Бессальниковый электронасос с вентильным двигателем постоянного тока

 

Изобретение может быть использовано в герметичных насосах. Две части герметичного корпуса насоса, имеющие конусообразную форму, сужающимися концами образуют вход и выход насоса, а между расширяющимися концами через прокладки зажат диск статора электродвигателя, в центральном отверстии которого установлена катушечная опора скольжения, несущая ротор, выполненный из двух частей по обе стороны от диска статора. На одной из частей ротора закреплено рабочее колесо центробежного насоса. На периферии диска статора имеются прорези для протока перекачиваемой жидкости от входной конической плоскости корпуса к выходной. Таким образом, весь электродвигатель помещен во внутреннюю полость корпуса насоса и омывается перекачиваемой жидкостью. Выводы обмотки якоря и магниточувствительной микросхемы, залитых в пластмассовом диске статора, выходят из торца последнего. Однофазная обмотка якоря имеет вывод средней точки, который соединен с положительным потенциалом источника постоянного напряжения, а крайние точки обмотки соединены с минусом источника через электронные ключи коммутатора. Выход магниточувствительной микросхемы соединен с управляющим выходом одного ключа, а управляющий вход второго ключа через резистор соединен с точкой подсоединения первого ключа к крайней точке обмотки. На роторе двигателя встроены распределенные по окружности неравномерно постоянные магниты чередующейся полярности. Такое выполнение насоса упрощает его конструкцию и процесс изготовления, устраняет режим импульсного потребления тока и уменьшает необходимую мощность источника, а также обеспечивает свободное вращение ротора при отключенном двигателе. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в конструкциях герметичных насосов, не содержащих сальниковых уплотнений и применяемых, например, в циркуляционных системах отопления, либо для перекачки различных жидкостей в технологических процессах разных отраслей промышленности (рассолов в пищевой промышленности, кровяной плазмы в медицине, жидкого горючего на транспорте и т.п.).

Известен электронасос, содержащий герметичный корпус с крышкой, ротор со встроенными магнитами и рабочим колесом насоса, а также статор электродвигателя, отделенный от рабочей полости насоса герметизирующим стаканом - перегородкой) авторское свидетельство СССР N 1608370, 1990 г.). В нем ротор выполнен сборным: содержит втулку и постоянные магниты, выполняющие функции лопастей рабочего колеса. Статор содержит магнитопровод и обмотку, частично охватывающую роторное отделение.

Наличие герметизирующего стакана/перегородки обуславливает увеличенный рабочий зазор в электрической машине, пониженный КПД, усложняет конструкцию и технологический процесс изготовления, а также увеличивает объем электронасоса.

Наиболее близким к данному изобретению является изобретение по патенту России N 2066793, опубликованному в Бюлл. N 26 от 20 сентября 1996 г. Сущность его состоит в том, что в качестве привода рабочего колеса насоса применен вентильный электродвигатель постоянного тока, причем электромеханический преобразователь полностью помещен в полость насоса, т.е. находится в перекачиваемой жидкости. На входе обмотки статора установлен электронный коммутатор, управляющий вход которого подключен к выходу датчика положения ротора. Корпус насоса имеет форму улитки, как это обычно делают в центробежных насосах и вентиляторах.

Сложная форма корпуса такого насоса является основным из его недостатков: для обеспечения малой толщины стенок детали корпуса и уменьшения ее массы необходимо тщательно подготовить литейную форму, а это существенно усложняет и удорожает процесс производства, увеличивает стоимость насоса.

Другим недостатком прототипа является то, что, хотя принципиальная схема коммутатора предельно проста и содержит всего один силовой ключ, но энергия от источника питания потребляется импульсивно, что вынуждает увеличивать его установленную мощность, а также применять ключ с повышенным допустимым током, т.е. больших размеров и более дорогой.

Наконец, из-за наличия магнитов на статоре ротор двигателя при отключенной обмотке находится в заторможенном состоянии и не может свободно вращаться. Это означает, что при применении такого насоса в циркуляционной системе в режиме, когда насос выключен, его заторможенное рабочее колесо увеличивает сопротивление циркуляции перекачиваемой среды.

За счет данного изобретения происходит устранение отмеченных недостатков, присущих известным техническим решениям, а именно: упрощение конструкции и технологического процесса изготовления насоса, устранение режима импульсного потребления тока и уменьшение установленной мощности источника питания при сохранении выходных характеристик, обеспечение свободного вращения ротора с рабочим колесом при отключенном двигателе.

Технический результат достигается тем, что в бессальниковом электронасосе вентильным двигателем постоянного тока, содержащем герметичный корпус, внутри которого размещены статор и ротор электродвигателя и рабочее колесо насоса, датчик положения ротора и электронный коммутатор, установленный на корпусе электронасоса снаружи, при этом ротор выполнен в виде двух жестко скрепленных дисков, между которыми размещен диск статора, и установлен в центральном отверстии диска статора на опоре скольжения, а рабочее колесо закреплено на одном из дисков ротора, корпус электронасоса выполнен из двух имеющих конусообразную форму частей, внутренними полостями которых образована проточная камера насоса, а сужающимися концами - выход и выход проточной камеры, при этом расширяющиеся концы корпуса соединены между собой, диск статора зажат между частями корпуса и на его периферии выполнены прорези, сообщающие полости обеих частей корпуса, однофазная обмотка статора выполнены с выводом средней точки, которая подключена к одному из выводов источника постоянного напряжения, а крайние точки обмотки подключены через ключи коммутатора к другому выводу источника, выход датчика положения ротора подключен к управляющему входу одного ключа коммутатора, а управляющий вход второго ключа коммутатора соединен через резистор с точкой подсоединения первого ключа к крайней точке обмотки.

При этом каждая из двух частей корпуса может быть выполнена из конусообразной и цилиндрической деталей, соединенных неразъемным соединением, например сваркой, а во внутренней полости на конической поверхности части корпуса, расположенной со стороны выхода, могут быть установлены продольные ребра-перегородки, образующие выпрямляющий аппарат.

На фиг. 1 приведена конструктивная схема электронасоса в соответствии с изобретением, на фиг. 2 - электрическая схема управления обмоткой якоря, на фиг. 3 - зависимость вращающего момента двигателя от угла поворота ротора.

Электронасос содержит электродвигатель 1, приводящий во вращение рабочее колесо 2, совмещенное с ротором электродвигателя, и корпус, состоящий из двух конусообразных частей 3 и 4.

Электродвигатель 1 содержит ротор 5 и статор 6.

Ротор 5 электродвигателя 1 выполнен в виде двух жестко связанных между собой дисков 7 и 8, а диск статор 6 размещен в зазоре между дисками 7 и 8 ротора 5 и зажат частями 3 и 4 корпуса через прокладки 9.

Рабочее колесо 2 электронасоса закреплено на одном из дисков ротора 5 - диске (см. фиг. 1). Ротор 5 установлен на опоре скольжения катушечного типа, образованной втулкой 10 и шайбами 11 и 12, установленными на роторе 5, а также неподвижной втулкой 13, закрепленной в центральном отверстии диска статора 6.

В диски 7 и 8 ротора 5 встроены неравномерно распределенные вдоль окружности постоянные магниты 14... 17 и 18...21 чередующейся полярности и магнитопроводные кольца 22 и 23.

В диск статора 6 встроены катушки 24...27 обмотки якоря электродвигателя 1 и магниточувствительная микросхема 28, выполняющая функции датчика положения ротора.

За пределами окружности, описанной около обмотки якоря, т.е. на периферии диска статора 6, выполнены прорези 29 и 30 в виде сегментов, через которые проходит проточный поток перекачиваемой электронасосом жидкости. Таким образом, проточная камера образована внутренними полостями частей 3 и 4 корпуса, прорези которых посредством прорезей 29 и 30 в диске статора 6 сообщены между собой.

На статоре 6 закреплен электронный блок 31 (см. фиг. 1), содержащий два электронных ключа 32 и 33 (см. фиг. 2). Ключи 32 и 33 включены между крайними точками (начало и конец) обмотки якоря и общим минусом источника питания. Средняя точка обмотки якоря подключена к плюсовой клемме источника питания. Магниточувствительная микросхема 28 (на основе датчика ЭДС Холла) питается от параметрического стабилизатора напряжения, образованного балластным резистором 34 и стабилитроном 35. Поскольку выходной каскад микросхемы 28 содержит транзистор с "открытым" коллектором, то для ограничения его тока предусмотрен резистор 36. Выход микросхемы 28 соединен с управляющим входом одного из электронных ключей (32 на фиг. 2), а управляющий вход второго ключа (33) подключен через резистор 37 к общей точке первого ключа (32) и обмотки якоря. Для обеспечения необходимой для отпирания ключа 33 разности потенциалов между затвором и стоком (в качестве ключа 33 применен полевой транзистор) включен стабилитрон 38. Для ключа 32 аналогичную функцию выполняет стабилитрон 35 параметрического стабилизатора напряжения. Между общей и крайними точками обмотки якоря включены конденсаторы 39 и 40, образующие цепочки рассеяния энергии в переходном процессе выключения ключей.

Каждая из частей 3 и 4 корпуса насоса может быть выполнена из двух отдельных частей: конусообразной детали 41, выполненной из листовой заготовки, например, методом штамповки, цилиндрической детали 42 - отрезка трубы, вставленного в конусообразную деталь 41 и скрепленного с ней, например, сваркой. Такая конструкция корпуса существенно упрощает процесс изготовления и способствует уменьшению стоимости насоса.

Для повышения КПД насоса за счет выравнивания направления потока перекачиваемой жидкости во внутренней полости на конической поверхности части 4 корпуса, расположенной со стороны выхода, может быть установлен выправляющий аппарат 43 в виде продольных ребер/перегородок.

Электронасос работает следующим образом.

При включении электродвигателя 1 диски 7 и 8 ротора 5, один из которых жестко связан с рабочим колесом 2 насоса (например, за счет посадки с натягом), начинают вращаться, и рабочее колесо 2 перекачивает рабочую среду (жидкость) в направлении от входа к выходу через проточную камеру и прорези 29 и 30 в диске статора 6. При этом благодаря размещению всего электродвигателя 1 и опоры скольжения непосредственно в проточной камере насоса происходит интенсивное охлаждение и обмотки якоря, и опоры скольжения, а выделяющееся в них тепло уносится с перекачиваемой жидкостью во внешнее пространство.

Управление работой электронасоса поясняет фиг. 2. Установленная на статоре 6 магниточувствительная микросхема 28 вырабатывает сигналы, соответствующие угловому положению ротора 5, так как реагирует на магнитное поле его магнитов. Эти сигналы управляют силовыми ключами 32 и 33, заставляя их переключаться в противофазе. В результате к источнику питания поочередно подключается то одна половина обмотки якоря, то вторая, причем в однозначном соответствии с текущим положением ротора. Таким образом, обмотка якоря создает вектор МДС, пульсирующий вдоль ее оси, причем направление этого вектора задано положением ротора 5 и благодаря неравномерному распределению полюсов магнитов на роторе 5 всегда обуславливает наличие положительного вращающего момента (см. фиг. 3). Благодаря автокоммутации обмотки обеспечивается непрерывное вращение ротора 5 электродвигателя 1 в одну и ту же сторону. Как видно на фиг. 3, так называемые "мертвые точки", т.е. положения устойчивого и неустойчивого равновесия ротора 5 отсутствуют, а этом означает, что двигатель обладает пусковым моментом при любом произвольном положении ротора 5.

Таким образом, благодаря предложенному выполнению электронасоса технологический процесс его изготовления упрощается, стоимость уменьшается, а благодаря предложенным особенностям электродвигателя 1 ток от источника питания потребляется равномерно, что позволило уменьшить установленную мощность источника при сохранении выходных характеристик насоса. Кроме того, в предложенном электронасосе обеспечено свободное вращение ротора 5 с рабочим колесом 2 при отключенном электродвигателе 1.

Формула изобретения

1. Бессальниковый электронасос с вентильным двигателем постоянного тока, содержащий герметичный корпус, внутри которого размещены статор и ротор электродвигателя и рабочее колесо насоса, датчик положения ротора и электронный коммутатор, установленный на корпусе электронасоса, снаружи, при этом ротор выполнен в виде двух жестко скрепленных дисков, между которыми размещен диск статора, и установлен в центральном отверстии диска статора на опоре скольжения, а рабочее колесо закреплено на одном из дисков ротора, отличающийся тем, что корпус электронасоса выполнен из двух имеющих конусообразную форму частей, внутренними полостями которых образована проточная камера насоса, а сужающимися концами - вход и выход проточной камеры, при этом расширяющиеся концы частей корпуса соединены между собой, диск статора зажат между частями корпуса и на его периферии выполнены прорези, сообщающие полости обеих частей корпуса, однофазная обмотка статора выполнена с выводом средней точки, которая подключена к одному из выводов источника постоянного напряжения, а крайние точки обмотки подключены через ключи коммутатора к другому выводу источника, выход датчика положения ротора подключен к управляющему входу одного ключа коммутатора, а управляющий вход второго ключа коммутатора соединен через резистор с точкой подсоединения первого ключа к крайней точке обмотки.

2. Электронасос по п.1, отличающийся тем, что каждая из двух частей корпуса выполнена из конусообразной и цилиндрической деталей, соединенных неразъемным соединением, например сваркой.

3. Насос по пп.1 и 2, отличающийся тем, что во внутренней полости на конической поверхности части корпуса, расположенной со стороны выхода, установлены продольные ребра-перегородки, образующие выправляющий аппарат.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3