ВЫСОКОВОЛЬТНАЯ ПАЗОВАЯ ГИЛЬЗА ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ
ELECTRIC MOTOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электрическим двигателям и, в частности, к изготовленной из диэлектрической пленки высоковольтной изоляционной трубе, расположенной внутри пазов статора, в которых уложена обмотка статора.
Предпосылки создания изобретения
Электрические погружные насосы для нефтяных скважин обычно работают от погружных электрических двигателей переменного тока. Двигатели крупных погружных насосов могут иметь длину до сорока футов и диаметр до 7,25 дюйма. Двигатель имеет неподвижный статор с большим количеством дисков или листов, собранных в единый пакет внутри корпуса двигателя. Каждый диск представляет собой круглую плоскую стальную пластину с центральным отверстием, через которое проходит ротор двигателя. Каждый диск имеет, кроме того, множество расположенных вокруг центрального отверстия пазов, в которые укладывают обмотку статора.
В каждый паз вкладывают диэлектрическую пленку, образующую диэлектрический барьер между каждым диском и расположенной в пазу обмоткой. Диэлектрическая пленка должна выдерживать высокую температуру и высокое напряжение. Изоляционную пленку можно изготовить из полиимида, который, однако, как таковой не размягчается и не плавится. Обычно для электрической изоляции пазов используют длинную изготовленную из полиимида ленту или полосу, которую с наложением друг на друга краев сгибают в продольном направлении и укладывают в паз.
Такая изоляция работает достаточно эффективно, однако наложенные друг на друга края ленты образуют канал для утечки тока. Помимо решения этой проблемы, представляется целесообразным также уменьшить и толщину диэлектрического материала.
Краткое изложение сущности изобретения
В настоящем изобретении предлагается пазовая изоляция статора электрического двигателя, изготовленная в виде трубы из диэлектрической пленки. Труба имеет сплошную внешнюю стенку, образованную диэлектрической пленкой с герметично соединенными друг с другом краями. Внутри всех уложенных в пазы труб расположена обмотка статора. В одном из вариантов осуществления изобретения для изготовления трубы используют полиимид, связанный с высокотемпературным термопластичным полимером. Термопластичный полимер можно расплавить и изготовить из него трубу со сплошной стенкой.
В изобретении предлагается также способ укладки изготовленной из диэлектрической пленки трубы в пазы статора, при осуществлении которого трубу сначала помещают в паз в сплющенном виде. Для сплющивания трубы один ее конец герметично закрывают, а через другой откачивают воздух и создают внутри трубы разрежение. Сплющенную под действием разрежения трубу помещают в паз статора. После этого закрытый конец трубы открывают и обладающая определенной упругостью труба по мере повышения внутри нее давления постепенно распрямляется и приобретает свою первоначальную форму. При необходимости для того, чтобы сплющенная труба окончательно распрямилась и приобрела свою первоначальную форму, внутри трубы кратковременно создают избыточное давление воздуха. Уложить трубы в пазы статора можно и другими способами, например втягиванием сплющенной или не сплющенной трубы в паз с использованием или без использования смазки.
Краткое описание чертежей
На прилагаемых к описанию чертежах показано:
на фиг.1 - продольный разрез части предлагаемого в изобретении электрического двигателя,
на фиг.2 - вид сверху диска статора двигателя, показанного на фиг.1,
на фиг.3 - поперечное сечение диэлектрической трубы, которую помещают в пазы статора двигателя, показанного на фиг.1,
на фиг.4 - поперечное сечение участка показанной на фиг.3 двухслойной трубы с изображенной в большем масштабе толщиной ее каждого слоя,
на фиг.5 - схема, иллюстрирующая предлагаемый в изобретении способ укладки диэлектрических труб в пазы статора двигателя, показанного на фиг.1, и
на фиг.6 - изображение в увеличенном масштабе участка статора двигателя, показанного на фиг.1, и трех последовательных этапов процесса укладки в пазы диэлектрических труб.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
Показанный на фиг.1 двигатель 11 имеет цилиндрический корпус 13, в котором расположено множество собранных в единый пакет неподвижных статорных дисков 15, образующих статор 14 двигателя. Показанный на фиг.2 статорный диск 15 имеет множество пазов 17, равномерно расположенных по окружности вокруг центрального отверстия 18. Через каждый паз 17 диска проходит обмотка 19 статора. Обмотка 19 статора изготовлена из медной проволоки, покрытой слоем изоляционного материала. Двигатель 11 имеет также центральный вал 21 с ротором 23. Вращающийся ротор 23 двигателя проходит внутри центральных отверстий 18 дисков 15.
Показанные на фиг.2 пазы 17 могут иметь разную форму с открытым или закрытым примыкающим к центральному отверстию 18 краем. В данном примере каждый паз 17 имеет две боковые стороны 25. Обе боковые стороны 25 паза имеют форму отрезка прямой, расположенной на радиусе, проходящем через центральную ось 26 корпуса 13. Каждый паз 17 имеет наружный край 27, радиус округления которого равен расстоянию от наружного края 27 до оси 26 корпуса 13. Каждый паз 17 имеет внутренний край 28, расположенный рядом с центральным отверстием 18 и в данном варианте скругленный в направлении, противоположном наружному краю 27 паза.
В каждом пазу 17 расположена диэлектрическая труба 29, образующая пазовую изоляционную гильзу, изолирующую обмотку 19 статора от статорных дисков 15. Длина диэлектрической трубы 29 равна полной длине статора 14. Диэлектрическая труба, протяженность которой в окружном направлении составляет 360°, имеет сплошную внешнюю стенку, образованную диэлектрической пленкой с герметично соединенными краями. Труба 29 изготовлена из упругого нерастяжимого материала.
Как показано на фиг.4, диэлектрическая труба 29 изготовлена из диэлектрической пленки 31, которая при рабочей температуре двигателя 11, достигающей нескольких сотен градусов по Фаренгейту, обладает высокой диэлектрической прочностью. Пленку можно изготовить из различных материалов, предпочтительно из полиимида, выпускаемого под товарным знаком Kapton фирмой E.I.DuPont de Nemours and Co., Уилмингтон, шт.Делавэр. Диэлектрическая пленка 31 как таковая не размягчается и не плавится.
Диэлектрическая пленка 31 связана с несущим слоем или пленкой 35, которая вместе с диэлектрической пленкой образует сплошную герметичную боковую стенку трубы 29 и придает ей необходимую для сохранения цилиндрической формы жесткость. Несущую пленку 35 можно изготовить из различных термопластичных материалов, предпочтительно из материала, который выдерживает рабочие температуры двигателя 11 и плавится при более высокой температуре. В предпочтительном варианте несущую пленку изготавливают из фторполимера, в частности из фторированного этиленпропилена (ФЭП). Для изготовления несущей пленки можно также использовать перфторалкоксил (ПФА) и перфторметилвиниловый эфир, сополимеризованный с тетрафторэтиленом. При изготовлении трубы несущий слой 35 вместе с диэлектрической пленкой 31 наматывают по спирали в трубу с перекрытием краев 33 пленок. Уложенные друг на друга края 33 пленок расплавляют путем нагрева или иным путем и формируют цилиндр. Несущая пленка 35 может быть расположена не только снаружи, как в варианте, показанном на фиг.4, но и внутри трубы.
На фиг.5 показана схема, иллюстрирующая процесс укладки диэлектрических труб 29 в пазы статора двигателя 11. Укладываемую в пазы статора диэлектрическую трубу сматывают с барабана 37. Расположенный на барабане 37 конец трубы 29 соединяют с вакуум-насосом 39. Противоположный конец 41 трубы загибают и герметизируют. Герметично закрытый конец 41 трубы соединяют с тросом 43 или проволокой. До крепления к закрытому концу 41 трубы трос 43 пропускают через один из пазов 17.
Оператор включает вакуум-насос 39 и откачивает воздух из диэлектрической трубы 29. Под действием разрежения цилиндрическая труба 29, показанная на фиг.3, деформируется и приобретает по всей длине в поперечном сечении форму трубы, показанной в пазу 17а на фиг.6. При деформации в трубе образуется продольная складка и расстояние между стенками трубы уменьшается. Начальный диаметр трубы 29, показанной на фиг.3, больше расстояния между боковыми стенками 25 пазов 17 и поэтому смятие трубы 29 облегчает ее протягивание через образованное пазом 17 отверстие в статорном диске.
После протягивания трубы 29 через паз статора оператор выключает вакуум-насос и давление в трубе постепенно возрастает до атмосферного. По мере возрастания внутреннего давления труба 29 под действием своей собственной упругости распрямляется и стремится снова приобрести свою первоначальную цилиндрическую форму, показанную на фиг.3. В конечном итоге труба 29 не приобретает свою первоначальную цилиндрическую форму и прижимается к боковым стенкам 25, наружной стенке 27 и внутренней стенке 28 паза (см. паз 17b). При необходимости для того чтобы деформированная под действием разрежения втянутая в паз (17а) труба могла окончательно распрямиться (паз 17b), оператор может создать внутри трубы давление, превышающее атмосферное. Уложенную в паз 17 статора 14 трубу 29 оператор отрезает в нужном месте от трубы, намотанной на барабан.
После укладки диэлектрической трубы во все пазы статора оператор начинает вкладывать в каждую трубу 29 обмотку 19 статора. При плотной укладке обмотки 19 в трубу 29 труба окончательно распрямляется и принимает в поперечном сечении форму паза 17с. При этом стенки трубы 29 прижимаются к боковым стенкам 25 паза и к его внутренней и наружной стенкам 28 и 27 и становятся по существу плоскими. Диаметр трубы 29 выбирают таким образом, чтобы в окончательном виде она имела такое же поперечное сечение, что и паз 17. При этом длина окружности трубы должна быть равна периметру поперечного сечения паза 17. В окончательном виде труба 29 показана в пазу 17с.
Толщина предлагаемой в изобретении трубы 29 существенно меньше толщины изготовленной из такого же материала пазовой изоляции, которая используется в настоящее время для изоляции обмотки статора. В одном из вариантов изобретения толщина стенки трубы 29 лежит в пределах от 3 мил (0,003 дюйма) до 9 мил и предпочтительно составляет 4,5 мил. Диэлектрическая пленка 31 предпочтительно имеет толщину от 1 до 3 мил. В настоящее время для изоляции обмотки статора используют диэлектрическую пленку толщиной около 12 мил.
Предлагаемая в изобретении изоляция обладает существенными преимуществами. Изготовление изоляции в виде сплошной трубы, а не согнутой ленты или полосы позволяет уменьшить толщину диэлектрической пленки. Предлагаемая в изобретении диэлектрическая труба при меньшей толщине имеет такую же диэлектрическую прочность, что и известная пазовая изоляция. Меньшая толщина изоляции увеличивает свободное пространство паза, которое можно использовать для укладки обмотки. За счет этого можно увеличить количество содержащейся в обмотке меди, а следовательно, и мощность двигателя. В имеющей сплошную стенку трубе в отличие от известной пазовой изоляции с наложенными друг на друга краями отсутствуют места возможной утечки тока.
Рассмотренный выше в качестве примера один из конкретных вариантов осуществления изобретения не исключает возможности внесения в изобретение различных очевидных для специалистов изменений и усовершенствований, которые при этом не должны противоречить основной идее изобретения и не должны выходить за его объем, определяемый его формулой.