Погружной модульный вентильный электродвигатель электроцентробежного насоса
Настоящая полезная модель относится к машиностроению, а именно к модульным электродвигателям, применяемым, например, в качестве погружного электропривода для скважинных центробежных установок. Разработан вентильный электродвигатель, состоящий по меньшей мере из двух модулей. Каждый из модулей содержит корпус, статор с фазными обмотками, ротор, с постоянными магнитами, которые намагничены в радиальном направлении. Ротор выполнен составным из роторов модулей, причем постоянные магниты ротора каждого модуля представляют собой кольцевые сегменты. Каждый модуль содержит элементы круговой ориентации статора с фазными обмотками и ротора. Взаимное расположение указанных элементов обеспечивает одинаковое взаимное угловое положение одноименных магнитов ротора каждого модуля по отношению к одноименным фазным обмоткам статора в каждом модуле. Технический результат предлагаемого изобретения - облегчение процесса сборки многомодульных вентильных двигателей, а именно обеспечение правильного согласования положений статоров и роторов смежных секций. 1 н-п ф-лы, 4 илл.
Настоящая полезная модель относится к машиностроению, а именно к модульным электродвигателям, применяемым, например, в качестве погружного электропривода для скважинных центробежных установок.
Ближайшим аналогом предлагаемой полезной модели является изобретение - вентильный электродвигатель (по патенту RU 2277285, опубликован в 2006.05.27), состоящий по меньшей мере из двух модулей (секций), каждый из которых содержит корпус, статор, вал, причем на валу каждого модуля размещены постоянные магниты, которые намагничены в радиальном направлении. Недостатком предлагаемого электродвигателя является то, что в нем не предусмотрены специальные конструктивные элементы на валу и роторе, обеспечивающие согласование взаимной ориентации смежных модулей (положения фазных обмоток и роторов) при сборке.
Технический результат предлагаемого изобретения - облегчение процесса сборки многомодульных вентильных двигателей, а именно обеспечение правильного согласования положений статоров и роторов смежных модулей (т.е. избежать неправильной взаимной ориентации валов и статоров модулей) за счет применения в нем элементов взаимной круговой ориентации смежных модулей двигателя.
Указанный технический результат достигается за счет того, в известном вентильном электродвигателе, состоящем по меньшей мере из двух модулей, в каждом из которых содержится корпус, статор с фазными обмотками и ротор с постоянными магнитами, которые намагничены в радиальном направлении, одноименные фазные обмотки каждого модуля соединены последовательно, корпуса и ротора модулей соединены между собой механически, а каждый модуль содержит элементы круговой ориентации статора с фазными обмотками и ротора, причем взаимное расположение указанных элементов обеспечивает одинаковое взаимное угловое
положение одноименных магнитов ротора по отношению к одноименным фазными обмоткам статора в каждом модуле.
На фиг.1 модульный вентильный электродвигатель показан в поперечном разрезе. На фиг.2 показаны концы вала со шлицами и фронтальный вид вала. Под ротором мы будем понимать вал вместе с магнитной системой. На рис 3 схематично показаны два модуля погружного электродвигателя в продольном разрезе с ориентирующими элементами. На рис 4 показаны в поперечном разрезе два модуля в случае, когда ориентации фазных обмоток статорных смежных модулей не совпадают.
Рассмотрим двухмодульный электродвигатель с модулями F, G, которые соединены переходной секцией 16 с соединительной муфтой для роторов модулей. Элементы взаимной круговой ориентации f1, f2, g1, g2 соответствующих модулей располагаются на статоре (точнее на внешней поверхности корпуса модуля, в который помещен неподвижный относительно корпуса статор - например, запресованный в корпус)) и роторе (см. рис 3). Они позволяют правильно соориентировать статоры 12, 13 и роторы 14, 15 соответственно модулей F и G при соединении, обеспечивая их правильную ориентацию относительно друг друга. Одинаковое взаимное угловое положение магнитов ротора по отношению к одинаковым фазным обмоткам статора (в трехфазном двигателе соответственно три фазные обмотки А, В, С) в каждом модуле обеспечивает согласованную работу роторов с максимальным вращательным моментом на валу двигателя.
Многомодульный электродвигатель включает следующие элементы: корпус электродвигателя 1 (точнее корпус модуля), соединительные муфты 16, соединяющие соответственно валы смежных модулей. В каждом модуле 6 (в двухмодульном случае это модули F и G) содержится: статорный пакет 2 с проводами обмотки в пазах электродвигателя 3. Статорный элемент модуля имеет открытый паз 4. Вал 9 содержит кольцевые магнитные сегменты 5 ротора. На поверхности статора выполнен элемент взаимной круговой ориентации 7 (в двухмодульном случае это элемент f1 или g1), представляющий в данном случае прямолинейный неглубокий канал, проходящий по всей длине корпуса модуля. Для каждого модуля элемент взаимной круговой ориентации ориентирован одинаково по отношению к положению - пазов статора с обмоткой. На рисунке показана и часть другой, смежного модуля, содержащий элемент взаимной круговой ориентации 8 на поверхности модуля. Луч ov проходит в плоскости поперечного сечения модуля с центром в точке о (лежащей на центральной продольной оси модуля) и пересекает область элемента взаимной круговой ориентации 7 (точнее, через центральную часть канала 7, являющийся примером элемента круговой ориентации). Луч о'm
проходит в плоскости поперечного сечения присоединенного смежного модуля с центром в точке о' (лежащей на продольной оси соответствующего модуля). Угловое расхождение (взаимной ориентации смежных модулей по кругу) определяется углом, образованными вышеуказанными лучами. При сборке расхождение указанных элементов не должно превышать 1 углового градуса. Такой угол обеспечивает приемлемое значение КПД, близкое к оптимальному. Аналогичные ориентирующие элементы 11 содержат и шлицы вала 10 (см. рис.2), не допускающие также существенного расхождения направлений ориентаций направлений намагничивания магнитов роторов смежных модулей. Подчеркнем, что здесь рассмотрен частный случай, когда фазные обмотки разных модулей имеют одинаковую ориентацию.
Внутренняя полость двигателя выполнена герметичной и заполнена диэлектрическим маслом для защиты двигателя от проникновения в его полость пластовой жидкости, а также для охлаждения обмоток и смазывания подшипников. В вентильном двигателе индуктор находится на валу (в виде постоянных магнитов), обмотка находится на статоре. Напряжение питания обмоток двигателя формируется в зависимости от положения ротора с помощью полупроводникового коммутатора. Статор состоит из корпуса, сердечника (набора статорных пластин) из электротехнической стали и медной обмотки, уложенной в пазы по периметру сердечника. Количество обмоток определяет количество фаз двигателя. В нашем случае три фазы (см. рис.1 - обмотки соответственно А, В, С). Двигатель выполнен с открытым пазом 4. На корпусе статора выполнен элемент взаимной круговой ориентации, расположенный одинаковым образом по отношению к положению обмоток статора любого модуля. Постоянные магниты ротора вала представляют собой кольцевые сегменты, симметрично расположенные на валу по кругу. Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов и имеет три пары пар полюсов с чередованием северного и южного полюсов (рис.1) по круговому направлению ротора. Используются магниты редкоземельных сплавов, так как они позволяют получить высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора. Магниты закреплены на валу ротора (например, клеевым соединением). На валу выполняются специальные шпоночные пазы, в которые располагаются шпонки, а между ними располагаются кольцевые магниты. Эти магниты в свою очередь заключаются в гильзу, дополнительно удерживающую магниты. В каждом модуле содержится специальный элемент взаимной круговой ориентации, в частном случае (для ручной сборки) он представляет собой неглубокий канал, например треугольной формы в поперечном сечении, выполненный на внешней стороне корпуса. В каждом модуле этот канал выполняют расположенным строго одинаковым образом по отношению к положению обмоток статорного элемента. Ориентирующие элементы в роторе любого модуля имеют одинаковое положение по отношению к магнитам роторов, включая их направление намагничивания.
В частном случае статорный ориентирующий элемент может представлять собой метку пространственной ориентации пакета статора, нанесенную на внешнюю поверхности корпуса модуля, например, неглубокую прямую канавку по всей длине внешней поверхности корпуса модуля, и ориентированную для каждого модуля одинаковым образом по отношению к положению пазов статорной обмотки, соответствующих статорных фазных обмоток. При прикреплении к статору фланцевой переходной (между модулями) секции, канавка переносится и на нее, образуя единый прямой канал на внешней поверхности модуля. Аналогичный канал имеется и на корпусе присоединяемого модуля. При соединении статоры соединяются строго по элементам взаимной круговой ориентации. В случае, если эти элементы разных модулей выполнены в виде неглубоких прямых каналов, то они просто совмещаются, образуя единый канал. В результате соединение смежных модулей согласовано относительно положений статоров смежных модулей. Элементы круговой ориентации для валов расположены одинаковым образом по отношению к ориентации магнитной системы ротора и могут выполняться, например, фрезерованием в виде каналов на торцевой стороне вала. Из всех возможных вариантов взаимного расположения роторов выбирается единственно возможный вариант шлицевого соединения указанных деталей. В результате соединение валов смежных модулей согласовано относительно направлений намагничивания и положений магнитов соответствующих модулей.
Рассмотрим более общий пример использования системы, когда ориентация фазных обмоток смежных модулей не совпадает. В этом случае ориентации магнитов роторов соответствующих смежных модулей также не совпадают, а взаимное угловое положение магнитов ротора с фазными обмотками статора в каждом модуле должно быть одинаково (для согласованной синхронной работы модулей электродвигателя по рассмотренному выше алгоритму). В этом случае элементы взаимной круговой ориентации позволяют обеспечить необходимое угловое расположение магнитов ротора по отношению к фазным обмоткам в соответствующих модулях. На рис.4 показаны в поперечном разрезе два модуля в рассмотренном выше случае (фронтальный вид). Указанные фазные обмотки для разных модулей ориентированы различным образом по отношению к оси координат YX (с центром в точке К лежащих на оси составного ротора модулей), соответственно магниты ротора разных модулей имеют несовпадающую ориентацию положений магнитов, но взаимное угловое положение магнитов ротора с фазными обмотками статора в каждом модуле одинаково. Это реализовано с помощью элементов взаимной ориентации модулей, позволяющих обеспечить правильную ориентацию статоров и роторов отдельных модулей, формирующих составной ротор - например, когда статорные метки на корпусе F и G, представляющие неглубокую риску, составляют единый прямой канал на статорном корпусе, и метки на роторах соответственно ориентируются друг относительно друга так, что они находятся на прямой линии, когда сформирован составной ротор.
Электродвигатель работает следующим образом. Информация о наведенной ЭДС в фазных обмотках статора (А, В, С) используется для реализации обратной связи по положению ротора (образованного соединенными через муфту валов с магнитами смежных модулей). Управляющее устройство на основе информации о положении ротор, создает комбинацию управляющих напряжений для силовых ключей (полупроводникового преобразователя), так, что в каждый такт работы двигателя включены два ключа и к сети подключены последовательно две из трех обмоток статора. Обмотки расположены на статоре со сдвигом на 120° и их начала и концы соединены так, что при переключении ключей образуется вращающееся магнитное поле. Радиально намагниченные постоянные магниты кольцевого типа 5 создают магнитный поток, проходящий через пакет 2 статора, обмотку 3, корпус 1, образуя замкнутую магнитную цепь для прохождения магнитного потока. В каждом модуле одновременно фазные напряжения формируются на фазных обмотках статора (соединенных последовательно) таким образом, что в результате взаимодействия магнитных потоков статора и возбуждения на роторе создается вращающий момент, который стремится развернуть ротор так, чтобы магнитные потоки статора и возбуждения совпали, но при повороте ротора происходит переключение обмоток и поток якоря поворачивается на следующий шаг. Частота вращения поля пропорциональна частоте вращения ротора, а частота вращения ротора зависит от напряжения питания.
Включение элементов взаимной ориентации обеспечивает точное согласование положения статорных сборок и ориентаций магнитов роторов смежных модулей.
Вентильный электродвигатель, состоящий, по меньшей мере, из двух модулей, каждый из которых содержит корпус, статор с фазными обмотками, ротор с постоянными магнитами, которые намагничены в радиальном направлении, отличающийся тем, что одноименные фазные обмотки каждого модуля соединены последовательно, корпуса и ротора модулей механически соединены между собой, а каждый модуль содержит элементы круговой ориентации статора с фазными обмотками и ротора, причем взаимное расположение указанных элементов обеспечивает одинаковое взаимное угловое положение одноименных магнитов ротора по отношению к одноименным фазным обмоткам статора в каждом модуле.
