СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ ОБЪЕМНОЙ ПОДАЧИ ВИБРАЦИОННОГО НАСОСА В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ВИБРАЦИОННЫЙ НАСОС ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2008 года по МПК F04F7/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к насосостроению, а именно к производству вибрационных насосов с электромагнитным приводом для различных условий эксплуатации при колебаниях напряжения в электросети.

Заявителем не найдены аналоги предлагаемого изобретения, в которых были бы известны технические и конструктивные решения, позволяющие простыми и малозатратными средствами устранить такие характерные недостатки вибрационных насосов, как высокую зависимость объемной подачи и напора от напряжения, низкую надежность из-за возникновения механических соударений между магнитопроводом и якорем при работе без нагрузки или без воды и низкий коэффициент мощности (примерно 0,3).

Обзор российских патентных источников показывает, что известные технические решения частично направлены на устранение отдельных вышеупомянутых недостатков, но при этом усложняют конструкцию и технологию изготовления, что ведет к удорожанию вибрационного насоса и не решает поставленной задачи в целом.

Так, патентом RU 2011024 на "Вибрационный насос" предлагается техническое решение, предусматривающее расположение магнитопровода с катушками в нижней части вибрационного насоса, а всасывающих отверстий - в верхней его части для получения гарантированного охлаждения и тем самым защите насоса от перегрева и выхода из строя. Однако это техническое решение не позволяет обеспечить защиту насоса от возникновения механических соударений магнитопровода с якорем при работе без нагрузки и не обеспечивает стабильности объемной подачи и повышения коэффициента мощности.

Патентом RU 2062909 на "Вибрационный насос" предлагается техническое решение для защиты насоса от механических соударений за счет установки пружины, ограничивающей хода якоря, но при этом усложняется конструкция и технология изготовления вибрационного насоса и не обеспечивается стабильность объемной подачи воды при колебаниях напряжения в электросети. Патентом RU 2244170 на "Вибрационный насос (Варианты)" предлагается техническое решение, увеличивающее объемную подачу и снижающее за счет более эффективного использования потоков рассеяния в магнитопроводе ее высокую зависимость от колебаний напряжения в электросети. Однако это техническое решение не обеспечивает повышения надежности насоса при работе без нагрузки и высокого коэффициента мощности.

Обзор российских информационных источников показывает, что известные технические решения предусматривают снабжение вибрационного насоса стабилизатором напряжения электропитания и отключающим устройством для его защиты от выхода из строя при работе без воды, что ведет к увеличению стоимости и, в целом, делает вибрационный насос неконкурентоспособным. Так, известный вибрационный насос БВ-0.1-63-У5 "Нива" Винницкого завода "Газоанализатор" с электронным защитным устройством, отключающим его при работе без воды, не получил широкого распространения по причине высокой стоимости.

Или, например, стоимость прибора "Пампэла КИВ-1А" исп. В3, предназначенного для отключения вибрационного насоса при работе без нагрузки, такова, что он применяется в основном для автоматизированных систем водоснабжения.

Необходимо также отметить, что выпускаемые промышленностью вибрационные насосы, например БВ 0,12-40 "Ручеек" Руководство по эксплуатации 70 ТНП.000.000 РЭ, 2006, изготовленный ОАО "Ливгидромаш" или БВ-0.12-40-У5 "Малыш" Паспорт ДБМИ.062823.003 ПС, 2007, Бавленского завода "Электродвигатель", кроме указанных недостатков имеют недостаточный напор и малую объемную подачу для работы в системах автоматизированного водоснабжения домов и коттеджей. В большинстве случаев для работы различных автоматизированных систем водоснабжения требуется дополнительное избыточное давление насоса для надежной работы автоматики, а также более высокая объемная подача и повышенный ресурс насоса. Выполнение этих требований также вошло в задачу, решаемую предложенным изобретением.

Наиболее близким по технической идее к изобретению является известный способ регулирования объемной подачи вибрационного насоса, изложенный Б.Порохнявым в статье «Стабилизатор и сторож для вибрационного насоса «Малыш», «Радио» №3, 2002, стр.25, который состоит в том, что последовательно с катушками электромагнитного привода вибрационного насоса включают конденсатор. Однако это техническое решение не обеспечивает стабильности напряжения, так как им не создаются необходимые условия для обеспечения стабилизации напряжения и достижения стабильной объемной подачи и оно не повышает надежность насоса при работе без воды. Для достижения этих целей в статье предлагаются технические решения, аналогичные приведенным выше и значительно увеличивающие себестоимость вибрационного насоса.

Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод, что ни одно из них не решает задачи, поставленной предложенным изобретением, а именно создание вибрационного насоса для различных условий эксплуатации, в котором при простоте конструкции и экономичности в производстве и эксплуатации достигаются следующие результаты:

- устойчивая объемная подача воды при различных значениях напора и колебаниях напряжения в электросети;

- автоматическое регулирование объемной подачи в зависимости от напора;

- коэффициент мощности, близкий к единице;

- повышенный КПД;

- повышенный напор и объемная подача;

- повышенный ресурс электромагнитного привода;

- высокая надежность в различных условиях эксплуатации с учетом возможной работы без нагрузки, например при выходе из строя всасывающего клапана или работе без воды.

Поставленная цель в известном способе, заключающемся в последовательном включении вибрационного насоса в электросеть через конденсатор, достигается предложенным способом за счет того, что:

а) для стабилизации объемной подачи катушки электромагнитного привода вибрационного насоса наматывают с условием магнитного насыщения магнитопровода и превращают их в феррорезонансный параметрический колебательный контур;

б) для автоматического управления объемной подачей и создания условий, исключающих механические соударения в насосе при работе без воды, площадь демпфирующей подвески вибрационного насоса выполняют в такой зависимости от жесткости эластичной подвески, которая при максимальном напоре обеспечивает уменьшение среднего воздушного зазора между магнитопроводом и якорем на 30÷40%.

Достижение поставленной цели предложенным способом достигается также тем, что параллельно катушкам электромагнитного привода вибрационного насоса для частичной компенсации их индуктивного сопротивления включают второй конденсатор и превращают их в феррорезонансный параметрический колебательный контур.

Достижение поставленной цели по предложенному способу осуществляется в известном вибрационном насосе, содержащем корпус с электромагнитным приводом, состоящим из магнитопровода с катушками, соединенными с электросетью последовательно через конденсатор, и отстоящим от него на величину воздушного зазора якорем, связанным через шток с эластичной и демпфирующей подвесками за счет того, что предлагается:

а) для стабилизации объемной подачи снабжение корпуса насоса крышкой, под которой размещается соединенный последовательно с катушками конденсатор, обеспечивающий создание в электроцепи насоса феррорезонансных параметрических колебаний и изготовление катушек с условием магнитного насыщения магнитопровода;

б) для автоматического управления объемной подачей и создания условий, исключающих механические соударения в насосе при работе без воды, выполнение площади демпфирующей подвески в соотношении:

S=L·c/p,

где S - площадь демпфирующей подвески в м²;

L=(5,5÷6)·10^-3 м - величина, учитывающая изменение зазора между магнитопроводом и якорем в рабочем режиме под воздействием напора;

с - жесткость эластичной подвески в Н/м;

р - максимальный напор в Па.

Поставленная цель в вибрационном насосе, выполненным по предложенному способу, достигается также тем, что:

- корпус насоса имеет, по крайней мере, одно теплоотводящее ребро, расположенное между катушками;

- магнитопровод снабжен полюсными наконечниками;

- полюсные наконечники изготавливаются из порошкового железа.

Достижение поставленной цели по предложенному способу осуществляется также в известном вибрационном насосе, содержащем корпус с электромагнитным приводом, состоящим из магнитопровода с катушками, соединенными с электросетью последовательно через конденсатор, и отстоящим от него на величину воздушного зазора якорем, связанным через шток с эластичной и демпфирующей подвесками за счет того, что предлагается:

а) для стабилизации объемной подачи снабжение насоса отдельным корпусом, в котором размещается соединенный последовательно с катушками конденсатор, обеспечивающий создание в электроцепи насоса феррорезонансных параметрических колебаний и изготовление катушек с условием магнитного насыщения магнитопровода;

б) для автоматического управления объемной подачей и создания условий, исключающих механические соударения в насосе при работе без воды, выполнение площади демпфирующей подвески в соотношении:

S=L·c/p,

где S - площадь демпфирующей подвески в м²;

L=(5,5÷6)·10^-3 м - величина, учитывающая изменение зазора между магнитопроводом и якорем в рабочем режиме под воздействием напора;

с - жесткость эластичной подвески в Н/м;

р - максимальный напор в Па.

Поставленная цель в вибрационном насосе, выполненным по предложенному способу, достигается также тем, что:

- параллельно катушкам электромагнитного привода включается конденсатор, который также размещен в отдельном корпусе, и они вместе с последовательно соединенным конденсатором создают в электроцепи насоса феррорезонансные параметрические колебания;

- отдельный корпус снабжен электрической вилкой;

- корпус насоса имеет, по крайней мере, одно съемное теплоотводящее ребро, расположенное между катушками;

- магнитопровод снабжен полюсными наконечниками;

- полюсные наконечники изготавливаются из порошкового железа.

Во-первых, предложенным способом обеспечивается ферромагнитная стабилизация напряжения на катушках электромагнитного привода вибрационного насоса за счет того, что в электроцепи насоса создается феррорезонансная электрическая цепь из последовательно соединенных линейного емкостного сопротивления конденсатора и нелинейного индуктивного сопротивления катушек с насыщенным магнитопроводом.

Для изменения параметров индуктивного сопротивления катушек с насыщенным магнитопроводом предусмотрено включение параллельно катушкам емкостного сопротивления конденсатора.

Указанные условия являются достаточными для ферромагнитной стабилизации напряжения и известны, например, из учебника К.С.Демирчан, Л.Р.Нейман, Н.В.Коровкин, В.Л.Чечурин. Том 2 «Теоретические основы электротехники» 4 изд. ПИТЕР, 2006, гл.21.13. стр.415-416.

Во-вторых, предложенным способом за счет изменения стабилизированного напряжения на катушках электромагнитного привода при изменении напора достигается автоматическое регулирование объемной подачи и создание условий, исключающих механические соударения при работе насоса без нагрузки или без воды. Это осуществляется за счет того, что уменьшение зазора предложенным способом между магнитопроводом и якорем приводит к увеличению индуктивного сопротивления электромагнитного привода и возрастанию в связи с этим напряжения на его катушках. Здесь используется свойство последовательного резонансного контура, состоящее в том, что напряжение на индуктивности определяется отношением индуктивного сопротивления контура к его активному сопротивлению, т.е. при возрастании индуктивного сопротивления электромагнитного привода увеличивается величина отношения индуктивного сопротивления к активному и соответственно возрастает напряжение на катушках электромагнитного привода.

Указанное свойство последовательного резонансного контура известно, например, из учебника Ю.Г.Синдеева «Электротехника с основами электроники» гл.4, п.4.9, стр.93, изд. Феникс, 2002.

Таким образом, изменением зазора предложенным способом обеспечивается изменение стабилизированного напряжения на катушках электромагнитного привода на 25÷30%, что достаточно для эффективного регулирования объемной подачи и создания условий, исключающих механические соударения при работе насоса без воды. Меньшее изменение зазора между магнитопроводом и якорем приводит к уменьшению эффективности регулировки, а большее не целесообразно, так как уменьшает рабочий зазор вибрационного насоса.

В-третьих, предложенным способом создается в электроцепи вибрационного насоса феррорезонансный колебательный контур, содержащий энергозависимую индуктивность электромагнитного привода, которая в процессе работы насоса изменяется с частотой равной удвоенной частоте электросети, что обеспечивает возникновение параметрического резонанса. В рабочем режиме вибрационного насоса параметрические феррорезонансные колебания происходят в контуре, состоящем из нелинейной индуктивности электромагнитного привода и линейных конденсаторов при следующих условиях, когда:

- электромагнитный привод вибрационного насоса совершает полезную работу по подъему воды и соизмеримую с ней работу по компенсации механических и гидравлических потерь;

- потери на нагрев в катушках и магнитопроводе электромагнитного привода вибрационного насоса составляют в реальных конструкциях величину примерно равную энергии затрачиваемой на полезную работу.

Таким образом, в рабочем режиме обеспечивается значительная доля активной составляющей в цепи параметрического феррорезонансного колебательного контура вибрационного насоса, что создает условия стабильности параметрического резонанса, а нелинейный характер индуктивности электромагнитного привода обеспечивает нелинейное ограничение нарастания колебаний. Это способствует сохранению устойчивого резонансного режима в электроцепи вибрационного насоса при различных напорах и напряжениях, а также возрастанию КПД электромеханической системы.

Условия возникновения параметрического резонанса и его стабильности известны и описаны, например, в работах о параметрическом резонансе «Лекции по колебаниям, ч.1, лекции 18-19» Мандельштам Л.И. Полное собрание трудов, т.4 М., 1955.

На фиг.1 изображен вибрационный насос, выполненный по предложенному способу, корпус которого снабжен крышкой, под которой размещается конденсатор, соединенный последовательно с катушками.

Вибрационный насос содержит корпус 1 с теплоотводящим ребром 2 и крышкой 3, электрический конденсатор (из конструктивных соображений), состоящий из двух последовательно соединенных конденсаторов 4 и 5, электромагнитный привод, состоящий из магнитопровода 6 с полюсными наконечниками 7, катушками 8 и с воздушным зазором d от него якоря 9, установленного на штоке 10 с эластичной подвеской 11 и демпфирующей подвеской 12, всасывающий клапан 13 и обратный клапан 14.

На фиг.2 изображен вибрационный насос, выполненный по предложенному способу с отдельным корпусом для размещения конденсаторов, один из которых последовательно соединяет катушки электромагнитного привода с электросетью, а другой включен параллельно им.

Вибрационный насос содержит корпус 1 со съемным теплоотводящим ребром 2, отдельный корпус 3, электрический конденсатор 4, последовательно соединяющий катушки с электросетью, электрический конденсатор 5, параллельно включенный катушкам, электромагнитный привод, состоящий из магнитопровода 6 с полюсными наконечниками 7, катушками 8 и с воздушным зазором d от него якоря 9, установленного на штоке 10 с эластичной подвеской 11, демпфирующей подвеской 12, всасывающий клапан 13, обратный клапан 14 и электрическая вилка 15.

Вибрационный насос, выполненный по предложенному способу, работает следующим образом. При включении вибрационного насоса в электросеть без воды, например для проверки целостности обмоток катушек 8, напряжение на них имеет минимальное значение, что не позволяет якорю 9, совершающему под действием электромагнитной силы продольные колебания, соударяться с магнитопроводом 6. При погружении вибрационного насоса в воду колебания якоря 9 посредством всасывающего клапана 13 и обратного клапана 14 обеспечивают создание напора и подачу воды. При работе под нагрузкой давление воды воздействует на демпфирующую подвеску 12 и через нее на эластичную подвеску 11, изменяя зазор d и через это изменяя напряжение на катушках 8 электромагнитного привода, которое устанавливается пропорционально напору до достижения максимального значения при максимальных значениях напора. Колебания стабилизированного напряжения на катушках электромагнитного привода аналогичны колебаниям выходного напряжения феррорезонансных стабилизаторов и составляют при отклонении напряжения в электросети ±10% примерно ±2%, что обеспечивает стабильность объемной подачи при работе насоса в различных условиях эксплуатации.

Достижение высокого значения коэффициента мощности (cos φ) вибрационного насоса, выполненного по предложенному способу, обеспечивается за счет режима феррорезонанса и выбора напряжения на катушках, при котором насос представляет собой в электросети активную нагрузку.

В вибрационном насосе, выполненном по предложенному способу, по сравнению с известным вибрационным насосом достигается повышение напора и объемной подачи за счет повышения КПД, а также за счет того, что увеличенный в известном вибрационном насосе в расчете на повышение напряжения в электросети зазор d между магнитопроводом 6 электромагнита и якорем 9 при стабилизированном напряжении используется для увеличения амплитуды колебаний и совершения полезной работы.

Необходимо отметить, что повышение напора вибрационного насоса, реализованного по предложенному способу, обеспечивается также выбором суммарной жесткости эластичной и демпфирующей подвески с учетом величины напора и общих требований гидравлического расчета. При этом следует также учесть, что величина суммарной жесткости эластичной и демпфирующей подвесок согласуется с известными из авторского свидетельства SU №737645 А, кл. F04В 43/04, 1978 условиями создания резонансных колебаний вибратора и известным соотношением жесткости демпфирующей подвески, составляющим 10÷20% к суммарной жесткости эластичной и демпфирующей подвесок.

Катушки и магнитопровод вибрационного насоса, выполненного для реализации предложенного способа, изготавливаются с учетом того, что магнитопровод электромагнита должен быть насыщен, а катушки должны быть рассчитаны на увеличение напряжения на них в результате создания феррорезонансного режима.

В вибрационном насосе, выполненном по предложенному способу, увеличение напряжения на катушках и конденсаторе относительно напряжения электросети устанавливается его параметрами и выбранным напряжением на них.

Теплоотводящее ребро, выполненное или установленное в корпусе вибрационного насоса, реализованного по предложенному способу и расположенное в пространстве между катушками, снижает максимальную температуру перегрева в пространстве между ними и выравнивает температуру перегрева катушек по всему объему, что обеспечивает увеличение ресурса.

Необходимо отметить, что электромагнитный привод с теплоотводящим ребром выполняется в габаритном размере известного вибрационного насоса за счет меньшего сечения насыщенного магнитопровода и увеличения за счет этого расстояния между кернами магнитопровода и катушками.

Полюсные наконечники вибрационного насоса, выполненного по предложенному способу, позволяют наряду с увеличенным расстоянием между кернами магнитопровода перераспределить магнитный поток рассеяния в пользу потока, проходящего через рабочий зазор, и снизить общий ток и перегрев катушек вибрационного насоса.

Полюсные наконечники из технологических соображений целесообразно в ряде случаев выполнять из порошкового железа, скрепив их на магнитопроводе заливочной массой.

Изобретение относится к производству вибрационных насосов с электромагнитным приводом. Способ регулирования объемной подачи заключается в последовательном включении в электросеть через конденсатор вибрационного насоса, содержащего электромагнитный привод, состоящий из магнитопровода с катушками, и отстоящего от него на величину воздушного зазора якоря, связанного через шток с эластичной и демпфирующей подвесками. Катушки наматывают с условием магнитного насыщения магнитопровода и превращают их в феррорезонансный параметрический колебательный контур. Площадь демпфирующей подвески выполняют в зависимости от жесткости эластичной подвески таким образом, чтобы при максимальном напоре обеспечивалось уменьшение среднего воздушного зазора между магнитопроводом и якорем на 30-40%. Достигается повышение напора, увеличение, стабилизация и автоматическое регулирование объемной подачи в зависимости от напора, повышение надежности при работе без воды, повышенный КПД и ресурс. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ регулирования объемной подачи, заключающийся в последовательном включении в электросеть через конденсатор вибрационного насоса, содержащего электромагнитный привод, состоящий из магнитопровода с катушками и отстоящего от него на величину воздушного зазора якоря, связанного через шток с эластичной и демпфирующей подвесками, отличающийся тем, что катушки наматывают с условием магнитного насыщения магнитопровода и превращают их в феррорезонансный параметрический колебательный контур, а площадь демпфирующей подвески выполняют в зависимости от жесткости эластичной подвески таким образом, чтобы при максимальном напоре обеспечивалось уменьшение среднего воздушного зазора между магнитопроводом и якорем на 30-40%.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что параллельно катушкам электромагнитного привода включают конденсатор и превращают их вместе с последовательно включенным конденсатором в феррорезонансный параметрический колебательный контур.3. Вибрационный насос, содержащий корпус с электромагнитным приводом, состоящим из магнитопровода с катушками, включенными в электросеть последовательно через конденсатор, и отстоящего от него на величину воздушного зазора якоря, установленного на штоке с эластичной и демпфирующей подвесками, отличающийся тем, что корпус насоса снабжен крышкой, под которой размещен соединенный последовательно с катушками конденсатор, обеспечивающий создание в электроцепи насоса феррорезонансных параметрических колебаний, катушки изготовлены с условием насыщения магнитопровода, площадь демпфирующей подвески выполнена в соотношении

S=L·c/p,

где S - площадь демпфирующей подвески, м²;

L=(5,5÷6)·10^-3 - величина, учитывающая изменение зазора между магнитопроводом и якорем в рабочем режиме под воздействием напора, м;

с - жесткость эластичной подвески, Н/м;

р - максимальный напор, Па.

S=L·c/p,

где S - площадь демпфирующей подвески, м²;

L=(5,5÷6)·10^-3 - величина, учитывающая изменение зазора между магнитопроводом и якорем в рабочем режиме под воздействием напора, м;

с - жесткость эластичной подвески, Н/м;

р - максимальный напор, Па.