ПОГРУЖНОЙ МАСЛОЗАПОЛНЕННЫЙ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
SUBMERSIBLE OIL-FILLED HIGH-SPEED ELECTRIC MOTOR

Изобретение относится к области машиностроения, в частности, к конструкции погружных маслозаполненных высокоскоростных электродвигателей для привода центробежных насосов для добычи нефти. Такие высокоскоростные погружные двигатели выпускаются на частоту вращения 6000 об/мин и выше.
Характерной конструктивной особенностью погружных двигателей для привода центробежных насосов является относительно малый диаметр и большая длина. На валу двигателей последовательно располагаются опорные узлы (подшипники скольжения) и пакеты ротора. Монтажная длина односекционных погружных электродвигателей одного габарита определяется мощностью и достигает в ряде случаев 9 м, при этом количество пакетов ротора в таком двигателе может достигать 20 штук. При работе двигателя масло из маслозаполненной полости поднимается по внутреннему отверстию в валу к турбинке, обеспечивая смазку пяты и радиальных подшипников, и нагнетается турбинкой в полость над статором двигателя. Отсюда оно идет по зазорам между статором и ротором и по пазам в статорном железе, отводя тепло от перегретых деталей. Тепло, в конечном счете, передается внешней пластовой жидкости, окружающей электродвигатель, при этом передача тепла в радиальном направлении к охлаждающей пластовой жидкости происходит через поверхности с малой активной площадью. В настоящее время в установках электроцентробежных насосов (УЭЦН), работающих на высоких частотах, используют вентильные двигатели. В погружных вентильных двигателях, в отличие от асинхронных, нет источников тепла в роторе. Мощность, которая идет в статор со стороны ротора, обусловлена в основном гидравлическими потерями в расточке. С ростом рабочей частоты вращения мощность гидродинамических потерь в зазоре растет пропорционально третьей степени частоты [Лавров А.Г., Шкарбун Н.С. Расчет гидродинамических потерь в погружных асинхронных электродвигателях. Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2016. №10. С. 47-49], поэтому для надежной работы таких двигателей необходимо обеспечивать интенсивное вынесение потерь в роторе и зазоре на периферию циркулирующим внутри маслом.
Известен погружной маслозаполненный электродвигатель, содержащий статор, корпус, обмотку статора, ротор, в состав которого входят пакеты, вал с отверстием, корпус и втулки подшипников с радиальными отверстиями для поступления масла в узлы трения, рабочее колесо, служащее для создания принудительной циркуляции масла в замкнутом контуре, головка, в которой расположены пята с радиальными отверстиями, выполняющая роль турбинки для обеспечения движения масла, подпятник и тепловую трубу, испарительная часть которой расположена в свободной полости, заполненной маслом, а конденсаторная часть - вне электродвигателя. Функция тепловой трубы заключается в охлаждении и стабилизации температуры масла, заполняющего свободные полости погружного электродвигателя [Патент №2246164 RU, H02K 5/12, 5/10, опубл. 10.02.2005, Бюл. №4].
Недостатком указанного погружного электродвигателя является увеличенные габаритные размеры насосной установки, что затрудняет проведение спускоподъемных работ, кроме того, имеется опасность повреждения конденсаторного участка, расположенного вне электродвигателя.
Известен погружной электродвигатель, выполненный с большим соотношением длины к диаметру и состоящий из цилиндрического корпуса, в котором установлен цилиндрический шихтованный магнитопровод с обмоткой, на наружной поверхности которого выполнены на радиальных осях симметрии зубцов не менее двух симметрично расположенных продольных пазов, при этом глубина пазов выбирается из условия их минимального влияния на магнитный поток при работе электродвигателя. В данной конструкции продольные пазы предназначены для повышения жесткости статора и надежности фиксации магнитопровода в его корпусе [Патент №2336619 RU, H02K 1/18, 1/12, 5/132, опубл. 20.10.2008. Бюл. №28].
Известен погружной маслозаполненный электродвигатель для погружных электронасосов, содержащий корпус, зубчатый магнитопровод статора с пазами, заполненными обмоткой, и продольными пазами на его наружной поверхности, выполненными на радиальных осях симметрии зубцов статора и образующими с поверхностью корпуса каналы, сообщающиеся с полостью корпуса, ротор с полым валом в виде пакетов насаженных на вал и чередующихся с подвижными втулками подшипников, опирающихся внешней втулкой (корпусом) на внутреннюю поверхность статора, элементы для циркуляции масла [Патент на полезную модель №39168 RU, F04D 13/10, опубл. 20.07.2004].
По совокупности признаков данный объект является наиболее близким к предполагаемому изобретению и принят в качестве прототипа.
В этом электродвигателе нагретое в результате работы электродвигателя масло поступает сверху в проточные пазы на наружной поверхности статора и далее по ним в нижнюю область двигателя. При этом происходит теплоотдача от нагретого масла через стенки корпуса в добываемую жидкость, которая омывает наружную поверхность погружных электродвигателей. Масло охлаждается и вновь поступает снизу в полость вала и цикл повторяется. Малый зазор между статором и ротором, частично перекрытый подшипниковыми втулками, затрудняет циркуляцию жидкости в полости погружного электродвигателя и осложняет вынесение потерь в роторе и зазоре на периферию. Особенно хорошо это заметно в мощных электродвигателях, имеющих большую длину. Измеренный на серийном погружном вентильном электродвигателе на 6000 об/мин мощностью 400 кВт перепад температуры обмотки в верхней и нижних частях составляет приблизительно 16°C. Высокая теплонагруженность верхних узлов двигателя снижает срок службы, как его, так и всей насосной установки.
Настоящее изобретение решает задачу увеличения эксплуатационной надежности погружных маслозаполненных электродвигателей при повышенной частоте вращения за счет организации интенсивного вынесения циркулирующим внутри маслом потерь в роторе и зазоре на периферию, и, следовательно, улучшения его охлаждения и снижения термонагруженности его верхних узлов.
Указанный технический результат достигается тем, что в погружном маслозаполненном высокоскоростном электродвигателе, содержащем корпус, зубчатый магнитопровод статора с пазами, заполненными обмоткой, и продольными пазами на его наружной поверхности, выполненными симметрично радиальным осям симметрии зубцов статора и образующими с внутренней поверхностью корпуса каналы, сообщающиеся с полостью корпуса, ротор с полым валом в виде пакетов насаженных на вал и чередующихся с подвижными втулками подшипников, опирающихся корпусом на внутреннюю поверхность статора, элементы для циркуляции масла, согласно изобретению, магнитопровод статора выполнен в виде пакетов, установленных в корпусе согласно безрадиального смещения, статор дополнительно снабжен зубчатыми кольцевыми элементами, установленными радиально согласно с пакетами магнитопровода, а по оси между пакетами магнитопровода статора напротив корпусов подшипников, и выполненными с радиальными каналами, чередующимися с двух торцовых сторон по осям симметрии зубцов статора или параллельно им, на наружной поверхности корпусов подшипников с каждой из сторон выполнены пазы, расположенные в шахматном порядке и имеющие осевую длину большую, чем половина осевой длины корпуса подшипника.
Сечение продольных пазов на наружной поверхности статора могут иметь трапецеидальную форму или форму полуэллипса.
Благодаря выполнению магнитопровода статора из чередующихся последовательно пакетов с продольными пазами на наружной поверхности и зубчатых кольцевых элементов с радиальными каналами, получены дополнительные проточные каналы, обеспечивающие за счет циркуляции масла интенсивный отвод тепла от высокоскоростного ротора и обмотки к корпусу по всей его длине.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен осевой разрез фрагмента маслозаполненного высокоскоростного погружного электродвигателя, на фиг. 2 - поперечный разрез А-А по шихтованному пакету магнитопровода статора, на фиг. 3 - вид В фиг. 2, на фиг. 4 - поперечный разрез двигателя В-В по зубчатому кольцевому элементу при движении масла от корпуса в центр, на фиг. 5 - поперечный разрез двигателя С-С по зубчатому кольцевому элементу при движении масла от центра к корпусу, на фиг. 6 - корпус подшипника, на фиг. 7 - зубчатый кольцевой элемент, на фиг. 8 - поперечный разрез А-А по шихтованному пакету магнитопровода статора с двумя каналами над каждым из зубцов статора, на фиг. 9 - поперечный разрез двигателя В-В по зубчатому кольцевому элементу при движении масла от центра к корпусу при выполнении пакета статора с двумя каналами над каждым из зубцов статора, на фиг. 10 - поперечный разрез двигателя С-С по зубчатому кольцевому элементу при движении масла от корпуса к центру при выполнении пакета статора с двумя каналами над каждым из зубцов статора, на фиг. 11 - распределение температуры (относительно корпуса) по сечению статора погружного вентильного электродвигателя максимальной мощности в габаритах 117 мм для номинального режима.
Погружной высокоскоростной электродвигатель, содержит корпус 1, заполненный маслом, в котором размещен зубчатый магнитопровод статора 2 с пазами 3. Пазы 3 статора 2 заполнены обмоткой 4, катушки которой электрически соединены между собой, образуя многофазную, например, трехфазную обмотку якоря. Продольные пазы 5 на наружной поверхности пакетов статора 2 выполнены над зубцами статора 6 симметрично их радиальным осям симметрии и образуют с внутренней поверхностью корпуса 1 каналы 7, сообщающиеся с полостью корпуса 1. Количество продольных пазов 5 (фиг. 3) может быть равно, например, количеству зубцов 6 статора, а также может быть выбрано исходя из конструктивных особенностей статора без ухудшения технических характеристик двигателя. Ротор 9 с полым валом 8 выполнен в виде пакетов насаженных на вал, чередующихся с подвижными втулками 10 подшипников, опирающихся корпусом 11 на внутреннюю поверхность статора 2. В местах расположения подшипников на валу 8 выполнены радиальные отверстия, сообщающиеся с полостью вала. На валу 8 смонтированы элементы для циркуляции масла, например, турбинка (Богданов А.А. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти (расчет и конструкция. Изд-во «Недра», 1968. - стр. 152), обеспечивающая циркуляцию масла внутри двигателя через вал 8 ротора и специальные продольные пазы в спинке статора (не показано). Магнитопровод статора 2 выполнен в виде пакетов 12, длина которых может быть определена при тепловом расчете электродвигателя. Статор дополнительно снабжен зубчатыми кольцевыми элементами 13, установленными по оси двигателя между пакетами 12 магнитопровода статора 2 напротив корпусов 11 подшипников. Все зубчатые элементы статора - пакеты 12 и металлические зубчатые кольцевые элементы 13, запрессованы в корпус согласно - так, чтобы их пазы совпадали между собой, и намотку обмотки можно было реализовать любым известным способом. Зубчатые кольцевые элементы 13 выполнены с радиальными сквозными каналами 14, чередующимися с двух торцевых сторон по осям симметрии зубцов статора (фиг. 7) или параллельно этим осям (фиг. 9, 10). На наружной поверхности корпусов 11 подшипников (фиг. 6) с каждой из сторон в шахматном порядке выполнены чередующиеся пазы 15, имеющие осевую длину большую, чем половина осевой длины корпуса 11 подшипника. Количество пакетов ротора и статора в зависимости от мощности двигателя может быть различным.
В погружном маслозаполненном высокоскоростном электродвигателе сечение продольных пазов 5 на наружной поверхности его пакетов 12 статора может иметь полукруглую, треугольную, трапецеидальную форму или форму полуэллипса.
Устройство работает следующим образом.
При работе электродвигателя на высоких частотах за счет выделенного тепла от работающих обмоток и гидродинамических потерь происходит нагрев элементов конструкции двигателя, особенно в области воздушного зазора. На фиг. 11, для примера, показано распределение температуры (относительно корпуса) по сечению статора погружного вентильного электродвигателя максимальной мощности в габаритах 117 мм для номинального режима. При вращении вала 8 масло, находящееся в его полости, прокачивается центробежной силой через радиальные отверстия в валу и отверстия в турбинке. За счет этого осуществляется подача масла из нижней полости погружного электродвигателя к подшипникам и в верхнюю область полости двигателя. Подаваемое масло омывает элементы конструкции электродвигателя в верхней полости, наиболее нагреваемой при работе, и охлаждает указанные элементы. Далее нагретое в процессе движения масло поступает в проточные каналы 7 и двигается по пути, показанном стрелками на фиг. 1, в нижнюю область электродвигателя - в маслозаполненную полость. При этом по всей длине двигателя происходит теплоотдача с элементов расположенных в воздушном зазоре и охлаждение нагретого масла через стенки корпуса 1 в добываемую жидкость, которая омывает его наружную поверхность. Охлажденное масло вновь поступает снизу в полость вала 8 и цикл повторяется.
Передача тепла в радиальном направлении от постоянно нагревающегося масла к статору и далее от корпуса статора к охлаждающему пластовому флюиду происходит эффективно при движении масла от зазора по пазам на наружной поверхности корпусов 11 подшипников (фиг. 6) и радиальным каналам 14 зубчатых кольцевых элементов 13 (фиг. 7) в каналы 7 пакетов 12 статора, соприкасающиеся с корпусом по всей длине погружного двигателя. Интенсивно циркулирующее внутри двигателя масло выносит тепло от потерь в обмотке 4, роторе 9 и зазоре на периферию, и, следовательно, улучшает условия работы обмотки электродвигателя, снижает термонагруженность его узлов и повышает его надежность.
Образование проточных каналов 7 за счет выполнения пазов 5 на наружной поверхности пакета статора 2 возможно без ухудшения технических характеристик двигателя. Площадь сечения металла статора, совпадающего с радиальной осью симметрии его зубца, в известных погружных электродвигателях для УЭЦН, является наибольшей для прохождения магнитного потока по сравнению с другими областями, через сечения которых движется магнитный поток. Это позволяет без ущерба для технических характеристик электродвигателя уменьшить площадь указанного сечения за счет пазов 5 на листах статора, формирующих проточные каналы 7 на наружной поверхности шихтованных пакетов 12 статора 2. При этом в статоре с широкими зубцами возможно выполнении на их наружной поверхности двух пазов, симметричных радиальной оси симметрии зубцов, и соответствующих им зубчатых кольцевых элементов 13 (фиг. 8, 9, 10). Такое выполнение увеличит интенсивность отвода тепла от центра на периферию.
Глубина продольных каналов 7 на наружной поверхности пакетов 12 статора ограничивается насыщением стали статора магнитным потоком в области расположения указанных пазов. Указанная величина насыщения определяется величиной магнитной индукции, создаваемой обмотками 4, и магнитными характеристиками материала статора.
Конструкция погружного электродвигателя с радиальными 14 и продольными каналами 7 в статоре для циркуляции масла позволяет эффективно выносить при повышенной частоте вращения потери в роторе и зазоре на периферию. Повышение интенсивности циркуляции масла, в том числе в электромагнитном зазоре, приводит к выравниванию температуры по длине двигателя, охлаждает наиболее термонагруженные элементы и улучшает охлаждение двигателя в целом. Это позволяет продлить срок службы ПЭД и насосной установки в целом и снижает интенсивность отложения солей на поверхности ПЭД.