ПОГРУЖНОЙ МАСЛОЗАПОЛНЕННЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области нефтяного машиностроениям, в частности к конструкции погружных маслозаполненных вентильных (синхронных) электродвигателей для электропривода погружных высокооборотных центробежных насосов для добычи нефти. Такие погружные двигатели могут быть высокоскоростными с частотой вращения 6000 об/мин и выше.
Уровень техники
Увеличение наработки на отказ высокооборотных погружных центробежных вентильных насосов с приводом на основе вентильных электродвигателей для нефтедобычи существенно зависит от ресурса такого электродвигателя, который в свою очередь зависит от его теплового режима. Проблема перегрева погружных вентильных маслозаполненных электродвигателей может стать особенно актуальной при интенсификации добычи нефти и при применении вентильных двигателей большой мощности. В таких двигателях реализуются циркуляционные контуры принудительного охлаждения. Он необходим из-за малого габарита силовой части и интенсивного тепловыделения в ней и соответственно необходим эффективный проток жидкости для обеспечения повышенной теплопередачи от нагревающихся элементов электродвигателя. В связи с этим актуальна оптимизация технических характеристик конструкции погружных маслозаполненных вентильных электродвигателей, в частности, тепловых режимов работы электродвигателя (с повышением их КПД) за счет оптимизированной геометрии каналов принудительной циркуляции охлаждающего масла в маслозаполненном двигателе.
Известен погружной вентильный маслозаполненный электродвигатель (см. патент RU №2277285, опубл. 2006), содержащий корпус, статор, вал, причем на валу каждого модуля размещены постоянные магниты, которые намагничены в радиальном направлении. Недостатком этого электродвигателя является отсутствие эффективной системы охлаждения двигателя. В частности в нем не предусмотрена развитая канальная маслозаполненная система охлаждения.
Ближайшим аналогом (прототипом) заявленного технического решения (см. патент РФ №2672858, Опуб. 2018) является погружной маслозаполненный вентильный электродвигатель, содержащий элементы для обеспечения циркуляции масла, цилиндрический корпус, в котором размещен ротор с полым валом. Полость указанного вала выполнена с возможностью циркуляции масла через него. Магнитопровод статора содержит зубцы и одинаковые в поперечном сечении четырехугольные статорные пазы, которые заполнены обмоточными проводами. Внешняя поверхность магнитопровода статора прилегает к внутренней поверхности цилиндрического корпуса. На наружной поверхности магнитопровода статора выполнены продольные углубления (в виде пазов) и сформированы продольные проточные каналы для циркуляции масла, образованные поверхностями вышеуказанных продольных углублений и соответствующими областями внутренней поверхности цилиндрического корпуса расположенными над продольными углублениями (см позиции 5, 7 на Фиг. 1, 2, 3 к патенту РФ №2672858). Количество продольных проточных каналов выполнено равным количеству зубцов магнитопровода статора. В поперечном сечении продольные проточные каналы охлаждения (масло в качестве охлаждающей жидкости) представляют собой фигуры, симметричные относительно радиальной оси симметрии зубца статора и имеющими полукруглую, треугольную, трапецеидальную формы или форму полуэллипса. Недостатком указанного технического решения является отсутствие оптимизированных форм указанных фигур, учитывающих особенность конкретного распределения электромагнитных полей по магнитопроводу статора (направлений и значений потоков магнитной индукции) в вентильном (синхронном) двигателе. Неоптимизированная форма указанных фигур может вести к неоптимальному распределению электрических полей при работе электродвигателя (в частности повышению максимальных значений магнитной индукции), что может привести к падению КПД вентильного двигателя и соответственному повышенному перегреву двигателя, и как следствие - снижению надежности (так как при повышении температуры статорной обмотки даже на несколько градусов наработка на отказ может существенно уменьшиться).
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей настоящей полезной модели является разработка экономичного погружного вентильного маслозаполненного электродвигателя с эффективным масляным охлаждающим циркуляционным контуром.
Технический результат полезной модели - повышение эффективности работы погружного вентильного двигателя с кольцевыми магнитными сегментами на роторе (увеличение КПД) (за счет минимизации статических потерь при прохождении магнитного потока по магнитопроводу статора) при одновременном повышении его времени наработки на отказ путем обеспечения эффективной работы охлаждающего циркуляционного контура электродвигателя (за счет обеспечения одновременно максимально возможного поперечного сечения и максимальной поверхности для теплоотдачи в проточном продольном циркуляционном канале, образованном между поверхностями магнитопровода и ротора). В конечном счете, происходит снижение термонагруженности критических узлов вентильного электродвигателя (магнитопровод статора, вал). Дополнительным преимуществом конструкции является также обеспечение компактности вентильного электродвигателя - возможность минимизации внешнего диаметра цилиндрического корпуса D и его длины за счет оптимизации конструкции охлаждающего контура погружного вентильного электродвигателя.
Для достижения указанного технического результата разработан погружной маслозаполненный вентильный электродвигатель, содержащий элементы для обеспечения циркуляции масла, цилиндрический корпус, полый вал ротора. При этом полость вала выполнена с возможностью циркуляции в ней масла. Магнитопровод статора содержит одинаковые зубцы и четырехугольные статорные пазы, заполненные обмоточными проводами. Внешняя поверхность магнитопровода статора прилегает к внутренней поверхности цилиндрического корпуса, при этом на наружной поверхности магнитопровода статора выполнены продольные углубления. В электродвигателе сформированы продольные проточные каналы для циркуляции масла, образованные поверхностями вышеуказанных продольных углублений и соответствующими областями внутренней поверхности цилиндрического корпуса расположенными над продольными углублениями. Количество продольных проточных каналов выполнено равным количеству зубцов магнитопровода статора. В поперечном сечении вышеуказанные продольные проточные каналы образуют фигуру треугольной формы. Указанная фигура треугольной формы имеет две стороны с общей вершиной, которые симметричны относительно друг друга с осью симметрии, представляющей собой радиальную ось симметрии зубца статора и третью сторону, сформированную соответствующей частью цилиндрического корпуса. На полом валу ротора установлено четное количество магнитных кольцевых сегментов, каждый из которых намагничен в радиальном направлении. Магнитные кольцевые сегменты формируют пары полюсов с чередованием северного и южного полюсов по круговому направлению вышеуказанного вала ротора. Верхняя (наружная) сторона каждого статорного паза расположена на расстоянии h от внутренней поверхности корпуса цилиндра, при этом каждый статорный паз в поперечном сечении имеет два скругленных верхних угла. Каждый верхний скругленный угол образован дугой окружности с радиусом R1 и с центром в точке Oi', где i целое число i от 1 до 2N, где N - общее количество статорных пазов, при этом каждая из вышеуказанных сторон с общей вершиной вышеуказанной фигуры треугольной формы образована отрезком дуги с радиусом R2=R1+h с центром в точке Oi' для каждого соответствующего скругленного угла статорного паза.
Отметим, что место пересечения сторон вышеуказанная общая вершина в настоящей заявке определяется как небольшое технологическое скругление (точнее его поперечный разрез - скругленный угол с осью симметрии проходящей по оси симметрии зубца статора) со своим собственным небольшим радиусом (существенно меньше радиуса основных дуг формирующих симметричные стороны) и это скругление плавно (с двух сторон относительно симметрии зубца) переходит и примыкает к основным дугам, не меняющее существенным образом треугольной формы.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - Погружной маслозаполненный вентильный электродвигатель в поперечном разрезе.
Фиг. 2 - Часть магнитопровода с четырехугольным статорным пазом со скругленными верхними углами статора и верхним продольным углублением на поверхности магнитопровода.
Фиг. 3 - Распределение полей электромагнитной индукции в погружном маслозаполненном вентильном электродвигателе в поперечном разрезе для оптимальной формы поперечного сечения продольного проточного канала. (Расчетная модель интенсивности магнитной индукции электродвигателя с указанием линий магнитного потока).
Фиг. 4 - Магнитопровод статора с продольными проточными каналами.
Осуществление полезной модели
Погружной маслозаполненный вентильный электродвигатель выполнен высокоскоростными с частотой вращения 6000 об/мин и выше. 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. Электродвигатель (см. Фиг. 1) содержит элементы для обеспечения циркуляции масла (например, насосные ступени для принудительной циркуляции масла - не показаны), цилиндрический корпус 1 с диаметром D, полый вал ротора 5. Полость вала (внутренний осевой канал вала 7) выполнена с возможностью циркуляции в ней масла. Магнитопровод статора 11 ("статорное железо") с ярмом 2 толщиной h содержит зубцы 10 (каждый зубец имеет одинаковую ширину Н) и одинаковые в поперечном сечении четырехугольные статорные пазы 12, заполненные обмоточными проводами 3. Внешняя поверхность магнитопровода статора 11 прилегает к внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1, при этом на наружной цилиндрической поверхности магнитопровода статора выполнены продольные углубления. В электродвигателе сформированы продольные проточные каналы 8 для циркуляции масла, образованные поверхностями продольных углублений и соответствующими областями внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1 расположенными над продольными углублениями. Количество продольных проточных каналов 8 выполнено равным количеству зубцов 10 магнитопровода статора 11, что является одним из факторов эффективного охлаждающего процесса (более равномерному выравниванию температур по окружности статора). В поперечном сечении вышеуказанные продольные проточные каналы 8 образуют фигуру треугольной формы. Указанная фигура треугольной формы имеет две стороны с общей вершиной 9, которые симметричны относительно друг друга с осью симметрии представляющей собой радиальную ось симметрии зубца статора и третью сторону, сформированную соответствующей частью цилиндрического корпуса 1. Место пересечения симметричных между собой дуговых сторон - общая вершина 9 (более точно - это скругленный угол) представляет собой относительно небольшое технологическое скругление со своим собственным радиусом.
На полом валу 5 ротора установлено четное количество магнитных кольцевых сегментов 4 (между которыми установлены разделительные шины 6), каждый из которых намагничен в радиальном направлении (направления намагниченности показаны на Фиг. 1). В качестве кольцевых магнитных сегментов 4 используются, например, магниты из редкоземельных сплавов, которые формируют пары полюсов с чередованием северного и южного полюсов по круговому направлению вышеуказанного вала 5 ротора. Внешняя сторона каждого статорного паза 12 расположена на расстоянии h от внутренней поверхности корпуса цилиндра, при этом каждый статорный паз в поперечном сечении имеет два скругленных верхних угла. (Верхние углы это два угла четырехугольного статорного паза, которые находятся ближе всего к цилиндрической поверхности корпуса 1). Каждый верхний скругленный угол (см. Фиг. 2) образован дугой окружности с радиусом R1 и с центром в точке Oi', где i целое число i от 1 до 2N, где N - общее количество статорных пазов 12, при этом каждая из вышеуказанных сторон с общей вершиной вышеуказанной фигуры треугольной формы образована отрезком дуги с радиусом R2=R1+h с центром в точке Oi' для каждого соответствующего верхнего скругленного угла. Верхняя сторона каждого статорного паза расположена на расстоянии h от внутренней поверхности корпуса цилиндра. В настоящей заявке толщина ярма совпадает с указанным расстоянием h, поскольку внешняя поверхность магнитопровода статора 11 прилегает к внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1. Отметим, что вышеуказанная треугольная фигура, исходя из вышеуказанных особенностей ее построения, представляет собой криволинейный треугольник с двумя симметричными вогнутыми внутрь треугольника дуговыми сторонами и стороной в виде выпуклой дуги.
В качестве примера в настоящей заявке рассматривается трехфазный вентильный двигатель. При работе электродвигателя его система управления следит за положением ротора, подавая напряжение определенной полярности на соответствующую пару обмоток в статорных пазах таким образом, чтобы возбуждаемое в статоре магнитное поле увлекало за собой ротор, заставляя его вращаться. Радиально намагниченные постоянные магниты кольцевого типа 4 создают магнитный поток, проходящий через магнитопровод статора 11, обмоточные провода 3 (обычно медные провода), цилиндрический корпус 1, образуя замкнутую магнитную цепь для прохождения магнитного потока. Охлаждающий контур с принудительной циркуляцией жидкости в упрощенном общем случае работает так - охлажденное масло в теплообменнике (не показан) электродвигателя поступает через осевой канал 7 ротора и через промежуточные каналы (не показаны) в проточные продольные каналы 8 на наружной поверхности статора и далее по ним в нижнюю область двигателя. При этом происходит теплоотдача от "статорного железа" и ротора в масло (диэлектрическое). Масло охлаждается в теплообменнике и вновь поступает снизу в полость вала (осевой канал 7) и цикл охлаждения, обеспечиваемый элементами циркуляции, повторяется. Каналы 8 построенные с учетом создания требуемого распределения полей магнитной индукции (их геометрические параметры в определенной степени определяют необходимую структуру поля магнитной индукции Фиг. 3) имеют форму, обеспечивающую минимальные потери при прохождении магнитного потока по железу статора, максимально возможное сечение и максимальную поверхность для теплоотдачи. Также при этом достигается минимально возможное значение диаметра D. Таким образом, обеспечивается интенсивное вынесение циркулирующим внутри маслом тепловой энергии из внутренних частей двигателя к теплообменнику, и, следовательно, происходит улучшение охлаждения и снижения термонагруженности его критических узлов (например, магнитопровода статора).
Пример осуществления полезной модели Результаты тестирования одинаковых вентильных электродвигателей (в рабочем режиме) отличающихся только разными вариантами поперечных сечений продольного охлаждающего канала (и с учетом данных расчетного компьютерного моделирования полей) показывают эффективность используемой в настоящей заявке заданной формы криволинейного треугольного поперечного сечения продольного проточного канала 8. Пример расчета полей магнитной индукции для такой формы сечения показан на Фиг. 3. Участки с максимальной индукцией Bmax имеют повышенную плотность линий магнитной индукции (более затемненные участки). Например, при расчете конкретной конструкции она была равна Bmax=2.1 Тесла. При канавках другой формы (и площади), отличной от оптимальной, появляются участки с большей плотностью магнитного потока Bf (Bf>Bmax) (больше, чем имеется при предлагаемой оптимальной форме поперечного сечения, вследствие чего увеличатся потери и уменьшится КПД двигателя) или происходит ухудшение теплообмена. Отметим, что для погружных асинхронных двигателей картина распределения электромагнитных полей отличается от распределения полей для погружных вентильных двигателей и требуется проведения отдельных исследований для поиска оптимальных форм поперечных сечений продольных охлаждающих каналов для асинхронных двигателей.
Треугольная криволинейная форма поперечного сечения с заданными геометрическими параметрами обеспечивает оптимальное распределение электрических полей при работе электродвигателя (в частности, как показывают результаты компьютерного моделирования полей, максимальные значения магнитной индукции В при данной форме поперечного сечения ниже, чем при полукруглой форме, треугольной форме с другой формой сторон, а также множества других конфигураций поперечных сечений). Это обеспечивает повышение КПД вентильного двигателя (например, на 1-2% процента) и соответственно, снижает перегрев вентильного электродвигателя. Следствием этого является повышение надежности двигателя ((так как при повышении температуры статорной обмотки даже на несколько градусов наработка на отказ может существенно уменьшится (в 1.5-2 раза)). При понижении магнитной индукции за счет оптимальной формы поперечного сечения происходит минимизация потерь (например, статических потерь на перемагничивание магнитопровода статора). В этом случае магнитный поток, проходя по магнитопроводу, разворачивает все домены (электротехнической стали магнитопровода) то по направлению магнитного поля, то в противоположном направлении, при этом поле совершает работу: кристаллическая решетка стали магнитопровода расширяется, выделяется тепло и магнитопровод статора разогревается.
Таким образом, разработанная конструкция погружного вентильного маслозаполненного электродвигателя имеет оптимальные электромагнитные параметры, обеспечивающие эффективный циркуляционный контур охлаждения и повышенную наработку на отказ.