ПАКЕТ РОТОРА ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
ROTOR STACK OF SUBMERSIBLE ELECTRIC MOTOR

Изобретение относится к области электротехники и машиностроения, в частности к погружным электродвигателям для подъема пластовой жидкости, и касается исполнения магнитных систем роторов вентильных электродвигателей.
Характерной конструктивной особенностью погружных двигателей является 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. Конструкция пакета ротора погружного вентильного электродвигателя является одним из ключевых элементов, влияющим на технологичность изготовления, стоимость и характеристики двигателя.
Известен пакет ротора погружного вентильного электродвигателя, состоящий из установленной на валу многополюсной магнитной системы, в виде пакета пластин из магнитопроводящей стали с отверстиями, в которых размещены постоянные магниты с тангенциальной намагниченностью [Патент RU 2244370 C1, H02К 1/06, опубл. 10.01.05].
Данная конструкция ротора имеет существенные по величине потоки рассеивания, которые замыкаются между магнитами, обращенными друг к другу одноименными полюсами, через перемычку между отверстиями, что приводит к уменьшению рабочего магнитного потока и как следствие к уменьшению энергетических показателей погружных электродвигателей. Кроме того, данная конструкция недостаточно технологична и имеет высокую металлоемкость, что затрудняет ее использование в высокооборотных двигателях без трудоемкой динамической балансировки.
С позиций технологичности и стоимости более предпочтительными являются конструкции пакетов роторов с радиально намагниченными магнитами.
Известен ротор погружного вентильного электродвигателя, состоящий из установленной на валу магнитной системы, в виде магнитопровода с закрепленными на нем постоянными магнитами из редкоземельных металлов. Каждый полюс по оси пакета набран из нескольких постоянных магнитов. Для защиты магнитов от разрушения при центробежных нагрузках и от воздействия химически агрессивной среды, в которой работают погружные двигатели, снаружи магниты охвачены тонкостенной металлической обоймой, посаженой на центрирующие диски, с внешней стороны от которых размещены тонкостенные профильные крышки, соединенные с обоймой и магнитопроводом сварными швами. При этом полость ротора залита компаундом [Патент RU 2309510 С2, Н02К 1/22, опубл. 10.03.07].
Эта конструкция включает избыточное количество конструктивных элементов, предназначенных для защиты постоянных магнитов погружных вентильных электродвигателей от разрушения при центробежных нагрузках и от воздействия химически агрессивной среды, и имеет высокую трудоемкость сборки пакетов из-за отсутствия элементов, устраняющих осевое перемещение магнитов.
Известен также пакет ротора погружного электродвигателя, содержащий многополюсную магнитную систему с магнитопроводом и размещенными на его активной части радиально намагниченными постоянными магнитами, наружная цилиндрическая поверхность которых охвачена удерживающим бандажом с торцевыми фланцами, расположенными с двух сторон на неактивных участках магнитопровода, выступающих за его активную часть [Патент RU 2270512 С2, Н02К 21/14, Н02К 1/27, опубл. 20.02.2006].
По совокупности признаков данное устройство является наиболее близким к предлагаемому изобретению и принято в качестве прототипа.
В этом пакете исключены избыточные конструктивные элементы, предназначенные для защиты редкоземельных постоянных магнитов от разрушения при центробежных нагрузках и от воздействия химически агрессивной среды. Вместе с тем, такой пакет ротора имеет высокую трудоемкость изготовления, так как требует точной шлифовки активной части магнитной системы по наружной поверхности, на которую устанавливается цилиндрический удерживающий бандаж, выполненный заедино с боковым торцевым фланцем, напрессовываемым на магнитопровод. Он также имеет высокую трудоемкость сборки пакетов, обусловленную стремлением магнитов к осевым перемещениям за счет отталкивания при формировании полюсов на магнитопроводе, не имеющем элементов, устраняющих осевое перемещение магнитов.
Настоящее изобретение направлено на улучшение технологичности изготовления пакетов роторов погружных вентильных электродвигателей за счет внесения в конструкцию магнитопровода многополюсной магнитной системы элементов, облегчающих и ускоряющих процесс сборки без применения специальных технологических приспособлений.
Указанный технический результат достигается тем, что в пакете ротора погружного электродвигателя, содержащем многополюсную магнитную систему с магнитопроводом и размещенными на его активной части радиально намагниченными постоянными магнитами, наружная цилиндрическая поверхность которых охвачена удерживающим бандажом, и торцевые фланцы, расположенные с двух сторон на неактивных участках магнитопровода, выступающих за его активную часть, согласно изобретению каждый полюс магнитной системы по длине содержит по крайней мере два секторных постоянных магнита, бандаж и торцевые фланцы выполнены в виде отдельных деталей, диаметр неактивных участков магнитопровода больше диаметра его активной части, а торцевые фланцы соединены с соответствующими неактивными участками магнитопровода при помощи резьбового соединения.
В некоторых вариантах исполнения в пакете ротора погружного электродвигателя внешний диаметр торцевых фланцев по крайней мере на части их осевой длины может быть выполнен равным диаметру наружной цилиндрической поверхности секторных постоянных магнитов, удерживающий бандаж иметь осевую длину больше, чем активная часть магнитопровода и меньше, чем суммарная осевая длина активной части магнитопровода и двух торцевых фланцев, при этом удерживающий бандаж устанавливают с частичным перекрытием внешней цилиндрической поверхности торцевых фланцев.
В пакете ротора погружного электродвигателя дополнительно могут быть заполнены клеящим составом резьбовые соединения и поверхности соприкосновения удерживающего бандажа с соответствующими поверхностями торцевых фланцев.
В пакете ротора погружного электродвигателя дополнительно могут быть заполнены клеящим составом резьбовые соединения и полость, ограниченная удерживающим бандажом и торцевыми фланцами.
Кроме того, удерживающий бандаж может быть выполнен из немагнитного материала, а секторные постоянные магниты могут быть расположены на магнитопроводе со смещением по окружности.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен осевой разрез пакета ротора погружного электродвигателя, в котором длина удерживающего бандажа равна длине активной части магнитопровода; на фиг. 2 - осевой разрез пакета ротора погружного электродвигателя, в котором удерживающий бандаж частично перекрывает торцевые фланцы.
H
A
Пакет ротора погружного электродвигателя содержит многополюсную магнитную систему с магнитопроводом 1 и закрепленными (например, приклеенными) на его активной части радиально намагниченными секторными постоянными магнитами 2, наружная цилиндрическая поверхность которых охвачена удерживающим бандажом 3 и торцевые фланцы 4, расположенные с двух сторон на неактивных участках 5 магнитопровода, выступающих за его активную часть (фиг. 1, 2). Каждый полюс многополюсной магнитной системы по оси пакета состоит по крайней мере из двух секторных постоянных магнитов 2. Бандаж 3 и торцевые фланцы 4 выполнены в виде отдельных деталей. Диаметр D неактивных участков 5 магнитопровода 1 больше диаметра D его активной части, на которой расположены магниты 2. Торцевые фланцы 4 соединены с соответствующими неактивными участками 5 магнитопровода при помощи резьбового соединения.
Б
А
H
В некоторых вариантах исполнения пакета ротора погружного электродвигателя (фиг. 2) внешний диаметр торцевых фланцев 4 по всей осевой длине выполнен равным диаметру наружной цилиндрической поверхности секторных постоянных магнитов 2, удерживающий бандаж 3 имеет осевую длину L, которая превышает длину L активной части магнитопровода 1, но меньше, чем суммарная осевая длина активной части магнитопровода и двух торцевых фланцев L:
A
Б
A
Н
L<L<L+2L.
В этом случае пакет ротора собирается с частичным перекрытием внешней цилиндрической поверхности торцевых фланцев 4 удерживающим бандажом 3. Возможно выполнение торцевых фланцев 4 ступенчатыми, например, когда с диаметром, равным диаметру наружной цилиндрической поверхности секторных постоянных магнитов 2, выполняется только та часть, на которую заходит удерживающий бандаж 3, а диаметр другой свободной части торцевого фланца имеет размер, ограниченный лишь элементами конструкции погружного вентильного электродвигателя. Осевая длина торцевых фланцев 4 определяется конструктивными особенностями ротора погружного вентильного электродвигателя и может не совпадать с осевым размером неактивных участков 5 магнитопровода.
Удерживающий бандаж 3 по своим свойствам может быть как магнитным, так и немагнитным, по форме - как ленточным, так и выполненным в виде тонкостенной гильзы. Выполнение удерживающего бандажа 3 и торцевых фланцев 4 отдельными деталями позволяет расширить возможности по выбору материалов, из которых они изготовлены, и конструктивных решений по герметизации магнитов. От типа бандажа и материала постоянных магнитов 2 зависит необходимость применения дополнительной герметизации пакетов ротора клеевыми соединениями или компаундами.
Если в пакете ротора (фиг. 1) удерживающий бандаж 3 выполнен посредством заливки высокопрочным полимерным материалом, например полифениленом сульфидом, то конструкция упрощается. При этом не требуется и точная шлифовка магнитов по наружной поверхности, что снижает трудоемкость изготовления ротора.
В пакете ротора (фиг. 1 и 2) с удерживающим бандажом 3, выполненным, например, в виде тонкостенной металлической гильзы или тонкой металлической ленты, плотно намотанной в несколько слоев на магниты 2 и закрепленной на конце, для дополнительной герметизации могут быть заполнены клеящим составом или компаундом только резьбовые соединения и поверхности соприкосновения удерживающего бандажа с соответствующими поверхностями торцевых фланцев. Такое решение хорошо себя зарекомендовало в пакетах с магнитами из материала SmCo.
В пакетах (фиг. 1 и 2) с магнитами из NiFeB, менее устойчивыми к коррозии, конструкция должна полностью исключать контакт постоянных магнитов 2 с жидкостью внутри погружных двигателя и, следовательно, коррозию и «вспучивание» магнитов. В таких пакетах для дополнительной герметизации могут быть заполнены клеящим составом или компаундом как резьбовые соединения, так и полость, ограниченная удерживающим бандажом 3 и торцевыми фланцами 4.
Немагнитный удерживающий бандаж 3, выполненный как из полимерных материалов, так и из титановых сплавов, позволяет снизить электрические потери в роторе.
В пакете ротора погружного электродвигателя с целью уменьшения зубцовых пульсаций электромагнитного момента секторные постоянные магниты могут быть расположены на магнитопроводе со смещением по окружности [см., например, Патент RU 2516472 С2, Н02K 5/16, опубл. 20.05.2014]. В этом случае пакет по длине делится на секции, каждая из которых по оси пакета набрана из нескольких секторных постоянных магнитов. Если пакет выполнен из двух секций, они могут быть смещены, например, на половину зубцового деления статора.
При сборке пакета ротора с многополюсной магнитной системой на его магнитопроводе 1 полюса набираются последовательно один за другим. Каждый полюс по длине магнитопровода 1 формируется из нескольких постоянных магнитов 2 с предварительно определенной полярностью. Как правило, в пакетах роторов погружных вентильных электродвигателей каждый полюс по осевой длине может набираться по крайней мере из 6÷8 магнитов, которые отталкиваются друг от друга при установке. При выполнении диаметра неактивных участков 5 магнитопровода больше диаметра его активной части с двух сторон образуются упоры, которые устраняют возможные осевые перемещения магнитов 2 при установке последнего магнита полюса и позволяют продолжить аналогичным образом сборку других полюсов многополюсной магнитной системы. После завершения сборки всех полюсов магнитной системы путем завинчивания торцевых фланцев 4 на неактивные участки 5 магнитопровода окончательно выбираются все осевые зазоры и обеспечивается надежная фиксация магнитов на магнитопроводе 1 в осевом направлении. Типом применяемого бандажа и конструкцией пакета ротора определяется дальнейший порядок сборки. Например, удерживающий ленточный металлический бандаж 3 (фиг. 1) наматывается на пакет, а его конец фиксируется, при этом торцевые фланцы 4 позволяют не допускать перекоса ленты при наматывании. Бандаж 3 в форме цилиндрической гильзы (фиг. 2) надевается или напрессовывается. В зависимости от условий эксплуатации электродвигателей и диапазона рабочих частот вращения дополнительно при сборке могут быть заполнены клеящим составом только резьбовые соединения и поверхности соприкосновения удерживающего бандажа 3 с соответствующими поверхностями торцевых фланцев 4 или как резьбовые соединения, так и полость, ограниченная удерживающим бандажом 3 и торцевыми фланцами 4.
Таким образом, пакет ротора, выполненный согласно изобретению, позволяет при минимальном количестве деталей в пакете обеспечить быструю сборку пакетов ротора без применения дополнительной оснастки и при этом удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к пакетам погружных вентильных электродвигателей.