ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОГРУЖНОЙ МАСЛОЗАПОЛНЕННЫЙ Российский патент 2002 года по МПК H02K5/16 F04D13/08 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, а именно к асинхронным электродвигателям, предназначенным для работы в погруженном состоянии и используемым в качестве привода в погружных насосных агрегатах для добычи жидкости из буровых, преимущественно нефтяных, скважин.

Известен погружной маслозаполненный асинхронный электродвигатель, описанный в патенте US 5128573 А, 07.07.1992, Н 02 К 5/16, содержащий статор и многоопорный ротор, закрепленный в радиальном направлении внутри статора с помощью подшипников скольжения. Подшипники выполнены в виде корпуса и внутренней втулки, закрепленной на валу ротора с помощью шпонки. При этом на внешней цилиндрической поверхности корпуса подшипника выполнены две прорези, продольные к оси вращения вала двигателя, в которых жестко закреплены два стопора, а на внутренней поверхности магнитопровода статора выполнены два паза, ширина которых больше толщины стопоров. Наличие стопора исключает возможность проворачивания корпуса подшипника относительно статора, что предотвращает изнашивание внутренней поверхности магнитопровода.

Недостатками описанного аналога являются низкая технологичность клеевого (паянного, сварного) соединения между стопором и корпусом, неудобство сборки, связанное с необходимостью проталкивания выступающих участков стопоров через упомянутые пазы вдоль всей длины соответствующих пакетов магнитопровода, а также недостаточная надежность закрепления стопора на корпусе, обусловленная тем, что между боковыми частями стопора, служащими для ограничения его осевого перемещения, и торцевыми поверхностями корпуса имеется зазор (см. фиг.4 патента US 5128573), из за которого боковые части стопора смогут вступить в работу только после разрушения соединения между центральной частью стопора и корпусом подшипника. Кроме того, в многоопорных роторах погружных электродвигателей при работе возможно "прихватывание" трущихся пар подшипников скольжения, при этом весь крутящий момент двигателя передается через стопоры на внутреннюю поверхность магнитопровода, которая, деформируясь, повреждает обмотку статора и выводит двигатель из строя.

Известны также погружные маслозаполненные асинхронные электродвигатели описанные в авторском свидетельстве SU 1105983 А, 30.07.1984, Н 02 К 5/12 и патенте US 5003210 А, 26.03.1991, Н 02 К 5/16, содержащие статор и многоопорный ротор, закрепленный в радиальном направлении внутри статора с помощью подшипников скольжения. Подшипники выполнены в виде корпуса и внутренней втулки, закрепленной на валу ротора с помощью шпонки. При этом на внешней цилиндрической поверхности корпуса подшипника выполнены две прорези, продольные к оси вращения вала двигателя, в которых установлены два С-образных упругих стопора. На внутренней поверхности магнитопровода статора, предназначенной для установки корпуса подшипника, выполнены два продольных паза, ширина которых больше толщины стопоров.

В указанном аналоге возможность повреждения статора в случае "прихватывания" пары трения практически исключена за счет малых размера стопорящей поверхности и возможности утапливания стопора в прорези при воздействии на него значительного усилия со стороны статора. При этом основными недостатками описанной конструкции являются возможность срыва стопора при нормальной работе пары трения подшипника из за недостаточной площади и цилиндрической формы стопорящей поверхности, а также объединение в одном конструктивном элементе функций стопора и упругого элемента, в связи с чем стопор должен иметь достаточную упругость, что затрудняет обеспечение требуемых прочностных свойств.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения (прототипом) является погружной маслозаполненный асинхронный электродвигатель, описанный в авторском свидетельстве SU 255397 А, 31.03.1970, Н 02 К 5/12, содержащий статор и ротор, закрепленный в радиальном направлении внутри статора с помощью, по крайней мере, двух подшипников скольжения, выполненных в виде корпуса и внутренней втулки, закрепленной на валу ротора, при этом на внешней цилиндрической поверхности корпуса подшипника выполнены две прорези, продольные к оси вращения вала двигателя, в которых установлены два подпружиненных стопора, а на внутренней поверхности магнитопровода статора, предназначенной для установки корпуса подшипника, выполнены два продольных паза, ширина которых больше толщины стопоров. Стопор выполнен в виде продолговатой пластины с двумя лепестками, расположенными на ее коротких противолежащих краях. Пружина установлена между стопором и корпусом подшипника.

Описанная конструкция обеспечивает разделение функций стопора и упругого элемента, однако технологически сложна, так как предусматривает наличие двух стопорящих разрезных колец, фиксирующих упомянутые лепестки. При этом для каждого стопора в корпусе подшипника необходимо сделать прорезь, глухое отверстие для размещения в нем пружины и две кольцевые канавки для стопорящих разрезных колец, сложна также сборка стопорящих устройств в корпусе подшипника. Кроме того, в описанной конструкции не исключена возможность повреждения статора в случае "прихватывания" пары трения.

Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании погружного маслозаполненного асинхронного электродвигателя с промежуточными подшипниками, корпусы которых зафиксированы от поворота с помощью стопоров, не оказывающих деформирующего воздействия на магнитопровод в случае "прихватывания" пары трения подшипника.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в упрощении конструкции промежуточного подшипника с обеспечением надежного закрепления стопора в корпусе подшипника, исключающем возможность перекоса стопора при его радиальном или осевом перемещении.

Конструкция электродвигателя погружного, обеспечивающая достижение указанного выше технического результата, во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, может быть охарактеризована следующей совокупностью существенных признаков.

Электродвигатель погружной содержит статор и ротор, закрепленный в радиальном направлении внутри статора с помощью, по крайней мере, двух подшипников скольжения, выполненных в виде корпуса и внутренней втулки, закрепленной на валу ротора. На внешней цилиндрической поверхности корпуса подшипника выполнена прорезь, продольная к оси вращения вала двигателя, в которой расположен стопор, выполненный в виде продолговатой пластины с двумя лепестками, расположенными на ее противолежащих краях. Между стопором и корпусом подшипника установлен упругий элемент, а на внутренней поверхности статора выполнен, по крайней мере, один продольный паз, ширина которого больше толщины пластины. При этом согласно изобретению на противолежащих торцевых поверхностях корпуса подшипника на расстоянии от внешней цилиндрической поверхности корпуса выполнены углубления, сопряженные с прорезью. По меньшей мере, часть каждого из лепестков изогнута в направлении, перпендикулярном плоскости стопора. Указанные части лепестков изогнуты в одном направлении, таким образом, что, по меньшей мере, часть каждого из лепестков расположена в соответствующем углублении, форма которого обеспечивает возможность перемещения лепестка в направлении, радиальном по отношению к оси вращения вала. Упругий элемент выполнен в виде плоской пружины и установлен в прорези.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, по крайней мере, одно углубление может быть выполнено в виде кольцевой проточки на торцевой поверхности корпуса подшипника.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, по меньшей мере, часть каждого из лепестков может быть изогнута по направлению вращения ротора.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения длина изогнутой части каждого лепестка может составлять от 1,0 до 2,0 мм.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения угол изгиба, части каждого лепестка относительно плоскости пластины стопора могут составлять от 30^o до 60^o.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения упругий элемент может быть выполнен в виде С-образной плоской пружины.

При этом упругий элемент может быть выполнен из проволоки круглого сечения.

При этом упругий элемент может иметь первый концевой участок, соприкасающийся с дном прорези, второй концевой участок, соприкасающийся со стопором, и криволинейный соединительный участок, сопряженный с концевыми участками, причем длина второго концевого участка может быть больше длины первого на величину, находящуюся в пределах от 1,2 до 1,7 диаметра проволоки.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения стопор может быть ограничен в перемещении в радиальном направлении таким образом, что максимальная высота части стопора, выступающая из прорези, составляет от 0,6 до 0,8 мм.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, по крайней мере, одна из наружных кромок стопора может быть выполнена скошенной или скругленной.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения, по крайней мере, одна из наружных кромок паза может быть выполнена скошенной или скругленной.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения в пластине стопора со стороны упругого элемента может быть выполнен вырез, в котором размещена, по меньшей мере, часть упругого элемента.

Возможность осуществления изобретения, охарактеризованного приведенной выше совокупностью признаков, а также возможность реализации назначения изобретения может быть подтверждена описанием конструкции погружного маслозаполненного электродвигателя, выполненного в соответствии с заявленным изобретением. Описание конструкции поясняется графическими материалами, на которых изображено следующее.

Фиг. 1 - общий вид погружного маслозаполненного асинхронного электродвигателя.

Фиг.2 - подшипник в сборе с втулкой.

Фиг.3 - вид В по фиг.2.

Фиг.4 - сечение А-А по фиг.1 (один стопор условно не показан).

Фиг.5 - стопор (изогнутые части лепестков условно не показаны).

Фиг.6 - упругий элемент.

Погружной маслозаполненный асинхронный электродвигатель 1 содержит статор 1, включающий в себя корпус 3, в котором запрессован магнитопровод 4, шихтованный из фигурных (кольцевых) элементов 5 (фиг.4), выполненных из листовой электротехнической стали. В пазы статора уложена трехфазная протяжная обмотка из специального обмоточного провода (на чертеже не показана).

Многоопорный ротор 6 электродвигателя закреплен в радиальном направлении внутри статора 2 с помощью подшипников скольжения 7. Посадочная поверхность 8 магнитопровода, предназначенная для размещения подшипников 7, образована специальными кольцевыми элементами из немагнитного материала, например немагнитной бронзы, что позволяет уменьшить износ посадочной поверхности и тем самым снять необходимость перешихтовки статора при капитальном ремонте. Ротор 6 представляет собой набор пакетов, разделенных между собой подшипниками 7, последовательно одетыми на вал 9 ротора. Пакеты набраны из листовой электротехнической стали, в пазы пакетов вставлены медные стержни, сваренные по торцам с медными кольцами (на чертеже не показаны).

Каждый подшипник 7 включает в себя корпус 10 и втулку 11, распложенную внутри корпуса 10 и зафиксированную на валу 9 ротора. Корпус 10 подшипника может быть выполнен из стали или из немагнитного материала, например чугуна, со стальной (металлофторопластовой и т.п.) внутренней втулкой, образующей пару трения с втулкой 11, которая, в свою очередь, может быть стальной, бронзографитовой, металлокерамической или выполненной из другого материала с соответствующими механическими свойствами. На внешней цилиндрической поверхности корпуса 10 подшипника выполнены две прорези 12, продольные к оси вращения вала двигателя. В прорези 12 установлен стопор 13 и упругий элемент 14.

Стопор 13 установлен с возможностью радиального перемещения внутри прорези 12, таким образом, что часть поверхности стопора 13 может выступать из прорези 12. На посадочной поверхности 8 выполнены два продольных паза 15, ширина которого больше толщины стопора. Пазы 15 предназначены для размещения в них выступающих частей стопоров 13 и исключения возможности проворачивания корпуса подшипника. При этом стопор ограничен в перемещении в радиальном направлении таким образом, что максимальная высота части стопора, выступающая из прорези, составляет 0,7 мм, это позволяет существенно снизить вероятность деформации внутренней поверхности магнитопровода 4 и повреждения обмотки статора 2 в случае "прихватывания" пары трения. При этом на кромке выступающей части стопора 13 или наружной кромке паза 15 дополнительно может быть выполнен скос или скругление (на чертеже не показано).

Стопоры 13 выполнены из стальной ленты толщиной 0,8 мм в виде продолговатой пластины с прямоугольными лепестками 16 (фиг.5), расположенными в нижней части двух противоположных коротких краев этой пластины. Часть 17 каждого лепестка выполнена изогнутой в направлении, перпендикулярном плоскости стопора, и размещена в кольцевой выточке 18, выполненной на расстоянии от внешней цилиндрической поверхности и сопряженной с прорезью 12. Форма выточки 18 обеспечивает возможность перемещения лепестка 16 в направлении, радиальном по отношению к оси вращения вала до упора в боковую стенку выточки 18. Выточка 18 ограничивает также осевое перемещение стопора за счет упора изогнутых частей 17 лепестков в торцевую стенку выточки 18. Указанное осевое смещение может происходить, в частности, в результате температурной деформации ротора 6, который в процессе работы нагревается до больших температур, чем статор 2, и соответственно удлиняется на большую величину.

Части 17 лепестков изогнуты в одну сторону, что исключает возможность перекоса стопора 13 при его радиальном и осевом перемещении. Гибка лепестков 16 производится после установки стопора в корпусе подшипника, и если лепестки изгибать в одну сторону, происходит скручивание стопора за счет того, что между стопором и стенками прорези 12 имеется зазор, а лепестки расположены ниже продольной оси стопора 13. Вследствие скручивания стопора один из его краев будет цепляться за стенку прорези 12, что приведет к перекосу стопора при его радиальном или осевом перемещении. При этом части 17 лепестков изогнуты в направлении вращения вала ротора, что позволяет исключить разгибание частей 17 лепестков вследствие деформации стопора 13 во время работы устройства, что позволяет повысить надежность закрепления стопора. Длина изогнутой части 17 лепестков составляет 1,5 мм, а угол изгиба составляет 45^o. Линия гибки A₁A₂ изогнутой части 17 лепестков параллельна оси стопора O₁О₂. Форма стопора 13 и лепестков 16 может отличаться от описанной выше и определяется конструктивными особенностями конкретного погружного электродвигателя.

Между корпусом 10 подшипника и стопором 13 установлен упругий элемент 14, размещенный в прорези 12 корпуса. Упругий элемент 14 представляет собой С-образную плоскую пружину, выполненную из проволоки круглого поперечного сечения. Пружина 14 имеет первый концевой участок а, соприкасающийся с дном прорези, второй концевой участок b, соприкасающийся со стопором, и криволинейный соединительный участок с, сопряженный с концевыми участками, причем длина второго концевого участка больше длины первого на величину, находящуюся в пределах от 1,2 до 1,7 диаметра проволоки d, что позволяет исключить заклинивание концов пружины 14 в прорези 12 при сильном сжатии пружины. Описанная форма упругого элемента 14 не исчерпывает всех возможных вариантов его выполнения, однако во всех возможных вариантах участки упругого элемента должны быть расположены в одной плоскости, что позволяет согласовать его форму и форму стопора 13, при этом диаметр d проволоки должен быть меньше или равен ширине стопора. В нижней поверхности стопора выполнен вырез 19, в котором размещена большая часть упругого элемента 14 и который может иметь различную форму, зависящую от формы стопора 13 и упругого элемента 14. Описанные конструктивные особенности пружины и стопора позволяют устанавливать их на одном посадочном месте - в прорези 12.

В корпусе 10 подшипника выполнены осевые отверстия 20 для прохода и циркуляции диэлектрического масла, а во втулке 11 и валу 9 выполнены соосные радиальные отверстия 21 и 22 для прохода к паре трения смазки из полости 23 вала 9.

Устройство работает следующим образом
При сборке электродвигателя 1 выступающую часть стопора 13 утапливают в прорези 12, сжимая упругий элемент 14, и в таком положении вводят подшипник во внутреннее отверстие магнитопровода 4 статора, что существенно упрощает установку ротора внутри статора. При первом повороте ротора 6 стопор 13 оказывается напротив соответствующего паза 15, и под действием упругого элемента 14 его выступающая часть заходит в указанный паз, исключая возможность дальнейшего проворачивания корпуса 10. В случае "прихватывания" пары трения стопоры 13 заходят обратно в прорези 12 под действием резко увеличившегося воздействия со стороны стенок паза 15 на выступающую часть стопора 13, обеспечивая возможность проворачивания корпуса подшипника относительно посадочной поверхности 8, что исключает возможность деформации последней и повреждения обмотки статора 2.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, а именно к асинхронным электродвигателям, предназначенным для работы в погруженном состоянии и используемым в качестве привода в погружных насосных агрегатах для добычи жидкости из буровых, преимущественно нефтяных, скважин. Электродвигатель погружной содержит статор и ротор, закрепленный в радиальном направлении внутри статора с помощью двух подшипников скольжения, выполненных в виде корпуса и внутренней втулки. На внешней цилиндрической поверхности корпуса каждого подшипника выполнены две прорези, продольные к оси вращения вала двигателя, в которых установлены стопоры, выполненные в виде продолговатой пластины с двумя лепестками. Между стопором и корпусом подшипника установлен упругий элемент, а на внутренней поверхности статора выполнены два паза, ширина которых больше толщины пластины. При этом согласно изобретению на противолежащих торцевых поверхностях корпуса подшипника на расстоянии от внешней цилиндрической поверхности корпуса выполнены углубления, сопряженные с прорезями. Часть каждого плечика изогнута в одну сторону в направлении, перпендикулярном плоскости стопора. Изогнутые части плечиков размещены в упомянутых углублениях с возможностью радиального перемещения. Упругий элемент выполнен в виде плоской пружины и установлен в прорези. Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в упрощении конструкции промежуточного подшипника с обеспечением надежного закрепления стопора в корпусе подшипника, исключающем возможность перекоса стопора при его радиальном или осевом перемещении. 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Электродвигатель погружной, содержащий статор и ротор, закрепленный в радиальном направлении внутри статора с помощью, по крайней мере, двух подшипников скольжения, выполненных в виде корпуса и внутренней втулки, закрепленной на валу ротора, при этом на внешней цилиндрической поверхности корпуса подшипника выполнена прорезь, продольная к оси вращения вала двигателя, в которой расположен стопор, выполненный в виде продолговатой пластины с двумя лепестками, расположенными на ее противолежащих краях, при этом между стопором и корпусом подшипника установлен упругий элемент, а на внутренней поверхности статора выполнен, по крайней мере, один продольный паз, ширина которого больше толщины пластины, отличающийся тем, что на противолежащих торцевых поверхностях корпуса подшипника на расстоянии от внешней цилиндрической поверхности корпуса выполнены углубления, сопряженные с прорезью, при этом, по меньшей мере, часть каждого из лепестков изогнута в направлении, перпендикулярном плоскости стопора, причем указанные части лепестков изогнуты в одном направлении таким образом, что, по меньшей мере, часть каждого из лепестков расположена в соответствующем углублении, форма которого обеспечивает возможность перемещения лепестка в направлении, радиальном по отношению к оси вращения вала, а упругий элемент выполнен в виде плоской пружины и установлен в прорези. 2. Электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что, по крайней мере, одно углубление выполнено в виде кольцевой проточки на торцевой поверхности корпуса подшипника. 3. Электродвигатель по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть каждого из лепестков изогнута по направлению вращения ротора. 4. Электродвигатель по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что длина изогнутой части каждого лепестка составляет 1,0-2,0 мм. 5. Электродвигатель по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что угол изгиба части каждого лепестка относительно плоскости стопора составляет 30-60^o. 6. Электродвигатель по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что упругий элемент выполнен в виде С-образной плоской пружины. 7. Электродвигатель по п. 6, отличающийся тем, что упругий элемент выполнен из проволоки круглого сечения. 8. Электродвигатель по п. 7, отличающийся тем, что упругий элемент имеет первый концевой участок, соприкасающийся с дном прорези, второй концевой участок, соприкасающийся со стопором, и криволинейный соединительный участок, сопряженный с концевыми участками, причем длина второго концевого участка больше длины первого на величину, находящуюся в пределах 1,2-1,7 диаметра проволоки. 9. Электродвигатель по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что стопор ограничен в перемещении в радиальном направлении таким образом, что максимальная высота части стопора, выступающей из прорези, составляет 0,6-0,8 мм. 10. Электродвигатель по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что, по крайней мере, одна из наружных кромок части стопора, выступающей из прорези, выполнена скошенной или скругленной. 11. Электродвигатель по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что, по крайней мере, одна из наружных кромок паза выполнена скошенной или скругленной. 12. Электродвигатель по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в пластине стопора со стороны упругого элемента выполнен вырез, в котором размещена, по меньшей мере, часть упругого элемента.