ДИАФРАГМЕННЫЙ НАСОС С ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
DIAPHRAGM PUMP WITH ELECTRIC DRIVE AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к области конструкций и способов изготовления диафрагменных (мембранных) вакуумных насосов с электроприводом от электродвигателя (электромотора).
Известны диафрагменные одно- или многоступенчатые вакуумные насосы, каждая ступень которых содержит рабочую камеру, клапаны, диафрагму, передаточный механизм (кривошипно-шатунный, кулачковый и т.п.), снабженные электроприводом в виде электродвигателя. Один электродвигатель может приводить в действие один одноступенчатый или множество одноступенчатых насосов, соединенных по произвольной схеме (последовательной, параллельной, смешанной) или самостоятельных (далее под словом «насос» может иметься в виду любой из этих вариантов). Электродвигатель привода и насос могут иметь отдельные корпуса, которые либо установлены на общем основании, либо прикреплены друг к другу непосредственно (Например, US 20100202893, http://vacuumpro.ru/vakuurnnyj-nasos/diafragmennyj/edwards/xdd1).
Недостатком такой компоновки является сложность конструкции и неудобство при использовании и обслуживании насоса с электроприводом, связанные со сложностью формы (неудобно встраивать в оборудование, разбирать) и развитостью поверхности (склонность к загрязнению и трудность очистки).
Распространенным, в связи с удобством обслуживания и выгодами производства, вариантом является насос с электроприводом, электродвигатель которого вместе с собственным корпусом электродвигателя, включая торцевые стенки с подшипниками вала ротора, монтируют внутри общего корпуса, который также служит корпусом или составной частью насоса или нескольких насосов с общим приводом (например, http://vacuumpro.ru/vakxiurrmyjnasos/diafragmennyj/oerlikon-leybold/divac, US D 499119), т.е. приводимых в действие общим электродвигателем. В качестве корпуса часто используют отрезок замкнутого в поперечном сечении тянутого профиля из алюминиевого сплава, снабженный торцевыми стенками, и такие изделия широко представлены на рынке (http://www.allkor.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=6&Itemid).
Недостатком известных конструкций насосов, имеющих общий корпус с электродвигателем, является необходимость изготовления в общем корпусе посадочных узлов для двигателя, необходимость использования деталей крепежа, трудоемкость монтажа в стесненных условиях внутри корпуса, повышенные вес и габариты устройства. Основным эксплуатационным недостатком его является шум при работе, возникающий из-за использования более протяженного корпуса с закрепленными на нем источниками вибрации - двигателя и насосов.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в упрощении конструкции насоса с электрическим приводом, в повышении его надежности, в снижении трудоемкости сборки, в уменьшении количества узлов и деталей, в снижении веса и габаритов без потери производительности насоса, а также в снижении шума при работе насоса. Снижение шума насоса особенно существенно в отношение диафрагменных (мембранных) насосов, т.к. благодаря отсутствию масла в выхлопе таких насосов, их можно устанавливать, и часто устанавливают, в общем помещении с людьми, в т.ч. в стесненных условиях (в космических станциях, в авиационной технике, на подводных лодках, в операционных и в лечебных палатах, в лабораториях, на гражданском и военном транспорте и т.п.).
Для решения указанной задачи насос, одноступенчатый или многоступенчатый, ступени которого соединены произвольным - последовательным, параллельным, комбинированным - образом, выполнен в общем корпусе с электродвигателем, не имеющим собственного корпуса, т.е. с бескорпусным электродвигателем.
Бескорпусным электродвигателем здесь назван, как обычно и трактуют этот термин, электродвигатель, не имеющий собственного корпуса (кожуха), например, бескорпусным называют двигатель, у которого статор, якорь и подшипники (подшипник) монтируются в требуемом относительном положении в устройстве, для привода которого он предназначен. Другим примером бескорпусного электродвигателя является электродвигатель, у которого подшипники ротора закреплены непосредственно на статоре, т.е. электродвигатель, не имеющий корпуса (кожуха), задающего, кроме прочего, взаимное положение частей двигателя (статора, ротора, подшипников).
В предлагаемом изобретении общий для насоса и электродвигателя корпус (далее - «общий корпус») представляет из себя металлический профиль, замкнутый в поперечном его оси сечении, на внутренней поверхности которого имеется не менее двух ребер (продольных выступов) толщиной не менее 2 мм и высотой не менее 2 мм (минимальные размеры в поперечном сечении), и снабжен торцевыми стенками. Статор электродвигателя закреплен внутри общего корпуса на его внутренних ребрах, а ротор электродвигателя и его вал, снабженный кулачками или выполненный в виде кривошипа, установлены внутри статора на подшипниках с помощью деталей, крепящих их к общему корпусу или к статору электродвигателя в нужной позиции (на требуемом расстоянии) относительно статора, кулачков или колен кривошипа. Статор электродвигателя (далее - «статор») выполнен с продольными посадочными элементами с возможностью плотной посадки на внутренние ребра корпуса. Такие посадочные элементы могут быть выполнены на внешней поверхности статора в виде продольных канавок с поперечным сечением, меньшим поперечного сечения внутренних ребер корпуса на величину заданных посадочных допусков. Посадочные элементы могут быть также выполнены на внешней поверхности статора в виде продольных выступов, содержащих продольные канавки или формирующих (за счет промежутка между выступами) продольные канавки, размеры, форма и расположение которых обеспечивают возможность плотной посадки на внутренние ребра корпуса. Продольные выступы, выполняющие роль посадочных элементов, могут быть выполнены или заодно со статором, или в виде деталей, закрепленных на внешней поверхности статора. Посадочные места могут быть выполнены как при изготовлении статора (например, набором из пластин заданной формы), так и на уже изготовленном статоре (проточкой, фрезерованием и т.п.). Другими словами, посадочные элементы бескорпусного электродвигателя выполнены на внешней поверхности статора в виде продольных углублений или выступов, размеры в поперечном сечении и расположение которых обеспечивающих возможность плотной посадки на внутренние ребра корпуса.
Ребра (в поперечном сечении) не обязательно должны быть прямыми и не обязательно перпендикулярными стенкам корпуса: в вариантах исполнения, наклонные или волнистые в сечении ребра, например, будут лучше пружинить и уменьшать усилие запрессовки, иметь большую поверхность теплоотвода и т.п. Можно также выполнить поперечные сечения ребер и посадочных мест в геометрии, обеспечивающей совмещение плотной посадки с соединением «ласточкин хвост».
Предложенная конструкция обеспечивает при плотной посадке статора в корпус множественность мест крепления относительно тонкостенного корпуса к массивному статору, что увеличивает жесткость корпуса и уменьшает вибрации корпуса, связанные с работой мембранных насосов, и, следовательно, уменьшает шум при работе насоса.
Внутренние ребра корпуса могут быть выполнены толщиной и шириной не менее 2 мм, что определяется наиболее подходящим материалом металлического корпуса - алюминиевого сплава - и результатами экспериментального подбора для насосов с разными характеристиками: при меньших размерах поперечного сечения ребер возрастает брак при монтаже и снижается надежность устройства. Другой причиной ограничения размеров поперечного сечения ребер является то, что при изготовлении металлического корпуса наиболее выгодным способом - экструдированием из алюминиевого сплава - дельнейшее уменьшение этих размеров повышает вероятность брака.
Посадочные элементы могут быть выполнены с возможностью плотной посадки статора в корпус с использованием: 1) либо только деформации внутренних ребер корпуса в поперечном их боковым поверхностям направлении (тангенциальном), 2) либо с использованием одновременно с ней еще и поперечной деформации стенок корпуса (радиальной относительно статора). Для последнего случая размеры посадочных мест статора в поперечном направлении должны быть также меньше размеров посадочных мест корпуса на величину заданных посадочных допусков. Первый из приведенных вариантов обеспечивает плотную посадку статора в корпус без деформации (изменения внешней формы) последнего - посадка происходит только за счет поперечной деформации ребер корпуса и железа статора. Второй из приведенных вариантов приводит дополнительно к возникновению растягивающих напряжений в корпусе (поперечных для корпуса), что приводит к повышению частот собственных колебаний корпуса, т.е. уменьшению амплитуды вибрации в слышимой области. Для обеспечения требуемых усилий во втором случае квадратный в поперечном сечении корпус может быть, в варианте, выполнен с диагонально (от вершин в поперечном сечении) направленными внутренними ребрами, что позволяет исключить искажение формы корпуса при выполнении плотной посадки с использованием этих ребер: усилия при плотной посадке приложены к ребрам корпуса по диагонали его поперечного сечения, и грани корпуса остаются плоскими (растягиваются, а не выгибаются).
При сборке торцы посадочных элементов статора двигателя совмещают с торцами внутренних ребер и сажают (устанавливают) в корпус плотной посадкой. При этом не требуется каких-либо дополнительных средств крепления статора к корпусу, а место установки статора в корпусе (позиция вдоль корпуса) может быть любым выбранным. Для облегчения процедуры плотной посадки, т.е. для облегчения совмещения концов ребер с входами каналов, посадочные каналы на статоре могут быть выполнены с расширениями на концах и/или могут быть сужены концы внутренних ребер.
Тянутый корпус может быть также изготовлен с наружными ребрами, размеры и количество которых обеспечивают расчетный теплоотвод.
Использование изобретения позволяет устанавливать подшипники вала двигателя в общем корпусе в оптимальных позициях относительно статора и кулачков или колен кривошипно-шатунного механизма, то есть в позициях, обеспечивающих уменьшение вибрации корпуса от воздействия сил со стороны кривошипного (или кулачкового) механизма и насосов. Например, установка подшипников вала вблизи зоны (или в зоне) взаимодействия вала с шатунами насосов уменьшает плечи сил, возникающих в этой зоне, т.е. уменьшает циклические изгибающие моменты, действующие на общий корпус и на вал, и, в частности, приводит к уменьшению шума.
Подшипники вала привода установлены в сплошных или не сплошных поперечных переборках корпуса и/или в его торцевых стенках. Переборки с подшипниками и/или торцевые стенки корпуса также могут быть выполнены с посадочными элементами с возможностью плотной посадки на внутренние ребра корпуса. Посадочные элементы переборок и стенок могут иметь тот же вид, что и посадочные элементы статора. Плотная посадка переборок и торцевых стенок также приводит к повышению жесткости и/или напряжения корпуса и, следовательно, к понижению шума.
В варианте изобретения насосы также могут быть выполнены с посадочными элементами в виде прорезей или выступов, обеспечивающих возможность плотной посадки их на внутренние ребра корпуса.
Использование предлагаемого изобретения может быть совмещено с применением других известных средств уменьшения шума насоса. В частности, возможно:
- использование шумопоглащающих материалов для изготовления узлов насоса и привода, например, переборок, торцевых стенок, толкателей и др.,
- использование шумопоглащающих покрытий узлов и деталей,
- использование шумопоглащающих прокладок между узлами и деталями.
Например, посадочные места статора и переборок и/или внутренних ребер корпуса могут быть покрыты шумопоглощающим материалом (полимер, застывающий компаунд, клей, мягкий сплав, микроволоконный материал и т.п.), а наконечники толкателей или толкатели целиком выполнены из шумопоглащающих износопрочных материалов. Из шумопоглащающих материалов могут быть выполнены и торцевые стенки, и переборки.
На фиг. 1 показан в поперечном разрезе статор, установленный плотной посадкой на внутренние ребра корпуса, в том числе на диагональные ребра.
На фиг. 2 показано продольное осевое сечение варианта предлагаемого насоса. Цифрами на чертежах указаны схематично и без общеизвестных или очевидных средств: линий питания и управления, трубопроводов, средств разборки и пр.:
1 - корпус из тянутого профиля;
2 - внутренние ребра корпуса;
3 - статор электродвигателя;
4 - ротор электродвигателя;
5 - приводной вал;
6 - кулачок;
7 - толкатель;
8 - диафрагма (мембрана);
9 - диафрагменно-клапанный узел насоса;
10 - переборка с подшипником;
11 - торцевая стенка корпуса,
12 - вентиляционные отверстия.
Примером осуществления предлагаемого изобретения может быть двухступенчатый насос с корпусом квадратного (по осям) сечения, выполненным из тянутого профиля из алюминиевого сплава размерами 120×120 мм (в поперечно сечении по осям) и длиной 350 мм, в четырех установочных гнездах которого - по два на противоположных гранях корпуса - смонтировано четыре диафрагменно-клапанных группы, включая толкатели. Корпус имеет 4 внутренних ребра шириной (в поперечном сечении) 3 мм и высотой 8 мм, направленных перпендикулярно граням корпуса, и 4 диагонально (в поперечном сечении) направленных ребра толщиной 4 мм и высотой 10 мм, расположенных в вершинах. В статоре круглого сечения диаметром 110 мм и длиной 120 мм выполнены 8 продольных прорезей, радиальных в поперечном сечении: 4 прорези шириной 3,9 мм и глубиной 2,8 мм, а также 4 прорези шириной 2,9 мм и глубиной 2,5 мм, соответствующих по расположению и направлению восьми расположению и направлению внутренних ребер корпуса. В гнезде, выполненном в центре одной из квадратных торцевой стенок, устанавливают подшипник вала, а вдоль каждой из сторон выполняют по 4 сквозных отверстия диаметром 8 мм на расстоянии 14 мм от края стенки до центров отверстий - выходные вентиляционные отверстия. В сквозном отверстии в центре переборки такого же размера, как и торцевые стенки, устанавливают второй подшипник вала, а вдоль каждой из сторон переборки выполняют по 4 сквозных отверстия диаметром 15 мм на расстоянии 24 от края до центров отверстий (проходные вентиляционные отверстия). Вторую торцевую стенку выполняют решетчатой в центре в пределах окружности радиусом 30 мм (входное вентиляционное отверстие). По периметру всех этих трех деталей выполняют прорези для плотной посадки их на внутренние ребра корпуса, причем диагональные прорези по углам выполняют шириной 4 мм на глубину 9,9 мм, а остальные - шириной 2,9 мм на глубину 8 мм. Сборку производят с использование пресса и оправок необходимых размеров в следующем порядке (основные операции):
- устанавливают плотной посадкой торцевую стенку с подшипником на том конце корпуса, который ближе к гнездам для насосов;
- приводной вал с кулачками вводят одним концом в подшипник установленной стенки;
- устанавливают в заранее выполненные гнезда корпуса или сажают плотной посадкой на внутренние ребра корпуса насосные группы так, чтобы толкатели насосов упирались в соответствующие кулачки, выполненные с таким расчетом, что противоположно расположенные насосы работают синхронно,
- плотной посадкой устанавливают переборку с подшипником на расстоянии 10 мм от ближайшему к ней кулачку (надевают на вал, установленный одним концом в подшипник);
- плотной посадкой сажают на вал короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя;
- плотной посадкой сажают на внутренние ребра корпуса статор двигателя;
- плотной посадкой сажают на вал двигателя крыльчатку центробежного вентилятора;
- плотной посадкой сажают на внутренние ребра корпуса вторую торцевую стенку;
- фиксируют (при необходимости) положение торцевых стенок и переборки винтовыми фиксаторами;
- устанавливают в гнезда корпуса насосные группы так, чтобы толкатели насосов упирались в соответствующие кулачки, выполненные с таким расчетом, что противоположно расположенные насосы работают синхронно, и закрепляют их на корпусе.
Преимущества использования предлагаемого изобретения:
- меньше вибрации и шум от работы насосов - за счет повышения жесткости корпуса, обеспечиваемого множественным креплением его к массивному статору двигателя, за счет напряженного состояния корпуса и за счет оптимального расположения подшипников вала;
- используется относительно дешевый в изготовлении корпус;
- не нужны узлы и детали для закрепления статора в корпусе, а также операции соответствующего закрепления внутри корпуса;
- проще операция монтажа статора - совместить и запрессовать на заданную глубину, в любой позиции вдоль оси корпуса, в зависимости от числа насосных головок и их расположения;
- упрощается переход от производства одного типа насосов к производству другого;
- лучше теплоотвод за счет прямого теплового контакта статора с корпусом через ребра и конвекционного отвода тепла через корпус наружу, а также за счет лучших условий обдувки статора, связанных с тем, что поток воздуха от вентилятора не рассеивается, а находится в тепловом контакте со статором на всем его протяжении;
- в тех же габаритах можно поставить двигатель большей мощности - как за счет большего полезного диаметра (нет собственного корпуса двигателя) и за счет лучшего теплоотвода;
- в корпусе заданного сечения можно устанавливать статоры с разных диаметров - делать при этом в статорах разных диаметров канавки разной глубины;
- фиксация за счет плотной посадки тем более надежна, что пластины статора тверже алюминиевого корпуса и «впиваются» в него;
- позволяет устанавливать подшипники вала двигателя в оптимальных позициях, ослабляющих передачу действия переменных нагрузок на корпус.