RU2129669C1

RU2129669C1 - Packless electric pump with brushless dc motor

Info

Publication number: RU2129669C1
Application number: RU98112002A
Authority: RU
Inventors: В.И. Нагайцев; В.В. Бугурусланов; Б.С. Славин; Б.А. Избалыков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Фирма АГРОИНЖСТРОЙ"
Priority date: 1998-06-24
Filing date: 1998-06-24
Publication date: 1999-04-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; sealed pumps. SUBSTANCE: two conical parts of pump hermetically sealed housing form by their tapering ends pump inlet outlet. Electric motor stator disks is clamped through gaskets between widening ends. Coil sliding support is installed in central hole of stator disk. Sliding support carries rotor made of two parts arranged at both sides of stator disk. Working wheel of centrifugal pump is secured on one of rotor parts. Slots made on stator disk periphery are designed to pass handled liquid from inlet conical plane of housing to outlet plane. So, electric motor placed in inner space of pump housing is washed by handled liquid. Leads of armature winding and magnetically sensitive microcircuit poured in stator plastic disk come out from disk end face. Single-phase armature winding has center tap connected with positive potential of DC source, and extreme points of winding are connected to source minus through commutator electronic switches. Outlet of magnetically sensitive microcircuit is connected with control input of one switch, and control input of second switch is connected, through resistor, with point of connected of first switch to extreme point of winding. Permanent magnets of alternating polarity nonuniformly spaced over circumference are built into motor rotor. EFFECT: simplified design of pump and process of manufacture, eliminated pulsed current consumption, decreased required power output of source, provision of free rotation of rotor with motor switched off. 3 cl, 3 dwg

Description

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.). The invention relates to electrical engineering and can be used in the construction of sealed pumps that do not contain stuffing box seals and are used, for example, in circulating heating systems, or for pumping various liquids in technological processes of various industries (brines in the food industry, blood plasma in medicine, liquid fuel in transport, etc.).

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. A well-known electric pump containing a sealed housing with a cover, a rotor with built-in magnets and a pump impeller, as well as an electric motor stator, separated from the pump cavity by a sealing glass - a partition) is the USSR copyright certificate N 1608370, 1990). In it, the rotor is made prefabricated: contains a sleeve and permanent magnets that perform the functions of the impeller blades. The stator contains a magnetic circuit and a winding partially covering the rotor compartment.

Наличие герметизирующего стакана/перегородки обуславливает увеличенный рабочий зазор в электрической машине, пониженный КПД, усложняет конструкцию и технологический процесс изготовления, а также увеличивает объем электронасоса. The presence of a sealing cup / partition causes an increased working gap in the electric machine, reduced efficiency, complicates the design and manufacturing process, and also increases the volume of the electric pump.

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. Closest to this invention is the invention according to the patent of Russia N 2066793, published in Bull. N 26 dated September 20, 1996. Its essence lies in the fact that a direct current valve electric motor is used as the drive of the impeller of the pump, and the electromechanical converter is completely placed in the pump cavity, i.e. is in the pumped liquid. An electronic switch is installed at the input of the stator winding, the control input of which is connected to the output of the rotor position sensor. The pump casing is in the shape of a scroll, as is usually done in centrifugal pumps and fans.

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. The complex shape of the casing of such a pump is the main of its shortcomings: to ensure a small wall thickness of the casing part and to reduce its mass, it is necessary to carefully prepare the casting mold, which greatly complicates and increases the cost of the production process, increases the cost of the pump.

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. Another disadvantage of the prototype is that, although the circuit diagram of the switch is extremely simple and contains only one power switch, the energy from the power source is consumed impulsively, which forces it to increase its installed power, as well as use a switch with a higher permissible current, i.e. larger and more expensive.

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. Finally, due to the presence of magnets on the stator, the rotor of the motor with the winding disconnected is in a braked state and cannot rotate freely. This means that when using such a pump in a circulation system in the mode when the pump is turned off, its inhibited impeller increases the circulation resistance of the pumped medium.

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. Due to this invention, the noted drawbacks inherent in the known technical solutions are eliminated, namely: simplifying the design and manufacturing process of the pump, eliminating the pulsed current consumption mode and reducing the installed power of the power source while maintaining output characteristics, ensuring free rotation of the rotor with the impeller when switched off engine.

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. The technical result is achieved in that in a glandless electric pump with a direct current DC motor containing a sealed housing, inside of which there is a stator and a rotor of an electric motor and an impeller of a pump, a rotor position sensor and an electronic switch mounted on the outside of the electric pump, while the rotor is made in the form of two rigidly bonded disks, between which the stator disk is placed, and is installed in the central hole of the stator disk on a sliding support, and the impeller is fixed on one of rotor disks, the electric pump housing is made of two cone-shaped parts, the internal cavities of which form the pump flow chamber, and the tapering ends are the outlet and exit of the flow chamber, while the expanding ends of the casing are interconnected, the stator disk is clamped between the parts of the casing and on its periphery slots are made, communicating the cavities of both parts of the housing, the single-phase stator winding is made with the conclusion of the midpoint, which is connected to one of the terminals of the DC voltage source, and the extreme points and the windings are connected through switch keys to the other terminal of the source, a rotor position sensor output is connected to the control input of the switch key and the second switch control input coupled to the key through a resistor to the point connecting the first key to the outermost point of the winding.

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. In this case, each of the two parts of the housing can be made of cone-shaped and cylindrical parts connected by an integral connection, for example by welding, and longitudinal ribs-baffles forming a rectifying apparatus can be installed in the inner cavity on the conical surface of the housing part located on the output side.

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. In FIG. 1 shows a structural diagram of an electric pump in accordance with the invention, FIG. 2 is a control circuit diagram of an armature winding; FIG. 3 - dependence of engine torque on the angle of rotation of the rotor.

Электронасос содержит электродвигатель 1, приводящий во вращение рабочее колесо 2, совмещенное с ротором электродвигателя, и корпус, состоящий из двух конусообразных частей 3 и 4. The electric pump contains an electric motor 1, which rotates the impeller 2, combined with the rotor of the electric motor, and a housing consisting of two cone-shaped parts 3 and 4.

Электродвигатель 1 содержит ротор 5 и статор 6. The electric motor 1 contains a rotor 5 and a stator 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. The rotor 5 of the electric motor 1 is made in the form of two disks 7 and 8 rigidly interconnected, and the stator disk 6 is located in the gap between the disks 7 and 8 of the rotor 5 and clamped by parts 3 and 4 of the housing through the gaskets 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. The impeller 2 of the electric pump is mounted on one of the disks of the rotor 5 - the disk (see Fig. 1). The rotor 5 is mounted on a sliding support of the coil type formed by the sleeve 10 and the washers 11 and 12 mounted on the rotor 5, as well as the fixed sleeve 13, mounted in the Central hole of the stator disk 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. Permanent magnets 14 ... 17 and 18 ... 21 of alternating polarity and magnetic rings 22 and 23 are embedded in the disks 7 and 8 of the rotor 5.

В диск статора 6 встроены катушки 24...27 обмотки якоря электродвигателя 1 и магниточувствительная микросхема 28, выполняющая функции датчика положения ротора. Coils 24 ... 27 of the motor armature winding 1 and a magnetically sensitive microcircuit 28, which acts as a rotor position sensor, are built into the stator disk 6.

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. Outside the circle described near the armature winding, i.e. on the periphery of the disk of the stator 6, slots 29 and 30 are made in the form of segments through which a flowing stream of the liquid pumped by the electric pump passes. Thus, the flow chamber is formed by the internal cavities of the parts 3 and 4 of the housing, the slots of which are cut out by means of the slots 29 and 30 in the stator disk 6.

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. On the stator 6 is fixed an electronic unit 31 (see Fig. 1), containing two electronic keys 32 and 33 (see Fig. 2). Keys 32 and 33 are included between the extreme points (beginning and end) of the armature winding and the common minus of the power source. The middle point of the armature winding is connected to the positive terminal of the power source. The magnetosensitive chip 28 (based on the Hall EMF sensor) is powered by a parametric voltage stabilizer formed by a ballast resistor 34 and a zener diode 35. Since the output stage of the chip 28 contains a transistor with an "open" collector, a resistor 36 is provided to limit its current. The output of the chip 28 is connected with the control input of one of the electronic keys (32 in Fig. 2), and the control input of the second key (33) is connected through a resistor 37 to the common point of the first key (32) and the armature winding. To provide the potential difference between the gate and the drain necessary for unlocking the key 33 (a field-effect transistor is used as the key 33), the zener diode 38 is turned on. For the 32 key, the zener diode 35 performs a parametric voltage regulator. Between the common and extreme points of the armature winding, capacitors 39 and 40 are included, which form energy dissipation chains in the transient switch-off process.

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. Each of the parts 3 and 4 of the pump housing can be made of two separate parts: a cone-shaped part 41 made of a sheet stock, for example, by stamping, a cylindrical part 42 — a pipe segment inserted into the cone-shaped part 41 and fastened with it, for example, by welding . This design of the housing greatly simplifies the manufacturing process and helps to reduce the cost of the pump.

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. To increase the efficiency of the pump by aligning the direction of flow of the pumped liquid in the internal cavity on the conical surface of the housing part 4 located on the outlet side, a straightening apparatus 43 in the form of longitudinal ribs / partitions can be installed.

Электронасос работает следующим образом. The electric pump operates as follows.

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. When the motor 1 is turned on, the disks 7 and 8 of the rotor 5, one of which is rigidly connected to the impeller 2 of the pump (for example, due to interference fit), begin to rotate, and the impeller 2 pumps the working medium (liquid) in the direction from the entrance to the exit through the flow chamber and slots 29 and 30 in the stator disk 6. In this case, due to the placement of the entire electric motor 1 and the sliding support directly in the flow chamber of the pump, intensive cooling of the armature windings and sliding supports takes place, and the heat generated in them is carried away by pumping fluid to the outside.

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. The operation of the electric pump is illustrated in FIG. 2. A magneto-sensitive microcircuit 28 installed on the stator 6 generates signals corresponding to the angular position of the rotor 5, as it responds to the magnetic field of its magnets. These signals control the power switches 32 and 33, causing them to switch in antiphase. As a result, either one half of the armature winding or the second is connected to the power source in turn, moreover, in unambiguous accordance with the current position of the rotor. Thus, the armature winding creates an MDS vector pulsating along its axis, and the direction of this vector is given by the position of the rotor 5 and due to the uneven distribution of the poles of the magnets on the rotor 5, it always determines the presence of a positive torque (see Fig. 3). Thanks to the auto-switching of the winding, the rotor 5 of the electric motor 1 is continuously rotated in the same direction. As seen in FIG. 3, the so-called "dead spots", i.e. There are no stable and unstable equilibrium positions of the rotor 5, which means that the engine has a starting torque for any arbitrary position of the rotor 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. Thus, thanks to the proposed implementation of the electric pump, the manufacturing process is simplified, the cost is reduced, and due to the proposed features of the electric motor 1, the current from the power source is consumed evenly, which allowed to reduce the installed power of the source while maintaining the output characteristics of the pump. In addition, the proposed electric pump provides free rotation of the rotor 5 with the impeller 2 with the motor 1 off.

Claims

1. A sealless pump with a DC valve motor, comprising a sealed housing, inside of which there is a stator and a rotor of an electric motor and an impeller of a pump, a rotor position sensor and an electronic switch mounted on an electric pump housing, outside, while the rotor is made in the form of two rigidly mounted disks between which the stator disk is placed, and is installed in the central hole of the stator disk on a sliding support, and the impeller is mounted on one of the rotor disks, characterized in that The electric pump is made of two conical shaped parts, the internal cavities of which form the flow chamber of the pump, and the tapering ends are the inlet and outlet of the flow chamber, while the expanding ends of the housing parts are interconnected, the stator disk is sandwiched between the parts of the housing and slots are made on its periphery, communicating cavities of both parts of the housing, the single-phase stator winding is made with the conclusion of the midpoint, which is connected to one of the terminals of the DC voltage source, and the extreme points of the winding are connected through the switch keys to another output of the source, the output of the rotor position sensor is connected to the control input of one switch key, and the control input of the second switch key is connected through the resistor to the point of connection of the first key to the extreme point of the winding.

2. The electric pump according to claim 1, characterized in that each of the two parts of the housing is made of conical and cylindrical parts connected by an integral connection, for example by welding.

3. The pump according to claims 1 and 2, characterized in that in the inner cavity on the conical surface of the housing part located on the outlet side, longitudinal rib ribs are installed, forming a straightening apparatus.