ПОГРУЖНОЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК H02K9/19 H02K5/132 

Изобретение относится к электрическим машинам и предназначено для использования в погружных жидкостно-заполненных электродвигателях, предназначенных для привода погружных насосов в малодебитных глубинных нефтяных скважинах.

В настоящее время стали промышленно разрабатываться все более глубокие (до 4-х километров) нефтяные пласты. Диаметр эксплуатационной колонны скважины в большинстве случаев равен 118 мм. Поскольку радиальные размеры электродвигателя ограничены размерами эксплутационной колонны скважины, то мощность электродвигателя на единицу длинны и максимальный напор вспомогательного насоса (для оптимальных конструкций двигателей) лежит в пределах

0.7 кВт/см<N/L<1.3 кВт/см;

L - длина электродвигателя.

Понятно, что в таких условиях масса погружных центробежных установок должна быть минимальной (в том числе электродвигателя). Увеличение глубины спуска центртробежной установки требует увеличения мощности погружного насоса (т.к. увеличивается высота подъема продукта скважины) и соответственно мощности электропривода.

Оптимальное соотношение массы и мощности можно получить при использовании, в качестве погружного электродвигателя, вентильного электродвигателя переменного тока, который, кроме того, имеет хорошие частотные характеристики (до 10000 об/мин), что позволяет существенно увеличить напор, развиваемый погружным насосом.

Теплота, которая выделяется в объеме вентильного электродвигателя переменного тока вследствие неизбежных механических, гидравлических и магнитных потерь, должна быть отведена от двигателя к обтекающему его потоку продукта скважины. Упомянутый выше теплоотвод осуществляется через боковую поверхность электродвигателя. Для компактных вентильных электродвигателей переменного тока плотность теплового потока через боковую поверхность может достигать величины 30000 Вт/м². При таких тепловых потоках температурный напор между стенкой электродвигателя и охлаждающей жидкостью может быть значительным (до 50°С). Для глубоких скважин температура пластовой жидкости достигает величины 150°С. Таким образом, температура внешней поверхности электродвигателя может приближаться к 200°С, а температура внутренних элементов электродвигателя превышать 200°С. В таких условиях ресурс работы электродвигателя существенно сокращается.

Таким образом, задача создания вентильного двигателя переменного тока для работы в качестве погружного электродвигателя глубинного погружного насоса с эффективным отводом теплоты от его элементов и выравниванием температуры его элементов является сложной технической задачей.

Поставленную задачу можно решить путем отбора части теплоты от внутренних элементов электродвигателя потоком жидкости, который формируется при помощи расположенного внутри электродвигателя вспомогательного центробежного насоса, и направлением потока в холодильник. Охлаждение холодильника происходит потоком продукта скважины.

Известен погружной электродвигатель, содержащий корпус с полостью, установленный в полости корпуса статор, ротор и насос [1].

Недостаток известного погружного электродвигателя заключается в том, что для его охлаждения требуется дополнительная конструкция охлаждающей системы, которая приводит к увеличению диаметра всей конструкции погружного электродвигателя, что, в свою очередь, приводит к невозможности применения погружного электродвигателя в малодебитных глубинных сквавжинах.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является погружной электродвигатель, содержащий корпус с наружной боковой поверхностью и с полостью с цилиндрической боковой поверхностью, магнитопровод статора с цилиндрической боковой наружной поверхностью, с по меньшей мере двумя зубцами и с каналами, жестко установленный в полости корпуса, ротор с выполненным в нем по меньшей мере одним продольным каналом, установленный в полости корпуса с возможностью вращения, насос, установленный на роторе, с входом, соединенным с выходом выполненного в роторе продольного канала и с выходом, соединенным с входами каналов магнитопровода статора, обратный канал с выходом, соединенным с входом выполненного в роторе продольного канала [2].

Проходное сечение каналов в статоре, предназначенных для течения охлаждающей жидкости, при оптимальной конструкции двигателя есть величина, наперед известная.

Проходное сечение каналов в статоре, предназначенных для течения охлаждающей жидкости, в оптимальных конструкциях электродвигателя есть величина постоянная.

Недостаток конструкции известного погружного электродвигателя заключается в том, что он не является надежным в работе в глубинных нефтяных скважинах, так как без дополнительной конструкторской доработки в нем невозможно осуществить процесс выравнивания температуры составляющих элементов.

Изобретение направлено на устранение упомянутых недостатков и на достижение технического результата, заключающегося в увеличении надежности работы устройства и в повышении долговечности устройства при его эксплуатации в глубинных малодебитных скважинах.

Технический результат достигается тем, что погружной электродвигатель, содержащий корпус с наружной боковой поверхностью и с полостью с цилиндрической боковой поверхностью, магнитопровод статора с цилиндрической боковой наружной поверхностью, с по меньшей мере двумя зубцами и с каналами, жестко установленный в полости корпуса, ротор с выполненным в нем по меньшей мере одним продольным каналом, установленный в полости корпуса с возможностью вращения, насос, установленный на роторе, с входом, соединенным с выходом выполненного в роторе продольного канала, и с выходом, соединенным с входами каналов магнитопровода статора, обратный канал с выходом, соединенным с входом выполненного в роторе продольного канала, согласно изобретению, он снабжен установленным в полости корпуса выполненным в виде цилиндра с выполненной винтовой канавкой на наружной цилиндрической боковой поверхности и со сквозной полостью теплообменником, коллектором, установленным в полости корпуса, каналы магнитопровода статора выполнены в виде канавок на цилиндрической боковой наружной поверхности магнитопровода статора параллельно зубцам, при этом обратный канал проходит через сквозную полость цилиндра, выходы каналов магнитопровода статора соединены со входом коллектора, наружная цилиндрическая боковая поверхность установленного в полости корпуса, выполненного в виде цилиндра с выполненной винтовой канавкой на наружной цилиндрической боковой поверхности и со сквозной полостью теплообменника, взаимодействует с цилиндрической боковой поверхностью полости корпуса, а поверхность винтовой канавки и участок цилиндрической боковой поверхности полости корпуса, охваченной поверхностью винтовой канавки, являются винтовым каналом, вход винтового канала соединен с выходом коллектора, а выход винтового канала - с входом обратного канала, при этом длина цилиндра с выполненной винтовой канавкой в наружной цилиндрической боковой поверхности удовлетворяет условию L=(0,8-1,2)L_M, где L_M - длина магнитопровода статора, площадь проходного сечения винтового канала удовлетворяет условию S=(0,8-1,2)S_M где S_M - суммарная площадь проходного сечения каналов на цилиндрической боковой наружной поверхности магнитопровода статора, средняя длина поперечного сечения винтовой канавки удовлетворяет условию l=(6-8)h, где h - глубина винтовой канавки.

Также он снабжен фильтром, установленным в полости корпуса, при этом вход фильтра соединен с выходом винтового канала, а выход фильтра - со входом обратного канала.

Кроме того, он снабжен ребрами, выполненными на наружной боковой поверхности корпуса.

Указанная совокупность существенных признаков, отличающих полезную модель от аналога, позволяет повысить надежность работы погружного электродвигателя, его долговечность при эксплуатации.

В дальнейшем полезная модель поясняется описанием примеров ее выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг.1 изображает структурную схему вида спереди погружного электродвигателя, согласно изобретению;

фиг.2 - схему, поясняющую взаимозависимость статора и теплообменника;

фиг.3 - схему, поясняющую устройство винтовой канавки теплообменника;

фиг.4 - схему, поясняющую последовательность соединения элементов образующих погружной электродвигатель;

фиг.5 - схему вида сверху корпуса электродвигателя;

фиг.6 - схему соединения осей ротора с подшипниками;

фиг.7 - схему, поясняющую выполнение продольных каналов ротора и соединение каналов ротора с насосом;

фиг.8 - схему поперечного сечения погружного электродвигателя;

фиг.9 - схему коллектора;

фиг.10 - зависимость температуры центрального провода обмотки статора от канавки теплообменника.

Погружной электродвигатель содержит корпус 1 с наружной боковой поверхностью 2 и с полостью 3 с цилиндрической боковой поверхностью 4, магнитопровод 5 статора 6 с цилиндрической боковой наружной поверхностью 7, с по меньшей мере двумя зубцами 8 и с по меньшей мере одним каналом 9, жестко установленный в полости 3 корпуса 1, ротор 10 с выполненным в нем продольным каналом 11, установленный в полости 3 корпуса 1 с возможностью вращения, насос 12, установленный на роторе 10, с входом 13, соединенным с выходом 14 выполненного в роторе 10 продольного канала 11, и с выходом 15, соединенным с входами 16 каналов 9 магнитопровода 5 статора 6, обратный канал 17 с выходом 18, соединенным с входом 19 выполненного в роторе 10 продольного канала 11.

Согласно изобретению погружной электродвигатель снабжен установленным в полости 3 корпуса 1 выполненным в виде цилиндра 20 с выполненной винтовой канавкой 21 на наружной цилиндрической боковой поверхности 22 и со сквозной полостью 23 теплообменником 24, коллектором 25, установленным в полости 3 корпуса 1, каналы 9 магнитопровода 5 статора 6 выполнены в виде канавок 26 на цилиндрической боковой наружной поверхности 7 магнитопровода 5 статора 6 параллельно зубцам 8, при этом обратный канал 17 проходит через сквозную полость 23 цилиндра 20, выходы 27 каналов 9 магнитопровода 5 статора 6 соединены со входом 28 коллектора 25, наружная цилиндрическая боковая поверхность 22 установленного в полости 3 корпуса 1 выполненного в виде цилиндра 20 с выполненной винтовой канавкой 21 на наружной цилиндрической боковой поверхности 22 и со сквозной полостью 23 теплообменника 24 взаимодействует с цилиндрической боковой поверхностью 4 полости 3 корпуса 1, а поверхность 29 винтовой канавки 21 и участок 30 цилиндрической боковой поверхности 4 полости 3 корпуса 1, охваченной поверхностью 29 винтовой канавки 21, являются винтовым каналом 31, вход 32 винтового канала 31 соединен с выходом 33 коллектора 25, а выход 34 винтового канала 31 - с входом 35 обратного канала 17, при этом длина L цилиндра 20 с выполненной винтовой канавкой 21 в наружной цилиндрической боковой поверхности 22 удовлетворяет условию L=(0,8-1,2)L_M, где L_M, - длина магнитопровода 5 статора 6, площадь S проходного сечения винтового канала 31 удовлетворяет условию S=(0,8-1,2)S_м, где S_м - суммарная площадь проходного сечения каналов 9 на цилиндрической боковой наружной поверхности 7 магнитопровода 5 статора 6, средняя длина 1 поперечного сечения винтовой канавки 21 удовлетворяет условию l=(6-8)h, где h - глубина винтовой канавки 21.

Согласно изобретению погружной электродвигатель также снабжен фильтром 36, установленным в полости 3 корпуса 1, при этом вход 37 фильтра 36 соединен с выходом 34 винтового канала 31, а выход 38 фильтра 36 - со входом 35 обратного канала 17.

Согласно изобретению погружной электродвигатель снабжен ребрами 39, выполненными на наружной боковой поверхности 2 корпуса 1.

К корпусу 1 разъемно присоединен щит 40 со сквозным отверстием 41. В полости 3 корпуса 2 установлены подшипники 42 и 43. Оси ротора 44 и 45 соединены с подшипниками 42 и 43. Ось 44 ротора проходит через сквозное отверстие 40 в щите 40.

Ротор 10 выполнен в виде системы постоянных магнитов 46. Зазор между боковой поверхностью 47 ротора 10 и поверхностью 48 зубцов 8 магнитопровода статора составляет величину, не превышающую 0,5 мм. Величина потока охлаждающей жидкости, проходящей через этот зазор, по меньшей мере на порядок меньше, чем величина потока охлаждающей жидкости, протекающего через каналы магнитопровода статора.

В боковой поверхности 47 ротора 10 выполнены пазы 49. В пазах 49 жестко установлены постоянные магниты 46. Поверхности 50 пазов 49 и поверхности 51 постоянных магнитов являются боковыми поверхностями продольных каналов 11.

В оси 44 выполнено продольное отверстие 52, соединенное отверстиями 53 с продольными каналами 11. Система отверстие 52, отверстие 53, соединенные с продольными каналами 11, является входом 19 продольных каналов 11.

Магнитопровод 5 статора 6 установлен в полости 3 таким образом, что его цилиндрическая боковая наружная поверхность 7 жестко взаимодействует с цилиндрической боковой поверхностью 4.

Поверхности 54 канавок 26 на цилиндрической боковой наружной поверхности 7 магнитопровода 5 и участки 55 цилиндрической боковой поверхности 4 полости 3, охватывающие канавки 26, являются боковыми стенками каналов 9.

В полостях между зубцами 8 установлены обмотки 56 статора 6.

Коллектор 25 выполнен, например, в виде шайбы 57 с окном 58. Шайба 57 жестко установлена в полости 3 корпуса 1. Участок 59 цилиндрической боковой поверхности 4 и поверхность 60 шайбы 57 являются входом 28 коллектора 25, а окно 58 является выходом 33 коллектора 25.

Обратный канал 17 выполнен, например, в виде трубы.

На оси ротора 10 установлен насос 12, выполненный, например, в виде крыльчатого колеса.

Пространство между лопостями крыльчатого колеса, в которое выходят выходы 14 продольных каналов 11, является входом 13 насоса 12.

Перед работой полость 3 корпуса 1 заполняется жидким теплоносителем, например синтетической жидкостью ПМС. Заполнение рабочей полости 3 жидким теплоносителем осуществляется через систему отверстий, выполненных в корпусе 1 (не показана). После заполнения полости 3 жидким теплоносителем система отверстий закрывается заглушкой (не показана).

При заполнении полости 3 жидким теплоносителем также заполняется система каналов статора 6, продольных каналов 11 ротора 10, зазор между ротором 10 и статором 6 (не обозначен), винтовой канал 31, обратный канал 17, фильтр 36, сквозная полость 23.

Погружной электродвигатель механически соединяется с насосом и электрически через кабель с системой управления и источником электрической энергии (не показан) и затем опускается в скважину.

По команде от системы управления (не показана) обмотки 56 статора 6 подключаются к источнику электрической энергии (не показан), при этом ток протекает по обмоткам 56 статора 6 и вызывает в магнитопроводе 5 магнитный поток. Магнитный поток в магнитопроводе 5 статора проходит через зубцы 8 и взаимодействует с магнитным потоком постоянных магнитов 46, установленных в роторе 10. Взаимодействие магнитных потоков, проходящих через зубцы 8, и магнитных потоков постоянных магнитов 46 приводит к возникновению вращающего момента, под воздействием которого происходит вращение ротора 10 относительно оси 44. Вращающий момент передается на ось погружного насоса (не показан).

При работе погружного электродвигателя в статоре 6, роторе 10, подшипнике 42, подшипнике 45, корпусе 1, зазоре между ротором и статором выделяется тепловая энергия. При этом статор 6, ротор 16, подшипники 42 и 45, корпус 1 нагреваются. Выделение тепловой энергии по объему элементов погружного электродвигателя происходит неравномерно. При вращении ротора 10 работает насос. Рабочие элементы насоса (не показаны) взаимодействуют с теплоносителем, создавая на выходе 15 напор, под действием которого теплоноситель от выхода 15 насоса 12 течет последовательно по каналам 9 статора 6, коллектору 25, винтовому каналу 31, теплообменнику 24, фильтру 36, обратному каналу 17, продольным каналам 11 ротора 10 к входу 13 насоса 12.

Теплоноситель под действием напора, создаваемого насосом 12, поступает в канавки 26, где, нагреваясь, отводит теплоту от корпуса 1 и статора 6, а затем через окно 58 поступает в винтовой канал 31. Проходя по винтовому каналу, теплоноситель охлаждается, отдавая теплоту через поверхность ребер 39 корпуса 1 потоку продукта скважины, омывающему корпус 1. Охлажденный теплоноситель через обратный канал 17 поступает на входы 19 продольных каналов 11 ротора 19, где отбирает часть теплоты, которая выделяется в роторе 19, зазоре между ротором 19 и статором 6 и нижнем подшипнике 43. Затем теплоноситель поступает на вход 13 в насос 12.

В фильтре 36 из теплоносителя удаляются абразивные элементы (продукт износа) и высокомолекулярные соединения, которые могут осаждаться в каналах ротора и статора и теплообменника и уменьшать их проходное сечение.

Таким образом, использование изобретения в погружном насосе позволяет выровнять температуру отдельных его элементов и установить ее ниже допустимой критической величины для электромагнитной системы, образованной ротором и статором, и тем самым повысить надежность работы всей конструкции погружного электродвигателя.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент России №1777203, МПК Н 02 К 9/19, 1992.

2. Авторское свидетельство СССР №1042139, МПК Н 02 К 9/19, 1983.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, и предназначено для использования в погружных жидкостно-заполненных электродвигателях, предназначенных для привода погружных насосов в малодебитных глубинных нефтяных скважинах. Сущность изобретения состоит в том, что погружной электродвигатель снабжен установленным в полости (3) корпуса (1) теплообменником (24), выполненным в виде цилиндра (20) с винтовой канавкой (21) на наружной цилиндрической боковой поверхности (22) и со сквозной полостью (23), а также коллектором (25), установленным в полости (3) корпуса (1). Каналы (9) магнитопровода (5) статора (6) выполнены в виде канавок (26) на цилиндрической боковой наружной поверхности (7) магнитопровода (5) статора (6) параллельно зубцам (8). Обратный канал (17) проходит через сквозную полость (23) теплообменника (24), выходы (27) каналов (9) соединены со входом (28) коллектора (25), наружная цилиндрическая боковая поверхность (22) теплообменника (24) взаимодействует с цилиндрической боковой поверхностью (4) полости (3) корпуса (1), а поверхность (29) винтовой канавки (21) и участок (30) цилиндрической боковой поверхности (4) полости (3) корпуса (1), охваченной поверхностью (29) винтовой канавки (21), являются винтовым каналом (31). Вход (32) винтового канала (31) соединен с выходом (33) коллектора (25), а выход (34) винтового канала (31) - с входом (35) обратного канала (17). При этом длина теплообменника удовлетворяет условию L=(0,8-1,2)L_м, где L_м - длина магнитопровода статора, площадь проходного сечения винтового канала - условию S=(0,8-1,2)S_м, где S_м - суммарная площадь проходного сечения каналов на цилиндрической боковой наружной поверхности магнитопровода статора, а средняя длина поперечного сечения винтовой канавки - условию l=(6-8)h, где h - глубина винтовой канавки. Технический результат - повышение надежности путем повышения эффективности отвода тепла и выравнивания температуры отдельных элементов погружного электродвигателя. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Погружной электродвигатель, содержащий корпус с наружной боковой поверхностью и с полостью с цилиндрической боковой поверхностью, магнитопровод статора с цилиндрической боковой наружной поверхностью, с, по меньшей мере, двумя зубцами и с каналами, жестко установленный в полости корпуса, ротор с выполненным в нем, по меньшей мере, одним продольным каналом, установленный в полости корпуса с возможностью вращения насос, установленный на роторе и выполненный с входом, который соединен с выходом выполненного в роторе продольного канала, и с выходом, который соединен с входами каналов магнитопровода статора, а также обратный канал с выходом, соединенным с входом выполненного в роторе продольного канала, отличающийся тем, что он снабжен теплообменником, установленным в полости корпуса и выполненным в виде цилиндра с винтовой канавкой на наружной боковой поверхности и со сквозной полостью, а также коллектором, установленным в полости корпуса, каналы магнитопровода статора выполнены в виде канавок на цилиндрической боковой наружной поверхности магнитопровода статора параллельно зубцам, при этом обратный канал проходит через сквозную полость теплообменника, выходы каналов магнитопровода статора соединены со входом коллектора, наружная цилиндрическая боковая поверхность теплообменника взаимодействует с цилиндрической боковой поверхностью полости корпуса, а поверхность винтовой канавки и участок цилиндрической боковой поверхности полости корпуса, охваченной поверхностью винтовой канавки, являются винтовым каналом, вход винтового канала соединен с выходом коллектора, а выход винтового канала - с входом обратного канала, при этом длина теплообменника, выполненного в виде цилиндра с винтовой канавкой в наружной боковой поверхности, удовлетворяет условию L=(0,8÷1,2)L_м, где L_м - длина магнитопровода статора, площадь проходного сечения винтового канала удовлетворяет условию S=(0,8÷1,2)S_м, где S_м - суммарная площадь проходного сечения каналов на цилиндрической боковой наружной поверхности магнитопровода статора, а средняя длина поперечного сечения винтовой канавки удовлетворяет условию l=(6÷8)h, где h - глубина винтовой канавки.2. Погружной электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен фильтром, установленным в полости корпуса, при этом вход фильтра соединен с выходом винтового канала, а выход фильтра - со входом обратного канала.3. Погружной электродвигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что он снабжен ребрами, выполненными на наружной боковой поверхности корпуса.