EP2339181A2 - Ec-Motorkreiselpumpe - Google Patents

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EP2339181A2
EP2339181A2 EP10015190A EP10015190A EP2339181A2 EP 2339181 A2 EP2339181 A2 EP 2339181A2 EP 10015190 A EP10015190 A EP 10015190A EP 10015190 A EP10015190 A EP 10015190A EP 2339181 A2 EP2339181 A2 EP 2339181A2
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EP
European Patent Office
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motor
impeller
pump
stator
rotor
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EP10015190A
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Bernd-Thorsten Stock
Bernd DÜRRER
Ditmar Knetsch
Günter Strelow
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Wilo SE
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Wilo SE
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    • F04D13/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
    • F04D13/0606—Canned motor pumps
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    • F04D13/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
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    • F04D29/167—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for liquid pumps of a centrifugal flow wheel
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    • F04D29/2266—Rotors specially for centrifugal pumps with special measures for sealing or thrust balance

Definitions

  • the invention relates to a motor centrifugal pump with a synchronous electric motor, in particular an electronically commutated DC motor, wherein the pump impeller is seated on the shaft of the motor rotor, and instead of a thrust bearing, the shaft is held solely by radial bearings and axially limited slidably in a direction in which the motor rotor order a certain amount of the motor stator is axially movable towards the pump inlet, wherein the force exerted by the magnetic field of the stator to the motor rotor axial force of the axial force generated by the pump impeller is opposite.
  • centrifugal pumps are often used with so-called wet-rotor motors. Due to the new demands on energy consumption, the classic AC motor is replaced by an EC motor. With an EC motor, the rotor is equipped with permanent magnets. As a result, magnetic forces develop even in the de-energized state. Due to these magnetic forces between the rotor magnet and the stator core, the rotor is pulled axially under the stator core. Here, the axially acting, magnetic forces cancel each other. When the rotor is moved axially out of the central position, forms an axial restoring force.
  • the pump rotor With centrifugal pumps, the pump rotor produces high axial forces.
  • the motors In order to absorb the axial forces, the motors are usually equipped with at least one axial bearing. In order for them to change the Actively apply effective direction, these are also "biased" by an offset between the rotor to the stator. As a result, a lifting of the thrust bearing and the associated noise are prevented.
  • the object of the invention is to develop a centrifugal pump with an EC motor, in which it is possible to dispense with a mechanical thrust bearing, without having the disadvantages of the known solutions described above.
  • the pump impeller has on its back auxiliary blades, which cause an axial force on the shaft, which supports the axial force of the stator.
  • Such a solution achieves a combination of the axially acting, magnetic force between the stator and rotor and a hydraulic relief device such that cancel the opposing axial forces. This is meaningfully possible, for example, if the maximum axial without resulting relief device hydraulic axial force is not greater than about eight times the magnetic axial force at a maximum meaningful deflection between the stator and the rotor magnet.
  • the hydraulic relief device does not have to compensate the entire resulting axial force, but only a smaller part.
  • the associated loss of efficiency remains low and the deflection of the rotor in an allowable range for the engine.
  • the frictional losses otherwise caused by a thrust bearing are completely eliminated. The tests carried out show that this can significantly improve the overall efficiency of the pumps.
  • the costs for the thrust bearing are eliminated.
  • the located between the pump impeller back and the pump chamber wall pump back through a protruding on the impeller back coaxial impeller sealing ring and on the pump chamber wall projecting, adjacent to the impeller sealing ring coaxial chamber wall sealing ring in an outer and an inner subspace is divided, wherein the inner subspace is connected via at least one opening in the back of the pump impeller to the interior of the pump impeller.
  • the pump impeller only in the region of the outer subspace, the pump impeller have Hitfsschaufeln on its back.
  • the maximum displacement of the rotor to the stator should be limited.
  • a reasonable size for magnets with a field strength of> 700 mT is about 5% of the rotor package length. For weaker magnets this can Value to be bigger. It is preferably proposed that the magnets of the motor rotor have a magnetic flux density of> 500 mT, in particular of> 700 mT.
  • the maximum displacement of the motor rotor to the motor stator is 3 to 10%, in particular 5 to 8%, of the axial length of the motor stator.
  • the solution according to the invention can be used for smaller pumps with a power consumption of 1 to 10 watts.
  • a motor centrifugal pump has a pump housing and an electric motor flanged or potted on the pump housing.
  • the electric motor is a synchronous electric motor, in particular an electronically commutated direct current motor (EC motor) with a stator and a stator disposed in the gap shell within which a motor having at least one permanent magnet motor rotor rotates with a shaft on the pump end end of the pump impeller is attached.
  • the pump impeller of the centrifugal pump is preferably a particular open radial impeller whose circular coaxial impeller disc carries blades on the side facing the pump inlet, which convey the medium in particular water of a central heating radially to the pump outlet. In this case, the pump impeller generates an axial pull on the shaft in the direction away from the motor by the suction of the liquid.
  • the shaft of the motor centrifugal pump is held solely by radial bearings, ie it lacks a thrust bearing.
  • the axial movement of the shaft generated by the pump impeller causes the motor rotor to be pulled out to a certain extent from the centered position inside the stator.
  • This axial movement of the motor rotor with the shaft is at a field strength of the rotor permanent magnets of> 500 mT approx. 8% of the rotor package length and> 700 mT approx. 5% of the rotor package length.
  • a sealing gap on the back of the impeller is arranged with a projecting on the impeller back coaxial impeller sealing ring and a projecting on the pump chamber wall, adjacent to the impeller sealing ring coaxial chamber wall sealing ring.
  • the pump rear space is divided into an outer and an inner subspace, wherein the inner subspace is connected via openings in the rear wall of the impeller with the impeller interior.
  • the impeller may carry radial back vanes. This measure also generates a hydraulic counterforce to the axial thrust of the pump impeller and thus supports the above-mentioned magnetic forces.
  • a thrust bearing is arranged on the rotor, which is used as an emergency bearing only when due to a reduction in the magnetic forces of the motor stator, the balance of forces is no longer given and thus the shaft through the pump rotor so far deeper into the pump is pulled, that the shaft rests on the thrust bearing.
  • solutions according to the invention can be advantageously used in pumps with permanent magnet rotor, in particular for pumps with a power consumption up to to 600 watts and especially advantageous for very small pumps with 1 to 10 watts.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Motorkreiselpumpe mit einem Synchron-Elektromotor insbesondere einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor, wobei das Pumpenlaufrad auf der Welle des Motorenrotors sitzt, und statt eines Axiallagers die Welle allein durch Radiallager gehalten und axial begrenzt verschieblich ist in einer Richtung, bei der der Motorenrotor um ein bestimmtes Maß aus dem Motorenstator axial zum Pumpeneinlass hin beweglich ist, wobei die vom Magnetfeld des Stators auf den Motorenrotor ausgeübte Axialkraft der vom Pumpenlaufrad erzeugten Axialkraft entgegengesetzt ist, wobei das Pumpenlaufrad auf seiner Rückseite Hilfsschaufeln aufweist, die eine axiale Kraft auf die Welle bewirken, die die axiale Kraft des Stators unterstützt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Motorkreiselpumpe mit einem Synchron-Elektromotor insbesondere einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor, wobei das Pumpenlaufrad auf der Welle des Motorenrotors sitzt, und statt eines Axiallagers die Welle allein durch Radiallager gehalten und axial begrenzt verschieblich ist in einer Richtung, bei der der Motorenrotor um ein bestimmtes Maß aus dem Motorenstator axial zum Pumpeneinlass hin beweglich ist, wobei die vom Magnetfeld des Stators auf den Motorenrotor ausgeübte Axialkraft der vom Pumpenlaufrad erzeugten Axialkraft entgegengesetzt ist.
  • In der Gebäudetechnik werden vielfach Kreiselpumpen mit sogenannten Nassläufermotoren eingesetzt. Aufgrund der neuen Anforderungen an den Energieverbrauch, wird der klassische AC-Motor durch einen EC-Motor ersetzt. Bei einem EC-Motor wird der Rotor mit Permanentmagnete ausgestattet. Dies führt dazu, dass sich bereits im stromlosen Zustand magnetische Kräfte ausbilden. Aufgrund dieser magnetischen Kräfte zwischen dem Rotormagnet und dem Statorpaket wird der Rotor axial mittig unter das Statorpaket gezogen. Hier heben sich die axial wirkenden, magnetischen Kräfte gegenseitig auf. Wenn der Rotor axial aus der Mittellage bewegt wird, bildet sich eine axiale Rückstellkraft aus.
  • Bei Kreiselpumpen erzeugt der Pumpenläufer hohe axial wirkende Kräfte. Um die axial auftretenden Kräfte abzufangen, sind üblicherweise die Motoren mit wenigstens einem Axiallager ausgestattet. Damit sie bei einer Änderung der Wirkrichtung sicher anliegen, werden diese zudem noch durch einen Versatz zwischen Rotor zum Stator "vorgespannt". Hierdurch werden ein Abheben des Axiallagers und die damit einhergehenden Geräusche verhindert.
  • Bekannt sind Konstruktionen mit AC-Motoren ohne Axiallager im Motor. Hier wurden die Kräfte mittels eines hydraulischen Axialschubausgleichs kompensiert. Eine solche Kompensation führt zu relativ hohen Verlusten beim Wirkungsgrad der Pumpe. Zudem gelingt es nicht, die Kräfte vollständig zu eliminieren. Da bei einem AC-Motor die zentrierend wirkenden Kräfte sehr gering sind, mussten diese Pumpen so konstruiert werden, dass der Rotor in axialer Richtung relativ weit hin und her schwingen kann. Dies wirkt sich nicht nur negativ auf den Wirkungsgrad und die Akustik, sondern auch auf die axiale Baulänge der Pumpe aus.
  • Auch sind Pumpen bekannt, die kein Axiallager benötigen. Hier werden die Laufräder der Pumpe ohne Deck- und Nabenscheibe ausgeführt. Diese Laufräder erzeugen keine Axialkräfte, haben aber einen deutlich geringeren Wirkungsgrad.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kreiselpumpe mit einem EC-Motor zu entwickeln, bei dem auf ein mechanisches Axiallager verzichtet werden kann, ohne die oben beschriebenen Nachteile der bekannten Lösungen zu haben.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Pumpenlaufrad auf seiner Rückseite Hilfsschaufeln aufweist, die eine axiale Kraft auf die Welle bewirken, die die axiale Kraft des Stators unterstützt.
  • Eine solche Lösung erreicht eine Kombination aus der axial wirkenden, magnetischen Kraft zwischen Stator und Rotor und einer hydraulischen Entlastungseinrichtung dergestalt, dass sich die entgegen gesetzten Axialkräfte aufheben. Dies ist beispielsweise sinnvoll möglich, wenn die sich maximal ohne Entlastungseinrichtung ergebende hydraulische Axialkraft nicht größer ist als ca. das achtfache der magnetischen Axialkraft bei einer maximalen sinnvollen Auslenkung zwischen Statorpaket und Rötormagnet.
  • Die hydraulische Entlastungseinrichtung muss also nicht die gesamte sich ergebene Axialkraft kompensieren, sondern nur einen geringeren Teil. Damit bleibt der damit einhergehende Wirkungsgradverlust gering und die Auslenkung des Rotors in einem für den Motor zulässigen Bereich. Die sonst durch ein Axiallager entstehenden Reibungsverluste entfallen dagegen vollständig. Die durchgeführten Versuche zeigen, dass sich hierdurch der Gesamtwirkungsgrad der Pumpen wesentlich verbessern lässt. Zusätzlich entfallen die Kosten für das Axiallager.
  • Zusätzlich oder alternativ wird hierzu vorgeschlagen, dass der zwischen der Pumpenlaufrad-Rückseite und der Pumpenkammerwand befindliche Pumpenrückraum durch einen an der Laufradrückseite vorstehenden koaxialen Laufrad-Dichtring und einen an der Pumpenkammerwand vorstehenden, an dem Laufrad-Dichtring angrenzenden koaxialen Kammerwand-Dichtring in einen äußeren und einen inneren Teilraum unterteilt ist, wobei der innere Teilraum über mindestens eine Öffnung in der Rückseite des Pumpenlaufrads mit dem Innenraum des Pumpenlaufrads verbunden ist. Hierbei kann nur im Bereich des äußeren Teilraums das Pumpenlaufrad auf seiner Rückseite Hitfsschaufeln aufweisen.
  • Bei Pumpen mit kleinen axialen hydraulischen Kräften kann auf Rückenschaufeln verzichtet werden, wenn die hydraulischen Axialkräfte gleich oder kleiner sind als die magnetische Kraft bei einer maximalen sinnvollen Auslenkung zwischen Statorpaket und Rotormagnet.
  • Bei Pumpen mit größeren axialen hydraulischen Kräften, kann zur Begrenzung der Auslenkung des Rotors zusätzlich noch ein relativ kleines, magnetisch wirkendes, statisches Axiallager eingesetzt werden.
  • Um den Einfluss auf die Motorcharakteristik auf ein sinnvolles Maß zu begrenzen, sollte die maximale Verschiebung des Rotors zum Stator begrenzt werden. Eine sinnvolle Größe ist bei Magneten mit einer Feldstärke von > 700 mT ca. 5 % der Rotorpaketlänge. Bei schwächeren Magneten kann dieser Wert größer sein. Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass die Magnete des Motorenrotors eine magnetische Flussdichte von > 500 mT insbesondere von > 700 mT aufweisen.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die maximale Verschiebung des Motorenrotors zum Motorenstator 3 bis 10 % insbesondere 5 bis 8 % der axialen Länge des Motorenstators beträgt.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt.
  • Mit größtem Vorteil ist die erfindungsgemäße Lösung bei kleineren Pumpen einsetzbar mit einer Leistungsaufnahme von 1 bis 10 Watt.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden näher beschrieben.
  • Eine Motorkreiselpumpe weist ein Pumpengehäuse und ein am Pumpengehäuse angeflanschten oder vergossenen Elektromotor auf. Der Elektromotor ist ein Synchron-Elektromotor insbesondere ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor (EC-Motor) mit einem Stator und einem im Stator angeordneten Spalttopf, innerhalb dem ein mindestens einen Permanentmagneten aufweisender Motorenrotor mit einer Welle läuft, auf deren pumpenseitigem Ende das Pumpenlaufrad befestigt ist. Das Pumpenlaufrad der Kreiselpumpe ist vorzugsweise ein insbesondere offenes Radiallaufrad, dessen kreisförmige koaxiale Laufradscheibe auf der dem Pumpeneinlass zugewandten Seite Schaufeln trägt, die das Fördermedium insbesondere Wasser einer Zentralheizung radial zum Pumpenauslass fördern. Hierbei erzeugt das Pumpenlaufrad durch das Ansaugen der Flüssigkeit einen axialen Zug auf die Welle in Richtung weg vom Motor.
  • Die Welle der Motorkreiselpumpe ist allein durch Radiallager gehalten, d. h. es fehlt ein Axiallager. Die vom Pumpenlaufrad erzeugte axiale Bewegung der Welle führt dazu, dass der Motorenrotor um ein bestimmtes Maß aus der im Stillstand mittigen Lage innerhalb des Stators herausgezogen wird. Diese axiale Bewegung des Motorenrotors mit der Welle beträgt bei einer Feldstärke der Rotor-Permanentmagnete von > 500 mT ca. 8 % der Rotorpaketlänge und bei > 700 mT ca. 5 % der Rotorpaketlänge.
  • Dieses begrenzte Herausziehen des Motorenrotors aus seiner mittigen Lage innerhalb des Stators führt dazu, dass der Magnetismus des Stators eine axiale Rückstellkraft auf den Rotor erzeugt, die der Wirkung der axialen Kraft des Pumpenlaufrades entgegengesetzt ist. Eine weitere Unterstützung dieser Axialkraft erfolgt durch auf der Rückseite der Laufradscheibe angeordnete radiale Schaufeln, die auf der Laufradrückseite eine Strömung erzeugen, die eine Kraft auf das Laufrad axial in Richtung des Motors bewirken. Damit ist gesichert, dass das Pumpenlaufrad nicht gegen die Innenwand des Pumpengehäuses bzw. nicht gegen den Innenrand der Einlassöffnung stößt. Somit erübrigt sich die zusätzliche Anordnung eines Axiallagers.
  • Alternativ oder zusätzlich zu den am Pumpenlaufrad angeordneten Rückschaufeln ist ein Dichtungsspalt auf der Rückseite des Laufrades angeordnet, mit einem an der Laufradrückseite vorstehenden koaxialen Laufrad-Dichtring und einen an der Pumpenkammerwand vorstehenden, an dem Laufrad-Dichtring angrenzenden koaxialen Kammerwand-Dichtring. Hierdurch wird der Pumpenrückraum in einen äußeren und einen inneren Teilraum unterteilt, wobei der innere Teilraum über Öffnungen in der Rückwand des Laufrades mit dem Laufradinnenraum verbunden ist. Hierbei kann im Bereich des äußeren Teilraums das Laufrad radiale Rückenschaufeln tragen. Diese Maßnahme erzeugt auch eine hydraulische Gegenkraft zum Achsschub des Pumpenlaufrades und unterstützt damit die obengenannten magnetischen Kräfte.
  • In einer nicht dargestellten Ausgestaltung ist am Rotor ein Axiallager angeordnet, das als Notlauflager nur dann zum Einsatz kommt, wenn aufgrund einer Verringerung der Magnetkräfte des Motorenstators das Gleichgewicht der Kräfte nicht mehr gegeben ist und damit die Welle durch den Pumpenläufer so weit tiefer in die Pumpe gezogen wird, dass die Welle am Axiallager anliegt.
  • Die erfindungsgemäßen Lösungen sind bei Pumpen mit Permanentmagnetrotor vorteilhaft einsetzbar insbesondere bei Pumpen mit einer Leistungsaufnahme bis zu 600 Watt und besonders vorteilhaft bei sehr kleinen Pumpen mit 1 bis 10 Watt.

Claims (9)

  1. Motorkreiselpumpe mit einem Synchron-Elektromotor insbesondere einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor, wobei das Pumpenlaufrad auf der Welle des Motorenrotors sitzt, und statt eines Axiallagers die Welle allein durch Radiallager gehalten und axial begrenzt verschieblich ist in einer Richtung, bei der der Motorenrotor um ein bestimmtes Maß aus dem Motorenstator axial beweglich ist, wobei die vom Magnetfeld des Stators auf den Motorenrotor ausgeübte Axialkraft der vom Pumpenlaufrad erzeugten Axialkraft entgegengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenlaufrad auf seiner Rückseite Hilfsschaufeln aufweist, die eine axiale Kraft auf die Welle bewirken, die die axiale Kraft des Stators unterstützt.
  2. Motorkreiselpumpe mit einem Synchron-Elektromotor insbesondere einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor, wobei das Pumpenlaufrad auf der Welle des Motorenrotors sitzt, und statt eines Axiallagers die Welle allein durch Radiallager gehalten und axial begrenzt verschieblich ist in einer Richtung, bei der der Motorenrotor um ein bestimmtes Maß aus dem Motorenstator axial beweglich ist, wobei die vom Magnetfeld des Stators auf den Motorenrotor ausgeübte Axialkraft der vom Pumpenlaufrad erzeugten Axialkraft entgegengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen der Pumpenlaufrad-Rückseite und der Pumpenkammerwand befindliche Pumpenrückraum durch einen an der Laufradrückseite vorstehenden koaxialen Laufrad-Dichtring und einen an der Pumpenkammerwand vorstehenden, an dem Laufrad-Dichtring angrenzenden koaxialen Kammerwand-Dichtring in einen äußeren und einen inneren Teilraum unterteilt ist, wobei der innere Teilraum über mindestens eine Öffnung in der Rückseite des Pumpenlaufrads mit dem Innenraum des Pumpenlaufrads verbunden ist.
  3. Motorkreiselpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nur im Bereich des äußeren Teilraums das Pumpenlaufrad auf seiner Rückseite Hilfsschaufeln aufweist.
  4. Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete des Motorenrotors eine magnetische Flussdichte von > 500 mT insbesondere von > 700 mT aufweisen.
  5. Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Verschiebung des Motorenrotors zum Motorenstator 3 bis 10 % insbesondere 5 bis 8 % der axialen Länge des Motorenstators beträgt.
  6. Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ihr Elektromotor einen Nassläufer mit Spalttopf oder Spaltrohr aufweist.
  7. Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Notlauf-Axiallager angeordnet ist, das bei abnehmender Magnetkraft des Motorenstators zum Einsatz kommt.
  8. Pumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Notlauf-Axiallager in einem Radiallager angeordnet ist.
  9. Pumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Notlauf-Axiallager ein Magnetlager ist.
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