ПОГРУЖНОЙ ЭЛЕКТРОНАСОС Российский патент 2005 года по МПК F04D13/08 F04D3/02 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к гидродинамическим насосам с электроприводом, и может использоваться в системах подачи топлива двигателей внутреннего сгорания.

Погружной электронасос предназначен для подачи рабочей жидкости с напором и расходом, соответствующими малым значениям коэффициента быстроходности (n_s=5...30), например, для системы впрыска двигателя внутреннего сгорания и может применяться в промышленности и быту для перекачки любых жидкостей предпочтительно с низкой вязкостью.

Широкое распространение в технике получили насосы, в которых в качестве привода используется электродвигатель. Известен лабиринтный насос с приводом от электродвигателя (Голубев А.И. Лабиринтно-винтовые насосы и уплотнения для агрессивных сред. Москва, Машиностроение, 1981, с.77). Лабиринтно-винтовой насос позволяет обеспечить оптимальные гидравлические параметры, а именно расход, напор рабочего тела и коэффициент полезного действия, для устройств, требующих создание высокого давления при сравнительно небольших расходах рабочей жидкости, в том числе для систем подачи топлива двигателя внутреннего сгорания. Однако применение такого электронасоса приводит к большим осевым габаритам конструкции по сравнению, например, с насосами вихревого или центробежного типа.

Известна также конструкция, состоящая из электродвигателя и центробежного насоса (RU 15762 U1, F 04 D 13/08, опубл. БИПМ №31, II ч., 2000). Применение этого электронасоса в качестве электробензонасоса позволит уменьшить осевые габаритные размеры по сравнению с лабиринтно-винтовым, описанным выше.

Использование центробежного насоса, когда требуется большой напор при сравнительно малых расходах рабочей жидкости, например, для подачи топлива двигателя внутреннего сгорания, приводит к значительному снижению его коэффициента полезного действия (КПД). Это объясняется тем, что оптимальные параметры этого насоса находятся в области больших расходов и относительно меньших напоров рабочего тела при фиксированной частоте вращения вала устройства (n_s > 40). Для повышения КПД такой конструкции потребуется использование нескольких ступеней центробежного насоса для снижения напора на каждой из них либо увеличение частоты вращения ротора. Однако применение многоступенчатого насоса приводит к увеличению габаритных размеров, а возрастание частоты вращения вала - уменьшению ресурса и надежности работы электродвигателя, что позволяет сделать вывод о нецелесообразности применения такой конструкции в данном случае, в том числе в качестве электробензонасоса.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является электронасос, состоящий из корпуса, установленных в нем электродвигателя и лабиринтно-винтового насоса, рабочие органы которого выполнены непосредственно на роторе и статоре электродвигателя (WO 98/50701 A1, 12.11.1989). При этом канавки многозаходной винтовой нарезки вращающейся части насоса выполнены на периферийной цилиндрической поверхности якоря, а невращающейся - на внутренней цилиндрической поверхности статора. Направление нарезки (многозаходной резьбы) на роторе и статоре противоположное, то есть, если на якоре правая резьба, то на статоре - левая. Указанное техническое решение позволяет значительно упростить конструкцию электронасоса, так как сокращается количество сборочных единиц и деталей, уменьшаются габаритные размеры изделия в целом и сокращается количество доводочных операций в процессе производства.

Недостатком указанной конструкции электронасоса является снижение ресурса, надежности работы и сравнительно невысокое значение коэффициента полезного действия.

Уменьшение коэффициента полезного действия происходит из-за увеличенного магнитного зазора между статором и ротором электродвигателя, где расположены рабочие органы лабиринтно-винтового насоса, что, в свою очередь, приводит к увеличению потерь магнитного потока или электромагнитного поля в зависимости от типа электродвигателя, применяемого для привода. Снижение долговечности работы изделия происходит по причине того, что перекачиваемая жидкость, например топливо автомобильного двигателя, содержит микрочастицы, обладающие магнитными свойствами (микрочастицы ржавчины со стенок емкости с рабочей жидкостью), которые, проходя через проточный тракт насоса, попадают в магнитное поле и задерживаются на рабочих поверхностях лабиринтно-винтового насоса, приводя к их постепенному эрозионному износу и ухудшению гидравлических характеристик насоса.

Задачей изобретения является увеличение ресурса, надежности работы и коэффициента полезного действия погружного электронасоса.

Указанный результат достигается путем выполнения рабочих органов за пределами магнитного поля электропривода, для чего в погружном электронасосе для перекачивания жидкостей, содержащем корпус и расположенные в нем электродвигатель, лабиринтно-винтовой насос, имеющие общий вал, согласно изобретению на валу ротора электродвигателя жестко закреплена втулка с внутренней цилиндрической полостью, закрытой с одной стороны торцевой перегородкой, внутри полости расположен статор, закрепленный на корпусе, а на наружной поверхности втулки выполнены винтовые канавки вращающейся части лабиринтно-винтового насоса, винтовые канавки невращающейся части лабиринтно-винтового насоса выполнены на внутренней поверхности корпуса. На валу ротора во внутренней полости втулки может быть установлен постоянный магнит, а на внутренней цилиндрической поверхности втулки установлен магнитопровод в форме полого цилиндра из магнитомягкого материала, а в кольцевом зазоре между ними установлены обмотки статора. Толщина стенки в радиальном направлении и материал предлагаемой втулки выбираются таким образом, чтобы величина напряженности магнитного поля в проточном тракте насоса была минимальной и обеспечивался проток всех микрочастиц механических примесей рабочей жидкости в проточном тракте лабиринтно-винтового насоса.

В случае применения в качестве привода некоторых типов электродвигателей предлагаемая втулка, установленная на валу ротора, может выполнять одновременно функции магнитопровода. Так, например, в бесконтактном электродвигателе постоянного тока вентильного типа ротор содержит постоянный магнит и магнитопровод в форме полого цилиндра из магнитомягкого материала, установленные на валу. Такая конструкция ротора позволяет выполнить на его наружной поверхности канавки многозаходной резьбы вращающейся части лабиринтно-винтового насоса, а на корпусе - невращающейся. Обмотки статора располагаются в кольцевом зазоре между магнитом и магнитопроводом, а сам статор закреплен на корпусе электродвигателя. Учитывая описанную выше конструкцию, можно сделать вывод, что применение электродвигателя вентильного типа с лабиринтно-винтовым насосом наиболее целесообразно для достижения указанных целей.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что максимальные крутящий момент и коэффициент полезного действия имеет конструкция электронасоса, у которого отношение внутреннего диаметра статора и наружного диаметра вершин винтовых канавок вращающейся части лабиринтно-винтового насоса лежит в диапазоне dm/d_Н=1,8...4,5.

Суть технического решения предлагаемого изобретения поясняется на примере электронасоса, у которого лабиринтно-винтовой насос выполнен совместно с бесконтактным электродвигателем постоянного тока вентильного типа, изображенным на чертеже.

Электронасос состоит из корпуса 1, с одного торца которого установлена крышка 2 из электроизоляционного материала, в которой выполнен выходной напорный канал 3 электронасоса, а с другого выполнен входной канал 4 лабиринтно-винтового насоса. Корпус 1 электронасоса герметично соединен с крышкой 2 с помощью тонкостенной трубки 5, торцы которой развальцованы. Во внутренней полости крышки 2 установлен электронный блок 6 управления работой электродвигателя, который соединен с клеммами 7 подачи электропитания и разъемом 8 для коммутации обмоток 9 статора 10.

Ротор электродвигателя состоит из постоянного магнита 11, втулки 12, имеющей форму полого цилиндра, один торец которого открыт, а другой - закрыт стенкой с отверстием для запрессовки на вал 13. Магнитопровод 14 запрессован во внутреннюю цилиндрическую поверхность втулки 12. Магнит 11 жестко закреплен на валу 13 с помощью запрессованного стопорного кольца 15. Обмотки 9 статора расположены в зазоре, образованным наружным диаметром магнита 11 и внутренним диаметром магнитопровода 14.

Вал 13 ротора установлен на подшипниках 16 и 17, один из которых запрессован в корпус 1 со стороны входной части насоса, а другой - в проточке статора 10. На внешней поверхности втулки 12 выполнены канавки в виде многозаходной резьбы вращающейся части лабиринтно-винтового насоса, а канавки его невращающейся части выполнены эквидистантно в радиальном направлении на внутренней поверхности корпуса 1.

В рабочем положении электронасос помещается в емкость с рабочей жидкостью, которая через входной канал 4 заполняет рабочую зону электронасоса. При подаче напряжения питания на клеммы 7 электронный блок 6 последовательно коммутирует обмотки 9 статора электродвигателя. При прохождении электрического тока в обмотках 9 в магнитном поле постоянного магнита 11 создается электромагнитный момент, под действием которого вал 13 ротора вместе с втулкой 12 приводится во вращение. В зависимости от положения ротора в окружном направлении электронный блок 6 коммутирует ту обмотку, при которой создается максимальный электромагнитный момент.

Направление вращения должно быть таким, чтобы многозаходная резьба на наружной цилиндрической поверхности втулки 12 "вкручивалась" в сторону входного канала 4. Кинетическая энергия вращения ротора преобразуется в энергию потока рабочей жидкости посредством вихрей, образующихся в канавках многозаходной резьбы, имеющихся на наружной поверхности втулки 12 и на внутренней неподвижной поверхности корпуса 1. Благодаря полученной энергии в выходном канале 3 электронасоса происходит возрастание давления рабочей жидкости. Возникающая при этом осевая сила, воздействующая на ротор электродвигателя, воспринимается через упорный шарик 18 подпятником 19, что обеспечивает разгрузку опор 16 и 17.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к гидродинамическим насосам (Н) с электроприводом, и может быть использовано в системах подачи топлива двигателей внутреннего сгорания. Погружной электронасос содержит корпус, расположенный в нем электродвигатель и лабиринтно-винтовой Н, имеющие общий вал. На валу ротора электродвигателя жестко закреплена втулка с внутренней цилиндрической полостью, закрытой с одной стороны торцевой перегородкой. Внутри полости расположен статор, закрепленный на корпусе. На наружной поверхности втулки выполнены винтовые канавки вращающейся части Н. Винтовые канавки невращающейся части Н выполнены на внутренней поверхности корпуса. На валу ротора во внутренней полости втулки установлен постоянный магнит, а на внутренней цилиндрической поверхности втулки установлен магнитопровод в форме полого цилиндра из магнитомягкого материала. В кольцевом зазоре между ними установлены обмотки статора. Изобретение направлено на увеличение ресурса, повышение надежности и КПД насоса. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Погружной электронасос для перекачивания жидкостей, содержащий корпус и расположенные в нем электродвигатель, лабиринтно-винтовой насос, имеющие общий вал, отличающийся тем, что на валу ротора электродвигателя жестко закреплена втулка, с внутренней цилиндрической полостью, закрытой с одной стороны торцевой перегородкой, внутри полости расположен статор, закрепленный на корпусе, а на наружной поверхности втулки выполнены винтовые канавки вращающейся части лабиринтно-винтового насоса, винтовые канавки невращающейся части лабиринтно-винтового насоса выполнены на внутренней поверхности корпуса.2. Погружной электронасос по п.1, отличающийся тем, что на валу ротора во внутренней полости втулки установлен постоянный магнит, а на внутренней цилиндрической поверхности втулки установлен магнитопровод в форме полого цилиндра из магнитомягкого материала, а в кольцевом зазоре между ними установлены обмотки статора.