ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
ELECTRIC MOTOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Предлагаемое изобретение относится к электродвигателю удлиненной формы для использования в скважинном инструменте. Предлагаемое изобретение относится также к скважинному инструменту, содержащему предлагаемый электродвигатель, и к скважинной системе, содержащей группу предлагаемых электродвигателей.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Предлагаемое изобретение относится к электродвигателям, и, в частности, предлагаемое изобретение относится к электродвигателям, которые специально выполнены для использования в процессах, связанных с бурением скважин. Двигатели этого типа должны быть выполнены так, чтобы соответствовать специальным требованиям по размерам скважины, то есть их внешний диаметр, как правило, очень ограничен, в то время как эти двигатели могут иметь значительную длину. Точная длина зависит от желаемой мощности двигателя. Помимо специальных требований к размерам во время операций в среде скважины, для среды этого типа характерны такие сложные условия, как, например, высокое давление, высокая температура и кислотная среда.
Одна из трудностей, встречающихся в двигателях этого типа, состоит в том, что стержень ротора должен плотно опираться по меньшей мере на подшипники на каждом конце двигателя и, как правило, также подшипники в промежуточных положениях, чтобы обеспечить ход ротора без биения, которое может вызывать повышенный износ электродвигателя и уменьшение выходной мощности. Таким образом; для конструкции эффективного электродвигателя существенной является очень плотная посадка ротора внутри статора. Для электродвигателей подобной конструкции значительной проблемой являются обусловленные тепловой деформацией осевые нагрузки на ротор, в основном, вследствие термического расширения ротора, причем ротор может изгибаться по направлению к статору, что приводит к увеличению трения и биению ротора.
Ранее предпринимались попытки решить эту проблему, например, в патенте USA 3136905 раскрыт полый ротор для допуска охлаждающей воды внутрь ротора, что позволяет избегнуть значительного термического расширения ротора. При использовании этого подхода в конструкции возникает другая проблема, поскольку становится важным обеспечить хорошую герметизацию на вращающемся элементе. Это является сложной задачей даже при нормальных условиях эксплуатации в восстающей скважине, и значительно усложняется при работах в скважине с повышенными температурами и повышенными разностями давления.
Таким образом, существует необходимость создания более совершенного электродвигателя с возможностью обеспечения плотной посадки ротора внутри статора и поддержания этой плотной посадки при термических расширениях во время операций в скважине.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача предлагаемого изобретения состоит в полном или частичном устранении вышеуказанных недостатков, присущих существующему уровню техники. В частности, задача предлагаемого изобретения состоит в создании более совершенного электродвигателя, способного функционировать при повышенных температурах окружающей среды без использования сложных охлаждающих систем.
Достижение указанных выше и различных других задач, а также преимущества и признаки заявленного технического решения, подробно раскрыты в нижеследующем описании, согласно которому изобретение представляет собой вытянутый в длину в продольном направлении скважинный электродвигатель, содержащий:
- корпус;
- статор, заключенный внутри указанного корпуса; и
- ротор, который заключен внутри указанного статора и с возможностью вращения соединен с указанным статором,
при этом ротор имеет фиксированный конец и нефиксированный конец и зафиксирован в фиксированном конце во избежание перемещения ротора в продольном направлении, причем ротор выполнен с возможностью перемещения в продольном направлении в нефиксированном конце ротора во избежание осевых нагрузок на ротор вследствие термического расширения ротора при нагреве ротора во время эксплуатации электродвигателя, и дополнительно содержит фиксированный подшипник, соединенный со статором для обеспечения опоры ротора в фиксированном конце, и нефиксированный подшипник, соединенный со статором для обеспечения опоры ротора в нефиксированном конце, причем указанные подшипники изготовлены, по меньшей мере частично, из керамического материала.
Кроме этого, предлагаемое изобретение относится к вытянутому в длину в продольном направлении скважинному электродвигателю, содержащему:
- корпус;
- статор, заключенный внутри указанного корпуса; и
- ротор, заключенный внутри указанного статора и с возможностью вращения соединенный с указанным статором,
при этом ротор имеет фиксированный конец и нефиксированный конец и зафиксирован в фиксированном конце во избежание перемещения ротора в продольном направлении, причем ротор выполнен с возможностью перемещения в продольном направлении в фиксированном конце ротора во избежание осевых нагрузок на ротор вследствие термического расширения ротора при нагревании ротора во время эксплуатации электродвигателя.
Термины "фиксированный" и "нефиксированный" относятся к возможности перемещения в продольном направлении, то есть фиксированный конец не может перемещаться в продольном направлении, а нефиксированный конец может перемещаться в продольном направлении инструмента.
Кроме того, предлагаемый скважинный электродвигатель может содержать фиксированный подшипник, соединенный со статором для обеспечения опоры ротора на фиксированном конце.
Кроме того, предлагаемый скважинный электродвигатель может содержать нефиксированный подшипник, соединенный со статором для обеспечения опоры ротора на нефиксированном конце.
Термины "фиксированный" и "нефиксированный" подшипники относятся к возможности перемещения в продольном направлении, то есть фиксированный подшипник не может перемещаться в продольном направлении, а нефиксированный подшипник может перемещаться в продольном направлении инструмента.
Предлагаемый скважинный электродвигатель может дополнительно содержать по меньшей мере один дополнительный подшипник, расположенный между фиксированным и нефиксированным подшипниками.
Подшипники могут представлять собой подшипники качения, например шариковые подшипники, цилиндрические роликовые подшипники, игольчатые роликовые подшипники, конические роликовые подшипники или сферические подшипники.
Кроме того, подшипник качения может содержать тело качения, например шарик, цилиндр, иглу, конический или сферический элемент, изготовленный из керамического материала.
Кроме этого, подшипники могут содержать элемент с дорожкой качения, изготовленный из керамического материала.
В одном из вариантов выполнения подшипники могут представлять собой шариковые подшипники.
В другом варианте выполнения шариковые подшипники могут содержать шарики, изготовленные из керамического материала.
Кроме этого, предлагаемый скважинный электродвигатель может содержать стопорные кольца или пружинные кольца для фиксации фиксированного конца ротора во избежание перемещения ротора в продольном направлении.
В одном из вариантов осуществления изобретения ротор может содержать стержневой элемент, роторный элемент, причем стержневой элемент и роторный элемент входят во взаимное зацепление посредством выступа и соединительного паза, причем соединительный паз выполнен вытянутым в длину в продольном направлении двигателя и взаимодействует с выступом, обеспечивая возможность перемещения стержневого элемента относительно роторного элемента в продольном направлении двигателя.
Кроме этого, предлагаемое изобретение относится к скважинному инструменту, содержащему предлагаемый электродвигатель.
Предлагаемое изобретение относится также к скважинной системе, содержащей группу вышеописанных электродвигателей, причем электродвигатели могут быть соединены посредством раздвижных соединительных средств.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Подробно изобретение и его преимущества описаны ниже со ссылками на прилагаемые схематичные чертежи, на которых, с целью иллюстрации, изображены некоторые варианты изобретения, не имеющие ограничительного характера, и на которых:
фиг.1 - схематическое изображение электродвигателя;
фиг.2 - схематическое изображение электродвигателя, содержащего промежуточный подшипник;
фиг.3 - схематическое изображение электродвигателя, содержащего группу промежуточных подшипников;
фиг.4 - схематическое изображение двух последовательно соединенных электродвигателей.
Все чертежи выполнены очень схематично и не обязательно в масштабе. При этом на чертежах показаны только те части, которые необходимы для пояснения изобретения. Другие части не показаны или изображены условно.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 изображен электродвигатель 1, вытянутый в длину в продольном направлении 60 и предназначенный для обеспечения в скважине силы вращения для приведения в движение таких устройств, как, например, гидравлический насос. Электродвигатель содержит ротор 2 и статор 3, размещенные в корпусе 4 двигателя. Статор 3 неподвижно соединен с корпусом 4 двигателя, при этом статор 3 содержит статорный элемент 31, фиксирующий концевой элемент 32 и нефиксирующий концевой элемент 33. Ротор 2 содержит стержневой элемент 21, роторный элемент 22, средства 23 передачи усилия и фиксирующие канавки 24. Кроме этого, ротор 2 имеет фиксированный конец 2а и нефиксированный конец 2b. Ротор 2 соединен, с возможностью вращения, со статором 3 посредством группы подшипников 41, 42, например, по меньшей мере двух подшипников, то есть фиксированного подшипника 41, служащего опорой ротору 2 в фиксированном конце 2а, и нефиксированного подшипника 42, служащего опорой ротору 2 в нефиксированном конце 2b. Термины "фиксированный" и "нефиксированный" относятся к возможности перемещения в продольном направлении 50 электродвигателя 1, соответственно фиксированный подшипник 41 не может перемещаться в продольном направлении 50, а нефиксированный подшипник 42 может перемещаться в продольном направлении 60 электродвигателя 1. Фиксированный подшипник 41 представляет собой шариковый подшипник, содержащий шарик 45 и дополнительно содержащий фиксированное внутреннее кольцо 43 с дорожкой качения, фиксированное внешнее кольцо 44 с дорожкой качения и группу подшипниковых шариков 45, расположенных между фиксированным внутренним кольцом 43 с дорожкой качения и фиксированным внешним кольцом 44 с дорожкой качения. Нефиксированный подшипник 42 представляет собой шариковый подшипник, содержащий шарик 45 и дополнительно содержащий нефиксированное внутреннее кольцо 46 с дорожкой качения, нефиксированное внешнее кольцо 47 с дорожкой качения и группу подшипниковых шариков 45. Фиксированное внешнее кольцо 44 неподвижно соединено с концевым фиксирующим элементом 32, а фиксированное внутреннее кольцо 43 неподвижно соединено со стержневым элементом 21 ротора 2 посредством двух фиксирующих колец 5, входящих в зацепление с фиксирующими канавками 24 в стержневом элементе 21 с обеих сторон внутреннего кольца 43 для фиксации продольного перемещения ротора 2 в фиксированном конце. Нефиксированное внешнее кольцо 47 упирается в нефиксирующий концевой элемент 33 статора 3, ограничивая, таким образом, перемещение нефиксированного внешнего кольца 47 в радиальном направлении электродвигателя 1, не ограничивая при этом перемещение нефиксированного внешнего кольца 47 в продольном направлении 60 электродвигателя 1. Нефиксированное внутреннее кольцо 46 прикреплено к стержневому элементу 21 ротора 2 посредством фиксирующего кольца 5, входящего в зацепление с фиксирующей канавкой 24 в стержневом элементе 21 на стороне внутреннего нефиксированного кольца 46 напротив роторного элемента 22, обеспечивая, таким образом, возможность продольного перемещения ротора 2 в результате термического расширения ротора 2.
Фиксирующий и нефиксирующий концевые элементы 32, 33 целесообразно изготовить посредством электроэрозионной обработки, электроискрового резания, выжигания и подобных технологий, позволяющих выполнить очень тонкое резание в очень толстом материале путем снятия материала посредством искрового разряда. Это позволяет пользователю изготавливать фиксирующий и нефиксирующий концевые элементы 32, 33 цельными по толщине, что оптимизирует теплопередачу и жесткость двигателя. Как вариант, фиксирующий и нефиксирующий элементы концевые 32, 33 изготавливаются более обычным образом посредством таких технологий, как пробивание металлического листа и сборка фиксирующего и нефиксирующего концевых элементов 32, 33 из группы таких листов.
Потери нескольких различных типов приводят к нагреву электродвигателя. Основной источник нагрева возникает, как правило, вследствие электрического нагрева токоведущих обмоток в двигателе, часто называемого потерями в меди из-за того, что обмотки в электродвигателе обычно изготавливают из медной проволоки. Иногда потери в меди подразделяют на первичные и вторичные потери, что соответствует первичным потерям в обмотках ротора и вторичным потерям в обмотках статора. Дополнительные потери в электродвигателе могут возникать вследствие рассеивания магнитной энергии в статоре. Другие потери на рассеяние, менее значительные по величине, возникают вследствие утечек, возникновения гармонических напряжений и других подобных явлений. Кроме этого, механические потери, например, потери на трение в подшипниках, могут приводить к нагреванию электродвигателя. Проблемы, возникающие вследствие нагревания электродвигателя, становятся особенно важными при работе в среде скважины. Генерирующее тепло оборудование в скважинном оборудовании сталкивается с проблемой повышенных температур окружающей среды, температур, которые в глубоких скважинах могут превышать несколько сот градусов. Повышенная температура окружающей среды в сочетании с оборудованием, которое из-за пространственных ограничений и перепадов давления в скважине имеет, как правило, очень "плотную" конструкцию, приводят к затруднениям при отведении тепла из оборудования. Таким образом, решения по устранению проблем, связанных с нагреванием, имеют большое техническое, а также коммерческое значение при конструировании скважинного оборудования.
Во время эксплуатации электродвигателя 1 ротор 2 вращается относительно статора 3, и тепло генерируется в основном в роторе 2. Таким образом, ротор 2 является той частью электродвигателя, на которую при эксплуатации воздействует самая высокая температура. Статор 3 и корпус 4 двигателя также нагреваются, поскольку тепло рассеивается от ротора 2 в элементы, окружающие электродвигатель 1. Ротор 2 имеет с окружающими элементами только соединения "твердое тело" - "твердое тело" посредством подшипников 41, 42, что позволяет избежать потерь на трение, поэтому температурный градиент между ротором и статором является очень большим. Кроме того, с учетом того факта, что типовые подшипниковые шарики подшипников 41, 42 изготовлены из материалов с относительно низкой теплопроводностью, например, из материалов по типу нержавеющей стали, теплопередача через подшипники является относительно низкой. Могут также использоваться подшипниковые шарики другого типа, с более высокой теплопроводностью, например, обычные шарики из хромистой стали. Промежуток 6 между статором 3 и ротором 2 заполнен маслом во избежание попадания текучей среды из скважины в двигатель 1. Масло также является относительно плохим теплопроводником, и поэтому температурный градиент через масло в промежутке 6 является также крайне высоким. В итоге ротор 2 имеет затруднения с отводом тепла, вырабатываемого при эксплуатации.
Когда ротор 2 нагревается во время эксплуатации, габариты ротора увеличиваются в результате теплового расширения. Поскольку электродвигатель 1 имеет продолговатую форму, что является следствием пространственных ограничений при эксплуатации в скважине, тепловое расширение представляет, в частности, проблему в продольном направлении. Поскольку длина электродвигателей может составлять несколько метров при ширине всего лишь в несколько сантиметров, то тепловое расширение в продольном направлении может приводить к значительным изменениям длины электродвигателя 2. До сих пор проблемы теплового расширения обычно решались путем активного или пассивного охлаждения ротора 2 во избежание значительных температурных градиентов между статором 3 и ротором 2. Проблема состоит в том, что, поскольку статор 3 и ротор 2 обычно соединены на обоих концах, значительное тепловое расширение ротора 2 одновременно с малым тепловым расширением статора 3 и корпуса 4 двигателя приводит к осевой нагрузке на ротор 2, вызывая изгиб ротора 2. Изгиб этого типа может вызывать биение при вращении ротора 2, что может уменьшить производительность электродвигателя 1 и в наихудшем случае даже разрушить электродвигатель 1.
Подшипники 41, 42, 50 могут представлять собой предпочтительно подшипники качения, например, шариковые подшипники, цилиндрические роликовые подшипники, игольчатые роликовые подшипники, конические роликовые подшипники или сферические подшипники. Указанные подшипники могут быть изготовлены, по меньшей мере частично, из керамического материала, что обеспечивает повышенные износостойкость и эксплуатационные характеристики при повышенных температурах эксплуатации. Тело 45 качения, например, шарик, цилиндр, иглу, конический или сферический элемент, можно изготовить из керамического материала. Элементы 43, 44, 46, 47 с дорожками качения можно изготовить из керамического материала для улучшения эксплуатационных характеристик подшипников.
Целесообразно, если фиксирующие кольца 5, фиксирующие подшипники 41, 42, представляют собой стопорное кольцо 5 или пружинные кольца 5, входящие в зацепление с фиксирующими канавками 24.
В электродвигателе, изображенном на фиг.1, ротор 2 при эксплуатации может термически расширяться, без изгиба, по направлению к нефиксированному подшипнику 42. Нефиксированный подшипник 42 упирается в нефиксирующий концевой элемент 33 и вследствие этого ограничен в радиальном направлении. При этом нефиксированный подшипник 42 может перемещаться в продольном направлении 60, обладая, таким образом, способностью компенсировать тепловое расширение ротора, что позволяет избегать изгиба ротора 2.
На фиг.2 изображен другой электродвигатель 1, дополнительно содержащий промежуточный нефиксированнный подшипник 50 в промежуточном положении между нефиксированным подшипником 42 и фиксированным подшипником 41. Цель размещения промежуточного нефиксированного подшипника 50 между нефиксированным подшипником 42 и фиксированным подшипником 41 состоит в повышении устойчивости ротора 2, в частности, если ротор 2 имеет значительную длину. Весьма важно, что промежуточные подшипники 50 должны быть нефиксированными, таким образом, что части ротора 2 могут быть зафиксированы при том, что другие части не зафиксированы. Если промежуточный подшипник 50 является нефиксированным, ротор 2 может свободно расширяться по всей длине ротора 2. Добавление промежуточного нефиксированного подшипника 50 посередине между нефиксированным подшипником 42 и фиксированным подшипником 41 уменьшит на половину длину ротора без опоры на подшипники. Как показано на фиг.3, группа промежуточных нефиксированных подшипников 50 может быть введена в случае электродвигателей значительной длины или в случае повышенных требований к устойчивости ротора 2.
На фиг.4 изображены два электродвигателя 1, соединенные последовательно друг с другом. Каждый двигатель 1 содержит нефиксированный подшипник 42 и фиксированный подшипник 41, поддерживающие стержень 21 ротора, обеспечивая, таким образом, согласно изобретению, возможность для каждого из стержней 21 ротора свободно перемещаться. Стержни 21 соединены между двигателями 1 посредством раздвижных соединительных средств 51. Раздвижные соединительные средства 51 содержат фиксированный соединительный конец 51а и нефиксированный соединительный конец 51b, вследствие того факта, что раздвижные соединительные средства 51 соединяют два стержня 21 между фиксированным подшипником 41 нефиксированным подшипником 42. Таким образом, раздвижные соединительные средства 51 должны обладать по меньшей мере двумя функциональными возможностями: возможностью передачи усилия вращения от одного стержня 21 на другой и возможностью приспособления, путем раздвижения, к изменению длины стержня 21, который соединен с нефиксированным соединительным концом 51b. Одним из вариантов выполнения раздвижных соединительных средств 51, обладающих двумя указанными функциональными возможностями, является раздвижное карданное соединение, однако можно использовать еще более простые раздвижные соединительные средства, выполненные по меньшей мере с возможностью передачи вращения и приспособленные к изменению длины, например, простые соединения выступ-паз. Корпусы 4 электродвигателя, изображенные на фиг.4, соединены средствами 52 соединения корпусов электродвигателя.
Ротор содержит стержневой элемент 21 и роторный элемент 22. Стержневой элемент 21 и роторный элемент 22 выполнены с возможностью взаимного зацепления посредством выступа 61 и соединительного паза 62, как показано на фиг.2. Соединительный паз 62 имеет продолговатую форму, проходит в продольном направлении 60 двигателя 1 и взаимодействует с выступом 61,.обеспечивая возможность перемещения стержневого элемента 21 относительно роторного элемента 22 в продольном направлении 60 двигателя 1. Паз 62 можно выполнить в роторном элементе 22, а выступ 61 - в стержневом элементе 21, или наоборот.
Подшипниковые шарики 45 предпочтительно изготовлены из высоко износостойкого материала, например, из керамического материала или из высококачественной стали. Материал подшипниковых шариков предпочтительно является очень твердым, износостойким и устойчивым к высоким температурам и может быть обработан с высокой точностью размеров и малыми допусками. Весь подшипник 41, 42, в том числе и подшипниковые шарики 45 и кольца 43, 44, 46, 47 с дорожками качения, могут быть изготовлены из одного и того же материала. Как вариант, могут использоваться так называемые гибридные подшипники, с комбинированием керамических подшипниковых шариков 45 со стальными кольцами 44. Такой выбор материала дает пользователю возможность улучшить характеристики электродвигателя, например, уменьшить трение в подшипниках 41, 42, увеличить срок службы подшипников 41, 42 или увеличить теплопередачу через подшипники 41, 42 от ротора 2 к статору 3 и корпусу 4 двигателя.
Хотя изобретение описано выше на примере предпочтительных вариантов осуществления, для специалиста в данной области техники будут очевидны различные возможные модификации, не выходящие за пределы испрашиваемого объема правовой охраны, определяемого формулой изобретения.