Вентильный секционный электродвигатель
Полезная модель относится к машиностроению, а именно к секционным вентильным электродвигателям, применяемым, например, в качестве погружного электропривода для скважинных центробежных установок.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является обеспечение высокой прочности сборного корпуса секционного электродвигателя и работоспособности на высокой частоте вращения, а также обеспечение эффективной принудительной циркуляции и очистки заливочной жидкости внутри активной части и теплообменника электродвигателя.
Вентильный секционный электродвигатель, состоящий по меньшей мере из двух секций, каждая из которых содержит корпус 9 статор 8 с фазными обмотками, ротор 7 с постоянными магнитами, которые намагничены в радиальном направлении, стыковочные узлы секций, подшипниковые щиты 10, теплообменник, элементы 53 и 52 круговой ориентации статора 8 с фазными обмотками и ротора 7, при этом секции соединены между собой двухрезьбовой муфтой 2, обладающей изгибной прочностью основного корпуса 9, каждая секция содержит радиальные многоклиновые биметаллические подшипники, состоящие из биметаллических втулок 31 и биметаллических подшипников 32, закрепленных резиновыми кольцами 33 с контролируемым набуханием, а в нижней секции расположены дополнительный насос и нижняя осевая самоустанавливающаяся опора с антифрикционными вкладышами 24, а теплообменник герметично присоединен к фланцу нижней секции и снабжен фильтром 41 тонкой очистки заливочной жидкости и магнитным улавливателем 42 ферромагнитных продуктов износа, п.ф., 8 илл.
Настоящая полезная модель относится к машиностроению, а именно к секционным вентильным электродвигателям, применяемым, например, в качестве погружного электропривода для скважинных центробежных установок.
Известен вентильный электродвигатель, состоящий по меньшей мере из двух модулей (секций), каждый из которых содержит корпус, статор, вал, причем на валу каждой секции размещены постоянные магниты, которые намагничены в радиальном направлении (патент на полезную модель РФ 
65314, 27.04.2007 г.).
Недостатком данного электродвигателя является то, что в нем не предусмотрена необходимая прочность сборного корпуса электродвигателя, а также его работоспособность при высокой частоте вращения ротора.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является обеспечение высокой прочности сборного корпуса секционного электродвигателя и работоспособности на высокой частоте вращения, а также обеспечение эффективной принудительной циркуляции и очистки заливочной жидкости внутри активной части и теплообменника электродвигателя.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в вентильном секционном электродвигателе, состоящем по меньшей мере из двух секций, каждая из которых содержит корпус, статор с фазными обмотками, ротор с постоянными магнитами, которые намагничены в радиальном направлении, стыковочных узлов секций, подшипниковых щитов, теплообменника, элементов круговой ориентации статора с фазными обмотками и ротора, при этом секции соединены между собой двухрезьбовой муфтой, обладающей изгибной прочностью основного корпуса, каждая секция содержит радиальные многоклиновые биметаллические подшипники с резиновыми кольцами с контролируемым набуханием, а в нижней секции расположены дополнительный насос принудительной циркуляции заливочной жидкости и нижняя осевая самоустанавливающаяся опора с антифрикционными вкладышами, а теплообменник герметично присоединен к фланцу нижней секции и снабжен фильтром тонкой очистки заливочной жидкости и магнитным улавливателем ферромагнитных продуктов износа.
На фиг.1 показана активная часть секционного вентильного электродвигателя в поперечном разрезе.
На фиг.2 показан стыковочный узел электрообмоток секций вентильного электродвигателя.
На фиг.3 показан центратор стыковочного узла электрообмоток секций вентильного электродвигателя.
На фиг.4 показаны узлы дополнительного центробежного насоса системы принудительной циркуляции электроизоляционной жидкости и нижней самоустанавливающейся осевой опоры роторов вентильного секционного электродвигателя.
На фиг.5 показан подшипниковый щит в сборе одной секции вентильного электродвигателя.
На фиг.6 показан узел теплообменника вентильного секционного электродвигателя.
На фиг.7 показана электромагнитная компоновка вентильного секционного электродвигателя.
На фиг.8 показано расположение контрольных меток статора и ротора секций вентильного электродвигателя.
Рассмотрим вентильный трехсекционный электродвигатель (фиг.1) с секциями А, В, С фланцевые корпуса которых соединены двухрезьбовыми муфтами 2, а роторы - шлицевыми сборными муфтами 13.
Метки 52, 53 взаимной круговой ориентации соответствующих секций располагаются на статоре 8 (на внешней поверхности корпуса секции) и роторе 7 (фиг.8). Они позволяют правильно ориентировать статоры 8 и роторы 7 секций А, В, С электродвигателя, 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 каждой секции обеспечивает согласованную работу роторов с максимальным вращательным моментом на валу двигателя.
Напряжение питания обмоток электродвигателя формируется в зависимости от положения ротора с помощью полупроводникового коммутатора.
Вентильный секционный электродвигатель включает следующие элементы:
корпус секции 9 с верхним 5 и нижним 1 фланцами, межсекционные шлицевые сборные муфты 13, соединяющие соответственно валы роторов 7 смежных секций. В каждой секции имеется статор 8 с проводами обмотки 46 в пазах статорного пакета 45.
В вентильном секционном электродвигателе индуктор в виде сегментных полюсов постоянных магнитов 47 находится на роторе 7. Статорный пакет секции имеет открытый паз, который закрыт закладкой 44. Сегментные полюса постоянных магнитов 47 ротора 7 разделены немагнитными проставками 50. Используются магниты редкоземельных сплавов, так как они позволяют получить высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора.
На поверхности фланцев корпуса 9 выполнена метка взаимной круговой ориентации 53, представляющая собой прямолинейные неглубокие каналы, образованные на их внешней поверхности. Для каждой секции элемент взаимной круговой ориентации ориентирован одинаково по отношению к положению пазов статора. Угловое расхождение взаимной ориентации смежных секций не должно превышать 1 углового градуса. Такой угол обеспечивает максимальный КПД секционного электродвигателя, близкий к оптимальному. Аналогичные ориентирующие метки 52 содержат и шлицевые валы роторов 7 (фиг.8), не допускающие существенного расхождения ориентации магнитных полюсов 47 роторов смежных секций (фиг.7 и 8).
Внутренняя полость двигателя заполнена электроизоляционной жидкостью для охлаждения обмоток и смазывания подшипников.
Для обеспечения равнопрочности сборного корпуса электродвигателя секции электродвигателя соединены между собой двухрезьбовой (правая-левая) муфтой 2, обладающей изгибной прочностью основного корпуса 9. Двухрезьбовая муфта 2 стягивает фланцы корпусов секций, при этом контрольные метки 53 должны быть ориентированы без взаимного смещения.
Стыковка обмоток производится посредством штекерных разъемов 16 электроизоляционных катушек с розетками 15 и катушек с вилками 18 (фиг.2). При этом взаимная ориентация электроизоляционных катушек обеспечивается посредством центратора 20. Дополнительно, нижняя катушка имеет пружинный элемент 19 для повышения надежности стыковки штекерных разъемов (фиг.3).
Каждая секция содержит подшипниковые щиты 10 с радиальными гидродинамическими многоклиновыми подшипниками, состоящими из биметаллических втулок 31 и биметаллических подшипников 32, закрепленных резиновыми кольцами 33 с контролируемым набуханием (для прецизионной сборки подшипника) в расточке подшипниковых щитов (фиг.5). Рабочая поверхность подшипника 32 имеет многоклиновую геометрию, которая обеспечивает устойчивый гидродинамический режим работы подшипника и исключает возникновение прецессии ротора на высокой частоте вращения (на разрезе А-А фиг.5 показана геометрия одного клина 29, остальные клинья условно не показаны).
В нижней секции расположен дополнительный центробежный насос (фиг.4) в виде рабочего колеса 21 и направляющего аппарата с торцевой пятой 22 для увеличения интенсивности принудительной циркуляции заливочной жидкости и нижняя осевая самоустанавливающаяся опора с антифрикционными вкладышами 24.
Нижняя самоустанавливающаяся осевая опора (фиг.4) содержит подпятник 25, который имеет шарнирное соединение 26 с регулятором осевого зазора 28 и рессорную пружинную подвеску 27 для компенсации торцевого биения направляющего аппарата с торцевой пятой 22.
К нижней секции электродвигателя присоединен теплообменник (фиг.6) посредством фланца 35. Во фланец встроен переходник с сальниковыми проходами 36 для сигнальных проводов погружного блока телеметрии. Фланец имеет проточные каналы 37, через которые электроизоляционная жидкость попадает в спиральные каналы 40 теплообменника. Для уменьшения рабочего объема заливочной жидкости теплообменник заполнен наполнительными элементами 39. Основной патрубок теплообменника снабжен магнитным улавливателем 42 и охватывающим патрубок фильтром-сеткой 41. Теплообменник заканчивается фланцем заглушкой 43, к которому могут быть присоединены дополнительные узлы погружной части, например контейнер с ингибитором солеотложения, погружной блок телеметрии и др.
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 секций). Управляющее устройство на основе информации о положении ротора, 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. Фазные 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 47 кольцевого типа, создают магнитный поток, проходящий через зубцы статорного пакета 45, образуя замкнутую магнитную цепь для прохождения магнитного потока. В каждой секции 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 статора поворачивается на следующий шаг. Частота вращения поля пропорциональна частоте вращения ротора, а частота вращения ротора зависит от напряжения питания. С увеличением напряжения увеличивается фазный ток в обмотках, а следовательно и вращающий момент на валу ротора.
Возникающее тепло в элементах электродвигателя отводится посредством принудительной циркуляции заливочной жидкости двумя центробежными насосами, один из которых находится в верхней части ротора верхней секции, а второй дополнительный в нижней части нижней секции, при этом жидкость протекает через проточные каналы 51 статорного пакета 45 и забирает тепло от обмоток статора, затем проходит через спиральные каналы теплообменника и отдает тепло в наружный его корпус. Тепло от корпуса теплообменника уходит в пластовую жидкость, обтекающую погружную часть установки.
Таким образом, поставленная техническая задача решена. Создана конструкция с высокой прочностью сборного корпуса секционного электродвигателя и работоспособностью на высокой частоте вращения, с эффективной принудительной циркуляцией и очисткой заливочной жидкости внутри активной части и теплообменника электродвигателя.
Вентильный секционный электродвигатель, состоящий, по меньшей мере, из двух секций, каждая из которых содержит корпус, статор с фазными обмотками, ротор с постоянными магнитами, которые намагничены в радиальном направлении, стыковочных узлов секций, подшипниковых щитов, теплообменника, элементов круговой ориентации статора с фазными обмотками и ротора, отличающийся тем, что секции соединены между собой двухрезьбовой муфтой, обладающей изгибной прочностью основного корпуса, каждая секция содержит радиальные многоклиновые биметаллические подшипники с резиновыми кольцами с контролируемым набуханием, а в нижней секции расположены дополнительный центробежный насос принудительной циркуляции заливочной жидкости и нижняя осевая самоустанавливающаяся опора с антифрикционными вкладышами, а теплообменник герметично присоединен к фланцу нижней секции и снабжен фильтром тонкой очистки заливочной жидкости и магнитным улавливателем ферромагнитных продуктов износа.
