ГЕРМЕТИЧНЫЙ НАСОС С ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ Российский патент 1997 года по МПК F04D13/06 F04D7/02 

Изобретение относится к области центробежных насосов, которые приводятся во вращение с помощью электромагнитов.

Известны различные электромагнитные насосы для перекачивания электропроводных сред, например, "Электромагнитный индукционный насос", по авт.св. СССР N 561268, кл. H 02 N 4/02, 1975, в котором есть индуктор вращающегося магнитного поля, канал для перекачиваемой среды, размещенный в торцевом зазоре индуктора, а также установленные в канале направляющие лопатки для перемещения среды.

Однако, известный насос можно использовать только для перекачивания электропроводной среды, т.к. преобразование энергии электромагнитного поля в гидравлическую осуществляется в нем только за счет индуцированных в перекачиваемой среде электрических токов, что ограничивает технологические возможности насоса.

Известны насосы с приводом через магнитную муфту с постоянными магнитами, в которых вращающееся магнитное поле создают за счет механического вращения ведущей полумуфты с магнитами (см. патент ФРГ N 3629311, кл. F 04 D 13/02, "Герметичный насосный агрегат", 1988).

В этом агрегате рабочее колесо центробежного насоса установлено на роторе, который снабжен ведомой полумуфтой с постоянными магнитами, магнитное поле которых взаимодействует с полем магнитов ведущей полумуфты через герметизирующую полость насоса (тонкостенный стакан). При этом насос перекачивает любые, в том числе агрессивные и токсичные жидкости, независимо от их электрических характеристик.

Но увеличенные габариты муфты и усложненная конструкция двух роторов - насоса и ведущей полумуфты, делает агрегат в некоторых системах недостаточно эффективным.

Известны также технические решения, в которых рабочее колесо насоса приводится во вращение с помощью постоянных магнитов, установленных на торце рабочего колеса, например, "Центробежный герметичный насос" по авт.св. СССР N 989146, кл. F 04 D 1/00, 1981, что сокращает габариты привода.

Однако, в известном техническом решении недостаточен передаваемый постоянными магнитами крутящий момент, что ухудшает характеристику насоса.

Наиболее близким объектом к описываемому по существенным признакам является герметичный насос с электроприводом по заявке PCT N WO 92/06301, М. кл. F 04 D 13/06, опубл. 16.04.92.

Известный электронасос содержит корпус с установленным в нем ротором насоса, оснащенным рабочим колесом с каналами, образующими проточную часть, и подшипниками, содержащий также электродвигатель привода с электромагнитами, установленными в корпусе по торцам рабочего колеса равномерно на заданном диаметре и подключенными к системе создающей вращающееся магнитное поле, при этом на роторе насоса установлены постоянные магниты с чередующейся полярностью полюсов, а в корпусе установлены датчики положения ротора, подключенные через блок управления к системе, создающей вращающееся магнитное поле.

Однако, при увеличенных подачах проявляется существенный недостаток насоса, заключающийся в том, что при этом передаваемая магнитным полем мощность оказывается недостаточной для обеспечения необходимого расхода жидкости, что снижает технологические возможности насоса. Кроме того, усложнена технология изготовления рабочего колеса этого насоса из-за установки магнитов в пазах.

Задачей изобретения является создание конструкции, обеспечивающей расширение технологических возможностей насоса и упрощение технологии его изготовления.

Поставленная задача решается тем, что в герметичном насосе с электроприводом, содержащем корпус с установленным в нем ротором насоса, оснащенным рабочим колесом с каналами, образующими проточную часть, и подшипниками, содержащем также электродвигатель привода с электромагнитами, установленными в корпусе по торцам рабочего колеса равномерно на заданном диаметре и подключенными к системе, создающей вращающееся магнитное поле, при этом на роторе насоса установлены постоянные магниты с чередующейся полярностью полюсов, а в корпусе установлены датчики, подключенные через блок управления к системе, создающей вращающееся магнитное поле, согласно изобретению, постоянные магниты установлены в рабочем колесе между каналами его проточной части с выходом торцев магнитов в зазоры между корпусом и торцами рабочего колеса при параллельности осей магнитов и ротора, при этом хотя бы одна пара датчиков размещена с торцев рабочего колеса и подключена к схеме сравнения их сигналов в блоке управления, при этом постоянные магниты выполнены в виде цилиндров, образованных размещенными по торцам дисками, изготовленными из сплава на основе редкоземельных элементов и намагниченными в сильном магнитном поле, и цилиндрической вставкой из магнитного материала, кроме того, цилиндры постоянных магнитов загерметизированы с торцев установкой в глухие отверстия, выполненные в рабочем колесе, и укреплением крышки с открытой стороны отверстия.

В результате решения этой задачи достигнут новый технический результат, заключающийся в разработке конструкции компактного герметичного насоса повышенного напора для перекачивания агрессивных, токсичных и особо чистых сред.

Отличительной особенностью изобретения является конструкция его рабочего колеса, в котором постоянные магниты установлены в рабочем колесе между каналами его проточной части с выходом торцев магнитов в зазоры между корпусом и торцами рабочего колеса при параллельности осей магнитов и ротора.

Установка постоянных магнитов с выходом торцев магнитов в зазоры между корпусом и торцами рабочего колеса при параллельности осей магнитов и ротора оказывается возможным благодаря особенности проточной части насоса, а именно благодаря тому, что проточная часть выполнена в виде каналов и постоянные магниты могут быть размещены в диске ротора между каналами с выходом торцев магнитов к торцам электромагнитов статора, размещенных на корпусе. Такая установка магнитов увеличивает напряженность магнитного поля, передаваемого через зазор между корпусом и ротором, увеличивая соответственно передаваемый ротору крутящий момент, при этом для размещения магнитов не требуется увеличивать габаритные размеры рабочего колеса, снижается рассеивание магнитного поля по периметру полюсов магнитов. Такая конструкция проточной части насоса в сочетании с возможностями получить большие обороты привода обеспечивают высокий напор насоса при малых подачах.

Еще одной отличительной особенностью магнитной системы насоса является то, что хотя бы одна пара датчиков размещена с торцев рабочего колеса и подключена к схеме сравнения их сигналов в блоке управления. Это позволяет использовать электромагниты привода для уравновешивания осевых сил, действующих на ротор насоса, за счет соответствующего изменения силы тока в электромагнитах статора и компенсации осевых сил взаимодействием магнитных полей, что повышает надежность работы.

Дополнительной особенностью конструкции самих постоянных магнитов является то, что они выполнены в виде цилиндров, образованных размещенными по торцам дисками, изготовленными из сплава на основе редкоземельных элементов и намагниченными в сильном магнитном поле, и цилиндрической вставкой из магнитного материала, которые загерметизированы с торцев рабочего колеса установкой в глухие отверстия, выполненные в теле колеса, и укреплением крышки с открытой стороны отверстия.

Выполнение постоянных магнитов в виде цилиндров значительно упрощает технологию изготовления деталей и конструкцию насоса. Кроме того, то, что цилиндры постоянных магнитов большой коэрцитивной силы выполнены в виде размещенных по торцам дисков, изготовленных из сплава на основе редкоземельных элементов, например, из самарий кобальтового сплава и намагниченных в сильном магнитном поле, а цилиндрическая вставка выполнена из более дешевого и более технологичного материала, удешевляется изготовление, так как вставка легко может быть изготовлена любого размера и формы. При этом обеспечение герметизации установкой в глухие отверстия, выполненные в рабочем колесе, и укреплением крышки с открытой стороны отверстия, технологически доступно любому производству.

На фиг.1 представлен схематический предлагаемый чертеж насоса; на фиг.2
сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 показан вариант установки постоянных магнитов в рабочем колесе при увеличенном габарите по его ширине, например, при изготовлении проточной части насоса в соответствии с авт.св. СССР N 1339300, кл. F 04 D 5/00, 29/18, 1985 с полуоткрытыми каналами, выполненными с обоих торцов рабочего колеса.

Герметичный насос с электроприводом содержит корпус 1 с патрубками всасывания 2 и нагнетания 3, в котором по торцу рабочего колеса 4 установлены электромагниты 5, причем электромагниты 5 установлены с обоих торцов. Электромагниты 5 создают вращающееся магнитное поле, например, с помощью блока 6 электронной системы управления при питании обмоток электромагнитов постоянным током (см. Бут Д. А. "Бесконтактные электрические машины". М. Высшая школа, 1990, стр.133-136) от источника электропитания 7.

Электромагниты 5 герметично отделены от полостей с перекачиваемой жидкостью перегородками 8, что позволяет перемещать насосом агрессивные, токсичные или особо чистые текучие среды.

Рабочее колесо 4 установлено в корпусе 1 на подшипниках скольжения 9. Проточная часть рабочего колеса выполнена в виде отверстий 10 или (см. фиг. 2) полуоткрытых каналов 11. Между каналами проточной части в теле рабочего колеса установлены постоянные магниты 12, оси которых параллельны оси ротора, а торцы выходят в зазор между корпусом 1 и торцами колеса 4.

Для управления электромагнитами в корпусе 1 установлены датчики 13, подключенные к блоку управления 6. При этом хотя бы одна пара датчиков размещена с торцев рабочего колеса 4 и подключена к схеме 14 сравнения их сигналов в блоке управления.

При увеличенной ширине рабочего колеса (см. фиг.2) постоянные магниты 12 большой коэрцитивной силы выполнены в виде цилиндров, образованных размещенными по торцам дисками 15, изготовленными из сплава на основе редкоземельных элементов, например, из самарий кобальтового сплава и намагниченными в сильном магнитном поле, и цилиндрической вставкой 16 из магнитного материала.

Цилиндры постоянных магнитов 12 загерметизированы с торцев установкой в глухие отверстия, выполненные в рабочем колесе 4, и укреплением крышки 17 с открытой стороны отверстия.

Центробежный насос работает следующим образом. На обмотки электромагнитов 5 подают электрический ток от источника питания 7 и известным способом (см. выше ссылки на книгу Бут Д.А."Бесконтактные электрические машины") с помощью блока 6 электронной системы управления, получают вращающееся магнитное поле. Так как в рабочем колесе установлены постоянные магниты 12, причем торцы постоянных магнитов выходят к торцам электромагнитов, магнитный поток замыкается через них. Магнитное поле постоянных магнитов 12 сцепляется с магнитным полем электромагнитов 5 через перегородку 8, 17 и образованные между сердечником электромагнита 5 и постоянными магнитами 12 зазоры, что заставляет рабочее колесо 4 вращаться синхронно с вращающимся магнитным полем электромагнитов 5.

С помощью датчиков 13 определяется положение амплитуды магнитного потока двигателя и осуществляют коммутацию электрического тока с помощью электронного блока управления 6. При этом хотя бы одна пара датчиков 13 установлена друг против друга с обеих торцев рабочего колеса 4, как это показано на фиг.1. Сигналы от этой пары датчиков подключены к блоку управления 6 через схему сравнения 14, что позволяет, использовать величину рассогласования сигналов, регулировать соответственно силу тока противостоящих друг другу электромагнитов с противоположных торцев, тем самым регулируя осевую силу взаимодействия постоянных магнитов 12 и электромагнитов 5. Таким образом, возникающие на роторе насоса неуравновешенные осевые силы автоматически компенсируются электромагнитной системой, что позволяет обеспечить осевую фиксацию ротора при минимальных торцевых зазорах между рабочим колесом 4 и корпусом 1.

Перекачиваемая среда поступает в насос через патрубок 2, в отверстиях 10 или каналах 11 разгоняется за счет вращения рабочего колеса 4 и затормаживается, повышая давление в спиральном диффузоре корпуса 1, а затем через нагнетательный патрубок 3 подается в систему к потребителям.

Описанная конструкция насоса благодаря тому, что постоянные магниты размещены в свободной от каналов (отверстий) проточной части рабочего колеса, приближается по габариту к электродвигателю этого же типа, что позволяет, используя опыт создания вентильных электродвигателей постоянного тока получить герметичный насос с электроприводом минимальных габаритов при очень высоких гидравлических показателях (малых числах быстроходности, требующихся для современных систем с увеличенным гидравлическим сопротивлением).

Моноблочная конструкция агрегата, которая реализуется при использовании изобретения, позволяет снизить вибрацию, т.к. вращающиеся массы оказываются размещены в центре жесткости системы. Использование функциональных элементов: корпус, ротор, подшипники и для привода, и для исполнительного механизма повышает надежность. Сокращается количество подшипниковых узлов основного источника механических нагрузок и отказов. Для агрегата используется единая система охлаждения. Сокращается число разъемов и узлов.

Кроме того, предлагаемые особенности конструкции рабочего колеса позволяет получить дополнительный положительный эффект, заключающийся в повышении надежности работы: установка электромагнитов с обоих торцов полностью уравновешивает рабочее колесо.

Таким образом, заявляемый центробежный насос обеспечивает расширение технологических возможностей по перекачиванию различных текучих сред при простой конструкции и повышенной надежности работы.

Использование: в центробежных насосах, приводимых во вращение с помощью электромагнитов. Сущность изобретения: постоянные магниты 12 установлены в рабочем колесе 4 между каналами 10 его проточной части. Торцы магнитов 12 выходят в зазоры между корпусом 1 и торцами рабочего колеса 4 при параллельности осей магнитов 12 и ротора. По меньшей мере, одна пара датчиков 13, подключенных к системе, создающей вращающееся магнитное поле, через блок 6 управления, размещена с торцев рабочего колеса 4 и подключена к схеме 14 сравнения их сигналов в блоке 6 управления. 2 з.п.ф-лы.3 ил.

1. Герметичный насос с электроприводом, содержащий корпус с установленным в нем ротором насоса, оснащенным рабочим колесом с каналами, образующими проточную часть, и подшипниками, содержащий также электродвигатель привода с электромагнитами, установленными в корпусе по торцам рабочего колеса равномерно на заданном диаметре и подключенными к системе, создающий вращающееся магнитное поле, при этом на роторе насоса установлены постоянные магниты, а в корпусе датчики, подключенные к системе, создающей вращающееся магнитное поле, через блок управления, отличающийся тем, что постоянные магниты установлены в рабочем колесе между каналами его проточной части с выходом торцев магнитов в зазоры между корпусом и торцами рабочего колеса при параллельности осей магнитов и ротора, при этом хотя бы одна пара датчиков размещена с торцев рабочего колеса и подключена к схеме сравнения их сигналов в блоке управления. 2. Насос по п. 1, отличающийся тем, что постоянные магниты выполнены в виде цилиндров, образованных размещенными по торцам дисками, изготовленными из сплава на основе редкоземельных элементов и намагниченными в сильном магнитном поле, и цилиндрической вставкой из магнитного материала. 3. Насос по п. 1, отличающийся тем, что цилиндры постоянных магнитов загерметизированы с торцев установкой в глухие отверстия, выполненные в рабочем колесе, и укреплением крышки с открытой стороны отверстия.