РОТОР СКВАЖИННОГО ГЕНЕРАТОРА Российский патент 2002 года по МПК H02K21/02 

Изобретение относится к электротехнике, а именно, к электромашинным источникам питания инклинометрической системы, предназначенным для электропитания системы определения инклинометрических параметров и системы передачи данных в бурящихся скважинах малого диаметра.

Электромашинный источник питания инклинометрической системы представляет собой специальную электрическую машину - скважинный генератор, вал которого приводится во вращение турбиной, и управляемый преобразователь. Скважинные генераторы известных инклинометрических систем представляют собой электрическую машину переменного тока цилиндрического исполнения с ротором, имеющим постоянные магниты.

Известен скважинный генератор инклинометрической системы ЗИС-4 [Система забойная инклинометрическая ЗИС-4, ТУ АХА 2.788.003, Научно-исследовательский институт геофизических исследований, г. Октябрьск, Башкортостан], используемой при направленном бурении скважин большого диаметра (порядка 200 мм), имеющий установленную мощность 250 Вт при частоте вращения 1500 об/мин. Внешний диаметр статора скважинного генератора 102 мм, диаметр расточки статора 60 мм, длина активной части 200 мм. Ротор скважинного генератора имеет вал с буртиком и шпоночной канавкой, на который на шпонку помещен цилиндрический индуктор, упирающийся в буртик и зафиксированный с противоположной стороны гайкой. Цилиндрический индуктор выполнен в виде втулки из стали, хорошо проводящей магнитный поток, с выфрезерованными пазами под магниты (в генераторе их 6). Магниты выполнены трапецеидальной формы: максимальная ширина 12 мм, минимальная ширина 9,5 мм, высота 13,5 мм. Магниты устанавливаются более широкой частью в пазы втулки и фиксируются клиньями из немагнитопроводящего металла, крепящимися винтами к телу втулки.

При создании инклинометрических систем, используемых при бурении скважин малого диаметра (порядка 100 мм), малогабаритный скважинный генератор должен иметь внешний диаметр статора порядка 60 мм (диаметр расточки статора 30 мм). При выполнении скважинного генератора с конструкцией ротора, описанной выше, он, даже при увеличении длины активной части до 300 мм, не развивает необходимой мощности, так как индуктор не создает необходимого магнитного потока. Причиной этого является малое сечение магнитов (значение коэффициента использования поперечного сечения ротора равно отношению площади поперечного сечения магнитов к площади поперечного сечения ротора). В описанном выше скважинном генераторе этот коэффициент составляет К=0,13, что и ограничивает энергетические возможности генератора в заданных габаритах. Это является основным недостатком существующей конструкции ротора скважинного генератора.

Известен безпазовый ротор с индуктором из монолитного магнитного материала, выбранный в качестве прототипа, у которого значение коэффициента использования поперечного сечения ротора увеличено в несколько раз и тем самым существенно увеличена магнитная энергия индуктора [Ледовский А.Н. Электрические машины с высококоэрцетивными постоянными магнитами. М.: Энергоатомиздат, 1985.- с. 22, рис. 2.3].

При указанных выше геометрических размерах малогабаритного скважинного генератора (внешний диаметр статора 60 мм, диаметр расточки статора 30 мм) при диаметре вала 9 мм значение коэффициента использования поперечного сечения ротора составляет К=0,9, что позволяет существенно поднять энергетические возможности скважинного генератора.

В указанном прототипе индуктор представляет собой спеченный и намагниченный цилиндрический постоянный магнит, помещенный на клее в оболочку (бандаж). Оболочка состоит из внутренней и внешней металлических втулок из немагнитопроводящего материала, образующих полое кольцо, вовнутрь которого на клее помещается кольцевой магнит, после чего отверстие закрывается шайбой. Собранный таким образом индуктор напрессовывается на вал.

Недостаток приведенного конструктивного исполнения ротора генератора, принятого в качестве прототипа, заключается в том, что длина индуктора приведенного типа, во избежание снижения удельных энергетических показателей, не превышает нескольких сантиметров (3-4 см). Это обусловлено спецификой технологического процесса изготовления магнитов (прессование с одновременным намагничиванием), а именно тем, что среднее значение вектора намагниченности существенно снижается при увеличении длины изготавливаемого магнита из-за увеличения потоков рассеяния при намагничивании. При значительном увеличении длины магнита (для скважинного генератора до 5 раз и более по сравнению с прототипом) среднее значение вектора намагниченности снижается в 2 и более раза, что существенно ограничивает мощность скважинного генератора. Кроме того, возникают проблемы сборки ротора с большой длиной активной части. Следует отметить, что изготовление оболочки, состоящей из внутренней и внешней металлических втулок из немагнитопроводящего материала, образующих полое кольцо высотой порядка 300 мм с толщиной стенок в доли миллиметров, во внутрь которого на клее помещается кольцевой магнит, - очень сложная техническая задача. Таким образом, при выполнении ротора скважинного генератора по конструкции ротора прототипа также невозможно добиться необходимой установленной мощности генератора, а следовательно, невозможно создание работоспособной инклинометрической системы.

Задачей настоящего изобретения является повышение мощности скважинного генератора путем сохранения высоких энергетических удельных показателей магнита, повышение технологичности конструкций элементов ротора и упрощение процесса сборки ротора скважинного генератора.

Указанная задача решается тем, что ротор скважинного генератора, содержащий индуктор, вал, бандаж из немагнитопроводящего материала, согласно изобретению содержит составной вал из двух немагнитных ступиц, имеющих посадочные места для установки подшипников, объединенных шпилькой, причем ведущая ступица содержит хвостовик, а индуктор выполнен набранным из постоянных кольцеобразных магнитов с отверстиями в центре, через которые пропущена шпилька, причем кольцеобразные магниты выполнены с выступом по диаметру на одной торцевой поверхности и с пазом на противоположной торцевой поверхности для размещения выступа следующего кольцеобразного магнита. Таким же пазом снабжена ведущая ступица для сопряжения с прилегающим к ней кольцеобразным магнитом, а торцевая поверхность второй ступицы выполнена гладкой.

Выступ и паз в теле кольцеобразного магнита получены при прессовке магнита в форме соответствующей конфигурации. Очевидно, что для упрощения сборки изделия кольцеобразные магниты в процессе их изготовления целесообразно намагничивать по линии выступа на диске. По внешней поверхности ротора кольцеобразные магниты допускается бандажировать композиционными материалами или лентой, пропитанной синтетическими смолами.

Предложенная конструкция ротора скважинного генератора имеет ряд преимуществ перед ротором генератора-прототипа: во-первых, изготовление индуктора ротора из отдельных кольцеобразных магнитов оптимальной толщины (по требованиям технологии прессования и намагничивания) позволяет получить высокие энергетические показатели индуктора, недоступные для конструктивного исполнения ротора прототипа. Во-вторых, отсутствие внутренней и внешней втулок оболочки индуктора, имеющихся у прототипа, упрощает сборку ротора и повышает технологичность изготовления конструкции.

Механическое соединение вала и индуктора решается нами оригинальным способом через вертикальные выступы и пазы на кольцеобразных магнитах, а также паза на ведущей ступице, позволяющих собрать на клею монолитную конструкцию. При работе генератора нагрузка на скручивание передается от вала на ведущую ступицу, затем через выступы кольцеобразных магнитов, силы трения торцевых поверхностей и адгезионные силы тончайшего слоя клея на сами кольцеобразные магниты. Важно, что при нагрузках на изгиб магниты работают на сжатие, а шпилька на растяжение.

Предложенная конструкция ротора скважинного генератора по сравнению с прототипом позволяет увеличить мощность скважинного генератора более чем в 2 раза.

Изобретение поясняется фиг. 1, где показана предлагаемая конструкция ротора скважинного генератора, и фиг.2, где показана конструкция кольцеобразного магнита.

Ротор скважинного генератора (фиг.1) имеет индуктор, состоящий из набора кольцеобразных магнитов 1 (фиг.2), зафиксированных на шпильке 2 с помощью ступиц 3 и 4. Ступицы имеют посадочные места для установки подшипников 5. Ведущая ступица имеет хвостовик 6 для сопряжения с турбиной.

Процесс сборки ротора скважинного генератора осуществляется следующим образом.

В ведущую ступицу 3, имеющую паз на торцевой поверхности (не виден на фиг. 1), ввинчивается до упора шпилька 2. Затем на шпильку 2 нанизываются кольцеобразные магниты 1 (с посадкой скольжения) выступами в сторону пазов и с нанесением клея на торцевые поверхности, причем одноименные полюсы магнитов направлены в одну сторону. Процесс сборки заканчивается навинчиванием второй ступицы 4, имеющей гладкую торцевую поверхность. Вторая ступица навинчивается с усилием, создающим предварительное растяжение шпильки и сжатие кольцеобразных магнитов в монолитную конструкцию с первой ступицей. По внешней поверхности индуктора из кольцеобразных магнитов может быть наложен бандаж из композиционных материалов или лентой, пропитанной синтетическими смолами.

Изобретение относится к электротехнике, а именно, к электромашинным источникам питания инклинометрических систем. Ротор скважинного генератора имеет индуктор и составной вал. Вал состоит из двух немагнитных ступиц, объединенных шпилькой. Ступицы имеют посадочные места для установки подшипников, причем ведущая ступица имеет хвостовик для сопряжения с турбиной. Индуктор выполнен набранным из постоянных магнитов кольцеобразной формы с отверстием в центре, через которое пропущена шпилька, причем кольцеобразные магниты имеют по диаметру с одной торцевой поверхности выступ, а с другой торцевой поверхности паз, такой же паз имеет ведущая ступица для сопряжения с прилегающим к ней кольцевым магнитом. Вторая ступица с гладкой торцевой поверхностью навинчена на шпильку и фиксирует магниты и ведущую ступицу в единое целое. Техническим результатом является увеличение мощности скважинного генератора более чем в 2 раза, в тех же габаритах. 2 ил.

Ротор скважинного генератора, содержащий индуктор, вал, бандаж из немагнитопроводящего материала, отличающийся тем, что вал выполнен составным из двух немагнитных ступиц, имеющих посадочные места для установки подшипников, объединенных шпилькой, причем ведущая ступица содержит хвостовик, а индуктор выполнен набранным из постоянных кольцеобразных магнитов с отверстиями в центре, через которые пропущена шпилька, причем кольцеобразные магниты выполнены с выступом по диаметру на одной торцевой поверхности и с пазом на противоположной торцевой поверхности для размещения выступа следующего кольцеобразного магнита, таким же пазом снабжена ведущая ступица для сопряжения с прилегающим к ней кольцеобразным магнитом, а торцевая поверхность второй ступицы выполнена гладкой.