ПОГРУЖНОЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
SUBMERSIBLE MOTOR

Изобретение относится к погружным электродвигателям, предназначенным для использования в качестве привода погружных насосных установок, например, используемых в нефтяных скважинах.
Известен погружной электродвигатель, содержащий статор, в корпус которого запрессован магнитопровод, ротор, на валу которого расположены пакеты ротора, между пакетами на валу установлены втулки подшипников скольжения, а внешние цилиндрические поверхности корпусов подшипников связаны с расточкой магнитопровода статора [Богданов А.А. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти. М.: Недра, 1968. - 272 с.: стр. 131,  153].
Электродвигатель имеет относительно низкий срок службы из-за вибрации, вызванной, в том числе, и технологическими радиальными зазорами между валом и втулками подшипников, между пакетами ротора и валом, между корпусом подшипника и расточкой магнитопровода статора. Зазоры необходимы для сборки электродвигателя.
Известен также погружной электродвигатель, в котором приняты меры для исключения радиальных технологических зазоров между валом и втулками подшипников, между пакетами ротора и валом. Известный погружной двигатель содержит статор с магнитопроводом, ротор, на валу которого расположены пакеты ротора, между пакетами на валу установлены втулки подшипников скольжения, внешняя поверхность корпусов которых связана с внутренней поверхностью магнитопровода статора. Для устранения радиальных зазоров электродвигатель снабжен разрезными кольцами, выполненными с конусообразными торцевыми поверхностями и расположенными на валу между втулками подшипников и пакетами так, что конусообразные поверхности колец контактировали с соответствующими конусообразными поверхностями пакетов и втулок [патент РФ №2380810 C1, МПК Н02К 5/12, Н02К 5/132, Н02К 5/24, приоритет 16.12.2008, опубл. 27.01.2010, Бюл. №3].
По совокупности признаков данное устройство является наиболее близким к предлагаемому изобретению и принято в качестве прототипа.
В этом электродвигателе исключена часть радиальных технологических зазоров: между валом и втулками подшипников, между пакетами ротора и валом и тем самым за счет уменьшения нагрузки на подшипники, вызванные вибрацией, увеличен срок службы. Вместе с тем, радиальные зазоры между внешней поверхностью корпусов подшипников и расточкой магнитопровода статора, на которую они опираются, в этом погружном электродвигателе остаются и имеют разброс по величине в пределах технологических допусков. При работе погружного электродвигателя, длина которого при большой мощности достигает 9 метров, его ротор имеет возможность колебаться в пределах этих зазоров, что снижает срок его службы.
Настоящее изобретение направлено на увеличение срока службы погружных электродвигателей, прежде всего работающих на повышенных частотах вращения, за счет снижения вибрации.
Указанный технический результат достигается тем, что погружной электродвигатель, содержащий статор с магнитопроводом, ротор, на валу которого расположены пакеты ротора, чередующиеся с втулками подшипников скольжения, внешняя поверхность корпусов которых связана с внутренней поверхностью магнитопровода, между втулками и пакетами размещены разрезные кольца с конусообразными торцевыми поверхностями, примыкающими к соответствующим конусообразным поверхностям пакетов и втулок, согласно изобретению дополнительно снабжен по крайней мере одним фиксирующим элементом из материала, обладающего возможностью увеличения своего объема, в корпусах подшипников со стороны внешней поверхности выполнено, по крайней мере, одно углубление для размещения фиксирующего элемента, а втулки подшипников выполнены с разным осевым размером и размещены в порядке увеличения осевого размера по направлению к концу вала, имеющему возможность свободного перемещения в осевом направлении.
Фиксирующие элементы могут быть выполнены из материала, обладающего возможностью заданного гарантированного набухания (увеличения объема) в масле, например, из резины с контролируемым уровнем набухания в маслах.
Углубления могут быть выполнены в виде кольцевых канавок, а элементы - в форме колец. В некоторых вариантах исполнения на внешней поверхности корпусов подшипников может быть выполнено три или более несквозных цилиндрических отверстий, расположенных по окружности, в которых размещены фиксирующие элементы цилиндрической формы.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен осевой разрез фрагмента активной части погружного электродвигателя; на фиг. 2 - конструкция подшипника скольжения, в котором углубления выполнены в виде кольцевых канавок, а элементы в виде колец; на фиг. 3 - конструкция подшипника скольжения, в котором углубления выполнены в виде трех несквозных цилиндрических отверстий, а элементы - в виде цилиндров; на фиг. 4 - разрез А-А фиг. 3; на фиг. 5 - общий вид погружного электродвигателя в рабочем положении.
Погружной электродвигатель (фиг. 1) содержит статор 1 с магнитопроводом 2, ротор 3, на валу 4 которого расположены пакеты 5 ротора. Между пакетами 5 на валу 4 установлены втулки 6 подшипников скольжения. Пакеты 5 ротора и втулки 6 подшипников установлены на валу 4 так, что исключается возможность их поворота относительно вала электродвигателя. Внешняя поверхность корпусов 7 подшипников связана с внутренней поверхностью магнитопровода 2. Корпуса 7 подшипников опираются на внутреннюю поверхность (расточку) магнитопровода 2, запрессованного в корпус статора 1. Между втулками 6 и пакетами 5 размещены разрезные кольца 8 с конусообразными торцевыми поверхностями. Разрезные кольца 8 своими конусообразными торцевыми поверхностями контактируют с соответствующими конусообразными поверхностями втулок 6 и пакетов 5 и, будучи сжаты в процессе сборки осевым усилием, устраняют радиальные зазоры между валом 4, втулками 6 и пакетами 5. На внешних цилиндрических поверхностях корпусов 7 подшипников скольжения выполнены углубления, в которых размещены фиксирующие элементы 9, соответствующие форме углублений и выполненные из материала, обладающего возможностью увеличения своего объема. Втулки 6 подшипников выполнены с разным осевым размером L, причем втулки имеют тем больший размер, чем ближе к концу вала, имеющему возможность свободного перемещения в осевом направлении, они расположены.
Фиксирующие элементы 9 могут быть выполнены из материала, обладающего возможностью гарантированного набухания в масле, например, из специальной резиновой смеси с необходимой величиной объемного набухания в конкретной среде.
Углубления на внешних цилиндрических поверхностях корпусов 7 подшипников могут быть выполнены в виде кольцевых канавок, а элементы 9 - в форме колец (фиг. 2).
Углубления на внешних цилиндрических поверхностях корпусов 7 подшипников могут быть выполнены также в виде трех несквозных цилиндрических отверстий, равномерно расположенных по окружности, а элементы 9 могут иметь цилиндрическую форму (фиг. 3-4). Количество отверстий и фиксирующих элементов в зависимости от величины допустимых технологических зазоров и внешнего диаметра расточки магнитопровода статора может быть увеличено.
При сборке ротора погружного электродвигателя на его вал в соответствии с последовательностью, определенной в конструкторской документации, насаживают разрезные кольца 8, подшипники и пакеты 5 (фиг. 1). Количество пакетов 5 выбирается в зависимости от мощности электродвигателя. Втулки 6 подшипников скольжения, имеющие разный осевой размер L, располагают на валу 4 в порядке увеличения их осевого размера по направлению к концу вала, имеющему возможность свободного перемещения при тепловом расширении. Как правило, в погружных электродвигателях такой конец располагается в основании. На фиг. 1 показано, что осевой размер втулок подшипников 6 условно увеличивается слева направо - L1<L2<L3.
Общий вид погружного электродвигателя в рабочем положении представлен на фиг. 5. Конструкция кабельного ввода 10 не позволяет вставить ротор со стороны головы 11 двигателя, поэтому ротор вставляется в погружной электродвигатель со стороны основания 12. Собранный ротор 3 помещают в расточку магнитопровода 2 статора 1, затем устанавливают основание 12 и голову 11, после чего заполняют внутреннюю полость электродвигателя маслом. Радиальный размер фиксирующих элементов 9 выбирается таким, чтобы они не препятствовали установке ротора в статор.
При установке ротора в статор со стороны основания допускается только минимально возможное обратное перемещение ротора относительно статора. В реальных погружных двигателях это перемещение равно осевому размеру (толщине) стопорного кольца пяты осевой опоры, поскольку именно на эту величину необходимо выдвинуть канавку вала за пяту, чтобы установить стопорное кольцо. После установки стопорного кольца ротор перемещают в обратном направлении до заглубления стопорного кольца в отверстие пяты. После этого устанавливают транспортные крышки, причем транспортная крышка со стороны вала устанавливается так, что ограничивает движение ротора в направлении от основания к голове.
Элементы 9 подшипников, например, выполненные из резины с контролируемым набуханием в маслах, в течение 1…2 часов после заполнения электродвигателя маслом увеличивают свой объем, фиксируя корпусы 7 подшипника в расточке магнитопровода 2 статора 1 и центрируя его относительно расточки. При этом исключается возможность как радиального, так и осевого перемещения корпусов 7 подшипника относительно магнитопровода 2 статора и, как следствие, снижается уровень вибрации электродвигателя.
Характерной конструктивной особенностью погружных двигателей является большая длина. Монтажная длина односекционных погружных электродвигателей одного габарита определяется мощностью и достигает в ряде случаев 9 м, а соотношение между длиной активной части и наружным диаметром достигает значений 70 и более. При сборке электродвигателя отсутствует перепад температур между статором и ротором. При включении электродвигателя его ротор 3, в том числе вал 4, нагревается гораздо быстрее, чем его статор, поскольку имеет гораздо меньшую массу и худшие условия для отвода тепла. Даже при номинальной нагрузке в установившемся режиме между воздушным зазором и внешней поверхностью статора существует перепад температур, составляющий несколько десятков градусов. В таких условиях ротор 3 от нагрева удлиняется сильнее, чем статор 1. В большинстве электродвигателей длиной 8…9 метров удлинение вала 4 относительно статора 1 при нагревании до рабочей температуры составляет примерно 3…4 мм. В напряженных по теплу конструкциях при такой длине секции, удлинение ротора относительно статора вследствие нагрева достигает 6 мм.
Естественно, при нагревании, чем дальше расположен участок вала 4 от головы 11, тем больше будет его осевое перемещение. При этом торцевые поверхности пакетов 5 ротора входят в соприкосновение с неподвижными корпусами 7 подшипников. В случае, когда корпус 7 подшипника зафиксирован в магнитопроводе 2 статора 1 расширившимися элементами 9, усилие трения резко возрастает, выделяется большое количество тепла, что приводит к локальному перегреву изоляции обмотки и возможному выходу двигателя из строя. Для исключения этого эффекта необходимо обеспечить зазор между корпусом подшипника 7 и соседним пакетом 5 ротора, равный максимально возможному температурному удлинению ротора. Именно для этого подвижные втулки 6 подшипников выполняют с осевой длиной, тем большей, чем ближе они расположены к концу вала, имеющему возможность осевого перемещения. В этом случае при тепловом удлинении вала 4 он вместе с втулками 6 подшипников будет перемещаться по рабочему зазору подшипника, исключая локальные перегревы, обусловленные трением.
Таким образом, электродвигатель, выполненный согласно изобретению, не подвержен заклиниванию ротора при нагревании, а благодаря исключению технологических зазоров между корпусами подшипников и магнитопроводом, имеет сниженный уровень вибрации и, соответственно, повышенный срок службы.