ПОГРУЖНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
SUBMERSIBLE DIRECT CURRENT MOTOR

Изобретение касается погружного электрического двигателя постоянного тока, в частности для применения в качестве привода погружного насоса для скважинной добычи нефти.
В настоящее время в качестве погружных электрических двигателей, в том числе для привода электрического погружного насоса в нефтяных разработках, используются асинхронные двигатели. В некоторых случаях применения асинхронный двигатель представляет собой однофазный двигатель переменного тока. Однако чаще всего используется его трехфазная модификация. Принцип работы асинхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля, возникающего при прохождении трёхфазного переменного тока по обмоткам статора, с током, индуктированным полем статора в обмотках ротора, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля при условии, что частота вращения ротора меньше частоты вращения поля. Таким образом, ротор совершает асинхронное вращение по отношению к полю. К недостаткам асинхронных двигателей следует отнести ограниченный диапазон регулирования частоты вращения и значительное потребление реактивной мощности в режиме малых нагрузок. Кроме того, ввиду необходимости изменять частоту тока система управления скоростью является достаточно сложной, а наличие трех проводов в обмотке весьма усложняет ее выполнение.
Указанные выше проблемы можно было бы решить за счет использования двигателя постоянного тока. Работа электродвигателей постоянного тока основана на взаимодействии проводников с током и магнитов, что приводит к появлению электромагнитного вращающего момента. Эти двигатели характеризуются очень компактной конструкцией, что обеспечивает высокую плотность тока в главной обмотке. Такие машины работают в широком диапазоне частот вращения и имеют достаточно простую систему управления. Однако основная проблема данных двигателей для применения в качестве привода погружных насосов заключается в том, что при погружении этих двигателей в жидкость, особенно в электропроводную жидкость, между щетками и коллектором возникает короткое замыкание. Вследствие этого может иметь место повреждение щеток и/или коллектора.
Поэтому задачей изобретения является предоставление электродвигателя, который применим для привода погружного насоса, имеет простое управление, обеспечивает регулирование частоты вращения в широком диапазоне, удобен в изготовлении и может быть просто смонтирован, в частности, в скважинах для добычи нефти.
Поставленная задача решается с помощью погружного электродвигателя постоянного тока, включающего в себя:
обмотку якоря, которая является неподвижной и образует центральную часть двигателя;
корпус, окружающий обмотку якоря и выполненный с возможностью вращения вокруг обмотки якоря;
средства создания магнитного поля, которые закреплены на корпусе;
коллектор, выполненный неподвижным и электрически связанный с обмоткой якоря;
щетки, выполненные с возможностью вращения вокруг неподвижного коллектора и скольжения по нему, при этом щетки подключены к внешней электрической цепи,
причем неподвижный коллектор вместе с выполненными с возможностью вращения вокруг него щетками заключен в изоляционную камеру.
За счет расположения коллектора и щеток в изоляционной камере устранена возможность короткого замыкания между ними. Кроме того, вследствие неподвижного выполнения коллектора и обмотки якоря в двигателе отсутствует вращающийся вал, который необходимо уплотнять. По этой причине обеспечивается должная герметичность изоляционной камеры и соответственно контактов между щетками и коллектором.
Таким образом, расположение щеток и коллектора в изоляционной камере, с одной стороны, и неподвижность коллектора и обмотки якоря, с другой стороны, гарантирует надежную герметизацию области контакта между щетками и коллектором, что в сочетании с известными свойствами электрических двигателей постоянного тока (простое управление, регулирование частоты вращения в широком диапазоне, простота изготовления) дает решение поставленной задачи.
Ниже приведены дополнительные усовершенствования заявленного погружного электродвигателя постоянного тока.
В качестве средств создания магнитного поля могут выступать постоянные магниты, электромагниты или обмотки возбуждения.
Для соединения входных проводов силового кабеля с вращающимися щетками может быть предусмотрено неподвижное токосъемное кольцо. В таком случае провода подключены к неподвижному токосъемному кольцу, по которому в процессе вращения скользят щетки. Преимущество данного варианта видится в том, что провода силового кабеля неподвижны. Вследствие чего они могут быть достаточно надежно уплотнены в стенке изоляционной камеры.
Токосъемное кольцо может быть выполнено в виде двух отдельных кольцевых элементов, которые изолированы друг от друга и расположены либо концентрично, либо на расстоянии друг от друга вдоль продольной оси. Альтернативно токосъемное кольцо может быть снабжено двумя изолированными друг от друга дрожками, по которым перемещаются щетки. Соответствующий кольцевой элемент или дорожка соединяются с проводом соответствующей полярности.
Для установки щеток предусмотрено кольцо, которое установлено с возможностью вращения внутри изоляционной камеры. Каждая щетка может быть образована соответственно одной-единственной щеткой, которая одновременно контактирует с коллектором и с токосъемным кольцом. Альтернативно каждая щетка может быть выполнена из двух электрически связанных друг с другом отдельных щеток, одна из которых взаимодействует с коллектором, а другая - с токосъемным кольцом. Предпочтительным образом, каждая щетка установлена во вращающемся кольце с возможностью замены.
Провода силового кабеля с токосъемным кольцом могут быть соединены напрямую, но предпочтительно через промежуточное соединение. Промежуточное соединение может представлять собой быстроразъемное соединение, выполненное в стенке изоляционной камеры и связанное с токосъемным кольцом. К этому быстроразъемному соединению могут подключаться провода силового кабеля, вследствие чего подготовка погружного электродвигателя к установке в скважине (подготовка к эксплуатации) может быть выполнена особенно просто и быстро. В качестве подобного быстроразъемного соединения может выступать штекерное соединение.
Передача вращения от корпуса двигателя к щеткам может быть обеспечена разнообразными средствами. В одном варианте осуществления вращение передается механическим средством. В качестве такого средства может выступать вал, который установлен с возможностью вращения в стенке изоляционной камеры. Один конец вала выполнен с возможностью геометрического замыкания с вращающимся корпусом двигателя, а другой конец вала выполнен с возможностью геометрического замыкания со щетками или непосредственно или опосредовано через вращающееся кольцо. Геометрическое замыкание может быть реализовано за счет зубчатого зацепления, соединения паз - выступ или тому подобного. Альтернативно соединение между валом и корпусом двигателя или валом и щетками или соответственно вращающимся кольцом со щетками может быть реализовано посредством силового замыкания за счет сил трения или магнитного притяжения или посредством комбинации геометрического и силового замыкания. Для обеспечения герметичности изолирующей камеры вал в месте установки должен быть соответствующим образом уплотнен. В случае применения заявляемого двигателя в условиях низкого давления окружающей жидкости можно применять вращающееся уплотнение, например, кольцевое уплотнение или нагружаемое пружиной уплотнение. Однако в условиях существенного перепада давления только данного уплотнения может быть недостаточно. В этом случае возможна комбинация из вращающегося уплотнения и заполнения изолирующей камеры изолирующей жидкостью (например, маслом под давлением), которая ограничивает перепад давления на вращающемся уплотнении.
Альтернативно передача вращения от вращающегося корпуса двигателя к щеткам может осуществляться с помощью магнитного взаимодействия через стенку изоляционной камеры. В таком случае имеются внешние магниты, которые приводятся во вращение непосредственно вращающимся корпусом двигателя и соответственно установлены на нем. Возможны варианты, когда  внешние магниты установлены на вращающейся детали, приводимой в действие корпусом двигателя. При вращении внешние магниты взаимодействуют с внутренними магнитами, связанными со щетками непосредственно или опосредованно через вращающееся кольцо, вследствие чего щетки приводятся во вращение. Таким образом, внешние и внутренние магниты образуют так называемую магнитную муфту. В этом варианте осуществления не имеется подлежащих уплотнению и проходящих через стенку изоляционной камеры деталей. Поэтому здесь возможна полная герметизация изоляционной камеры с помощью статических уплотнений. Подобное выполнение особенно предпочтительно в случае, если жидкая среда, которая окружает двигатель, находится под высоким давлением или является достаточно агрессивной (например, содержать абразивные частицы, активные химические соединения или тому подобное). При использовании магнитной муфты стенки изоляционной камеры должны быть изготовлены из материала с низкими ферромагнитными характеристиками, чтобы обеспечить прохождение магнитного потока через стенку. Кроме того, этот материал должен обладать низкой электропроводностью, чтобы ограничить образование завихрения при вращении магнитного потока. В качестве подобных материалов могут быть использованы пластмассы, керамические или композитные материалы, нержавеющая сталь, титан, бронза и тому подобное.
Описанный выше вариант осуществления изобретения с магнитной муфтой имеет то преимущество, что щетки могут запаздывать относительно вращающегося корпуса. Это запаздывание связано с трением щеток о коллектор (фрикционное запаздывание), а также с инерциальным эффектом при ускорении (инерционное запаздывание), в частности, в момент пуска. Запаздывание уменьшает вращающий момент двигателя, вследствие чего для скважинных электрических погружных двигателей устраняется опасность поломки вала двигателя или насосно-компрессорной трубы, с которой связан электродвигатель или приводимый им погружной насос, вследствие больших сил инерции, возникающих в момент пуска из-за высокого ускорения.
Инерционное запаздывание еще больше можно увеличить за счет упругой муфты, предусмотренной между магнитной муфтой и щетками. В момент пуска или ускорения упругая муфта скручивается под действием высокого вращающего момента, требуемого для ускорения щеток. Вследствие этого снижается вращающий момент двигателя и между ускорением двигателя и запаздыванием щеток устанавливается равновесие.
В одном предпочтительном варианте осуществления может быть предусмотрена корректирующая система постоянного запаздывания. Корректирующая система постоянного запаздывания предназначена для уменьшения или даже полного устранения фрикционного запаздывания щеток. Фрикционное запаздывание наряду с инерционным запаздыванием позволяет устранить повреждения вала двигателя при ускорении щеток, но, с другой стороны, ввиду своего постоянного действия в процессе эксплуатации двигателя в целом оказывает существенное негативное влияние на максимальный вращающий момент двигателя. Таким образом, фрикционное запаздывание после окончания фазы ускорения должно быть устранено или соответственно скорректировано, для чего предусмотрена упомянутая выше корректирующая система постоянного запаздывания.
Корректирующая система постоянного запаздывания обеспечивает корректировку углового рассогласования между внешними и внутренними магнитами, то есть осуществляет небольшое угловое перемещение, которое достаточно для устранения угла запаздывания. Подобная корректирующая система может включать в себя корректирующий электромагнит и два одинаковых небольших генератора переменного тока. Генераторы установлены на соответствующих частях двигателя так, что при полностью отцентрированной магнитной муфты выходная мощность генераторов одинакова, а фазы противоположны. Вследствие этого сумма выходных напряжений равна нулю и по корректирующему электромагниту не проходит ток.
Предпочтительно снабдить корректирующую систему постоянного запаздывания фильтром низких частот, посредством которого предотвращается корректировка в период ускорения, чтобы избежать взаимного уничтожения действия корректировки трения и временного запаздывания в процессе ускорения.
Другие возможные усовершенствования и преимущества заявленного изобретения станут очевидными из нижеследующего, более подробного пояснения примеров, которые поясняются посредством чертежей. На чертежах показано:
Фиг.1 - погружной электродвигатель с механической передачей вращения к щеткам;
Фиг.2 - погружной электродвигатель с магнитной передачей вращения к щеткам;
Фиг.3 - погружной электродвигатель с магнитной муфтой и корректирующей системой постоянного запаздывания.
Соответствующий изобретению погружной электродвигатель постоянного тока включает в себя обмотку 1 якоря, которая является неподвижной и образует центральную часть двигателя. Обмотку 1 якоря охватывает корпус 2 электродвигателя, который выполнен с возможностью вращения вокруг обмотки 1 якоря. Корпус 2 несет постоянные магниты 3, которые формируют поток возбуждения. Альтернативно вместо постоянных магнитов могут использоваться обмотки возбуждения. Далее, с неподвижной обмоткой 1 якоря через провода связан коллектор 4, который тоже является неподвижным. С коллектором 4 входят во взаимодействие щетки 5, которые закреплены на вращающемся кольце 6. Щетки 5 также входят во взаимодействие с соответствующими сплошными неподвижными токосъемными кольцами 7, соединенными соответственно с имеющим соответствующую полярность проводом 8а, 8b силового кабеля. Каждая щетка 5 может быть образована двумя связанными друг с другом отдельными щетками, одна из которых взаимодействует с коллектором 4, а другая - с соответствующим токосъемным кольцом 7. Хотя в представленном на чертеже примере предусмотрено два отдельных токосъемных кольца, может быть использовано одно кольцо, которое содержит две изолированные друг от друга токосъемные дорожки, которые соединены с соответствующим проводом силового кабеля и по которым скользят соответствующие щетки. Токосъемные дорожки могут быть расположены на внешней и внутренней стороне кольца, на торцевых поверхностях кольца или на одной и той же поверхности кольца. Неподвижный коллектор 4, вращающееся кольцо 6 со щетками 5 и неподвижные токосъемные кольца 7 заключены в изолирующую камеру 9. Для облегчения технического обслуживания щеток и коллектора изолирующая камера выполнена разъемной (не показано), причем места разъема уплотнены любыми известными уплотняющими статическими средствами. Изолирующая камера может быть соединена с обмоткой как посредством разъемного соединения, например посредством резьбового, зажимного или тому подобного соединения, так и посредством неразъемного соединения, например паяного, клеевого соединения или тому подобного. Однако для простоты технического обслуживания является предпочтительным, если соединение выполнено разъемным. Способы выполнения перечисленных выше соединений широко известны и подробнее здесь не описываются.
В показанном примере провода 8а, 8b силового кабеля для подключения к токосъемным кольцам 7 проходят через стенку изолирующей камеры 9. Места прохода проводов 8а, 8b через стенку камеры 9 уплотнены посредством статических уплотнений (не показаны), вследствие чего герметичность изолирующей камеры 9 не нарушается. Альтернативно в стенке камеры 9 может быть предусмотрено разъемное соединение (не показано) для подключения проводов силового кабеля. В качестве подобного разъемного соединения может быть предусмотрено, например, штекерное соединение. Вследствие наличия подобного разъемного соединения подключение/отключение двигателя к силовому кабелю и соответственно монтаж/демотаж двигателя в скважине может осуществляться достаточно просто и быстро.
Обмотка 1 якоря и коллектор 4 также соединены между собой посредством проводов 10, которые проходят через стенку изоляционной камеры 9. Места прохода проводов 10 через стенку камеры 9 также надежно уплотнены посредством статических уплотнений (не показаны). Кроме того, здесь также в стенке камеры 9 может быть предусмотрено разъемное соединение, например штекерное соединение, посредством которого может быть обеспечено простое и быстрое электрическое разъединение частей двигателя для технического обслуживания или замены частей двигателя. Изоляционная камера, коллектор, обмотка якоря и корпус двигателя установлены соосно, причем их общая ось совпадает с продольной осью двигателя.
На Фиг.1 представлен пример осуществления электродвигателя, согласно которому для привода щеток 5 используется механическое звено 11. Механическое звено 11 передает через стенку изоляционной камеры 9 вращение от вращающегося корпуса 2 двигателя к кольцу 6 и соответственно щеткам 5. В показанном примере механическое звено 11 представляет собой вал 12 с насаженными на его концах зубчатыми колесами 13, которые входят в зацепление с зубьями, выполненными на корпусе 2 двигателя и соответственно на вращающемся кольце 6. Для уплотнения вала 12 в стенке изоляционной камеры 9 предусмотрены вращающиеся уплотнения 14. Альтернативно для передачи вращения может быть использована не зубчатая передача, а фрикционная передача, передача паз - выступ или т.п. Также возможна передача вращения за счет магнитного взаимодействия между вращающимся кольцом 6 или соответственно вращающимся корпусом 2 и валом 12 или установленными на нем элементами передачи.
В представленном на Фиг.2 примере осуществления электродвигателя показан другой вариант передачи вращения от корпуса 2 двигателя на вращающееся кольцо 6. Здесь корпус 2 имеет участок 2а боковой поверхности, который проходит с зазором от внешней поверхности изоляционной камеры 9. Корпус 2 двигателя и изоляционная камера 9 выполнены в виде тел вращения, предпочтительно в виде кругового цилиндра. На участке 2а корпуса 2 закреплены постоянные магниты 15, которые взаимодействуют через стенку изоляционный камеры 9 с постоянными магнитами 16, установленными на вращающемся кольце 6. Таким образом, указанными магнитами 15, 16 образуется магнитная муфта. Альтернативно в качестве источников магнитного поля в магнитной муфте могут использоваться электромагниты. В показанном на Фиг.2 примере осуществления отсутствуют какие-либо подвижные части, проходящие через стенку изоляционной камеры. Вследствие этого изоляционная камера полностью герметизирована только с помощью статических уплотнений, что повышает надежность ее изоляции от жидкой или газожидкостной среды, особенно в случае высокого давления этой среды или степени ее агрессивности.
При использовании магнитной муфты в электродвигателе согласно Фиг.2 стенки камеры 9 должны быть изготовлены из материала с низкими ферромагнитными и электропроводными характеристиками. В качестве наиболее предпочтительных материалов следует выделить пластмассы, композиционные и керамические материалы, а также нержавеющую сталь, титан бронзу и тому подобное.
При использовании магнитной муфты вследствие трения щеток 5 о коллектор 4 и инерции при ускорении в конструкции имеет место запаздывание щеток 5 относительно вращающегося корпуса 2 при ускорении двигателя, в частности в момент его запуска. За счет этого запаздывания или соответственно рассогласования углового положения магнитов 15 на корпусе 2 и магнитов 16 на вращающемся кольце 6 обмотка 1 якоря не включена в соответствии с требуемым положением вращающегося корпуса 2. Некоторые провода обмотки 2 якоря по причине запаздывания включены в обратном направлении по сравнению с требуемым положением переключения. Вследствие этого запаздывание обеспечивает уменьшение вращающего момента двигателя при ускорении двигателя, в частности при запуске, и соответственно уменьшает опасность поломки вала двигателя или насосно-компрессорной трубы, с которой связан двигатель и приводимый им насос, ввиду большого момента инерции.
На Фиг.3 представлен другой пример осуществления электродвигателя с магнитной муфтой. Здесь магнитная муфта образована внешним постоянным магнитом 15, закрепленным на корпусе 2 двигателя и внутренним магнитом 17, который закреплен на промежуточном диске 18. Промежуточный диск 18 установлен с возможностью вращения между коллектором 4 и стенкой изоляционной камеры 9, внешняя поверхность которой обращена к обмотке 2 якоря. Возможность вращения может быть обеспечена любыми известными средствами, которые очевидны для специалиста в данной области техники. Например, в изоляционной камере 9 может быть неподвижно установлен вал, на который через подшипники опирается промежуточный диск. Альтернативно вал может вращаться, а промежуточный диск неподвижно установлен на нем.
Между промежуточным диском 18 и вращающимся кольцом 6 со щетками 5 установлена торсионная пружина 19. При ускорении двигателя под действием вращающего момента, требуемого для ускорения щеток 5, торсионная пружина 19 скручивается, что приводит к еще большему увеличению запаздывания. Поэтому за счет торсионной пружины опасность поломки вала двигателя и/или насосно-компрессорной трубы еще больше уменьшается.
В примере осуществления согласно Фиг.3 также предусмотрена корректирующая система постоянного запаздывания. Эта корректирующая система предназначена для устранения обусловленного трением между щетками 5 и коллектором 4 запаздывания (фрикционное запаздывание), которое хотя и оказывает положительный эффект при ускорении, но в целом ограничивает максимально возможный вращающий момент двигателя. Корректирующая система постоянного запаздывания согласно примеру осуществления на Фиг.3 включает в себя два генератора 20, 21 переменного тока, стационарно установленных внутри изоляционной камеры 9, и электрически связанный с ними корректирующий электромагнит 23. В предпочтительном случае оба генератора представляют собой обмотки. Один из генераторов приводится в действие внешними магнитами 22, расположенными на вращающемся корпусе 2 двигателя, а другой генератор - внутренними магнитами 17, расположенными на промежуточном диске 18. Внешние магниты 22 отцентрированы относительно внешних магнитов 15 магнитной муфты. Генераторы 20, 21 установлены таким образом, что когда магнитная муфта полностью отцентрирована, то выходная мощность генераторов 20, 21 одинакова, а фазы противоположны. В этом случае сумма двух выходных напряжений равна нулю и по корректирующему магниту 23 не проходит ток. Если между магнитами 15 и 17 магнитной муфты имеется угловое отклонение, то выходная мощность генераторов 20, 21 отличается, вследствие чего на выходе имеется разность напряжений. В соответствии с величиной этой разности напряжений через электромагнит 23 проходит ток, величина которого достаточна для осуществления угловой коррекции взаимного положения магнитов 15 и 17.
Альтернативно обе группы магнитов для взаимодействия с генераторами могут представлять собой соответственно внешние магниты и внутренние магниты магнитной муфты. Также обе группы магнитов для взаимодействия с генераторами могут представлять собой магниты, которые дистанцированы от магнитов магнитной муфты и отцентрированы с ними. Разумеется, что в таком случае магниты для взаимодействия с генераторами установлены на одних и тех же вращающихся частях двигателя, что и магниты магнитной муфты.
Кроме того, в качестве альтернативного варианта осуществления корректирующая система может быть образована с использованием датчиков магнитного поля, основанных на других неиндукционных физических принципах. В качестве таких датчиков могут выступать, например, датчики Холла, которые используются для определения угловых положений внешних магнитов магнитной муфты.
Корректирующая система постоянного запаздывания оборудована фильтрами низких частот (не показаны). Фильтры низких частот обеспечивают устранение корректировки в период ускорения (запуска), чтобы избежать взаимного уничтожения действия для корректировки трения щеток по коллектору и действия временного запаздывания.
Вариант осуществления электродвигателя согласно Фиг.3 может быть перспективен для использования в качестве генератора для скважинных исследований в процессе бурения. В таком случае угловая регулировка позволяет регулировать выходное напряжение системы. Угловое положение устанавливается посредством приложения выходного напряжения обмотки якоря к корректирующему электромагниту.
Очевидно, что описанные выше варианты осуществления не должны рассматриваться в качестве ограничения объема патентных притязаний изобретения. Для любого специалиста в данной области техники понятно, что есть возможность внести множество изменений в описанный выше погружной электродвигатель постоянного тока без отхода от принципов изобретения, заявленного в формуле изобретения.