其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (15)

1. 一种马达，包括：

壳体(42)，其具有腔体；

定子(48)，其被构造成附连到所述腔体的内侧；

弹性锥(62)，其被构造成附连到所述壳体(42)的第一端部；

刚性锥(60)，其被构造成附连到与所述第一端部相对的所述壳体(42)的第二端部；

非金属部分(56)，其被构造成附连到所述弹性锥(62)和所述刚性锥(60)；以及

转子(52)，其设置在所述腔体内侧且被构造成在所述定子(48)内侧旋转，其中

所述壳体(42)、所述弹性锥(62)、所述刚性锥(60)和所述非金属部分(56)形成其中封装整个所述定子(48)的气密封罩，并且所述气密封罩被构造成容纳冷却所述定子(48)的冷却流体且还防止所述冷却流体到达所述转子(52)。

2. 根据权利要求1所述的马达，其特征在于，所述弹性锥由具有高抗拉特性的金属材料制成，并且被成形为具有比所述刚性锥更高的弹性常数。

3. 根据权利要求1或权利要求2所述的马达，其特征在于，所述弹性锥由一个或多个螺栓附连到所述壳体。

4. 根据任一项前述权利要求所述的马达，其特征在于，所述弹性锥被构造成偏置所述非金属壁并将所述非金属壁压靠到所述刚性锥。

5. 根据任一项前述权利要求所述的马达，其特征在于，还包括：

金属密封件，其设置在所述非金属壁和所述弹性锥之间并接触它们且还在非金属壁和所述刚性锥之间，使得所述冷却流体被阻止在所述非金属壁与所述弹性锥和刚性锥之间的界面处泄漏。

6. 根据任一项前述权利要求所述的马达，其特征在于，所述弹性锥与所述壳体和所述非金属壁组装成在室温下的预加载应变下。

7. 根据任一项前述权利要求所述的马达，其特征在于，所述室温下的预加载应变是预定的，使得当所述马达达到80和150℃之间的操作温度时，所述弹性锥和刚性锥中的应变减小。

8. 根据任一项前述权利要求所述的马达，其特征在于，所述壳体在达到80和150℃之间的操作温度时膨胀约1mm。

9. 根据任一项前述权利要求所述的马达，其特征在于，还包括：

第一和第二承载装置，其设置在所述转子的对应端部处且被构造成支撑所述转子；以及

第一和第二承载壳体支撑装置，其设置在所述壳体的对应端部处，使得所述第一承载壳体支撑装置的第一端部附连到所述壳体且所述第一承载壳体支撑装置的第二端部附连到所述刚性锥，并且所述第二承载壳体支撑装置的第一端部附连到所述壳体且所述第二承载壳体支撑装置的第二端部附连到所述第二承载装置，其中

所述弹性锥设置在所述第二承载壳体支撑装置和所述定子之间。

10. 根据任一项前述权利要求所述的马达，其特征在于，除了由于所述弹性锥中的预加载应变导致的直接接触之外，在所述非金属壁和所述弹性锥之间不存在其它连接。

11. 根据任一项前述权利要求所述的马达，其特征在于，所述气密封罩填充有油，并且所述气密封罩保护所述定子避免在所述非金属部分和所述转子之间循环的腐蚀性气体。

12. 一种将附连到马达的壳体(48)的弹性锥(62)，所述弹性锥(62)包括：

弯曲主体(100)，其从宽端(102)延伸至窄端(104)；

在所述宽端(102)中的一个或多个孔(106)，其被构造成接纳用于将所述弹性锥附连到所述马达的所述壳体的螺栓；以及

接纳部分(108)，其设置在所述窄端(104)中且被构造成接纳将所述马达的定子(48)与所述马达的转子(52)隔离的非金属壁(56)的端部，

其中，所述接纳部分(108)具有构造成接纳金属密封件的沟槽(110)，所述金属密封件密封所述弹性锥(62)和所述非金属壁(56)之间的界面。

13. 根据权利要求12所述的弹性锥，其特征在于，所述弹性锥由具有高抗拉特性的金属材料制成，并且被成形为具有比设置在所述非金属部分的另一端处的刚性锥更高的弹性常数。

14. 一种用于在马达内侧提供气密密封封罩的方法，所述方法包括：

将定子(48)附连到所述马达的壳体(42)；

将刚性锥(60)附连到所述壳体(42)的第一端部；

将弹性锥(62)附连到所述壳体(42)的第二端部，所述第二端部与所述第一端部相对，使得所述定子(48)由所述壳体(42)、所述刚性锥(60)和所述弹性锥(62)包围；

将非金属壁(56)连接到所述刚性锥(60)和所述弹性锥(62)以形成所述气密密封封罩，使得所述定子(48)在所述封罩的内侧；以及

将转子(52)设置在所述定子(48)内侧且通过所述非金属壁(56)面向所述定子。

15. 一种用于输送流体的系统(120)，所述系统包括：

压缩机(124)，其被构造成增加所述流体的压力；以及

马达(122)，其连接到所述压缩机(124)且被构造成驱动所述压缩机(124)，其中所述马达(122)包括：

壳体(42)，其具有腔体，

定子(48)，其被构造成附连到所述腔体的内侧，

弹性锥(62)，其被构造成附连到所述壳体(42)的第一端部，

刚性锥(60)，其被构造成附连到与所述第一端部相对的所述壳体(42)的第二端部，

非金属部分(56)，其被构造成附连到所述弹性锥(62)和所述刚性锥(60)，以及

转子(52)，其设置在所述腔体内侧且被构造成在所述定子(48)内侧旋转，其中

所述壳体(42)、所述弹性锥(62)、所述刚性锥(60)和所述非金属部分(56)形成其中封装整个所述定子(48)的气密封罩，并且所述气密封罩被构造成容纳冷却所述定子(48)的冷却流体且还防止所述冷却流体到达所述转子(52)。

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