包括转子和定子的螺杆式泵利用转子在定子内转动时移动穿过泵 的顺序离散腔传送流体。流体以这种方式的传送导致体积流速与转子 在定子内的旋转速度成比例，并且向流体施加相对低的剪切等级。因 此，螺杆式泵通常用于粘性或剪切敏感流体的流体计量和泵送。
螺杆式泵(PCP)可反向用作容积式马达，以将高压流体的液压 能量转换成以速度和扭矩形式输出的可适用于包括向下钻孔的各种应 用的机械能。容积式马达(PDM)包括动力区、轴承组件和传动轴， 所述动力区包括设置在定子内的转子。传动轴连接到动力区的转子并 通过轴承组件支撑。流体在压力下泵送通过动力区，引起转子相对于 定子旋转，从而使相连的传动轴旋转。一般而言，转子具有与通过动 力区的流体的体积流速成比例的旋转速度。可将例如用于向下钻孔的 钻头的另一部件连接到传动轴。当高压流体被泵送通过动力区时，旋 转运动通过轴承组件和传动轴从转子传递到钻头，使转子能够转动钻 头。
PCP或者PDM的动力区一般包括螺旋形的转子，所述转子通常由 钢制成，所述钢可以是镀铬的或涂覆的以具有耐磨性和/或耐腐蚀性； 和定子，所述定子通常为沿螺旋形弹性体插入物排列的经过热处理的 钢管。图1示出了传统的转子定子组件5的透视剖视图，该转子定子组 件5包括设置在定子20内的转子10。该转子定子组件5可用作PCP或者 PDM的动力区。图2示出了图1中所示的传统的转子定子组件5的横截面 图。如此图中所示，转子10具有比定子20少一个的叶片15。当两个组 件装配时，一系列的腔25形成在转子10的外表面30与定子20的内表面 35之间。每个腔25通过沿转子10和定子20之间的接触线形成的密封线 与相邻的腔密封。转子10的中心40与定子20的中心45偏离固定值，所 述固定值称为转子定子组件5的“偏心”。
在PDM的运行期间，高压流体被泵送到动力区的一端，在那里它 填充第一组打开的腔。两个相邻腔之间的压力差促使转子旋转。如前 所述，PCP可以描述为PDM的反向运行，意思是将速度和扭矩应用到 PCP转子使得转子在定子内旋转，致使流体流过PCP的长度，而流体流 过PDM的动力区致使转子转动。在两个类型的组件中，当转子转动时， 相邻腔打开并充满流体。随着该旋转和填充过程以连续的方式重复， 流体逐渐流下PCP的长度或者PDM的动力区。而且，当转子在定子内部 旋转时，转子的中心绕定子的中心以圆周运动的方式运动。因为转子 中心与定子中心偏离，所以通过转子在定子内的旋转或转动而产生不 平衡力。在没有理论限制的情况下，可以认为PCP或者PDM的动力区的 偏心越大，这些不平衡力或离心力就越高。
由于定子弹性体的破坏，转子定子组件可能发生故障。当诸如可 能由转子和定子之间的高压配合导致弹性体的负荷超过其应力和应变 极限时，弹性体发生机械故障。当弹性体的温度长时间地超过其额定 温度时，弹性体发生热故障。即使对于较短的一段时间，升高弹性体 温度引起弹性体的物理性能削弱，导致弹性体寿命缩短。
几种可升高弹性体温度超过其额定温度的热生成机理或模式如 下：干涉、滞后、离心力以及向下钻孔源。转子和定子之间的干涉对 于密封离散腔是必须的。当转子在定子内转动时，离心力通过转子施 加到弹性体上。干涉、离心力以及转子在定子内的滑动或摩擦的联合 作用在定子弹性体内产生热量，引起弹性体温度升高。而且，当转子 在定子内转动时，弹性体反复压缩和膨胀。热量通过一种称为滞后现 象的弹性体分子的内部粘滞摩擦而产生。此外，热可能由其它向下钻 孔源产生。源自这些抵触、离心力、滞后以及其它向下钻孔源机理的 热量可能致使弹性体的温度升高到其额定温度之上，导致弹性体寿命 缩短或发生故障。
图3示出了传统的转子定子组件50，该转子定子组件50包括位于定 子60内部的转子55。定子60还包括位于外壳65内部的弹性体衬垫62。 由于转子定子组件50的高偏心，当转子55在定子60内转动时，这种传 统的转子定子设计以及其它与其类似的设计倾向于产生高离心力。如 上所述，在转子定子组件50的运行期间，这些力产生导致弹性体温度 升高的热量。另外，由于衬垫的厚度及其相对低的热导率，弹性体设 计本身抑制了弹性体62的散热能力。假设所有其它因素保持恒定，弹 性体的厚度越大并且其热导率越低，弹性体的热量保持容量越大。
已经作出了修改定子弹性体的传统设计的尝试，努力降低弹性体 保持热量的能力。图4示出了改进的定子70，称为恒定壁定子，该定子 包括位于外壳80内的弹性体衬垫75，与图3中所示的弹性体衬垫62相 比，衬垫75具有缩小的均匀厚度。通过缩小弹性体衬垫75的厚度，其 保持热量的能力也降低。然而，该设计修改并没有直接处理热源—— 由转子在定子内的转动以及转子定子组件的偏心引起的离心力。而且， 由于定子外壳80非圆柱形的内表面或形状，该设计结构增加了制造的 复杂性，并因此而昂贵。另外，该设计结构还限制了可使用外壳80的 应用范围。对于具有圆柱形内部形状或表面的外壳，转子定子组件内 的叶片结构(例如，叶片的数目)通常仅通过替换定子中的弹性体衬 垫来改变，而图4中示出的定子外壳设计局限于所示的叶片结构(即， 三叶片的定子结构)。
由于传统的转子定子组件的上述缺点，仍存改进用于PCP或者 PDM的动力区中的转子和定子的需求。如果这种改进的转子和定子能 够降低源于离心力的热生成、弹性体部件(例如，弹性体定子衬垫) (如果存在的话)的热量保持能力和/或制造成本，同时保持设计结构 的灵活性，它将被特别好地接受。

公开了一种用于螺杆式泵和/或容积式马达的转子定子组件，其中 所述转子定子组件能够降低由于转子在定子内转动引起离心力的热生 成、定子弹性体衬垫(如果存在的话)的热保持能力、以及用于定子 外壳的制造成本，同时保持定子采用不同叶片结构的能力。
在一些实施例中，定子包括具有限定内表面的通孔的外壳，其中 所述内表面具有多个叶片。所述多个叶片限定了外接所述多个叶片的 大直径和内接所述多个叶片的小直径。定子比率等于所述大直径除以 所述小直径。所述定子比率选自由如下构成的组：对于具有两个叶片 的定子为1.350或更小、对于具有三个叶片的定子为1.263或更小、对于 具有四个叶片的定子为1.300或更小、对于具有五个叶片的定子为1.250 或更小、对于具有六个叶片的定子为1.180或更小、对于具有七个叶片 的定子为1.175或更小、对于具有八个叶片的定子为1.150或更小、对于 具有九个叶片的定子为1.125或更小、以及对于具有十个叶片的定子为 1.120或更小。
在一些实施例中，转子包括具有至少一个叶片的外表面。所述至 少一个叶片限定了外接所述至少一个叶片的大直径和内接所述至少一 个叶片的小直径。转子比率等于所述大直径除以所述小直径。所述转 子比率选自由如下构成的组：对于具有一个叶片的转子为1.350或更小、 对于具有两个叶片的转子为1.263或更小、对于具有三个叶片的转子为 1.300或更小、对于具有四个叶片的转子为1.250或更小、对于具有五个 叶片的转子为1.180或更小、对于具有六个叶片的转子为1.175或更小、 对于具有七个叶片的转子为1.150或更小、对于具有八个叶片的转子为 1.125或更小、以及对于具有九个叶片的转子为1.120或更小。
在一些实施例中，螺杆式装置包括定子和转子。所述定子设有具 有第一数目的叶片的内表面，其中所述叶片限定了外接所述叶片的大 直径和内接所述叶片的小直径。所述转子设置在所述定子内并具有不 同于所述第一数目的叶片的第二数目的叶片。转子定子比率等于所述 大直径除以所述小直径。转子定子比率选自由如下构成的组：对于具 有带两个叶片的定子的螺杆式装置为1.350或更小、对于具有带三个叶 片的定子的螺杆式装置为1.263或更小、对于具有带四个叶片的定子的 螺杆式装置为1.300或更小、对于具有带五个叶片的定子的螺杆式装置 为1.250或更小、对于具有带六个叶片的定子的螺杆式装置为1.180或更 小、对于具有带七个叶片的定子的螺杆式装置为1.175或更小、对于具 有带八个叶片的定子的螺杆式装置为1.150或更小、对于具有带九个叶 片的定子的螺杆式装置为1.125或更小、以及对于具有带十个叶片的定 子的螺杆式装置为1.120或更小。
通过阅读下文的详细描述并参照附图，所公开设备的上述各种特 征以及其它特征对本领域的技术人员来说将是非常明显的。

为了更详细地描述优选实施例，现在将对附图进行参考，其中：
图1示出了传统的转子定子组件透视的局部剖视图；
图2示出了典型的传统转子定子组件的横截面图；
图3示出了另一典型的传统转子定子组件的横截面图；
图4示出了也称为恒定壁定子的改进定子的横截面图；
图5示出了根据在此所述的原理制造的具有两个在三个中的叶片 结构的转子定子组件的实施例；
图6示出了根据在此所述的原理制造的具有五叶片结构的定子的 一个示例性实施例；
图7是曲线图，显示了与具体的已知现有技术的定子相比，对于根 据在此所述的原理制造的定子，作为定子叶片数目的函数的定子大直 径与定子小直径的最大比率；
图8示出了根据在此所述的原理的具有五叶片结构但没有弹性体 衬垫的定子的一个示例性实施例；
图9示出了根据在此所述的原理的具有四叶片结构的转子的一个 示例性实施例。

符号和术语
在以下说明书和权利要求书的全文中，使用特定术语以指出具体 的组件部件。本文献并非意欲对名称不同但功能相同的部件进行区分。 在下文的描述中以及权利要求书中，术语“包括”和“包含”以开放 的方式使用，因此应理解为意指“包括，但不限定于……”。
正如此处以及随后的权利要求书中所使用的，术语“螺杆式装置” 统指具有转子设置于其中的定子。
现在将参照附图对用于容积式马达和/或螺杆式泵的转子定子组 件的各种实施例进行描述，所述转子定子组件能够降低由转子在定子 内的转动引起的离心力所产生的热量、定子弹性体衬垫(如果存在的 话)的热保持能力以及制造成本，同时保持设计结构的灵活性。在全 部视图中，相同的附图标记用于相同的部件。附图中所示的以及在此 将进行详细描述的转子定子组件的具体实施例应被理解为，这种公开 仅是代表性的，并非旨在将本发明限定于在此所示的和所描述的这些 实施例。在此所公开的转子定子组件的实施例可用于任何类型的容积 式马达(PDM)或螺杆式泵(PCP)。应全面认识到，在此所公开的实 施例的不同教导可独立使用或以任意适当的组合使用，以产生预期的 结果。
图5示出了转子定子组件100的实施例的横截面端视图，转子定子 组件100包括位于定子104内的转子102。组件100可以是PCP或者PDM 的动力区。总体来说，转子102和定子104以及根据本公开的所有其它 转子定子组件在此处称为“螺杆式装置”。定子104包括相对薄的衬垫 105，该衬垫105设置在外壳110内，并被外壳110包围。外壳110包括与 衬垫105的外表面120接合的大致圆柱形的内表面115。确切地说，外壳 110的内表面115的形状和尺寸(例如半径)对应于衬垫105的外表面120 的形状和尺寸(例如半径)，从而弹性体衬垫105的外表面120与外壳 110的内表面120静态接合。例如，在衬垫105和外壳110之间可形成干 涉配合。除此之外，或作为替换方案，衬垫105可粘接到外壳110的内 表面115。尽管图5中所示的转子定子组件100的此示例性结构具有两个 在三个中的叶片结构，意即两叶转子102设置在三叶定子104之内，但 是应当理解地是其它实施例可包括其它叶片数目和组合。
通常，定子外壳110可包括任意合适的材料，所述材料包括但不限 定于金属和金属合金(例如，不锈钢、钛等)、非金属(例如聚合物)、 复合材料(例如，碳纤维和环氧树脂复合材料)或其组合。在一个实 施例中，定子外壳110优选由经过热处理的碳钢合金构成。类似地，衬 垫105可包括任意合适的材料，所述材料包括但不限定于金属和金属合 金、非金属、复合材料或其组合。在本实施例中，衬垫105优选由弹性 体或合成橡胶构成。因此，衬垫105在此处可称为“弹性体衬垫”。
图5中所示的定子104可按照大直径(SD)和小直径(Sd)来进行 描述。大直径(SD)通过外接叶片125的径向最远点或表面的虚线圆定 义。小直径(Sd)通过内接弹性体衬垫105的最近径向点或表面的虚线 圆定义。通常，包括图5中所示的转子定子组件100的转子定子组件的 偏心是大直径SD和小直径Sd的函数。对于包括具有一个以上叶片的定 子(例如，定子104)，如在此使用的偏心等于(SD—Sd)/4。在不受 此或任何具体理论限制的情况下，对于包括具有单叶片定子的转子定 子组件，偏心等于(SD—Sd)/2。
如前所述，由转子在定子内转动引起的离心力导致由于转子与定 子之间的摩擦而产生的热量。在一些传统的包括具有弹性体衬垫的转 子定子组件中，所产生的热量可导致弹性体温度超过其额定温度。在 不受此或任何具体理论限制的情况下，可以认为转子定子组件的偏心 越大，离心力以及所导致的热量生成越大，弹性体衬垫损坏、破坏和/ 或发生故障的可能性越大。因此，期望缩小转子定子组件的偏心。
根据上述的偏心公式，转子定子组件的偏心可通过减小定子的大 直径SD与小直径Sd之间的差来降低。换言之，可通过减小SD/Sd的比率 来降低转子定子组件的偏心。
在此所述的实施例对于包括三叶定子的转子定子组件，诸如图4中 所示的三叶定子100，具有1.263的最大SD/Sd比率。换句话说，在此所 述的实施例对于包括三叶定子的转子定子组件具有不超过1.263的 SD/Sd比率。为了比较，通常使用的具有三叶定子和两叶转子的传统转 子定子组件具有接近1.65的SD/Sd比率，明显大于1.263。此外，另一传 统现有技术的具有三叶定子和两叶转子的转子定子具有1.367的SD/Sd 比率，仍高于1.263。如前所述，在不受此或任何具体理论限制的情况 下，转子定子组件的偏心越低，离心力以及所导致的热量产生越低。 因此，与很多传统的具有三叶定子的转子定子组件相比，包括具有1.263 的最大SD/Sd比率的定子100的转子定子组件的实施例能够降低该转子 定子组件内的离心力和热量产生。
此外，仍参照图5，应当理解地是，定子外壳110的内表面115是圆 柱形的，不同于图4中所示的现有技术定子的横截面。通常，与图4中 所示的现有技术的定子70以及其它类似设计的具有更复杂形状的内表 面(例如，通常类似于期望的衬垫内轮廓形状的三椭圆表面)的定子 相比，具有圆柱形内表面(例如，定子外壳110的内表面115)的定子 外壳产生制造成本减少。此外，具有圆柱形内表面的定子外壳比具有 非圆柱形内表面的定子提供了通用性更强的可能。具体来说，具有圆 柱形内表面的定子可与各种叶片结构一起使用。例如，图5中所示的定 子104的衬垫105可被移除并用另一个具有不同叶片结构的衬垫(例如， 具有四叶片结构的衬垫)替换。相比之下，图4中所示的现有技术的定 子70的非圆柱形内表面，以及其它类似的定子结构限定于特定的叶片 结构。具体来说，插入图4中所示的现有技术的定子70中的任何衬垫75 仅能容纳在具有不超过两个叶片的转子中。
尽管图5中所示的定子外壳100的内表面115基本为圆柱形，而衬垫 105具有非均匀壁厚，从而能够实现叶片的构造，但是在其它实施例中， 衬垫(例如，衬垫105)具有基本均匀的壁厚，然而仍能实现满足上述 优选的最大SD/Sd比率的叶片结构。在这种实施例中，外壳包括与衬垫 的非圆柱形外表面接合的非圆柱形外表面。
最后，图5中所示的定子104的弹性体衬垫105可被制造得明显比图 2和图3中所示的现有技术的定子的衬垫更薄。假定弹性体材料的热导 率相对低(即，相对高的热传递阻抗)，则弹性体衬垫保持的热量通 常随着衬垫厚度的增加而增加。因此，弹性体衬垫越薄，弹性体保持 的热能越少。因此，与由图2和图3中所示的定子所代表的现有技术定 子的衬垫相比，提供更薄的弹性体衬垫105能够降低弹性体衬垫105的 热保持能力，从而提高衬垫的寿命。
尽管图5中所示的定子104的实施例包括三个叶片，但是其它的叶 片构造也是可能的。例如，图6示出了包括五个叶片205的定子200的另 一实施例的横截面端视图。定子200具有1.25的最大SD/Sd比率。很多传 统的包括五叶片定子结构的转子定子组件一般具有在1.4至1.45范围内 的SD/Sd比率。与这种传统的五叶片设计相比，定子200的实施例具有 减小的SD/Sd比率，因而，由于如上所述的类似原因，能够降低离心力 和相关热能，减小在那些包括弹性体衬垫的实施例中的弹性体衬垫的 厚度和热量保持能力，并且对于那些具有衬垫设置在外壳内的定子的 实施例来说，能够降低制造成本，同时保持设计结构的灵活性。
其它具有根据在此所述原理制造的不同叶片结构(例如，6叶片定 子、8叶片定子等)的实施例提供了类似益处和优点的可能性。确切地 说，下面的表1列出了根据在此所述原理制造的各种定子转子结构的的 最大SD/Sd比率。由于所列出的SD/Sd比率是最大SD/Sd比率，所以应当 理解地是一些实施例可包括比所列出的那些更低的SD/Sd比率。例如， 具有四个在五个中的叶片结构，意思是四叶片转子在五叶片定子内的 转子定子组件可具有等于1.100的SD/Sd比率，其小于所允许的最大值， 或1.250。
表1
  转子叶片数 定子叶片数 SD/Sd比率 1 2 1.350 2 3 1.263 3 4 1.300 4 5 1.250 5 6 1.180 6 7 1.175 7 8 1.150 8 9 1.125 9 10 1.120
现在参照图7，其显示了对于根据在此所述原理的转子定子组件， 作为表1的定子叶片结构的函数的最大SD/Sd比率的曲线图。为了比较， 将特定的传统现有技术的转子定子组件的SD/Sd比率绘制为其定子叶 片结构的函数。SD/Sd比率310相对低，而SD/Sd比率320明显更高。如 图7中所见，根据在此所述原理构造的转子定子组件与这些通常的现有 技术的转子定子组件相比具有更低的SD/Sd比率。因此，满足上面表1 中规定的设计标准的转子定子组件的实施例共有一个共同的设计特 征，相对低的偏心(例如，相对低的SD/Sd比率)。如前所述，具有较 低偏心的转子定子组件能够降低离心力，结果使不平衡力降低，并且 使热量生成减小。此外，对于那些包括弹性体衬垫的实施例(例如图5)， 缩小的偏心能够实现更薄壁的弹性体衬垫，反过来其又可提供热量保 持能力更低并且寿命更长的弹性体衬垫的可能性。
应当理解地是根据在此所述原理构造的转子定子组件可具有各种 适当的结构(例如，设有衬垫、没有衬垫、具有设有圆柱体内表面的 外壳等)，但优选根据上面表1中所公开的SD/Sd比率构造。假如满足 优选的SD/Sd比率标准，则如前面所述，通过使用更薄的定子弹性体衬 垫、具有圆柱形内表面的定子外壳等可获得附加的潜在益处。然而， 在一些应用中，将转子定子组件构造为使它不具有这些附加设计特征 中的一个或多个特征可能是有利的。
例如，传统转子定子组件的共同故障模式是定子弹性体的损坏或 破坏。为除去作为可能故障模式的定子弹性体，根据表1设计的转子定 子组件的某些实施例构造为定子不具有(或构造为没有)位于定子内 的弹性体衬垫。在这种实施例中，定子是坚固的整体定子。例如，图8 示出了根据本公开的一个典型的无衬底的定子400的横截面端视图，其 中定子400包括具有沿其内表面限定的五个叶片410的外壳或壳体405。 定子400不包括弹性体衬垫。通过除去弹性体衬垫，这种实施例还可除 去最有可能发生故障的部件。在没有弹性体衬垫的情况下，定子的内 表面限定了定子叶片构造，并且，该定子的内表面是当转子在定子内 转动时与转子接触的表面。在其它方面，转子定子组件与前面所述的 实施例具有相同的功能。无论定子是否包括弹性体衬垫，根据在此所 述的以及在表1中所示的优选最大SD/Sd比率构造的实施例能够实现缩 小的偏心和缩小的离心力。
图6和图8示出了根据在此所述原理构造的定子的代表性实施例。 尽管这些附图并没有示出转子，但是应当理解地是在运行中，转子将 设置在包括图6和图8中所示的定子的根据在此公开的原理构造的每个 定子内，以形成PCP或者PDM动力区。每个这种转子也将大体根据上面 表1中公开的SD/Sd比率构造，意思是转子大直径与转子小直径的比率 将满足在该表中所列出的最大SD/Sd值，同时具有微小的差别，以在转 子和其中将设置所述转子的定子之间提供干涉配合。所述干涉配合在 定子的内表面和转子的外表面之间形成密封线。例如，图9示出了根据 在此公开的原理构造的四叶片转子500。在运行中，优选将它装配到同 样根据在此公开的原理所构造的、诸如图6中所示的定子200和/或图8 中所示的定子400的五叶片定子内，以形成PCP或者PDM的动力区。图9 中所示的四叶片转子500构造为同样满足表1中公开的SD/Sd比率标准， 意思是将转子500构造为使其大直径505与其小直径510的比率将小于 或等于1.263。
尽管在此显示和描述了用于容积式马达和/或螺杆式泵的低偏心 转子定子组件的各种实施例，但是在不偏离此处的精神和教导的情况 下，本领域的技术人员可作出各种修改。所描述的实施例仅仅是代表 性的，并非意在限定。在此所公开应用的许多变形、组合和修改是可 能的，并且在本发明的范围之内。因此，保护范围不受上述说明书限 制，而是通过下面的权利要求书限定，所述范围包括权利要求主题的 所有等同物。