CN112524038B - 离心泵和泵壳 - Google Patents

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Abstract

提出了一种用于输送流体的离心泵，其具有泵壳(2)，在该泵壳(2)中设置有用于输送流体的转子(3)，并且具有定子(4)，该定子与转子(3)一起形成用于使转子(3)绕轴向方向(A)旋转的电磁旋转驱动器，其中定子(4)设计为轴承和驱动定子，利用定子(4)，转子(3)可以相对于定子(4)被磁驱动而不接触并且被磁悬浮而不接触，其中转子(3)在轴向方向(A)上被动磁悬浮，并且在垂直于轴向方向(A)的径向平面中主动磁悬浮，其中泵壳(2)包括底部(27)和覆盖物(25)，其中转子(3)相对于轴向方向(A)在所述泵壳(2)中布置在底部(27)与覆盖物(25)之间，其中至少一个凹口(9)设置在底部(27)和/或覆盖物(25)中，该凹口(9)设计成产生局部湍流。此外，本发明提出了一种用于这种离心泵(1)的泵壳(2)。

Description

离心泵和泵壳
技术领域
本发明涉及用于输送流体的离心泵和泵壳。
背景技术
离心泵是已知的，其包括电磁旋转驱动器，该电磁旋转驱动器根据无轴承马达的原理设计和操作。在这方面，术语无轴承马达意味着电磁旋转驱动器，其中转子相对于定子完全磁悬浮，其中不提供单独的磁性轴承。为此，定子设计为轴承和驱动定子，它既是电驱动器的定子，并且也是磁悬浮的定子。借助于定子的电绕组，可以产生旋转磁场，该旋转磁场一方面将扭矩施加到转子上，从而影响其旋转，并且另一方面将剪切力(该剪切力可以根据需要设定)施加到转子上，从而可以主动控制或调节其径向位置。因此，转子的三个自由度可以被主动调节，即它的旋转和它的径向位置(两个自由度)。相对于另外三个自由度，即其在轴向方向上的位置和相对于垂直于期望旋转轴线的径向平面的倾斜(两个自由度)，转子被动地磁悬浮或通过磁阻力稳定，即它不能被控制。特别是没有单独的磁性轴承，转子完全磁悬浮，无轴承马达因此得名。
同时，无轴承马达对于本领域技术人员来说已经足够公知，并且用于许多不同的应用。一些基本的描述可见于例如EP A 0 860 046和EP-A-0 819 330中。
根据无轴承马达原理设计的离心泵已经在广泛的应用中得到证明。
由于没有机械轴承，具有无轴承马达的离心泵特别适用于下面这样的应用，其中输送非常敏感的物质，例如血泵，或者对其在纯度上有非常高的要求，例如在制药工业或生物技术工业中，或者利用其输送磨蚀性或侵蚀性物质，磨蚀性或侵蚀性物质将非常迅速地破坏机械轴承，例如在半导体工业中用于浆液或酸性流体的泵。
无轴承马达的原理的另一个优点源自将转子设计成一体式转子，它既是电磁驱动器的转子，也是离心泵的转子。除了非接触式磁悬浮，优点还体现在非常紧凑和节省空间的配置方面。
此外，无轴承马达的原理还允许下面这样的离心泵设计：其中转子或其中布置有转子的泵壳可以非常容易地与定子分离。这是一个非常大的优点，因为泵壳因此可以被设计为例如一次性使用的一次性使用零件。由于极高的纯度要求，这种一次性使用的应用如今经常取代在先前的过程中与待处理流体接触的所有那些部件必须以复杂的方式进行清洗和消毒(例如通过蒸汽消毒)的过程。在一次性使用的设计中，与待处理流体接触的那些部件仅恰好使用一次，并然后在下一次应用中被新的(即未使用的)一次性零件替换。
在无轴承马达成功地用于离心泵的所有这些应用中，原则上可以将无轴承马达设计成内部转子，即具有内部布置的转子和围绕转子布置的定子；或者设计成外部转子，即具有内部布置的定子和围绕定子布置的转子。然而，两种设计都表明，对于某些应用，转子抵抗轴向方向位移以及抵抗相对于径向平面的倾斜的被动磁稳定可能达到其极限，或者甚至可能不再足以保证离心泵的安全和无故障操作。
发明内容
因此，从现有技术的这种状态开始，本发明的一个目的是提出一种具有电磁旋转驱动器的离心泵，该离心泵包括转子，该转子可以在被磁驱动而不接触并且被磁悬浮而不接触，其中转子的被动磁稳定得到改善，特别是在轴向方向位移方面。此外，本发明的目的是提出一种用于这种离心泵的泵壳。
满足该问题的本发明的目的的特征在于根据本公开的离心泵或泵壳的特征。
根据本发明，因此提出了一种用于输送流体的离心泵，该离心泵具有泵壳，在该泵壳中设置有用于输送流体的转子，并且具有定子，该定子与转子一起形成用于使转子绕轴向方向旋转的电磁旋转驱动器，其中定子被设计为轴承和驱动定子，利用该定子，转子可以相对于定子被磁驱动而不接触，并且被磁悬浮而不接触，其中转子在轴向方向上被动磁悬浮，并且在垂直于轴向方向的径向平面中主动磁悬浮，其中泵壳包括底部和覆盖物，其中转子相对于轴向方向在泵壳中布置在底部与覆盖物之间，并且其中在底部和/或覆盖物中设置至少一个凹口，该凹口被设计成产生局部湍流。
本发明基于这样的发现，即通过泵壳中的至少一个凹口，泵壳中的流动状况能够受到影响使得特别是能够减小在轴向方向上作用在转子上的力。由于这种减少，转子的轴向磁悬浮被解除，导致转子的被动磁稳定的显著改善。还已经表明，通过至少一个凹口，可以显著改善防止转子向垂直于轴向方向的径向平面倾斜的被动磁稳定。通过产生局部湍流，转子周围的流动行为因此以靶向方式改变，使得作用在转子上的力，并且特别是在轴向方向上作用的力减小。
原则上，减少从压力侧到吸入侧的回流或降低这种回流速度的几何屏障，以及在轴向方向上延伸完全穿过转子用于压力补偿的泄放内孔对于本发明都不是必需的。该至少一个凹口导致局部湍流和/或流动分离，这减小了流动在被流动围绕的转子表面上的力。通过减小动态升力，作用在转子上的力也减小了，该动态升力例如是由凹口导致的流动分离引起的。
根据一个优选实施例，转子包括环形或圆盘形的磁有效芯，以及叶轮，叶轮具有用于输送流体的多个叶片。在这方面，磁芯与定子相互作用以驱动和悬浮转子而不接触，同时带有叶片的叶轮输送流体。
优选地，离心泵设计有径向叶轮。用于流体的入口设置在泵壳的覆盖物上，该入口被设计成使得流体能够沿轴向方向流入泵壳中。此外，泵壳包括用于流体的出口，该出口被设计成使得流体能够沿径向方向流出泵壳中。这意味着叶轮经受轴向流动，并沿垂直于它的方向输送流体。在其他实施例中，叶轮也可以设计成半轴向叶轮。
此外，优选地，离心泵的旋转驱动器根据内部转子的原理设计。为此，定子例如具有多个定子磁极，定子磁极环形布置，并且其中布置有转子的泵壳被设计成使得其能够在定子磁极之间插入到定子中使得转子的磁有效芯被定子磁极围绕。
在实践中，已经显示有利的是，转子具有外径，并且每个凹口相对于径向方向具有延伸度，该延伸度至少为转子外径的五十分之一。
此外，如果转子具有外径，并且每个凹口相对于径向方向具有延伸度，该延伸度至多为转子外径的一半，则是有利的。
进一步优选的措施是，转子具有外径，并且每个凹口相对于轴向方向具有深度，该深度为转子外径的至少一百五十分之一，优选地为至少一百分之一。
还优选的是，转子具有外径，并且每个凹口相对于轴向方向具有深度，该深度至多为转子外径的十分之一。
作用在转子上的力和倾斜力矩的期望减小可以受到几个因素的影响，这些因素可以针对相应的应用进行优化。这些因素特别包括凹口的数量、凹口的位置和凹口的几何尺寸，即特别是它们在径向方向上的延伸度和它们在轴向方向上的延伸度。如果在覆盖物和/或底部设置若干个凹口，则当然没有必要所有的凹口都必须具有相同的尺寸。凹口也很可能具有不同的尺寸和/或几何形状。
凹口的具体形状具有的影响较小。例如，凹口可以设计成具有方形轮廓或具有矩形轮廓。凹口可以设计成金字塔形、圆锥形、截头圆锥形、环形或者甚至具有自由形式的几何形状。一个凹口或多个凹口应仅设计使得局部表面纹理被修改使得流体的流动在该点处是涡旋的。
然而，出于制造原因，优选的是每个凹口具有垂直于轴向方向的圆形轮廓。为此，例如，每个凹口被设计成盲孔，其直径决定凹口在径向上的延伸度，并且其长度决定凹口在轴向上的深度。
根据一个优选实施例，在泵壳的覆盖物和底部中都设置有至少一个凹口。
另一个优选的措施是，每个凹口布置在泵壳的径向外边缘区域中。这特别地意味着泵壳的覆盖物中的每个凹口与距覆盖物的中心相比更靠近覆盖物的径向外边缘，并且泵壳的底部中的每个凹口与距底部的中心相比更靠近底部的径向外边缘。
优选地，泵壳由塑料或金属材料制成。
还优选的是，叶轮由塑料或金属材料制成。
另一个有利的措施是，转子具有完全封装转子的磁有效芯的护套，使得磁有效芯不与流体接触。护套优选由塑料制成，但也可以由金属材料制成。
泵壳、叶轮和护套可以由相同的塑料或金属材料制成，或者由不同的塑料或金属材料制成。当然，塑料或金属材料的组合也是可能的，例如，转子的护套可以由塑料制成，而泵壳由金属材料制成。
为了进一步解除转子相对于三个自由度(在轴向方向上移位、相对于径向平面的倾斜)的被动磁稳定或磁悬浮，并因此进一步改善转子相对于这三个自由度的稳定性，进一步的措施是可能的，这些措施没有详尽列出：
转子可以具有盖板，该盖板在叶轮的叶片的面向入口的一侧上覆盖叶轮的叶片，其中在盖板中设置有居中布置的开口，流体可以通过该开口流向叶轮。
转子的磁有效芯可以具有中心内孔，该中心内孔在轴向方向上延伸完全穿过磁有效芯和可选的护套。
转子可以包括一个平衡孔或多个平衡孔，其中每个平衡孔在轴向方向上完全延伸穿过转子的磁有效芯和可选的护套。每个平衡孔优选偏心布置，即不布置在转子的中心处。
如果提供多个平衡孔，则平衡孔优选地布置在围绕中心内孔或围绕转子中心的圆形线上。优选地，设置至多或正好八个平衡孔，其优选地围绕转子的中心内孔或围绕转子的中心等距布置。
优选地，每个平衡孔具有的直径小于中心内孔的直径。
多个后叶片可以设置在转子的背离入口的轴向端面上。在操作状态下，这些后叶片与泵壳的底部相对。
后叶片可以例如通过在转子的护套中设置凹部来实现，使得后叶片各自形成在两个相邻的凹部之间。
此外，可以将后叶片设计为隆起。为此，例如，可以产生类似于叶轮的结构，然后将该结构附连到转子的轴向端面，使得后叶片与泵壳的底部相对。当然，后叶片也可以个别制造，并且然后附连到转子的轴向端面。
优选地，每个后叶片在径向方向上延伸。优选地，每个后叶片在转子的轴向端面的径向外边缘启始，并从那里径向向内延伸。每个后叶片可以延伸到轴向端面的中心或者延伸到中心内孔，或者每个后叶片在径向方向上具有小于轴向端面的半径的长度，例如为其一半大。
优选地，出口被设计为出口连接部。出口连接部优选垂直于轴向方向延伸。出口连接部优选地具有入口表面和出口表面，流体通过入口表面进入出口连接部，流体通过出口表面离开出口连接部。优选地，入口表面小于出口表面。
优选地，出口连接部在其外部形状上设计成圆柱形。对于圆柱形设计，优选的是，出口连接部具有中心轴线，并且出口连接部相对于轴向方向布置，使得中心轴线与距泵壳的覆盖物相比更靠近转子的磁有效芯。
还可以将泵壳的入口设计成入口连接部，入口连接部优选地在轴向方向上延伸。入口连接部优选地具有入口表面和出口表面，流体通过入口表面进入入口连接部，流体通过出口表面离开入口连接部并流向叶轮。优选地，入口表面大于出口表面。此外，优选地的是，入口连接部具有收缩区域，其中垂直于轴向方向的流动横截面小于入口表面且小于出口表面。
另一个有利的措施是在叶轮上设置环形或圆盘形压力板，该压力板垂直于轴向方向对准。压力板相对于轴向方向布置在磁有效芯与叶轮的面向泵壳覆盖物的端部之间，使得它在叶轮的叶片之间延伸。如果转子具有盖板，则压力板相对于轴向方向布置在磁有效芯与盖板之间。压力板在所有叶片之间延伸。
相对于径向方向，压力板相对于转子居中布置，并且优选地在径向方向上至多延伸到叶片的径向外端。然而，压力板也可以相对于径向方向设计成使得其直径明显小于叶轮的直径。
如果转子具有一个平衡孔或多个平衡孔，则压力板优选地在径向方向上的尺寸设计使得其覆盖至少所有的平衡孔。
对于转子的被动磁稳定，特别有利的是，转子的磁有效芯的直径大于转子的磁有效芯的高度的2.6倍，该高度是轴向方向上的延伸度。因此，如果d是转子的磁有效芯的直径，并且HR是磁有效芯在轴向方向上的高度，则如果满足条件d>2.6 * HR，那么是有利的。
例如，上面列出的措施可以在每种情况下个别地提供，或者可以组合若干个措施，例如可以组合所有措施。
此外，本发明提出了一种泵壳，在泵壳中设置有用于输送流体的转子，其中泵壳被设计用于根据本发明的离心泵。
根据本发明的泵壳尤其也可以设计为一次性使用的一次性使用部件。根据本发明的离心泵的定子优选地设计为可重复使用的装置，用于多次使用。
还公开了本发明的进一步的有利措施和实施例。
附图说明
在下文中，将基于实施例并参考附图更详细地解释本发明。在示意图中示出(部分以截面图)：
图1：包括电磁旋转驱动器的离心泵的实施例的示意性截面图，该电磁旋转驱动器被设计为无轴承马达，
图2：根据本发明的离心泵的第一实施例的示意性截面图；
图3：凹口的放大截面图，
图4：图2的第一实施例的覆盖物的截面图；
图5：从泵壳的底部观看的图4的覆盖物的平面图；
图6：图2的第一实施例的壳部分的截面图；
图7：从泵壳的覆盖物观看的图6的壳部分的平面图；
图8：根据本发明的离心泵的第二实施例的示意性截面图；
图9：从泵壳底部观看的第二实施例的转子的平面图；以及
图10：转子的变型的示意性截面图。
具体实施方式
首先，参考图1中的截面图，解释离心泵的实施例，其包括被设计为无轴承马达的电磁旋转驱动器。当然，这个实施例可以根据本发明来设计。
离心泵整体用附图标记1表示。用于输送流体的离心泵1包括泵壳2，泵壳2具有用于待输送流体的入口21和出口22。转子3布置在泵壳2中，该转子3与布置在泵壳2外部的定子4一起形成电磁旋转驱动器，利用该电磁旋转驱动器可以驱动转子3绕轴向方向A旋转。
电磁旋转驱动器被设计成内部转子，即转子3被布置在定子4内部，使得定子4围绕转子3。转子3相对于定子4被磁悬浮而不接触。此外，转子3可以通过定子4被磁驱动而不接触，以围绕期望的旋转轴线旋转。当转子3相对于定子4处于居中且不倾斜的位置时，期望的旋转轴线是转子3在操作状态下旋转所围绕的那个轴线。该期望的旋转轴线限定了轴向方向A。通常，限定轴向方向A的期望的旋转轴线与定子4的中心轴线重合。
在下文中，径向方向被称为垂直于轴向方向A的方向。
转子3包括磁有效芯31，其被设计成圆盘、圆柱或环形的形式。“磁有效芯31”是指转子3的与定子4相互作用以产生扭矩和产生磁支承力的区域。取决于设计，磁有效芯31可以包括一个或多个永磁体。替代地，也可以设计没有永磁体的磁有效芯31，例如磁阻转子。磁有效芯31至少部分由铁磁材料例如铁组成。
磁有效芯31优选地设置有护套35，该护套35完全封装磁有效芯31，使得磁有效芯31不与待输送的流体接触。护套35优选由塑料制成，但是也可以由金属材料制成。
转子3还包括叶轮32，叶轮32具有多个叶片33，用于将流体从入口21输送到出口22。叶轮32布置在护套35上。带有叶片33的叶轮32优选由塑料制成，并且例如可以与护套35设计成一体。当然，也可以在单独的生产过程中制造个别叶片33或整体叶片33，并且然后例如通过焊接过程将它们连接到护套35。当然，也可以用金属材料制造叶轮。
叶轮32优选设计为径向叶轮，其在轴向方向A上获得流体流动，并且然后在径向方向上偏转流体。
具有定子4和转子3的旋转驱动器被设计成例如所谓的寺庙型(temple)马达。
作为寺庙型马达的设计的特性特征在于，定子4包括多个单独的线圈芯41，例如六个线圈芯41，线圈芯中的每一个包括条形纵向腿42，该条形纵向腿42从轴向方向A上的第一端延伸到第二端，其中所有第一端(根据图1的表示，这些第一端是下端)通过回流部45彼此连接。每个线圈芯41还包括横向腿43，该横向腿43布置在相应的纵向腿42的第二端上，并且在径向方向上延伸，即垂直于轴向方向A并且因此垂直于相应的纵向腿42。每个横向腿43向径向方向、向内，即朝向转子3延伸。因此，每个线圈芯41具有L形设计，其中每个纵向腿42形成在轴向方向A上延伸的L的长腿，并且在径向方向上朝向转子3垂直于纵向腿42延伸的横向腿43各自形成L形的短腿。
横向腿43的径向向内端各自形成定子磁极46。定子磁极46围绕泵壳2环形地布置，转子3布置其中。泵壳2被设计成其能够插入定子4中，更准确地说，插在定子磁极46之间，使得定子磁极46围绕转子3的磁有效芯31。在操作状态下，如果转子3没有从其期望位置偏转，则定子磁极46和转子3的磁有效芯31相对于轴向方向A位于相同的高度。在操作状态下，转子3因此在定子磁极46之间被磁悬浮而不接触。
回流部45和线圈芯41均由软磁材料制成，因为它们用作引导磁通量的磁通量引导元件。合适的软磁材料是例如铁磁或亚铁磁材料，即特别是铁、镍铁或硅铁。
线圈芯41的平行纵向腿42都平行于轴向方向A延伸，并且围绕转子3，这些平行纵向腿42是寺庙型马达如此命名的原因，因为这些平行纵向腿41类似于寺庙的柱子。
定子4还包括用于产生电磁旋转场的多个绕组6，利用这些绕组，相对于定子4，转子3可以被磁驱动而不接触，并且可以被磁悬浮而不接触。绕组6例如被设计成六个个别的线圈，其中在每种情况下在纵向腿42中的每一个处设置一个线圈。每个线圈围绕相应的纵向腿42布置，使得在每种情况下线圈轴线平行于轴向方向A。例如，每个纵向腿42恰好支撑一个线圈61。当然，这样的实施例也是可能的，其中每个纵向腿42支撑多于一个线圈。
转子3在操作状态下悬浮的那个平面也称为径向平面。径向平面限定了笛卡尔坐标系的x-y平面，笛卡尔坐标系的z轴线在轴向方向A上延伸。
在一个优选实施例中，设计为寺庙型马达的电磁旋转驱动器根据无轴承马达的原理设计。这意味着，在离心泵1的操作期间，转子3的磁有效芯31根据上述无轴承马达的原理与定子4的定子磁极46相互作用，其中转子3可以相对于定子4被磁驱动而不接触并且被磁悬浮而不接触。
同时，无轴承马达的原理对于本领域技术人员来说已经足够公知，因此不再需要对其功能进行详细描述。无轴承马达的原理意味着转子3被磁悬浮，其中定子4被设计为轴承和驱动定子，其既是电驱动器的定子又是磁悬浮的定子。为此，定子4包括绕组6，利用绕组6既实现驱动功能又实现悬浮功能。电磁旋转场可以通过绕组6产生，绕组6一方面在转子3的磁有效芯31上施加扭矩，这导致其绕轴向方向A旋转，并且另一方面其在转子3的磁有效芯31上施加可任意设定的剪切力，从而其径向位置(即其在径向平面中的位置)可以被主动控制或调节。在无轴承马达的情况下，与传统的磁性轴承相反，马达的磁悬浮和驱动是通过电磁旋转场实现的，电磁旋转场在转子3的磁有效芯31上施加扭矩和可设定的剪切力。为此所需的旋转场可以用不同的线圈产生，或者旋转场可以通过所需通量的数学叠加并且然后借助于单个线圈系统(在这种情况下是绕组6)产生。在无轴承马达的情况下，因此不可能将定子2的绕组6产生的电磁通量分成仅提供转子3的驱动的电磁通量和仅实现转子3磁悬浮的电磁通量。
根据无轴承马达的原理，转子3的至少三个自由度可以被主动调节，即其在径向平面中的位置和其围绕轴向方向A的旋转。相对于其在轴向方向A上的轴向偏转，转子3的磁有效芯31由磁阻力被动地磁稳定，即其不能被控制。相对于剩余的两个自由度，即相对于垂直于期望旋转轴线的径向平面倾斜，转子3的磁有效芯31也被动地磁稳定。这意味着转子3通过磁有效芯31与定子磁极46在轴向方向A上的相互作用而被动地磁悬浮或被动地磁稳定，并且对抗倾斜(总共三个自由度)，并且在径向平面中主动地磁悬浮(两个自由度)。
在通常的实践中，在本发明的框架内，主动磁悬浮指的是可以例如通过绕组6产生的电磁旋转场来主动控制或调节的磁悬浮。被动磁悬浮或被动磁稳定是无法控制或调节的磁悬浮或磁稳定。被动磁悬浮或稳定是基于例如磁阻力，当转子3从其平衡位置偏转时，例如当其在轴向方向A上移位或其倾斜时，该磁阻力将转子3带回其平衡位置。
转子3的磁有效芯31具有直径d，其中直径d表示磁有效芯31的外径。磁有效芯31还具有高度HR，其中高度HR是在轴向方向A上的延伸度。如果转子3的磁有效芯31的直径d大于转子3的磁有效芯31的高度HR的2.6倍，即如果满足几何条件d>2.6 * HR，则对于转子3的被动磁稳定特别有利。
图2示出了根据本发明的离心泵1的实施例的示意性截面图，其根据参考图1解释的实施例设计。为了充分理解，在图2中，定子4仅由定子磁极46表示。定子4和转子3再次被设计成使得它们根据无轴承马达的原理相互作用，如结合图1所解释的。
泵壳2包括壳部分26和覆盖物25，其中覆盖物25布置在壳部分26上以闭合泵壳2。壳部分26和覆盖物25优选由塑料构成，并且彼此牢固且密封地连接，例如焊接。在其他实施例中，壳部分26和/或覆盖物26由金属材料制成。
为了更好地理解，图4示出了覆盖物25在轴向方向A的截面中截面图，并且图5示出了从壳部分26看到的覆盖物25的平面图。此外，图6示出了壳部分26在轴向方向上的截面的截面图，并且图7示出了从覆盖物25看到的壳部分26的平面图。
壳部分26包括下圆柱形部分261和上圆柱形部分262，下圆柱形部分261和上圆柱形部分262相对于轴向方向A同轴地且一个接另一个地布置，其中上圆柱形部分262具有比下圆柱形部分261更大的直径。壳部分26的下部圆柱形部分261包括底部27，根据图示，该底部形成泵壳2的下端，并且其垂直于轴向方向A布置。
根据图示，覆盖物25搁置在上圆柱形部分262的上端上，并牢固地连接到其上。待输送流体的入口21设置在覆盖物25上。入口21被设计为入口连接部，其优选地与覆盖物25一体制造。设计成入口连接部的入口21在轴向方向A上延伸，使得流体能够在轴向方向上流入泵壳2中。入口连接部21优选地具有入口表面211和出口表面212，流体通过入口表面211进入入口连接部21，流体通过出口表面212离开入口连接部21并流向叶轮32。优选地，入口表面211大于或等于出口表面212。待输送流体的出口22设置在上圆柱部分262上。这里，出口22被设计为出口连接部22，其优选地与壳部分26一体制造。设计成出口连接部的出口22平行于径向平面延伸，即垂直于入口21，使得流体沿径向方向流出泵壳2。出口连接部22具有入口表面221和出口表面222，流体通过入口表面221进入出口连接部22，流体通过出口表面222离开出口连接部22。优选地，入口表面221小于出口表面222，也如图2所示。出口连接部22优选地就其外部形状而言被设计成圆柱形。为了使出口连接部的入口表面221仍然小于出口连接部21的出口表面222，可以在出口连接部22的壁中设置锥形区域，其中壁的厚度改变，使得出口连接部22的内径改变。由此，流体的流动横截面也改变，流体的流动横截面是指垂直于流体流过的出口连接部22的中心轴线M的表面。例如，这种实施例在图8中更详细地示出。
对于出口连接部22的圆柱形设计，优选的是，出口连接部22相对于轴向方向A布置成使得出口连接部22的中心轴线M与距泵壳2的覆盖物25相比更靠近转子3的磁有效芯31。这意味着出口连接部22相对于轴向方向A不是居中地布置在壳部分26的上部圆柱形部分262中，而是在底部27的方向上移位，即根据图示向下移位。
转子3（其包括磁有效芯31、护套35和叶轮32）布置在泵壳2中，位于泵壳2的底部27与覆盖物25之间，其中根据图示，具有可选护套35的磁有效芯31布置在叶轮32下方。包括护套35的磁有效芯31优选设计成圆柱形。
泵壳2被插入定子4中(也可以在图1中看到)，使得上圆柱形部分262搁置在定子4上，并且泵壳2的下圆柱形部分261布置在定子4中，更准确地说，布置在定子磁极46之间。泵壳2可以例如通过螺钉(未示出)固定到定子4上。
转子3被设计和布置成使得在操作状态下，转子3的磁有效芯31被定子磁极46围绕，并且可以借助于绕组6产生的电磁场在定子磁极46之间在径向平面中居中，并且可以被驱动绕轴向方向A旋转。如果转子3居中并且相对于轴向方向A不偏转，则磁有效芯31居中地位于定子磁极46之间。
转子3具有外径D，该外径D是包括护套35的磁有效芯31的直径D。如果设置了护套35，则转子3的外径D大于转子3的磁有效芯31的直径d(图1)。
叶轮32优选设计为径向叶轮32，使得叶片33使沿轴向方向A流动的流体沿径向方向偏转通过入口21，并将其输送到出口22。
根据本发明，至少一个凹口设置在底部27和/或覆盖物25中，该凹口被设计成产生局部湍流。在这里描述的实施例中，总共设置了八个凹口9，其中四个布置在覆盖物25中，并且四个布置在底部27中。
在其他实施例中，凹口9也可以仅设置在覆盖物中或者仅设置在底部中。凹口9的数量也可以理解为一个示例。可以只设置一个凹口，或者两个或三个凹口，或者多于八个或者明显多于八个凹口，例如多于五十个。原则上，凹口9的数量没有上限。凹口的数量和布置可以适应相应的应用，从而实现作用在转子3上的力(特别是流体动力)的期望减小。
一个凹口9或多个凹口9表示对泵壳2内的流动状况的几何影响，其目的是分别减小作用在叶轮32或转子3上的力，特别是在轴向方向A上作用的力，以及试图使转子3相对于径向平面倾斜的力矩。因此，凹口9提高了转子3相对于所有那些自由度(这里是三个自由度)的稳定性，转子相对于这些自由度被动地磁悬浮或稳定。因此，布置在底部27或覆盖物25中的凹口9改变了流动行为，使得转子3的位置能够以较小的力和行程来设定。
力的减小，特别是流体动力的减小，是基于流动湍流或由凹口9引起的湍流的形成，凹口9代表泵壳2的形状的局部变化。
因此，根据本发明的具有至少一个凹口9的实施例原则上可以在没有降低流速的几何障碍和没有穿过转子的压力补偿孔以及没有窄的楔形流体间隙的情况下出现，例如在传统的流体动力轴承中，这种窄的楔形流体间隙会导致压力的局部增加。相反，凹口9导致局部湍流和流动分离，这降低了层流或湍流在暴露于流动的转子3的表面上的力效应。这些湍流或流动分离减小了作用在转子3上的动态升力，并且从而减小了作用在转子3上的力。
当然，本发明的下面这样的实施例也是可能的：其中，例如，通过转子3另外设置压力平衡内孔。参考第二实施例进一步解释这样的实施例。
每个凹口9可以设计成凹坑、凹陷、埋头孔、内孔或类似的设计，以局部地使流动涡旋。例如，凹口9可以是球形或圆柱形的。它们可以具有正方形或长方形轮廓。凹口也可以设计成金字塔形、圆锥形、截头圆锥形、环形或具有自由形式的几何形状。然而，出于制造原因，这种几何形状对于可以用钻孔或铣削工具产生的凹口9是优选的。为此，凹口9的那些设计是优选的，其中每个凹口9具有垂直于轴向方向A的圆形轮廓，即设计成球形或圆柱形。
在图3中，凹口9之一以具有示例性特征的截面图示出，在这种情况下，凹口9被设计成泵壳2的底部27中的盲孔。
通常，每个凹口9具有在径向方向上的延伸度E以及深度T，延伸度E是指凹口9相对于径向方向的最大宽度，深度T是指凹口相对于轴向方向A的最大延伸度。
在设计为图3所示的盲孔的情况下，延伸度E是孔在径向方向上的直径E，并且深度T是孔在轴向方向A上的长度。
在实践中，已经证明有利的是，对于每个凹口9，径向方向上的相应延伸度E至少是转子3的外径D的五十分之一，即E大于或等于0.02 D。还有利的是，对于每个凹口9，径向方向上的相应延伸度E至多是转子3的外径D的一半，即E小于或等于0.5 D。
相对于轴向方向A，已经证明有利的是，对于每个凹口9，轴向方向A上的相应深度T至少为转子3的外径D的一百五十分之一，即，T大于或等于0.015D。特别优选的是，轴向方向A上的相应深度T至少为转子3的外径D的百分之一，即，T大于或等于0.01D。
此外，相对于轴向方向A，优选的是，对于每个凹口9，轴向方向A上的相应深度T至多为转子3的外径D的十分之一，即，T小于或等于0.1D。
关于一个凹口9或多个凹口9的位置，优选地的是，一个凹口9或多个凹口9布置在底部27和/或覆盖物25的径向外边缘区域中。如图2、图4、图5、图6所示，这尤其意味着泵壳2的覆盖物25中的(一个或多个)凹口9定位成与距覆盖物25的中心相比更靠近覆盖物25的径向外边缘，并且泵壳2的圆形底部27中的(一个或多个)凹口9定位成与距底部27的中心相比更靠近底部27的径向外边缘。
在本发明的优选实施例中，泵壳2和/或叶轮32和/或转子3的护套35由塑料制成。优选地，泵壳2和叶轮32以及转子3的护套35由塑料制成。泵壳2和叶轮3以及护套35都可以由相同的塑料或者至少两种不同的塑料制成。
合适的塑料的选择自然取决于相应的应用。合适的塑料是，例如：聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、低密度聚乙烯(LDPE)、超低密度聚乙烯(ULDPE)、乙烯醋酸乙烯酯(EVA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚丙烯酸、聚碳酸酯。
在本发明的其他同样优选的实施例中，泵壳2和/或叶轮32和/或转子3的护套35由一种金属材料或几种不同的金属材料制成。优选的金属材料的示例是钛或不锈钢。
图8以示意性截面图示出了根据本发明的离心泵1的第二实施例。为了更好地理解，图9仍然示出了从泵壳底部看到的第二实施例的转子的平面图。此外，在图9中示出了截面线VIII-VIII，沿着该截面线做出了图8所示的截面图。
在下文中，将仅讨论与上述第一实施例的不同之处。特别地，附图标记具有与已经结合第一实施例解释的相同的含义。应当理解，所有先前的解释以相同的方式或类似的相同方式应用于第二实施例。
在第二实施例中，仍然实现了进一步的措施，根据特定应用，这些措施可以进一步提高转子3相对于轴向方向A和相对于对于径向平面的倾斜的稳定性，即相对于三个被动磁稳定的自由度的稳定性。应当理解，所有这些措施都可以实现，但并非所有措施都需要实现。这意味着下面这样的实施例也是可能的：其中，例如，参考第二实施例描述的措施中的一个或多个与第一实施例组合。
在图8和图9所示的根据本发明的离心泵1的第二实施例中，被设计为入口连接部的泵壳2的入口21具有收缩区域213，在该收缩区域中，垂直于轴向方向A的流动横截面小于入口连接部21的入口表面211并且小于出口表面212。此外，入口连接部21的入口表面211大于其出口表面212。比较相应表面，入口表面211大于出口表面212，出口表面212大于收缩区域213中的流动横截面。
泵壳2的出口22以与第一实施例所解释的类似的相同方式设计，即，使得出口连接部22的入口表面221小于出口连接部22的出口表面222，并且出口连接部22相对于轴向方向A布置成使得中心轴线M与距泵壳2的覆盖物25相比更靠近转子3的环形磁有效芯31。参考出口22中的虚线，在图8中示出了出口连接部22的内部是如何设计的，使得出口连接部22的出口表面222大于出口连接部21的入口表面221。
出口连接部22的出口表面222的大小和入口连接部21的入口表面211的大小，包括相应的周围壁，通常根据标准预先限定。入口表面211处的入口连接部21的外径和出口表面222处的出口连接部22的外径的尺寸被设计成使得离心泵1可以连接到流动系统中的普通管道或管子。
此外，转子3具有盖板36，盖板36被设计成类似环形盘，并且其在叶轮32的叶片33面向入口21或覆盖物25的边缘处覆盖叶轮32的叶片33，其中在盖板36中设置有居中布置的开口361，流体可以通过开口361流向叶轮32。
可选地，转子3的磁有效芯31可以具有中心内孔37，该中心内孔37在轴向方向A上延伸完全穿过磁有效芯31和可选的护套35。
替代地或附加地，转子3可以包括一个平衡孔38或多个平衡孔38，其中每个平衡孔38在轴向方向A上延伸完全穿过转子3的磁有效芯31和可选的护套35。每个平衡孔38优选偏心地布置，即不布置在转子3的中心处。
在第二实施例中，设置了多个平衡孔38，即八个平衡孔38。
平衡孔38优选地布置在圆形线上，其中圆的中心位于转子3的中心。这意味着，如果中心内孔37设置在转子3中，则平衡孔38围绕中心内孔37布置成圆。优选地，设置至多或正好八个平衡孔38，其优选地围绕转子3的中心内孔37或围绕转子3的中心等距布置。
在每种情况下，每个平衡孔38具有的直径都小于中心内孔37的直径。
多个后叶片39设置在转子3的背离覆盖物25并面向底部27的轴向端面上。在操作状态下，这些后叶片39与泵壳2的底部27相对。在第二实施例中，总共设置了八个后叶片39。
后叶片39可以例如通过在转子3的护套35中设置凹部来实现，使得后叶片39中的每个都形成在两个相邻的凹部之间。
此外，当然也可以将后叶片39设计成隆起。为此，例如，可以产生类似于叶轮的结构，该叶轮然后附连到转子3的轴向端面，使得后叶片39与泵壳2的底部27相对。当然，后叶片38也可以个别地制造，并且然后附连到转子3的轴向端面。
优选地，每个后叶片39始于转子3的轴向端面的径向外边缘处，并从那里径向向内延伸。每个后叶片39可以延伸到轴向端面的中心或中心内孔37，或者如图9所示，每个后叶片39在径向方向上具有的长度小于轴向端面的半径，例如一半大。在其他实施例中，后叶片39也可以以弯曲的方式设计。
在第二实施例中，环形或圆盘形压力板321设置在叶轮32上，该压力板321垂直于轴向方向A对准。压力板321相对于轴向方向A布置在磁有效芯与叶轮32的面向泵壳2的覆盖物25的端部之间，例如叶轮32的叶片33的向上的中途。压力板321在叶轮32的叶片之间延伸。如果转子3具有盖板36，则压力板321相对于轴向方向A布置在磁有效芯31与盖板36之间并且平行于盖板36。压力板321在所有叶片33之间延伸。相对于径向方向，压力板321相对于转子3居中布置，并且在径向方向上延伸至少远到使得其以一定轴向距离地覆盖所有平衡孔38。在图8所示的实施例中，压力板321的直径明显小于叶轮32的直径，叶轮32的直径在叶片33处测量。
图10以示意性截面图示出了转子3的变型，其与图8中所示的转子3的不同之处在于压力板321具有更大的直径。在图10所示的变型中，压力板321在径向上大致延伸到叶轮32的叶片33的径向外端。

Claims (16)

1.一种用于输送流体的离心泵，具有泵壳(2)，在所述泵壳(2)中设置有用于输送流体的转子(3)，并且具有定子(4)，所述定子(4)与所述转子(3)一起形成用于使所述转子(3)绕轴向方向(A)旋转的电磁旋转驱动器，其中所述定子(4)被设计为轴承和驱动定子，利用所述定子(4)，所述转子(3)能够相对于所述定子(4)被磁驱动而不接触并且被磁悬浮而不接触，其中所述转子(3)在所述轴向方向(A)上被动磁悬浮，并且在垂直于所述轴向方向(A)的径向平面中主动磁悬浮，其中所述泵壳(2)包括底部(27)和覆盖物(25)，并且其中所述转子(3)相对于所述轴向方向(A)在所述泵壳(2)中布置在所述底部(27)与所述覆盖物(25)之间，其特征在于，在所述底部(27)和/或所述覆盖物(25)中设置至少一个凹口(9)，所述凹口(9)被设计成产生局部湍流。
2.根据权利要求1所述的离心泵，其中，所述转子(3)包括环形或圆盘形的磁有效芯(31)和叶轮(32)，所述叶轮(32)具有用于输送流体的多个叶片(33)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的离心泵，其中，用于流体的入口(21)设置在所述泵壳(2)的覆盖物(25)上，所述入口(21)被设计成使得流体能够沿所述轴向方向(A)流入所述泵壳(2)中，并且其中，所述泵壳(2)包括用于流体的出口(22)，所述出口(22)被设计成使得流体能够沿径向方向流出所述泵壳(2)。
4.根据权利要求2所述的离心泵，其中，所述定子(4)具有多个定子磁极(46)，所述定子磁极(46)环形布置，并且其中，在其中布置有所述转子(3)的所述泵壳(2)设计成使得其能够在所述定子磁极(46)之间插入到所述定子(4)中，使得所述转子(3)的磁有效芯(31)被所述定子磁极(46)围绕。
5.根据权利要求1或2所述的离心泵，其中，所述转子(3)具有外径(D)，并且其中每个凹口(9)相对于径向方向具有延伸度(E)，所述延伸度(E)为所述转子(3)的外径(D)的至少五十分之一。
6.根据权利要求1或2所述的离心泵，其中，所述转子(3)具有外径(D)，并且其中，每个凹口(9)相对于径向方向具有延伸度(E)，所述延伸度(E)至多为所述转子(3)的外径(D)的一半。
7.根据权利要求1或2所述的离心泵，其中，所述转子(3)具有外径(D)，并且其中每个凹口(9)相对于所述轴向方向(A)具有深度(T)，所述深度(T)为所述转子(3)外径(D)的至少一百五十分之一。
8.根据权利要求7所述的离心泵，其中，所述深度(T)为所述转子(3)外径(D)的至少百分之一。
9.根据权利要求1或2所述的离心泵，其中，所述转子(3)具有外径(D)，并且其中每个凹口(9)相对于所述轴向方向(A)具有深度(T)，所述深度(T)至多为所述转子(3)的外径(D)的十分之一。
10.根据权利要求1或2所述的离心泵，其中，每个凹口(9)具有垂直于所述轴向方向(A)的圆形轮廓。
11.根据权利要求1或2所述的离心泵，其中，在所述泵壳(2)的覆盖物(25)和底部(27)中均设置有至少一个凹口(9)。
12.根据权利要求1或2所述的离心泵，其中，每个凹口(9)布置在所述泵壳(2)的径向外边缘区域中。
13.根据权利要求1或2所述的离心泵，其中，所述泵壳(2)由塑料制成。
14.根据权利要求2或4所述的离心泵，其中，所述叶轮(32)由塑料制成。
15.根据权利要求1或2所述的离心泵，其中，所述转子(3)具有护套(35)，所述护套完全封装所述转子的磁有效芯(31)，并且护套(35)由塑料制成。
16.一种泵壳，所述泵壳中设置有用于输送流体的转子(3)，其特征在于，所述泵壳(2)被设计成用于离心泵(1)，所述离心泵根据前述权利要求中的任一项所述的离心泵来设计。
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