погружной электродвигатель для работы в буровых скважинах

Формула изобретения

Погружной электродвигатель для работы в буровых скважинах, содержащий корпус и расположенные в нем беспазовый статор с обмоткой и установленный на валу с радиальными подшипниками ротор с постоянными магнитами, при этом обмотка статора закреплена посредством каркаса относительно корпуса, отличающийся тем, что вал ротора снабжен, по крайней мере, одним осевым магнитным подшипником, установленным на конце вала, противоположном его концу, кинематически связанному с погружным скважинным насосом, радиальные подшипники образованы подшипниками скольжения, длина втулки (L) каждого из которых которого составляет от 2 до 2,5 ее наружного диаметра (D ₁), ротор выполнен многополюсным и собран из тангенциально и радиально расположенных ферритовых магнитов, последовательно чередующихся вдоль окружности ротора, причем тангенциально расположенные магниты выполнены с уменьшающейся площадью поперечного сечения по направлению к оси ротора, а радиально расположенные магниты выполнены с постоянной площадью поперечного сечения, каркас обмотки статора выполнен в виде цилиндрической обечайки, установленной в корпусе с образованием с последним герметичного пространства, в котором расположена обмотка статора, вал ротора выполнен полым с толщиной стенки (S), составляющей от 0,25 до 0,3 от наружного диаметра (D₂) вала ротора, а в корпусе электродвигателя по обе стороны относительно ротора установлены лабиринтные насосы, шнеки которых расположены на валу ротора, при этом один из насосов входом сообщен с полым пространством вала ротора и выходом - с пространством между ротором и обечайкой, а второй насос входом сообщен с пространством между ротором и обечайкой и выходом - с полым пространством вала ротора с образованием заполненного охлаждающей жидкой средой контура циркуляции.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано при производстве погружных насосов, предназначенных для добычи нефти из глубинных скважин.

Известен вентильный двигатель с тиристорньм коммутатором, в котором переключение тиристоров инвертора осуществляется за счет электродвижущей силы обмотки двигателя (Овчинников И.Е., Теория вентильных электрических двигателей, Москва, Наука, 1985 г., стр.22).

Регулировать частоту вращения данного двигателя сравнительно дешевле и проще. Но из-за больших индуктивных параметров снижается вращающий момент машины на 25-30%, что не позволяет использовать преимущества вентильного двигателя по сравнению с асинхронным при регулировании частоты вращения.

Известна электрическая машина с беспазовым статором и с высококоэрцитивными постоянными магнитами (Ледовский А.Н., Электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами, Москва, Энергоиздат, 1985 г., стр.27, 136, рис.2.7., 5.5).

В данной машине сравнительно сложная технология изготовления и укладки обмотки на гладкий пакет статора. Нужны два технологических шаблона и две оправки для формирования обмотки, необходима механическая обработка на станке после компаундирования обмотки. Если проводники обмотки имеют большой диаметр, технология изготовления обмотки усложняется дополнительно. Кроме того, данная технология пригодна только для изготовления машин с относительно коротким пакетом статора и неприемлема в производстве погружных двигателей.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является погружной электродвигатель для насосов, предназначенных для добычи нефти из глубинных скважин, содержащий беспазовый статор с обмоткой и явнополюсный ротор с постоянными магнитами, при этом обмотка статора выполнена гладкой, беспазовой и уложена в немагнитном каркасе беспазового пакета статора с немагнитными кольцами, который запрессован в корпус электродвигателя (см. патент RU №2161852, 10.01.2001).

Данная конструкция погружного электродвигателя позволяет упростить технологию его изготовления. Однако эффективность работы данного электродвигателя недостаточно высока, что связано с неоптимальным выполнением ротора и недостаточной сбалансированностью теплоотвода при работе двигателя в погруженном в скважину состоянии.

Техническим результатом, на достижение которого направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности работы погружного электродвигателя в скважине за счет выравнивания тепловой напряженности при работе погружного электродвигателя и создания многополюсного ротора электродвигателя на постоянных магнитах с концентрацией магнитного потока постоянных магнитов.

Указанный технический результат достигается за счет того, что погружной электродвигатель для работы в буровых скважинах содержит корпус и расположенные в нем беспазовый статор с обмоткой и установленный на валу с радиальными подшипниками ротор с постоянными магнитами, при этом обмотка статора закреплена посредством каркаса относительно корпуса. Вал ротора снабжен, по крайней мере, одним осевым магнитным подшипником, установленным на конце вала, противоположном его концу, кинематически связанному с погружным скважинньм насосом, радиальные подшипники образованы подшипниками скольжения, длина втулки (L) каждого из которых которого составляет от 2 до 2,5 ее наружного диаметра (D ₁), ротор выполнен многополюсным и собран из тангенциально и радиально расположенных ферритовых магнитов, последовательно чередующихся вдоль окружности ротора, причем тангенциально расположенные магниты выполнены с уменьшающейся площадью поперечного сечения по направлению к оси ротора, а радиально расположенные магниты выполнены с постоянной площадью поперечного сечения, каркас обмотки статора выполнен в виде цилиндрической обечайки, установленной в корпусе с образованием с последним герметичного пространства, в котором расположена обмотка статора, вал ротора выполнен полым с толщиной стенки (S), составляющей от 0,25 до 0,3 наружного диаметра (D₂) вала ротора, а в корпусе электродвигателя по обе стороны относительно ротора установлены лабиринтные насосы, шнеки которых расположены на валу ротора, при этом один из насосов входом сообщен с полым пространством вала ротора и выходом - с пространством между ротором и обечайкой, а второй насос входом сообщен с пространством между ротором и обечайкой и выходом - с полым пространством вала ротора с образованием заполненного охлаждающей жидкой средой контура циркуляции.

Анализ работы погружных электродвигателей показал, что организация циркуляции жидкой среды внутри электродвигателя в пространстве между ротором и статором, а также внутри вала ротора позволяет эффективно отводить тепло от статора и ротора и одновременно снимать пиковые тепловые нагрузки, что позволяет повысить полезную нагрузку на электродвигателе. Не менее важное значение имеет организация взаимодействия постоянных магнитов ротора со статором.

Как известно, напряженность магнитного поля постоянных магнитов возбуждающей системы ограничена сверху материалом, из которого сделан постоянный магнит, и благодаря этому верхнюю границу плотности магнитного потока определяет активная поверхность. Для увеличения вращающего момента необходимо увеличить действующую поверхность, что ведет к увеличению диаметра или осевой длины.

В данном случае применен первый способ, а именно - увеличенный диаметр ротора. Если у перспективного погружного электродвигателя «Цунар» с наружным габаритным диаметром 117 мм диаметр ротора составляет 50 мм, то в данной конструкции при том же наружном диаметре электродвигателя диаметр ротора составляет 80 мм. Этого удалось достичь за счет уменьшенной радиальной толщины беспазового статора электродвигателя. Главное преимущество увеличенного диаметра и комбинированной магнитной системы ротора из радиальных и тангенциальных магнитов состоит в увеличении активной длины силовой линии магнитной индукции по материалу магнитов, на которой, собственно, и создается магнитодвижущая сила постоянных магнитов, которая потом должна быть истрачена на преодоление немагнитных зазоров: воздушного зазора между ротором и статором 2 мм и немагнитного зазора по медным проводам статора 6 мм, уложенных без зубцов магнитопровода. Для сравнения немагнитный зазор, который преодолевают постоянные магниты ротора в электродвигателе «Цунар», составляет 1 мм в отличие от 8 мм у данного электродвигателя.

Предпочтительно, чтобы постоянные магниты состояли из одинакового материала, преимущественно из материала с магнитной проницаемостью, близкой к магнитной проницаемости воздуха. Особенно предпочтительными материалами являются ферриты. Это не только уменьшает индуктивность магнитных цепей машины, но и дает те преимущества, что ферриты являются высокотемпературными магнитами и коррозионно-стойкими магнитами.

Так как измеренная у постоянных тангенциальных магнитов по направлению относительного движения ширина с увеличением расстояния от активной поверхности остается постоянной и так как эта ширина у радиальных магнитов с увеличением расстояния от активной поверхности уменьшается (т.е. в направлении от периферии ротора к его оси), имеют место благоприятные конструктивные конфигурации, небольшие магнитные сопротивления и высокая степень использования материала.

Указанного результата удалось добиться за счет выполнения ротора многополюсным и собранным, как отмечено выше, из тангенциально и радиально расположенных ферритовых магнитов, последовательно чередующихся вдоль окружности ротора, причем тангенциально расположенные магниты выполнены с уменьшающейся площадью поперечного сечения по направлению к оси ротора, а радиально расположенные магниты выполнены с постоянной площадью поперечного сечения.

Поверхности магнитопроводящих зон материала, образующие вращающийся ротор, через которые выходит магнитный поток, направленный к действующей поверхности, могут быть цилиндрической или в виде правильного многоугольника.

Как правило, постоянные магниты системы возбуждения, если смотреть по направлению относительного движения, имеют переменную поляризацию, вследствие чего за южным полюсом первого постоянного магнита следует южный полюс второго постоянного магнита, за северным полюсом второго постоянного магнита следует полюс третьего постоянного магнита и за южным полюсом третьего постоянного магнита следует южный полюс четвертого постоянного магнита и т.д.

В принципе возможно выполнение двигателя с наружным или внутренним ротором.

Надежность работы электродвигателя определяет надежную работу насосного агрегата при его работе в скважине. Поэтому большое внимание уделяется организации процесса теплоотвода и выравниванию температуры элементов электродвигателя. Было установлено, что возможно организовать циркуляцию теплоносителя через полый вал. Однако, с одной стороны, важно создать низкое гидравлическое сопротивление для протекающего через вал ротора теплоносителя, а с другой стороны, не увеличивать габариты вала и не снижать существенно его прочность. В ходе исследования было выявлено, что целесообразно выполнять вал ротора полым с толщиной стенки (S), составляющей от 0,25 до 0,30 от наружного диаметра (D₂) вала ротора. Не менее важно для работы электродвигателя чувствительность внеосевой силы прилипания ротора на постоянных магнитах к стали статора к реальным эксцентриситетам установки ротора в подшипниках. В данной конструкции с немагнитным зазором между постоянными магнитами ротора и стальным магнитопроводом статора 8 мм сила прилипания при эксцентриситете 0,1 мм уменьшена в 500 раз. У аналогов погружных электродвигателей либо сила прилипания при эксцентриситете 0,1 мм может достигать 1 т и постоянно действует на радиальные подшипники, либо необходимо добиваться более строгой точности установки ротора в подшипниках, что неизбежно ведет к появлению сухого трения в них. Наиболее целесообразно для эксплуатации в условиях буровых скважин использование подшипников скольжения, которые при ограниченных осевых габаритах скважины позволяют надежно и точно устанавливать вал ротора. Кроме того, за счет принудительной прокачки через подшипник теплоносителя представляется возможность эффективно отводить тепло от трущейся пары подшипника и при этом использовать теплоноситель для организации жидкостного кольца, что позволяет свести к минимуму трение при работе подшипника. При этом было установлено, что наиболее целесообразно выполнять подшипники скольжения и длиной втулки (L) каждого из подшипников, составляющей от 2 до 2,5 ее наружного диаметра (D₁ ).

На фиг.1 представлен продольный разрез погружного электродвигателя с постоянными магнитами для работы в буровых скважинах, на фиг.2 - поперечный разрез А-А погружного электродвигателя на фиг.1, на фиг.3 - вид I (увеличено) на фиг.1.

Погружной электродвигатель для работы в буровых скважинах содержит корпус 1 и расположенные в нем беспазовый статор 2 с обмоткой 3 и установленный на валу 4 с радиальными подшипниками 5 ротор 6 с постоянными магнитами. Обмотка 3 статора 2 закреплена посредством каркаса 7 относительно корпуса 1. Вал 4 ротора 6 снабжен, по крайней мере, одним осевым магнитным подшипником 8, установленным на конце вала 4, противоположном его концу, кинематически связанному с погружным скважинным насосом. Радиальные подшипники 5 образованы подшипниками скольжения, длина (L) втулки 14 каждого из которых составляет от 2 до 2,5 ее наружного диаметра (D₁). Ротор 6 выполнен многополюсным и собран из тангенциально 9 и радиально 10 расположенных ферритовых магнитов, последовательно чередующихся вдоль окружности ротора 6, причем тангенциально расположенные магниты 9 выполнены с уменьшающейся площадью поперечного сечения по направлению к оси ротора 6, а радиально расположенные магниты 10 выполнены с постоянной площадью поперечного сечения. Каркас 7 обмотки 3 статора 2 выполнен в виде цилиндрической обечайки, установленной в корпусе 1 с образованием с последним герметичного пространства, в котором расположена обмотка 3 статора 2. Вал 4 ротора 6 выполнен полым с толщиной стенки (S), составляющей от 0,25 до 0,3 от наружного диаметра (D₂) вала 4 ротора 6. В корпусе 1 электродвигателя по обе стороны относительно ротора 6 установлены лабиринтные насосы 11 и 12, шнеки которых расположены на валу 4 ротора 6, при этом один из насосов 11 входом сообщен с полым пространством вала 4 ротора 6 и выходом - с пространством между ротором 6 и обечайкой 7, а второй насос 12 входом сообщен с пространством между ротором 6 и обечайкой 7 и выходом - с полым пространством вала 4 ротора 6 с образованием заполненного охлаждающей жидкой средой контура циркуляции.

Перед работой полость корпуса 1 заполняется жидким теплоносителем. Заполнение рабочей полости жидким теплоносителем осуществляется через систему отверстий, выполненных в корпусе 1. После заполнения полости жидким теплоносителем отверстия закрываются заглушками 13.

При заполнении полости корпуса 1 жидким теплоносителем заполняются полый вал 4 ротора и зазор между ротором 6 и выполненным в виде обечайки каркасом 7. Вал 4 погружного электродвигателя может быть механически соединен с насосом и электрически через кабель с системой управления и источником электрической энергии (не показано), после чего электродвигатель опускают в скважину.

По команде от системы управления (не показана) обмотки 3 статора 2 подключаются к источнику электрической энергии (не показан), при этом электрический ток, протекая по обмоткам 3 статора 2, взаимодействует по закону Ампера с магнитным полем постоянных магнитов 9 и 10 ротора 6. Примененная в данном случае беспазовая конструкция статора имеет еще одно преимущество - в отсутствие зубцов магнитопровода повышается коэффициент заполнения медью и суммарные ампервитки статора, что способствует повышению момента электродвигателя даже при низких магнитных свойствах ферритов. Взаимодействие магнитных потоков приводит к возникновению вращающего момента, под воздействием которого ротор 6 приходит во вращение. Вращающий момент передается на вал погружного насоса (не показан), к которому подключен погружной электродвигатель.

При работе погружного электродвигателя в статоре 2, роторе 6, подшипниках 5 и 8 выделяется тепловая энергия, что приводит к нагреву погружного электродвигателя, причем выделение тепловой энергии происходит неравномерно. При вращении ротора 6 одновременно работают лабиринтные насосы 11 и 12, шнеки которых взаимодействуют с теплоносителем, создавая на выходе из лабиринтных насосов 11 и 12 напор, под действием которого теплоноситель циркулирует по контуру: от выхода насоса 11 в пространство между трущимися деталями радиального подшипника 5 и последнего в пространство между ротором 6 и обечайкой 7, далее в пространство между трущимися деталями второго радиального подшипника 5, из него на вход второго насоса 12, с выхода которого в пространство полого вала 4 ротора 6, а из последнего на вход насоса 11. Теплоноситель, протекая по циркуляционному контуру и нагреваясь, отводит теплоту от статора 2, ротора 6 и подшипников 5, а затем, протекая по пространству электродвигателя за пределами лабиринтных насосов 11 и 12, через корпус 1 отдает теплоту потоку продукта скважины, омывающему корпус 1. При таких условиях гладкая поверхность ротора 6 и каркаса 7 статора 2 обеспечивают оптимальные условия для циркуляции теплоносителя по всему объему корпуса 1 электродвигателя, обеспечивая наименьшие гидравлические потери, которые зависят от геометрических размеров ротора, его чистоты и вязкости теплоносителя.

Таким образом, использование изобретения в погружном насосе позволяет выравнить температуру отдельных его элементов и установить ее ниже допустимой критической величины для электромагнитной системы, образованной ротором и статором, и тем самым повысить надежность работы всей конструкции погружного электродвигателя, а выполнение ротора, как описано выше, в сочетании с беспазовым статором позволяет повысить мощность электродвигателя и сократить его габариты.

Настоящее изобретение может быть использовано в нефтегазовой и других отраслях промышленности, где требуется использование в скважинах погружных электродвигателей.