ПОГРУЖНОЙ ЭЛЕКТРОНАСОС
BOREHOLE ELECTRICALLY DRIVEN PUMP

Область применения изобретения
Настоящее изобретение в общем имеет отношение к созданию насоса с приводом от электродвигателя. Более конкретно, настоящее изобретение имеет отношение к созданию погружного объединенного масляного электронасоса.
Предпосылки к созданию изобретения
Уже известно множество электрических насосов, объединяющих электродвигатель и шестеренный насос. Например, в патенте США No. 7,156,623 описаны электродвигатель и шестеренный насос, которые могут быть использованы отдельно или в комбинации друг с другом. Несмотря на то, что такая концепция позволяет обеспечивать функцию подачи (нагнетания) насосом, она обладает избыточностью, которая может отрицательно влиять на стоимость, размер и вес жидкостного насоса.
Кроме того, в патенте США No. 7,314,352 описан насос, имеющий объединенный электродвигатель. Электродвигатель содержит статор, имеющий сердечник с множеством стальных пластин в виде колец и проволочную обмотку, намотанную на сердечнике. Пластины и обмотка герметизированы в блоке смолы. К сожалению, смола смещает статор от постоянных магнитов якоря двигателя на расстояние, большее чем желательное. Следует иметь в виду, что кпд двигателя снижается при увеличении расстояния между статором и якорем. Более того, использование смолы затрудняет контроль торцевых зазоров, принимая во внимание трудность механической обработки смолы. Таким образом, все еще остается необходимость в создании усовершенствованного полностью погруженного объединенного масляного электронасоса.
Сущность изобретения
Погружной электронасос согласно изобретению содержит корпус, который позволяет погружать его в подаваемую насосом жидкость и который имеет сквозные отверстия. Статор электродвигателя установлен в корпусе, имеет связь с отверстиями и может быть введен в контакт с жидкостью. Внутренний и внешний роторы насоса расположены в корпусе и имеют поочередное зацепление друг с другом, чтобы нагнетать жидкость при своем вращении. Множество постоянных магнитов установлены с возможностью вращения вместе с внешним ротором.
В другой конфигурации, погружной электронасос содержит первую оболочку, имеющую в основном плоскую первую поверхность насоса, и вторую оболочку, прикрепленную к первой оболочке, чтобы образовать корпус. Вторая оболочка имеет в основном плоскую вторую поверхность насоса, смещенную от первой поверхности насоса и идущую в основном параллельно ей. Шестеренный насос содержит внутренний ротор и внешний ротор. Каждый ротор имеет противоположные стороны, расположенные соответственно рядом с первой и второй поверхностями насоса. Вал ротора имеет смещенные друг от друга заплечики, которые входят в зацепление с первой и второй оболочками, чтобы образовать заданный зазор между первой и второй поверхностями насоса. Статор электродвигателя расположен в корпусе. Постоянные магниты установлены с возможностью вращения вместе с внешним ротором и расположены поблизости от статора.
Краткое описание чертежей
Следует иметь в виду, что приложенные чертежи приведены только для пояснения избранных вариантов осуществления изобретения, а не всех возможных его реализаций, и не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения.
На фиг.1 показан вид в перспективе погружного электронасоса, сконструированного в соответствии с указаниями настоящего изобретения.
На фиг.2 показан вид с торца погружного электронасоса.
На фиг, 3 показан разрез по линии 3-3, показанной на фиг.2.
На фиг.3А фрагментарно показано поперечное сечение, поясняющее альтернативный способ удержания вала ротора.
На фиг.4 показано поперечное сечение альтернативного погружного электронасоса.
На фиг.5 показан вид в перспективе в разрезе подсборки задней чугунной втулки, постоянного магнита и внешнего ротора насоса, показанного на фиг.4.
На фиг.6 показано поперечное сечение другого альтернативного погружного электронасоса,
На фиг.7 показано поперечное сечение другого альтернативного погружного электронасоса.
На фиг.8 показано другое поперечное сечение погружного электронасоса.
На фиг.9 показано другое поперечное сечение погружного электронасоса.
На фиг.10 фрагментарно показан вид в перспективе альтернативного объединенного электронасоса, который имеет устройство управления в виде кольца.
На фиг.11 показан разрез насоса, показанного на фиг.10.
На всех чертежах аналогичные детали имеют одинаковые позиционные обозначения.
Подробное описание изобретения
Далее будут более подробно описаны примерные конструктивные варианты со ссылкой на сопроводительные чертежи.
На фиг.1-3 показан погружной объединенный масляный электронасос, обозначенный позицией 10. Насос 10 содержит корпус 12, имеющий основание 14, крышку 16 и промежуточное кольцо 18. Как основание 14, так и крышка 16 могут быть изготовлены в виде алюминиевой отливки, полученной литьем под давлением. Промежуточное кольцо 18 зажато между основанием 14 и крышкой 16 и служит для компенсации разности коэффициентов теплового расширения корпуса 12 и компонентов, которые находятся внутри корпуса 12. Промежуточное кольцо 18 преимущественно изготовлено из материала, имеющего коэффициент теплового расширения меньше, чем у алюминия. Для этого, промежуточное кольцо 18 может быть изготовлено из порошкового металла. Основание 14, крышка 16 и промежуточное кольцо 18 прикреплены друг к другу вдоль периметра насоса 10. Для этого могут быть использованы самые различные способы крепления, в том числе крепление винтами, опрессовка, зажимание, крепление заклепками, сварка, соединение склеиванием и т.п.
Масляный электронасос 10 содержит внутренний ротор 22 и внешний ротор 24, взаимодействующие друг с другом, чтобы образовать шестеренный насос. Внутренний ротор 22 содержит множество внешних выступов 26, имеющих поочередное зацепление с множеством внутренних выступов 28, образованных на внешнем роторе 24. Внешний ротор 24 содержит на один выступ больше, чем внутренний ротор 22. Более того, следует иметь в виду, что внутренний ротор 22 вращается вокруг оси, образованной при помощи стационарного вала 30 ротора, которая смещена от оси вращения, вокруг которой вращается внешний ротор 24. Впускной канал 32 имеет связь с внутренним ротором 22 и с внешним ротором 24 в местоположении, в котором объем пространства между ними возрастает, когда внутренний ротор 22 вращается относительно внешнего ротора 24. Впускной канал 32 проходит насквозь через основание 14.
Выпускной канал 34 образован в крышке 16 и имеет связь с внутренним ротором 22 и с внешним ротором 24 в местоположении, в котором жидкость под давлением выходит из шестеренного насоса. Крышка 16 также содержит множество монолитных ребер 36 для повышения теплообмена между насосом 10 и жидкостью, в которую насос погружен.
Первая крепежная деталь 40 прикрепляет первый конец 42 вала 30 ротора к крышке 16. Участок 44 уменьшенного диаметра, который образован на первом конце 42, имеет связь с первой выемкой 46, образованной в крышке 16, чтобы точно устанавливать вал 30 ротора. Первая крепежная деталь 40 вводит в зацепление первый заплечик 48 вала 30 ротора с первой стороной 50 насоса, образованной на крышке 16.
Аналогичным образом, вторая крепежная деталь 54 прикрепляет второй конец 56 вала 30 ротора к основанию 14. Ступенчатый участок 58 уменьшенного диаметра точно установлен внутри выемки 60, образованной в основании 14. Второй заплечик 62 прикреплен ко второй стороне 64 насоса, образованной на основании 14. Расстояние между первым заплечиком 48 и вторым заплечиком 62 точно регулируют, чтобы образовать рабочий зазор между внутренним ротором 22, внешним ротором 24, основанием 14 и крышкой 16. За счет крепления внутреннего вала 30 ротора к основанию 14 и к крышке 16, поддерживается желательный промежуток между корпусом 12 и подвижными внутренним ротором 22 и внешним ротором 24, в течение работы насоса. Более того, крепежные детали 40, 54 ограничивают перемещение крышки 16 и основания 14 в направлении удаления от внутреннего и внешнего роторов 22, 24, когда жидкостные силы возникают во время нагнетания насосом. За счет этого поддерживаются надлежащие функции насоса.
На фиг.3А показан альтернативный способ соединения вала 30 ротора с основанием 14 и/или с крышкой 16. Альтернативный вал 30' ротора содержит участок 65 с пониженным диаметром, проходящий через основание 14'. Основание 14' содержит сторону 66 нагружения, смещенную на заданное расстояние от второй поверхности 64' насоса. Кольцевая канавка 67 образована на участке 65 и имеет наклонную поверхность 68. Контровочная скоба 69 входит в зацепление с наклонной поверхностью 68 и создает смещение для прижима второй поверхности 64' насоса ко второму заплечику 62' вала 30' ротора. Контровочная скоба 68 также может иметь наклонную поверхность, которая входит в зацепление с наклонной поверхностью 68.
Гнездо 70 образовано внутри крышки 16, чтобы образовать ось вращения внешнего ротора 24. Внешний ротор 24 содержит участок 72 ступицы, имеющий пониженный внешний диаметр, расположенный в гнезде 70. Как внутренний ротор 22, так и внешний ротор 24 могут быть изготовлены из порошкового металла. Задняя чугунная втулка 74 установлена с возможностью вращения вместе с внешним ротором 24. Множество магнитов 76 установлены с возможностью вращения вместе с задней чугунной втулкой 74. Магниты 76 установлены с чередующейся полярностью по окружности задней чугунной втулки 74.
Статор 80 содержит множество пластин 82, окруженных обмотками 84. Статор 80 закреплен в корпусе 12 и не может вращаться относительно него. Статор 80 радиально совмещен с поверхностями 85, 87, образованными соответственно на основании 14 и крышке 16. Кромка 89 на крышке 16 ограничивает осевое перемещение статора 80. Гибкий элемент 91 прижимает статор 80 к кромке 89, но также позволяет статору 80 перемешаться при тепловом расширении компонентов. Зазор 86 образован между внутренней цилиндрической поверхностью 88 статора 80 и магнитами 76. Размер зазора 86 сведен к минимуму за счет использования вала 30 ротора, ступицы 72 и гнезда 70. Более того, статор 80 может быть выполнен с возможностью контакта с нагнетаемой насосом жидкостью, если это желательно. Сквозные отверстия могут быть образованы как в основании 14, так и в крышке 16, что позволяет жидкости протекать через корпус 12 и поверх статора 80, и осуществлять охлаждение. Обмотки 84 не заключены в прессованную оболочку и могут быть расположены очень близко от постоянных магнитов 76. Кпд двигателя повышается при уменьшении зазора 86. Для максимального повышения кпд двигателя, расстояние между постоянными магнитами 76 и токонесущим участком статора 80 должно составлять ориентировочно от 0.5 мм до 0.8 мм.
В рабочем состоянии, пропускают ток через обмотки 84, чтобы создать магнитное поле. Постоянные магниты 76 побуждаются двигаться, что вызывает вращение задней чугунной втулки 74, внешнего ротора 24 и внутреннего ротора 22. При этом возникает функция нагнетания насосом жидкости. При продолжении нагнетания насосом, первая крепежная деталь 40 и вторая крепежная деталь 54 ограничивают смещение основания 14 и крышки 16 друг от друга и изменение расстояния между первой поверхностью 50 насоса и второй поверхностью 64 насоса.
На фиг.4 и 5 показан альтернативный насос, обозначенный позицией 120. Насос 120 также представляет собой объединенный масляный электронасос, который полностью погружен в нагнетаемую насосом жидкость. Объединенный масляный электронасос 120 содержит корпус 122 цилиндрической формы, первую боковую пластину 124 и вторую боковую пластину 126. Первая и вторая крышки 128, 130 герметично входят в зацепление с первой и второй боковыми пластинами 124, 126. Внутренний ротор 132 содержит ступицу 134, поддерживаемую с возможностью вращения при помощи втулки 136, расположенной внутри полости 138, образованной во второй крышке 130. Внутренний ротор 132 вращается вокруг оси 140 вращения. Внешний ротор 142 содержит внутренние выступы 143, которые входят в поочередное зацепление с внешними выступами (не показаны), образованными на внутреннем роторе 132, чтобы образовать шестеренный насос, как уже было описано здесь выше. Внешний ротор 142 вращается вокруг оси вращения, смещенной от оси 140.
Вал 144 установлен с возможностью вращения вместе с внешним ротором 142, с использованием множества шариков 145. Множество постоянных магнитов 146 установлены с возможностью вращения вместе с валом 144. Опорные кольца 148 и 150 установлены с возможностью вращения вместе с валом 144. Опорный узел 152 установлен на первой боковой пластине 124, чтобы вращательно поддерживать опорное кольцо 148. Аналогично, другой опорный узел 154 установлен на второй боковой пластине 126, чтобы вращательно поддерживать опорное кольцо 150, вал 144 и внешний ротор 142.
Первая крышка 128 содержит поверхность 162 насоса, смещенную от внутреннего ротора 132 и внешнего ротора 142. Вторая поверхность 164 насоса образована на конце второй крышки 130. Вторая поверхность 164 насоса смещена на заданное расстояние от первой поверхности 162 насоса, чтобы образовать желательный рабочий зазор относительно внутреннего ротора 132 и внешнего ротора 142. Статор 166 расположен внутри полости 168, ограниченной корпусом 122, первой боковой пластиной 124 и второй боковой пластиной 126. Выступ 169 образован на внутреннем диаметре корпуса 122 для локализации и поддержки статора 166. Статор 166 охватывает магниты 146, как уже было указано здесь выше со ссылкой на насос 10.
Манжетное уплотнение 170 связано с первой боковой пластиной 124 и герметично входит в зацепление с уплотнительным кольцом 172, установленным с возможностью вращения вместе с валом 144. Другое манжетное уплотнение 174 связано со второй боковой пластиной 126 и входит в зацепление с другим уплотнительным кольцом 176, установленным с возможностью вращения вместе с валом 144. Уплотнительные кольца 178, 179 уплотняют стыки между первой боковой пластиной 124, второй боковой пластиной 126 и корпусом 122.
Впускной канал 180 образован во второй боковой пластине 126. Сетчатый фильтр 182 позволяет жидкости проходить через него, но не позволяет загрязнениям поступать в насос. Множество стоек 184 идут от второй крышки 130, чтобы сместить сетчатый фильтр 182 от основания поддона, содержащего нагнетаемую жидкость. Насос 120 имеет герметичную конструкцию, так что нагнетаемая жидкость и жидкость, окружающая насос, не могут поступать в полость 168.
На фиг.6 показан другой погружной насос, обозначенный позицией 190. Насос 190 в основном аналогичен насосу 120. Поэтому их аналогичные детали имеют одинаковые позиционные обозначения, с добавлением штриха. Насос 190 отличается от насоса 120 тем, что статор 166 не изолирован от нагнетаемой жидкости. Наоборот, полость 168' заполнена маслом, когда насос 190 погружен в жидкость. Множество отверстий 192 образованы в первой боковой пластине 124', что позволяет жидкости втекать и вытекать. Аналогично, множество отверстий 194 образованы во второй боковой пластине 126', что позволяет жидкости иметь связь с полостью 168'. Так как уплотнение больше не требуется, уплотнительные кольца 178, 179 удалены из насоса 190. Более того, манжетные уплотнения 170, 174, так же как и уплотнительные кольца 172 и 176, больше не являются необходимыми. Механически обработанные гнезда или канавки для установки уплотнительных колец также больше не требуются, несмотря на то, что на чертежах они могут быть показаны.
На фиг.7-9 показан еще один насос, обозначенный позицией 200. Насос 200 также выполнен как погружной объединенный масляный электронасос. Насос 200 содержит корпус 202, имеющий боковую стенку 210. Выемка 214 ограничена главным образом цилиндрической стенкой 216. Резьбовые отверстия 218 расположены на окружности с промежутком друг от друга.
Насос 200 содержит статор 222, расположенный внутри полости 208. Боковые стенки 210 плотно прилегают к внешней поверхности 224 статора 222, чтобы ограничивать радиальное перемещение статора 222. Кромка (уступ) 226 образована в корпусе 202, чтобы частично ограничивать полость 208 и создавать опору (седло) для поверхности 228 статора 222, так чтобы ограничивать осевое перемещение статора относительно корпуса 202.
Магнитное кольцо 232 содержит в основном цилиндрический участок 234 и радиально выступающий внутрь участок 236. Магнитное кольцо 232 содержит металлический опорный кольцевой участок и множество магнитов, образованных как один компонент. Наружная в основном цилиндрическая поверхность 238 смещена от внутренней в основном цилиндрической поверхности 240 статора 222. Внешний ротор 242 закреплен на магнитном кольце 232. Опорная поверхность 246 и в основном цилиндрическая стенка 248 соответствуют наружным размерам внешнего ротора 242, однако расположены в непосредственной близости от внешнего ротора, чтобы удерживать внешний ротор 242 в желательном радиальном и осевом положении.
Крышка 250 прикреплена к корпусу 202 при помощи зажимного кольца 252 и крепежных деталей 254. Крышка 250 имеет главным образом плоскую поверхность 256 и главным образом цилиндрическую поверхность 258, которые удерживают внешний ротор 242 в заданном положении. Совмещение цилиндрических поверхностей 258 и 248 обеспечено за счет точного выбора размеров внешней цилиндрической поверхности 262 крышки 250 в соответствии с размерами цилиндрической стенки 216. Внутренний ротор 266 сопряжен с возможностью приведения во вращение с внешним ротором, аналогично тому, что было описано здесь выше со ссылкой на ротор 22 и ротор 24. Внутренний ротор 266 закреплен на центральном валу 268. Внутренний ротор 266 и центральный вал 268 выполнены с возможностью вращения как единый узел относительно корпуса 202 и крышки 250. В образованную в корпусе 202 расточку 270 и в образованную в крышке 250 расточку 272 введены концы центрального вала 268, так что его ось вращения проходит через центры расточек. Наружная поверхность 256 и опора 246 ограничивают осевое перемещение внутреннего ротора 266.
На фиг.9 показан нагель 280, позволяющий обеспечивать точное совмещение крышки 250 с корпусом 202. Уплотнение 282 введено в канавку 290, образованную в крышке 250 и входящую в контакт с выемкой 214.
На фиг.10 и 11 показан участок альтернативного насоса, обозначенного позицией 350. Насос 350 в основном аналогичен насосу 200, за исключением устройства 352 управления в виде кольца, расположенного рядом со статором 222. Устройство 352 управления содержит плату 354, установленную с зацеплением со статором 222. Несколько электрических компонентов, в том числе интегральная схема 356, конденсатор 358 и микропроцессор 360 установлены на плате 354. Устройство 352 управления управляет работой насоса 350. Плата 354 и установленные на ней компоненты могут иметь связь с жидкостью, в которую погружен насос 350. С учетом свойств нагнетаемой насосом жидкости, устройство 352 управления будет работать надлежащим образом, вне зависимости от того, что оно подвержено воздействию жидкости. В плате 354 выполнено сквозное центральное отверстие 362. Размер и положение центрального отверстия 362 позволяют пропустить через него внутренний ротор 266 и внешний ротор 242.
Выходной сигнал с платы 354 поступает на статор 222, так что электрический ток протекает через обмотки статора 222 и создает электромагнитное поле. Устройство 352 управления может содержать интегральную схему или интегральные схемы, позволяющие задавать ток, поступающий в статор 222. Кроме того, устройство 352 управления может определять вращающий момент, приложенный к внешнему ротору 242.
В рабочем состоянии, насос 350 получает ток от внешнего источника. Энергию подводят к устройству 352 управления, которое определяет, следует ли подавать ток на статор 222, а также определяет силу тока, подводимого к статору 222. Так как сила тока, подводимого к статору 222, изменяется, то напряженность электромагнитного поля, окружающего статор 222, также изменяется. Электромагнитное поле взаимодействует с магнитным кольцом 232, что побуждает внешний ротор 242 вращаться. Так как внешний ротор 242 имеет поочередное зацепление с внутренним ротором 266, то внутренний ротор 266 также приводится во вращение. Вращение внутреннего ротора 266 и внешнего ротора 242 вызывает действие нагнетания жидкости насосом.
Предыдущее описание вариантов осуществления настоящего изобретения приведено только для пояснения. Оно не имеет исчерпывающего или ограничительного характера. Индивидуальные элементы или признаки специфического варианта осуществления изобретения не ограничены применением в этом специфическом варианте осуществления изобретения и, при их применении, являются взаимозаменяемыми и могут быть использованы в другом выбранном варианте осуществления изобретения, даже если это специально не описано или не показано на чертежах. Некоторые из них также могут быть изменены различным образом. Такие вариации не следует рассматривать как выходящие за рамки настоящего изобретения, так что все такие модификации входят в объем патентных притязаний.