CN105191070B - 转子体在转子轴上的固定和定位 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有泵单元和驱动该泵单元的电动机的泵装置，该泵装置包括具有转子轴(2、3)和固定在该转子轴上的转子体(3)的转子(1)。转子体(3)在转子轴(2、3)上的所述固定通过圆楔连接部(5、6)实现，该圆楔连接部包括至少一个在转子轴(2、3)方面的圆楔(5)和在转子体(3)方面的互补圆楔(6)。

Description

转子体在转子轴上的固定和定位
技术领域
本发明涉及一种具有泵单元和驱动该泵单元的电动机的泵装置，该电动机包括具有转子轴和固定在该转子轴上的转子体的转子。
背景技术
泵装置通常由电动机驱动。该电动机包括定子和转子，其中，定子产生电磁场，该电磁场与由转子产生的电磁场相互作用，从而将转矩施加到转子上，通过该转矩使转子加速。在应用于泵中时，转子轴的端部大多具有设置在泵单元中的泵工作轮，或所述端部经由联轴器与另外的轴连接，该另外的轴具有这种工作轮。转子体在异步电动机的实施方式中构造为短路转子或者在同步电动机的情况下具有永久磁铁。
电动机的转子体在其转子轴上的固定通常通过轴向接合的压配合实现。转子体在此被推套到转子轴上，其中，轴的外径和转子体的中心孔的内径彼此如此协调，使得在转子体和轴之间产生适当的压配合。这种类型的连接的缺点在于，在制造转子轴和转子体时必须维持小的公差，以确保压配合。此外，压连接由于材料的不同膨胀系数是温度敏感的。最后，在电动机中的机械转矩引起：所述压连接在运行持续时间上不是恒定的。
一种替代的连接技术在于，将转子拧到轴上或使用附加固定器件、例如弹簧环或开口销来将转子体轴向固定。在此为了使转子轴被转子体转动带动而在这些部件之间设置形锁合。但这种类型的形锁合是制造复杂的并且附加的固定器件导致附加的成本、可避免的接合耗费并且作为磨损部件在原则上是不希望的。
另一种替代方案在于，借助焊接连接将转子体固定在转子轴上。但该连接技术将材料的选择局限于可焊接的材料。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种在转子轴和转子体之间的替代连接方式，该连接方式确保转子体在转子轴上可靠且精确的定位和固定并且可以简单制造。
根据本发明建议一种具有泵单元和驱动该泵单元的电动机的泵装置，该电动机包括具有转子轴和固定在该转子轴上的转子体的转子，其中，转子体在转子轴上的所述固定通过包括至少一个圆楔和至少一个互补圆楔的圆楔连接部(Kreiskeilverbindung)实现。
圆楔连接部的使用能够实现补偿公差，从而能够制成具有较大公差的构件。这些构件的制造成本由此显著降低。另外，圆楔连接部确保高效的转矩传递和在运行持续时间上恒定的压连接，因为该圆楔连接部在沿着夹紧方向转动时是自锁的。最后，圆楔连接部能实现转子体的简单安装并且出于维护目的在对应的设计中也确保简单的可拆性以便将转子体从转子轴中拆下。
另外，圆楔连接相对于传统的压连接具有如下优点：连接配合件大面积地接触，这在由于产生的变形而形成非圆连接部的压配合中并非如此。另外，借助圆楔连接部实现沿连接部的圆周的均匀的单位面积压力，该单位面积压力还可根据转矩进行适当调节。
在按本发明的在转子轴和转子体之间的圆楔连接中，转子轴构造成圆柱形的内部件，该内部件的横截面至少在圆楔连接的区域中是圆形的，并且在该内部件的圆周面上设有至少一个圆楔。在横截面中看，转子轴的外圆周形成基圆，在该基圆上突起有楔轮廓。与此相对，转子体作为连接配合件构造成具有圆柱形孔的外部件，至少一个互补圆楔位于该孔的内侧上。在横截面中看，转子体的内圆周形成基圆，在该基圆上突起有互补的楔轮廓。每个圆楔在此由一个关于展开的基圆固定上升的轮廓构成，该轮廓升高直至特定的轮廓高度并且之后在一个侧壁处下降，该侧壁被称为楔后沿(Keilrücke)。
转子轴和转子体间隙配合，其中，通过这两个部件的相对转动消除间隙。转子轴因而相对于转子体夹紧，其中，各圆楔的楔轮廓相互压靠。
优选圆楔连接部通过如下方式构成：转子轴的外圆周面沿着第一圆周方向A至少在轴向部分区段上是楔形的，以便形成所述至少一个圆楔。因此转子轴无需沿其整个轴向长度具有楔轮廓，尽管这是可能的。
相应地，转子体的与外圆周面相对应的内圆周面构成配合面，该配合面沿着相反的圆周方向B至少在轴向部分区段上是互补楔形的，以便构成所述至少一个互补圆楔。因此转子体在此也无须沿其整个轴向长度具有楔轮廓，尽管这在此也是可能的并且有利于实现最大程度紧密的配合。
与转子体相比，转子轴随后可相对于转子体夹紧，其方式是：在固定的转子体的情况下沿着相反的圆周方向B转动转子轴。相反地，对于转子体而言，在固定的转子轴的情况下所述夹紧通过转子体沿着第一圆周方向A的相对转动引起。也可能的是，为了进行所述固定而沿着第一圆周方向A转动转子体并且沿着相反的圆周方向B转动转子轴。
由该认知可得，当转子体相对于转子轴沿着第一圆周方向A转动并且转子轴相对于转子体沿着相反的圆周方向B转动时，存在圆楔连接部的夹紧作用。因为转子体由于由定子磁场施加给该转子体的加速力矩构成驱动的连接配合件而转子轴相应地构成被驱动的连接配合件，所以有利的是，电动机的驱动方向相应于第一圆周方向A。基于朝向相反的圆周方向定向的惯性矩，由此圆楔连接部的夹紧作用自动产生。
原则上，圆楔连接部可以在转子轴上具有一个、两个或更多个圆楔并且在转子体上具有相应数量的互补圆楔。但根据泵装置的一种特别优选的实施方案，圆楔连接部通过在转子轴的外圆周面上的三个圆楔和在转子体的内圆周面上的三个互补圆楔构成。这具有如下优点：圆楔连接部自动对中。
在本发明的一种有利设计中，圆楔连接部的圆楔的斜率在1：20和1：200之间。在所述斜率范围的下值范围内、即在1：20至大约1：100之间可能的是，所述圆楔连接为了拆卸目的而松开，而在上值范围内、即在1：100至1：200的斜率中能实现不可拆分的连接。
优选圆楔的轮廓构造为对数螺旋线。这具有如下优点：转子体和转子轴并非线性接触而是面状接触。
根据一种特别优选的实施方案，所述泵装置设有电动机，该电动机包括湿运行转子。这意味着，转子、即尤其是转子体被液体包围并且在运行中相应地被液体绕流。这种类型的泵装置也作为湿转子泵已知。
在将圆楔连接部应用于具有湿运行电动机的泵装置中时得到的一个特别有利的特性在于，在圆楔连接部的夹紧状态中在两个圆楔的楔后沿之间形成开口，在湿运行的电动机中的液态介质可穿过这些开口流动。开口轴向平行于转子轴延伸。这确保液体在转子室中的、尤其是转子体前方区域到转子体后方区域的优化的循环并且反之亦然，由此一方面防止颗粒附着并且另一方面引起热传导。
根据该认知，转子优选构造成湿运行的，并且在圆楔连接部的夹紧状态中在至少一个圆楔和沿着圆周方向毗邻的互补圆楔之间沿着圆周方向、尤其是沿着第一圆周方向A形成开口，在泵装置运行时包围转子的液体可流过该开口。
各圆楔、即转子轴的圆楔和转子体的互补圆楔在其轮廓端部上具有侧壁、尤其是陡峭的侧壁，其中，在圆楔连接部的夹紧状态中在两个相邻的侧壁之间形成所述的开口。如果在转子轴上存在多个圆楔，则在圆楔连接部的夹紧状态中这种类型的开口相应地存在于转子轴的每个圆楔和转子体的相应沿着圆周方向毗邻的互补圆楔之间。根据该实施方案，在将转子体固定到转子轴上之后这些轴向的开口中的至少一个开口保持打开，从而该开口可在运行中用作轴向的穿流通道，位于转子室中的液体可流过该穿流通道。如果在圆楔连接部中例如使用三个圆楔，则产生三个这种类型的开口，这些开口可用作轴向的穿流开口。
所述的液体例如可以是被泵输送的液体，例如在泵装置被用作加热泵时是水或乙二醇，在此转子室与泵室连通。作为替换方案，转子室可以是封闭的，从而在转子室中的液体不同于被输送的液体。
在圆楔连接部仅具有唯一一个圆楔和互补圆楔的情况下，在该一个开口中可置入锁止器件，或在使用具有多个圆楔的圆楔连接部的情况下，在圆楔连接部的一个或多个开口中可置入锁止器件。这种锁止器件可防止圆楔连接的松开。这种类型的松开例如可能在下述情况下出现：泵装置的电动机由于泵工作轮的锁止而必须至少暂时往回转动，以便再次释放工作轮，在此产生逆着夹紧方向的转矩。锁止器件可构造成实心或空心的，空心设计是有利的，因为这不会显著妨碍嵌入有锁止器件的对应开口的可穿流性。实心锁止器件可用于具有一个以上圆楔的圆楔连接部中，由此存在的开口之一可保持打开，而其它开口或其它开口之一可容纳锁止器件。
另外特别有利的是，在所述开口或其中至少一个开口中置入过滤元件。这种过滤元件能够将漂浮于转子室中的液体中的固体颗粒过滤出并且由此防止这些固体颗粒附着在不希望的部位上、例如附着在转子间隙中或附着在滑动轴承上的轴承间隙的区域中并且在那里导致提高的磨损或其它损坏。
过滤元件例如可以是海绵状的、尤其是由多孔的、例如弹性体塑料制成或具有由热塑性或热固性塑料制成的网状结构或替代地构造为金属丝网。过滤器元件可以沿开口的整个轴向长度延伸或仅占用该轴向长度的一部分。也可能的是，在将两个或更多个这种类型的过滤元件相继装入一个开口中。
优选其中一个过滤元件可同时用作锁止器件。这例如可通过金属丝网作为过滤元件来实现，或通过具有管状支撑结构(小管)的过滤元件来实现，该管状支撑结构被插入开口中并且该管状支撑结构在其内部具有一个或多个过滤元件。
圆楔连接部可构成总圆周角在180°和330°之间的周向接触面。周向接触面在此理解为圆楔连接部的所有角区段α2的总和，在这些角区段中转子轴的圆楔以其楔轮廓贴靠在转子体的互补圆楔的楔轮廓上。周向接触面越大，则可从转子体传递到转子轴上的最大转矩就越大。
由于定义周向接触面的角区段α2与定义在楔后沿之间的开口或者说穿流开口的角区段α1构成完整圆，因此周向接触面不应选择得过大，否则穿流开口的宽度就会太小。例如在具有三个圆楔并且周向接触面为300°的圆楔连接部中，每个穿流开口的角区段为α1＝20°。为了使穿流开口具有足够的穿流能力，这些穿流开口应具有至少α1＝10°的圆周角，从而在该情况下最大的周向接触面约为330°。
在上述的实施方案中，所述转子体具有由塑料制成的在径向上位于内部的层，在该层中构成有互补圆楔。优选整个转子体可由塑料制成并且在其中嵌有永久磁铁或具有短路环的棒。
作为替代方案，转子体通过至少一个环状或环段状的、尤其是烧结的永久磁铁构成，在朝向转子轴定向的永久磁铁内表面中成形出圆楔。这意味着，永久磁铁的在径向上位于内部的轮廓具有圆楔轮廓，从而在转子体和转子轴之间不需要其它的连接配合件。
在泵装置的一种有利设计中，转子轴由陶瓷材料制成。由于陶瓷材料特别脆的并且不可以进行焊接，所以按本发明的圆楔连接部特别适合用于陶瓷轴中。由于陶瓷轴与金属轴相比是较轻的并且具有较少的磨损，所以这些陶瓷轴在湿转子泵中是特别有利的。
对于转子轴而言，在上述实施方案中圆楔可直接构成在转子轴的表面中。作为替代方案，转子轴可包括本来的轴和靠放到该轴上的夹紧套筒，在该夹紧套筒的在径向上位于外侧的表面中构成圆楔(5)。这些实施方案特别适合于这些转子轴，它们的轴由如下材料制成，该材料例如由于其特殊硬度不能构成有圆楔或该材料用于形成楔轮廓的加工是非常复杂的。
附图说明
下面借助两个实施例和附图详细说明按本发明的泵装置的以及按本发明的圆楔连接部的其它优点和特征。在附图中：
图1是离心泵装置的第一实施方案的转子的透视图；
图2是离心泵装置的第一实施方案的转子的径向横截面；
图3是离心泵装置的第二实施方案的转子的透视图；
图4是离心泵装置的第二实施方案的转子的径向横截面。
具体实施方式
图1示出具有未示出的泵单元和驱动该泵单元的、湿运行的电动机的泵装置、尤其是离心泵装置的第一实施方案的转子1。转子1是未示出的电动机的一部分并且包括转子轴2和转子体4。在图1中示出在拆开状态中的转子1，转子体4为了固定和定位在转子轴2上首先在轴向接合步骤中被推套到转子轴2上并且随后相对于转子轴转动。
转子体4在转子轴2、3上的固定在此通过圆楔连接部5、6实现，该圆楔连接部由一方面三个圆楔5和另一方面三个互补圆楔6构成。为此转子轴2的外圆周面在第一圆周方向A上沿一个轴向区段是楔形的，以便形成至少一个圆楔5。转子体4的与此对应的内圆周面构成配合面，该配合面在相反的圆周方向B上是互补楔形的，以便形成至少一个互补圆楔6。在转子体4方面的圆楔轮廓沿其轴向整个长度延伸。
每个圆楔5、6通过这样的圆楔轮廓构成，该圆楔轮廓由展开的基圆升高至特定的轮廓高度并且随后以一个侧壁8下降，该侧壁比轮廓升高部要陡峭许多。
图2示出安装到转子轴2上的转子体4的径向横截面。在此示出第一圆周方向A和第二圆周方向B。转子轴和转子体间隙配合，通过两个部件的相对转动消除间隙。转子轴在此相对于转子体夹紧，在此圆楔的楔轮廓相互压靠。
转子体4可通过下述方式相对于转子轴2夹紧：在固定的转子体4的情况下使转子轴2沿着相反的圆周方向B转动。相反地，对于转子体4而言，在固定的转子轴2的情况下所述夹紧通过转子体4沿着第一圆周方向A的相对转动引起。
转子体4和转子轴2的转动导致，在圆楔连接部5、6的夹紧状态中在转子轴2的圆楔5和转子体的沿着圆周方向直接毗邻的互补圆楔6之间沿着圆周方向形成开口7。在离心泵装置运行时包围转子1的液体可流过这些开口。这确保了在转子室内部经由液体的优化的热传导或均匀的热分布，并且还确保了存在于转子体前方和/或后方的滑动轴承获得足够的液体用于润滑。
通过使用三个圆楔5和三个互补圆楔6得到三个开口7，这些开口分别在大约20°的圆周角α2上延伸。在其它实施方案中该圆周角优选可在10°和60°之间。在开口7的圆周角α2约为19°时，各圆楔轮廓的圆周角α1分别约为100°。由此在圆楔连接部5、6中得到总圆周角约为300°的周向接触面。
图3示出具有未示出的泵单元和驱动该泵单元的、湿运行的电动机的离心泵装置的第二实施方案的转子1。所述转子1与第一实施方案的区别仅在于，转子轴2具有夹紧套筒3，其中，圆楔轮廓不直接构成在转子轴2本身中，而其实是构造在位于该转子轴上的夹紧套筒3中。转子轴2、3在该实施方案中因此由本来的轴2和所述的夹紧套筒3构成。
在图3中同样示出在拆开状态中的转子1，为了将转子体4固定和定位在转子轴2上，首先在轴向接合步骤中将夹紧套筒3推套到轴2上，然后将转子体4推套到转子轴2连同夹紧套筒3上，并且接着使转子体相对于转子轴2、3转动。夹紧套筒3是圆柱形元件，该圆柱形元件沿着轴向方向被切开。剖切线在图3和4中以附图标记9表示。夹紧套筒3由此是弹簧弹性的。该夹紧套筒的内径小于轴2的外径，从而该夹紧套筒须轻微扩开，以便将其轴向接合到轴上。
在其它方面，在图3和4中的实施方案对应于在图1和2的实施方案。在图4的方案中开口7分别在大约35°的圆周角α2上延伸。由此在圆楔连接部5、6中得到总圆周角约为255°的周向接触面。由此圆楔轮廓具有约为85°的圆周角α1。
在图1至4的实施方案中，所有开口7均是打开的，从而处于转子室中的介质、尤其是输送介质可以流过这些开口。
但也可能的是，在其中至少一个开口7中装入锁止器件，使得圆楔连接不会自己松开。
另外可能的是，在其中一个开口7中、优选在所有开口中装入过滤元件，以便对在转子室中的液体进行过滤。根据过滤元件的类型和特性，该过滤元件也可同时用作锁止器件。例如可使用小的空心的管作为锁止器件，该管可轴向插入其中一个开口7中并且该管在其内部具有过滤元件。作为替代方案，可使用紧凑的金属丝网作为过滤元件，该金属丝网可以用作锁止器件。
在根据图1至4的实施方案中，转子体4具有永久磁铁4a，该永久磁铁借助套筒4b被封装。另外，该转子体具有由塑料制成的在径向上位于内部的层4c，在该层中构成有所述互补圆楔6。

Claims (17)

1.具有泵单元和驱动该泵单元的电动机的泵装置，该泵装置包括具有转子轴(2、3)和固定在该转子轴上的转子体(4)的转子(1)，其特征在于，所述转子体(4)在转子轴(2、3)上的所述固定通过包括至少一个圆楔(5)和至少一个互补圆楔(6)的圆楔连接部(5、6)实现，所述转子(1)是湿运行的，并且在圆楔连接部(5、6)的夹紧状态中在至少一个圆楔(5)和沿着圆周方向毗邻的至少一个互补圆楔(6)之间沿着圆周方向形成开口(7)，在泵装置运行时包围转子(1)的液体能够流过所述开口。
2.根据权利要求1所述的泵装置，其特征在于，所述圆楔连接部(5、6)通过如下方式构成：转子轴(2、3)的外圆周面沿着第一圆周方向(A)至少在轴向部分区段上是楔形的，以便形成所述至少一个圆楔(5)，并且转子体(4)的与所述外圆周面相对应的内圆周面构成配合面，该配合面沿着相反的圆周方向(B)至少在轴向部分区段上是互补楔形的，以便形成所述至少一个互补圆楔(6)。
3.根据权利要求1所述的泵装置，其特征在于，所述圆楔连接部(5、6)通过在转子轴(2、3)的外圆周面上的三个圆楔(5)和在转子体(4)的内圆周面上的三个互补圆楔(6)构成。
4.根据权利要求2所述的泵装置，其特征在于，所述圆楔连接部(5、6)通过在转子轴(2、3)的外圆周面上的三个圆楔(5)和在转子体(4)的内圆周面上的三个互补圆楔(6)构成。
5.根据权利要求1至4之一所述的泵装置，其特征在于，所述圆楔(5、6)的斜率在1：20和1：200之间。
6.根据权利要求1至4之一所述的泵装置，其特征在于，在圆楔连接部的夹紧状态中在每个圆楔(5)和沿着圆周方向毗邻的互补圆楔(6)之间形成开口(7)，在泵装置运行时包围转子(1)的液体能够流过其中至少一个开口。
7.根据权利要求1至4之一所述的泵装置，其特征在于，所述圆楔连接部(5、6)构成总圆周角在180°和330°之间的周向接触面。
8.根据权利要求1至4之一所述的泵装置，其特征在于，在所述开口(7)或其中至少一个开口(7)中置入锁止器件。
9.根据权利要求1至4之一所述的泵装置，其特征在于，在所述开口(7)或其中至少一个开口(7)中置入过滤元件。
10.根据权利要求9所述的泵装置，其特征在于，所述过滤元件构成锁止器件。
11.根据权利要求1至4之一所述的泵装置，其特征在于，所述转子体(4)具有由塑料制成的在径向上位于内部的层(4c)，在该层中构成有所述互补圆楔(6)。
12.根据权利要求1至4之一所述的泵装置，其特征在于，所述转子轴(2)由陶瓷材料制成。
13.根据权利要求1至4之一所述的泵装置，其特征在于，所述圆楔连接部(5、6)沿着转子体(4)的整个轴向长度存在。
14.根据权利要求1至4之一所述的泵装置，其特征在于，电动机的转动方向相应于第一圆周方向(A)。
15.根据权利要求1至4之一所述的泵装置，其特征在于，所述圆楔(5)直接构成在转子轴(2)的表面中。
16.根据权利要求1至4之一所述的泵装置，其特征在于，所述圆楔(5)构成在夹紧套筒(3)的在径向上位于外侧的表面中，该夹紧套筒靠放在转子轴(2)上。
17.根据权利要求1至4之一所述的泵装置，其特征在于，所述圆楔(5、6)的轮廓构造为对数螺旋线。
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