CN108370191B - 离心泵、尤其循环泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离心泵、尤其循环泵，其具有泵叶轮和用于驱动所述叶轮的集成的同步磁阻马达，其中定子叠片组（4）与转子叠片组（3）的磁性作用的构件之间的距离A小于或等于定子孔直径的3％，并且设置有用于保护定子（4）的导电的元件免受输送介质影响的分离器件。

Description

离心泵、尤其循环泵

技术领域

本发明涉及一种离心泵、尤其循环泵，其具有由电动马达驱动的泵叶轮。

背景技术

离心泵、尤其循环泵在住宅、办公室和商业建筑物中用于在热量产生器和热量消耗器之间运输饮用水、加热水和冷却水。例如，在单户住宅中使用直至三个循环泵、即用于运输热水（“热泵”）、用于循环热的饮用水（“循环泵”）和用于运输太阳能热介质（“太阳能泵”）。在基础设施性的综合体（例如，机场）中在广泛分支的设施中使用几千台循环泵。

集成的机组被称为循环泵，其由用于将能量传输到液态的载热体介质的泵组成，并且包括集成到该泵中的电动马达，该电动马达驱动泵叶轮。由欧盟颁布的能源相关产品准则(Energy related Products-Richtlinie)规定了自2013年以来需遵守的循环泵的最低效率。由于这些规定，目前市场上可商购获得的循环泵由泵级、永磁激励的同步马达和频率变换器组成。

然而，在用于更高的能源效率的循环泵的开发而确定的框架条件中，欧盟和制造商的重点不在于机组的资源效率。取而代之地，制造商对此转向在电气泵驱动器和电气组件的生产中大幅度增加材料使用，以由此满足严格的欧盟规定。从异步技术中的或具有由铁氧体制成的“常规”永磁体的电动马达转变成具有由稀土金属（例如，钕铁硼或钐钴）制成的高性能永磁体的电动马达的过渡，实现了通过由此增加的磁通量密度来提升所需的效率。除此之外，使用这些高性能永磁体允许转子外直径（磁体表面）和定子内直径（也称为孔直径）之间的距离，其为间隙管和转子套筒提供足够空间，正如它们通常用于循环泵那样。目前，制造商仅将这些相对昂贵的材料用于永磁体，其在生态上的降解变得极其成问题。

发明内容

因此，本发明的目的是开发一种离心泵、尤其循环泵，其在效率方面满足EU准则的规定，然而其也可以在不使用上述稀土金属的情况下实现。

根据权利要求1的特征，该目的通过一种离心泵、尤其循环泵实现。离心泵、尤其循环泵的有利的设计方案是紧接着独立权利要求的从属权利要求的主题。

根据权利要求1，提出了一种离心泵、尤其循环泵，其具有泵叶轮，其电驱动器由同步磁阻马达构成。同步磁阻电机的特点是效率特别高。迄今为止，由于技术原因，没有考虑将这种马达类型用于循环泵，因为定子和转子之间的、由原理所决定的非常小的距离没有提供足够的空间关系给保护器件，该保护器件用于保护马达的载电流的组件免受侵入到马达空间中的输送介质的影响。然而，增加该距离会导致马达效率下降。

为了将同步磁阻马达集成为离心泵、尤其循环泵的驱动机组，因此需要至少一个合适的分离器件，其至少保护定子的导电的元件免受侵入的输送介质的影响。通常，绕组绞线或绕组头形成定子的导电的元件。

此外，根据本发明的离心泵、尤其循环泵的特征在于，定子叠片组与转子叠片组的磁性作用的构件之间的距离A小于或等于定子孔直径的3 ％。磁性作用的构件例如是所使用的、转子和定子组的软磁性的板状薄片。对于距离测量或距离定义，不考虑对磁通量没有显著的影响的、板状薄片的可能的涂层。

通过该距离规定，根据本发明的离心泵、尤其循环泵符合法定要求的最小效率，然而在空气间隙中提供足够的空间以集成至少一个合适的分离器件，以保护定子的、载电流的元件。

同步磁阻马达的转子仅能按照磁阻原理工作，也就是说，转子由软磁性的材料制成的叠片组组成，以通常的方式和方法将通量抑制部引入到所述叠片组中。通量抑制部填充以空气或填充有反磁或顺磁的材料。作为用于板状薄片几何形状的样板，优选适用根据美国专利5818140已知的Vagati-Design。

可选地，转子可以附加地设有永磁体，该永磁体优选地被引入到通量抑制部内以便在那里抑制磁通量。替代性地或附加地，同步磁阻马达的定子可以包括一个或多个永磁体。在转子侧或替代性地在定子侧或者在转子侧和定子侧两者上引入一个或多个永磁体允许两个组件之间的空气间隙增加，而不必承受更大的效率损失。

在进一步的可选的设计方案中，同步磁阻马达可具有短路笼，由此得到尤其具有直接启动能力的马达，也就是说，同步磁阻马达可在没有频率变换器的情况下在恒定的电源电压下启动。

同步磁阻马达的定子例如可以配备有分布式旋转绕组。替代性地，还提供具有集中式旋转场绕组的定子，该旋转场绕组也被称为齿线圈绕组。

实现定子的另一种替代方案是其装备有旋转场绕组，其绞线可在马达运行过程中顺序地连接。合适的顺序的连接导致绞线电流由恒定电流值的块组成，其在马达运行过程中可以顺序地改变。与传统地缠绕的磁阻电机相比，通过该方法减少了定子齿的数量。参考未公开的德国专利申请，其官方登记号码为102014019278.4，其内容通过引用全部并入本文。

根据本发明的优选的设计方案，距离A小于定子孔直径的2.5 ％、更优选小于2％。如果距离A小于定子孔直径的1.5 ％，或者进一步尤其优选小于定子孔直径的1 ％，则是尤其优选的。在理想情况下，距离A小于定子孔直径的0.5 ％。由此，可以实现同步磁阻电机的最佳效率。

通过选择合适的、用于保护定子的载电流的元件的分离器件，可以实现这种较小的距离，并且根据本发明的离心泵、尤其循环泵满足法律上所要求的最小效率。

在本发明的一个可能的设计方案中，马达被设计成湿式泵，其中定子被分离器件完全保护以免受侵入到马达空间中的输送介质的影响。在此，作为分离器件的可能的设计方案的是，使用被引入到转子和定子之间的空气间隙中的间隙管。间隙管可以根据优选的设计方案由纤维复合材料制成。由此，可以实现尤其薄壁的间隙管，所述间隙管在转子和定子之间的、有限的空气间隙中找到足够的空间。

在这种情况下，插入到定子齿之间的槽开口的至少一部分中的一个或多个槽楔可用作其他的分离器件。由此，引导绕组绞线的槽被相对于马达空间密封，并且被保护以免受流入的输送介质的影响。可以考虑将槽楔实施为单独的构件，其单个地被插入到相应的槽开口中。足够的压力保护由定子齿的特殊成形的凸肩提供，槽楔的、配属的止挡面贴靠到所述凸肩上，从而不会被过度压入到槽中。由于空气间隙中存在的压力，所引入的槽楔被足够密封地压靠到定子齿上。

同样可以考虑的是，一个或多个单个的槽楔通过至少一个共同的端环相互连接。具有两个不同大小的端环的构造是可能的，所述端环形成一种笼。当正确安装时，周向上较小的第一端环贴靠在定子孔的内壁上，而周向上较大的第二端环抵靠在定子端侧上。由此成形一种笼，该笼可选地实现附加的定子涂层。一种替代性的可能方案是将一个或多个槽楔直接布置在间隙管的表面上或者由间隙管材料成形。成形的槽楔不是仅封闭定子槽，而是同时用作所使用的间隙管的加强筋。这由此允许被实施得更加薄壁，由于空气间隙中的拥挤的空间关系，这是期望的。

替代性地，可以想象的是，优选地借助于匹配地制造的模具作为原材料、例如液态的塑料，将一个或多个槽楔单个地喷入到定子槽中。

根据本发明的替代性的设计方案，马达可以被设计为湿式泵，其中定子至少部分地与输送介质接触。在这种情况下，定子的载电流的元件有目的地由分离器件保护，而定子的其余部分可以无阻碍地与输送介质接触。

例如可以考虑的是，通过足够的绝缘器件将载电流的元件、即定子绕组与输送介质分离。一种可能的方案是绕组的至少部分的罩壳。罩壳可以由PVC制成。对此替代地，一个或多个载电流的元件或绕组可以至少部分地被浇入到分离器件中。具体而言，位于定子槽内的绕组可以通过浇入到槽中的树脂或塑料被保护，以免受流入的输送介质的影响。基于这种方案，同样可想到在定子制造过程中将载电流的元件至少部分地直接浇入到定子材料中。绕组因此嵌入到定子的基础材料中并且被保护以免受输送介质的影响。

替代性地可以规定，有目的地通过合适的分离器件保护至少包含载电流的元件的定子的部分免受输送介质的影响。在这种关系下可以考虑的是，在定子的一个或两个端侧上安装一个或多个扁平密封部。这些扁平密封部被马达壳体压靠到定子的端侧上，由此某些定子部分不被输送介质冲刷。这些部分优选包含导电的元件、尤其绕组头。

上述变型方案不排除定子附加地被作为其他的分离器件的单独的涂层至少部分地保护以免受输送介质的影响。例如，定子组的外周至少部分地、理想完全地涂覆有合适的涂层，该涂层保护相应的叠片组不受湿气侵入和/或将所述叠片组针对相对于马达空间存在的压力差进行密封。涂层为板状薄片提供优选足够的防腐蚀保护。

补充地，在所描述的具有扁平密封部的实施方式中，定子槽内的导电的元件可以通过精确配合插入的槽楔而单独地被保护。槽楔的实施方式对应于前面已经描述过的实施方式。

根据离心泵、尤其循环泵的进一步替代性的设计方案，马达可以是干式泵，其中通过至少一个密封部、尤其轴密封部、优选滑动环密封部将整个马达空间完全地进行保护，以免受流入的输送介质的影响。滑动环密封部可以由至少一个旋转的滑动环和至少一个静止的滑动环组成，所述滑动环位于轴和马达壳体之间。

对于所有上述实施方式，针对转子叠片组的设计方案存在不同的可选方案。在上述实施例中的每一个中，转子叠片组可以与输送介质直接接触，因为其不包括导电的元件。替代性地，然而可以设想至少部分地通过合适的涂层来保护转子叠片组，以保护其免受输送介质的可能的腐蚀作用或压力影响。作为涂层的替代方案或附加方案，转子也可以通过完全或至少部分地包围其的转子套筒与输送介质分离并得到保护。

除了腐蚀问题之外，另一个问题是进入到转子结构中的输送介质、尤其进入到通量抑制部中的输送介质会在马达运行过程中引起转子构造的稳定性问题。特别是由此决定的重量分布改变会导致转子的高的结构性载荷。在这种关系下，通过至少一个密封器件将通量抑制部相对于流入的输送介质进行密封是有意义的。理想情况下，通量抑制部沿轴向方向完全地或几乎完全地利用合适的密封剂进行填充。

附图说明

接下来，应该借助于多个在附图中示出的实施例更详细地解释本发明的其他优点和特性。其中：

图1示出了根据本发明的循环泵的第一实施变型；

图2示出了循环泵的根据本发明的第二实施变型；

图3示出了根据本发明的循环泵的第三实施变型；

图4示出了根据本发明的循环泵的第四实施变型；

图5示出了利用槽楔进行密封的定子槽的详细视图，以及

图6示出了槽楔笼的两种变型方案。

具体实施方式

以下说明涉及循环泵，但不限于此，这些说明通常适用于任意形式的离心泵。图1至4示出了循环泵的不同实施变型，附图尤其示出了用于驱动作为泵壳体的集成的组成部分的循环泵所使用的同步磁阻马达的部分断面图。所有变型方案的基本构造都是一样的，也就是说，驱动机组包括具有支承的轴2的马达壳体1。在轴上安置有转子3，该转子在位于外部的定子4的定子孔中运转。转子3和定子4都由单个的板状薄片3'、4'在轴向方向上相应地堆叠为叠片组。在转子叠片组3和定子叠片组4之间是空气间隙5。根据美国专利US5818140的Vagati-Design，转子3的板状薄片3'优选设有通量抑制部，其中当然不排除相对于Vagati-Design的偏差。转子3和定子4可以都是或者只有一个配备有永磁体。此外，转子3可以可选地包括起动笼。

定子可以包括分布式旋转场绕组或集中式旋转场绕组。替代性地，可以考虑一种旋转场绕组，其中绞线以彼此相位推移的电流通电，并且通电状态依赖于转子角度而阶跃地变化。尤其可以选择三角电流函数来定义绞线电流，其中通电角度顺序地以定义的delta通电角度继续连接。通过这种措施，可以减少所需定子齿的数量。参考未公开的德国专利申请，其带有官方登记号码102014019278.4，其内容通过引用全部并入本文。

根据本发明，在图1至4的全部四种变型方案中，转子3以及定子4的磁性作用的材料之间的距离A被选择为小于或等于定子4的孔直径D的3 ％。如果距离A小于或等于定子孔的直径的2.5 ％、小于或等于2 ％、小于或等于1.5 ％、小于或等于1 ％或在理想情况下小于或等于0.5 ％，则是更好的。在此，D/2为从马达或轴2的中心轴开始计算直至定子组4的内周的距离。

通过该规定确保了泵的足够的效率。由于特别是在循环泵中，驱动机组直接集成到泵中，并且机组本身也暴露于输送介质。这需要采取保护措施以保护某些马达部件、如保护定子的载电流的元件免受进入到马达空间中的输送介质的影响。空气间隙的、根据本发明的尺寸现在在具有同步磁阻马达的循环泵的情况下也提供足够的空间以集成所需的分离器件。分离器件的目的是保护某些马达部件、尤其定子4的绕组绞线或绕组头免受进入到马达空间中的输送介质的和在运行中可能存在的压力差的影响。

图1至4所示的变型方案在分离器件的设计上不同。在图1、2和4的变型方案中，同步磁阻电机被设计为湿式泵。相比之下，根据图3的变型方案作为干式泵工作，分离器件由此防止液体进入到马达空间中。

根据图1所示的第一实施例，定子4通过集成的间隙管6与空气间隙5完全分离，以便保护定子绕组以及整个定子组免受流入的输送介质的影响。它近似是一带有干式定子4的湿式泵3。所使用的间隙管6可以由纤维复合材料制成，由此可以产生特别薄壁的间隙管，该间隙管最佳地利用空气间隙5中存在的空间供给。

最佳地，转子3可以包括涂层，该涂层理想地涂覆在转子组3的整个外周上。该涂层应当明确地保护转子3免受腐蚀，并且必要时防止输送介质侵入到叠片组3或通量抑制部中。替代性地，如图1所示，转子3也被匹配的转子套筒17包围。然而，将转子叠片组3直接暴露于输送介质没有问题。

根据图2的马达变型方案的基本构造对应于图1的基本构造，在根据图2的变型方案中，定子然而不被间隙管保护，而是绕组头或绕组7完全被输送介质绕流。因此它是具有湿式定子4的湿式泵。为了保护导电的元件，这些元件是绝缘的，例如通过绕组绞线的PVC-包覆部。替代性地或附加地同样可以规定，对此例如参见图5，放置在定子槽9中的绕组8通过插入到槽开口13中的槽楔11在空气间隙5中被保护以免受输送介质的影响。精确配合的槽楔11插入到定子槽9的开口13中以将槽9的空腔相对于外部密封。参照图5、6a、6b，稍后将描述槽楔11或其在两个定子齿10之间的槽9内的紧固的具体设计。

除了根据图2的变型方案中所示的绕组头7的绝缘之外，可以通过合适的涂层14将定子4补充地进行保护以免受输送介质的影响。在此，相应的定子涂层14完全施加在定子4的外周上，并且由此保护各个定子叠片4'免受腐蚀的影响。

在根据图2的变型方案中也可以针对转子3这样做，该转子可以相应地通过涂层20或者替代性地通过精确配合的转子套筒得到保护。然而，直接将转子叠片组3暴露于输送介质没有问题。

在根据图3的第三实施方式中，马达3和定子4的基本构造又与根据图1和图2的变型方案相同。然而，在根据图3的变型方案中，整个马达空间被相对于输送介质密封，也就是说，这实现了一个干式泵。马达壳体1或转子轴2通过相应的密封部16被相对于输送介质密封，其中在朝向马达空间的壳体边缘上的滑动轴承15的后部，匹配的轴密封部16被安置在转子轴2和马达壳体1之间。在此，该密封部是滑动环密封部。滚动轴承通常位于轴的、相对置的一侧上。

根据图4的第四实施变型示出了前述两个实施例的混合形式。在此，实现了湿式泵，然而其中定子4的部件通过匹配的扁平密封部18被保持干燥。壳体1的、伸入到马达空间中的密封保持件19将扁平密封部18压靠到定子4的两个端侧上。由此，定子4的绕组头7被保持干燥并且被保护以免受输送介质的影响。此外，定子4可以通过合适的涂层14被保护免受输送介质的影响。这同样通常适用于转子1，该转子设有涂层20或也设有转子套筒17。

在该实施变型中也可以设置匹配的槽楔11，以单独地保护定子槽9内的绕组8免受输送介质的影响。关于槽楔11的实施方式，参见图5或6a、6b。在此，图5示出了定子齿10，其中在两个齿10之间分别有一个定子槽9。指向空气间隙的槽开口13由匹配的槽楔11密封。在此可以看出，在定子齿10上成形相应的凸肩21，所述凸肩与槽楔11的所配属的止挡部22压靠在一起。由此阻止了槽楔11被完全压入到槽开口13中，然而通过输送介质的存在的压力确保槽楔11的足够的压靠力，以足够地密封封闭的槽9的空腔。

槽楔可以被设计为单个的构件。根据图5，定子组4被附加的涂层14覆盖，该涂层也置于槽楔11上。

由图6a、6b得知两种替代性的实施方式。在此，各个槽楔通过匹配的端环23相互连接。这种槽楔笼25可以容易地沿轴方向推入到转子3和定子4之间的马达空间中。替代性地，槽楔笼25也可以通过注塑成型而被喷入到定子4中。

在图6b中示出了槽楔笼25'的轻微的修改方案。在此，两个端环23a、23b具有不同的直径。具有较小的直径的端环23a在装入位置中贴靠到定子孔的内壁上，而端环23b的尺寸大于定子孔的尺寸，并且因此在装入位置中抵靠在定子端侧上。这简化了安装和正确定位。由此，可以识别不同尺寸的端环23a、23b，楔11位于较小的端环23a之上，而楔11侧向地邻接较大的环23b。

替代性地，楔11也可以直接施加在间隙管6的表面上。由此，楔11附加地承担加强肋的功能，这允许减小间隙管6的壁厚。

Claims (12)

1.离心泵，其具有泵叶轮和用于驱动所述叶轮的、集成的同步磁阻马达，其中所述马达是湿式泵，其中设置有用于保护定子（4）的导电的元件免受输送介质影响的分离器件，其中该同步磁阻马达具有由软磁性的材料制成的叠片组组成的转子，通量抑制部引入到所述叠片组中，其中定子叠片组（4）与转子叠片组（3）的、磁性作用的构件之间的距离A小于或等于定子孔直径的3％，其中，所述定子（4）通过间隙管（6）完全被保护以免受输送介质的影响，其中间隙管（6）被引入到转子（3）与定子（4）之间的空气间隙（5）中，其中设置有一个或多个槽楔（11）作为另外的分离器件以密封一个或多个定子槽（9），从而保护位于槽（9）内的导电的元件免受所述输送介质的影响，

其特征在于，所述槽楔（11）支撑在定子齿边缘的凸肩上并且布置在所述间隙管（6）的表面上，其中所述槽楔（11）经由两个共同的端环（23、23a、23b）相互连接以形成槽楔笼（25），其中在将槽楔笼（25）推入到定子中之后，端环（23a）中的一个贴靠到定子孔的内壁上并且第二端环（23b）抵靠在定子端侧上。

2.根据权利要求1所述的离心泵，其特征在于，所述距离A小于所述定子孔直径的2.5％、或小于2 ％、或小于1.5 ％、或小于1 ％，或小于0.5 ％。

3.根据权利要求1所述的离心泵，其特征在于，间隙管（6）作为分离器件被引入到转子（3）与定子（4）之间的空气间隙（5）中，其中所述间隙管（6）由纤维复合材料构成或包含所述纤维复合材料。

4.根据权利要求1或2所述的离心泵，其特征在于，所述定子（4）至少部分地与所述输送介质接触，其中载电流的元件至少部分地由所述分离器件进行保护。

5.根据权利要求4所述的离心泵，其特征在于，设置所述定子（4）的载电流的元件的、保护性的、至少部分的罩壳作为分离器件，和/或所述载电流的元件被至少部分地浇注到由树脂或塑料制成的分离器件中，和/或所述载电流的元件被至少部分地浇入到所述定子（4）的作为分离器件的材料中。

6.根据权利要求4所述的离心泵，其特征在于，在所述定子（4）的端侧上挤压一个或多个扁平密封部（18）作为其他的分离器件，从而将所述定子端侧与所述输送介质分离。

7.根据权利要求4所述的离心泵，其特征在于，设置所述定子叠片组的至少部分涂覆的涂层（14）作为其他的分离器件。

8.根据权利要求1所述的离心泵，其特征在于，所述转子叠片组（3）与所述输送介质直接接触或者全部或部分地通过涂层（20）和/或转子套筒（17）与所述输送介质分离。

9.根据权利要求1所述的离心泵，其特征在于，转子通量抑制部至少部分地由密封器件填充，从而密封所述转子（3）以防止所述输送介质的侵入。

10.根据权利要求1所述的离心泵，其特征在于，所述转子（3）和/或所述定子（4）的通量抑制部包括一个或多个永磁体。

11.根据权利要求1所述的离心泵，其特征在于，所述同步磁阻马达包括起动笼。

12.根据权利要求1所述的离心泵，其特征在于，所述定子（4）包括分布式旋转场绕组或集中式旋转场绕组或具有顺序连接的绞线的旋转场绕组。

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