Электрическая машина Российский патент 2020 года по МПК H02K1/16 H02K3/48 H02K15/02 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к электрическим машинам, более конкретно - к электрическим машинам, предназначенным для использования с электрическими подводными насосами (далее - ЭПН) для добычи нефти и газа.

[0002] Как правило, при бурении на нефть и газ бурение скважины выполняют для достижения продуктивного пласта. При бурении скважины могут происходить многочисленные изменения в направлении, при этом скважина может иметь вертикальные, наклонные или горизонтальные участки. Обсадную трубу скважины вставляют в скважину для обеспечения конструкции и поддерживания скважины. Нефть, газ или другую текучую среду затем откачивают из продуктивного пласта через обсадную трубу скважины на поверхность, где впоследствии ее собирают. Один из способов откачки текучей среды из продуктивного пласта к поверхности предполагает использование электрического погружного насоса (ЭПН) с электрическим двигателем в обсадной трубе, предназначенным для приведения в действие насоса.

[0003] Данная конструкция имеет ограничения, определенные геометрией обсадной трубы скважины, поэтому электрические двигатели, используемые в системах ЭПН, имеют большую протяженность и малый диаметр. Изготовление электрических двигателей представляет собой, как правило, простой процесс. Обмотки вводят в пазы статора через соответствующие отверстия, которые обращены к ротору. Однако двигатели для ЭПН обычно имеют закрытые пазы, поэтому обмотку выполняют путем осуществления способа, похожего на сшивание, который включает продевание проводников через пазы, которые проходят по всей длине электрического двигателя. К сожалению, для электрических двигателей с большой протяженностью и малым диаметром этот способ может быть дорогостоящим и требующим много времени и, поскольку, если изоляция проводников в процессе такого изготовления будет нарушена, необходимо осуществить замену проводников.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ

[0004] Определенные варианты выполнения в пределах объема изобретения согласно первоначальной формуле изложены далее. Эти варианты выполнения не являются ограничительными для объема изобретения, определенного формулой изобретения, а скорее предназначены для приведения краткого описания возможных форм осуществления заявленного изобретения. Действительно, объем формулы изобретения может включать целый ряд форм, которые могут быть подобными или отличаться от приведенных далее вариантов выполнения.

[0005] Согласно одному варианту выполнения система содержит сердечник статора, который имеет несколько зубцов и несколько перемычек. Указанные зубцы расположены вокруг оси указанного сердечника статора, и каждый из них проходит в радиальном направлении от ближнего конца к дальнему концу. Каждая из указанных перемычек расположена между двумя соседними зубцами и соединяет ближние концы этих двух зубцов. Указанные зубцы и перемычки ограничивают несколько пазов, каждый из которых имеет ближний конец и дальний конец, причем ближний конец каждого паза закрыт, а дальний конец каждого паза открыт.

[0006] Согласно второму варианту выполнения система содержит статор и ротор. Статор содержит сердечник, несколько обмоток и несколько магнитных клиновидных элементов. Указанный сердечник статора имеет несколько зубцов и несколько перемычек. Указанные зубцы расположены вокруг оси указанного сердечника статора, при этом каждый из указанных зубцов проходит в радиальном направлении от ближнего конца к дальнему концу. Каждая из указанных перемычек расположена между двумя соседними зубцами и соединяет ближние концы этих двух зубцов. Указанные зубцы и перемычки ограничивают несколько пазов, каждый из которых имеет ближний конец и дальний конец, причем ближний конец каждого паза закрыт, а дальний конец каждого паза открыт. Указанные обмотки расположены внутри указанных пазов, а каждый из указанных магнитных клиновидных элементов расположен между дальними концами двух соседних зубцов. Указанный ротор расположен внутри статора и выполнен с возможностью вращения вокруг оси сердечника статора.

[0007] Согласно третьему варианту выполнения предложен способ изготовления статора электрической машины, который включает выполнение сердечника статора, который имеет несколько зубцов, которые расположены вокруг оси указанного сердечника статора и каждый из которых проходит в радиальном направлении от ближнего конца к дальнему концу, и несколько перемычек, каждая из которых расположена между двумя ближними зубцами и соединяет ближние концы этих двух зубцов, причем указанные зубцы и перемычки ограничивают несколько пазов, при этом способ включает размещение первой обмотки в первом из указанных пазов и присоединение первого магнитного клиновидного элемента к сердечнику статора для предотвращения удаления первой обмотки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0008] Эти и другие признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более понятны после прочтения следующего подробного описания со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых одинаковыми номерами позиций обозначены подобные части.

На чертежах:

[0009] Фиг. 1 схематично изображает систему для добычи углеводородов, предназначенную для добычи текучей среды из подземного продуктивного пласта;

[0010] Фиг. 2 изображает частичный разрез в аксонометрии электрического двигателя согласно одному варианту выполнения;

[0011] Фиг.3 изображает разрез статора с закрытыми пазами согласно одному варианту выполнения;

[0012] Фиг. 4 изображает разрез сердечника статора согласно одному варианту выполнения;

[0013] Фиг. 5 изображает разрез сердечника статора с размещенными в пазах обмотками согласно одному варианту выполнения;

[0014] Фиг.6 изображает разрез сердечника статора с размещенными в пазах обмотками и магнитными клиновидными элементами, закрывающими дальние концы указанных пазов в соответствии с аспектами настоящего изобретения;

[0015] Фиг. 7 изображает вид в аксонометрии сердечника статора, установленного на валу, поддерживаемом на каждом конце опорной стойкой и окруженном лотковой опорой и крышкой в соответствии с аспектами настоящего изобретения;

[0016] Фиг. 8 изображает вид в аксонометрии обмоток, установленных через дальние концы указанных пазов в сердечнике статора в соответствии с аспектами настоящего изобретения;

[0017] Фиг. 9 изображает вид в аксонометрии установленных над обмотками магнитных клиновидных элементов, закрывающих указанные пазы в сердечнике статора в соответствии с аспектами настоящего изобретения;

[0018] Фиг. 10 изображает вид в аксонометрии двух пазов с установленными в них обмотками и магнитными клиновидными элементами, повернутыми наверх под указанную крышку в соответствии с аспектами настоящего изобретения;

[0019] Фиг. 11 изображает вид в аксонометрии статора с обмотками и магнитными клиновидными элементами, установленными во всех пазах сердечника статора в соответствии с аспектами настоящего изобретения;

[0020] Фиг. 12 изображает вид в аксонометрии заполненного сердечника статора с ленточными хомутами вокруг каждого из его концов в соответствии с аспектами настоящего изобретения;

[0021] Фиг. 13 изображает вид в аксонометрии извлеченного из лотковой опоры и крышки заполненного сердечника статора с дополнительным ленточным хомутом, установленным в соответствии с аспектами настоящего изобретения;

[0022] Фиг. 14 изображает вид в аксонометрии заполненного сердечника статора, вставленного в кожух статора в соответствии с аспектами настоящего изобретения;

[0023] Фиг. 15 изображает разрез паза, заполненного обмотками в соответствии с аспектами настоящего изобретения;

[0024] Фиг. 16 изображает разрез сердечника согласно варианту выполнения с объединенными клиновидными элементами в соответствии с аспектами настоящего изобретения; и

[0025] Фиг. 17 изображает блок-схему способа изготовления или сборки статора в соответствии с аспектами настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0026] Далее описаны один или несколько вариантов выполнения. Для приведения краткого описания этих вариантов выполнения в нем могут быть указаны не все признаки, необходимые для фактической реализации изобретения. Следует понимать, что при усовершенствовании любой такой фактической реализации, как и в любом инженерном или конструкторском проекте, должны быть приведены многочисленные прикладные решения для достижения конкретных целей разработчиков, таких как соответствие системным и производственным требования, которые могут изменяться в зависимости от конкретного применения. Более того, следует понимать, что такие преобразования могут быть сложными, требующими много времени и при этом трудоемкими по части проектирования, изготовления и производства для специалистов в данной области техники, которые смогут оценить преимущества настоящего изобретения.

[0027] При описании элементов различных вариантов выполнения настоящего изобретения используется единственное и множественное число, соответственно, для обозначения одного или нескольких элементов. Слова «содержащий», «включающий» и «имеющий» являются инклюзивными и предполагают наличие дополнительных элементов помимо перечисленных. Кроме этого, любые численные примеры в следующем описании являются неограничительными, поэтому объем описанных вариантов выполнения включает дополнительные числовые значения, диапазоны и проценты.

[0028] Фиг. 1 схематично изображает систему для добычи углеводородов (например, скважину 10), предназначенную для добычи текучей среды (например, нефти, газа и т.д.) из подземного продуктивного пласта 14. Как показано на Фиг. 1, скважина 12 может быть пробурена в земле в направлении продуктивного пласта 14. Несмотря на то, что скважина 12 изображена на Фиг. 1 в виде вертикальной скважины 12, такие скважины 12 могут иметь некоторые отличия в направлении и иметь наклонные или горизонтальные участки. Обсадная труба 16 скважины обычно размещена внутри скважины 12 для обеспечения опоры. Текучая среда из продуктивного пласта 14 может, таким образом, быть откачана к поверхности 18 для ее сбора, отделения и очистки. Несмотря на то, что существует множество возможных способов откачки текучих сред из подземного продуктивного пласта 14 к поверхности 18, один из способов предполагает использование электрического погружного насоса (ЭПН), как показано на Фиг.1.

[0029] При использовании ЭПН узел ЭПН или система 20 проходит через обсадную трубу 16 скважины в направлении продуктивного пласта 14. Узел 20 ЭПН может содержать насос 22, заборное устройство 24, уплотнительное устройство 26, электрический двигатель 28 и датчик 30. Энергия может подаваться от источника 32 питания и регулироваться посредством контроллера 34. Источник 32 питания, показанный на Фиг.1, представляет собой стандартную энергетическую систему, однако подача энергии может быть обеспечена и другим путем (посредством генератора, батарей и т.п.). Контроллер 34 может представлять собой привод с регулируемой скоростью (ПРС), привод с регулируемой частотой (ПРЧ) или какой-либо другой контроллер, предназначенный для управления частотой и/или скоростью двигателя 28. Может быть обеспечено регулирование с шаговым возрастанием или убыванием энергии посредством трансформатора 36, при этом энергия может подаваться на узел 20 ЭПН по кабелю 38, проведенному через обсадную трубу 16 скважины с поверхности 18 к узлу 20 ЭПН. Затем двигатель 28 передает энергию, полученную по кабелю 38, для приведения в действие насоса 22. Двигатель 28 может представлять собой асинхронный двигатель, двигатель с постоянным магнитом или электрический двигатель любого другого типа.

[0030] Насос 22 может представлять собой центробежный насос с одной или несколькими ступенями. Заборное устройство 24 действует в качестве всасывающего коллектора, в который текучие среды 14 поступают перед подачей в насос 22. В некоторых вариантах выполнения заборное устройство 24 может содержать газовый сепаратор. Уплотнительный узел 26 может быть расположен между заборным устройством 24 и двигателем 28. Указанный уплотнительный узел защищает двигатель 28 от текучих сред 14 в скважине, передает вращающий момент от двигателя 28 к насосу 22, поглощает осевую нагрузку вала и выравнивает давление между продуктивным пластом 14 и двигателем 28. Уплотнительный узел 26 также может содержать камеру для расширения и усадки смазочного масла, что происходит в результате нагревания и охлаждения двигателя 28 во время работы. Уплотнительный узел 26 может содержать камеры - лабиринты, мягкие камеры, механические уплотнения или некоторые их сочетания.

[0031] Датчик 30, как правило, расположен у основания узла 20 ЭПН и выполнен с возможностью сбора в режиме реального времени параметров работы системы и скважины. Измеренные параметры могут включать значение давления, температуры, температуры обмотки двигателя, вибрации, утечки тока, выходного давления и т.д. Датчик 30 может обеспечивать обратную связь контроллера 34 с указанным двигателем и известить пользователей о том, что значение одного или нескольких измеренных параметров вышло за границы расчетного диапазона.

[0032] Как показано на Фиг. 2, двигатель 28, как правило, содержит ротор 40, который выполнен с возможностью вращения внутри статора 42. Фиг. 3 изображает разрез типового статора 42 с закрытыми пазами. Как показано на Фиг. 2 и 3, в статоре 42 может быть выполнено несколько пазов 44, разделенных зубцами 46 статора, расположенными в окружном направлении вокруг оси 48 статора 42. Магнитные проводники обмотки проходят через пазы 44 статора. Указанный двигатель может быть заполнен маслом для обеспечения смазки, охлаждения и изоляции. В некоторых вариантах выполнения ротор 40 может содержать несколько секций, разделенных опорами, которые обеспечивают поддержание зазора между ротором 40 и статором 42. Дополнительно, в указанном зазоре между секциями ротора могут проходить окружные каналы, через которые может протекать масло. На чертеже также показано радиальное направление 50 и окружное направление 52. Исходя из соотношения размеров двигателей 28, используемых в системах ЭПН - в целом, между 0,09 м и 0,15 м (3.5 и 6.0 дюймами) в диаметре и протяженностью около 1,02 м (40 дюймов) двигатель 28 может содержать опоры, расположенные с определенным интервалом вдоль его протяженности. Статор 42 может содержать магнитную обмотку, намотанную или проведенную внутри статора 42. Число обмоток соответствует числу используемых фаз (например, в трехфазном двигателе 28 используется набор из трех магнитных обмоток, соединенных в три фазы).

[0033] Установка проводников в закрытом статоре 42, показанном на Фиг. 2 и 3, предполагает проведение проводника, прикрепленного к стальным стержням, через первый паз 44 статора от первого конца статора 42 к его второму концу вдоль всей протяженности статора 42, введение указанного проводника во второй паз 44, проведение проводника вдоль всей длины статора назад к первому концу и дальнейшее выполнение такого «прошивания» до завершения обмотки. Затем указанный процесс повторяют много раз для того, чтобы каждый паз 44 вмещал требуемое количество проводников (как правило, больше пяти). В случае выполнения такого процесса в электрических двигателях, используемых в ЭПН устройствах 20, которые могут достигать в длину 12,2 м (40 футов), этот процесс обмотки может быть дорогостоящим и требовать много времени. Поскольку требуется большая длина проводника и большое расстояние для проведения передней части проводника до достижения ею своего конечного положения, возникает риск повреждения самого проводника или окружающей его изоляции, что может привести к сокращению срока службы обмотки. Наконец, так как проводник должен проходить вдоль всей протяженности статора, и при этом между проводниками возникает трение, плотность заполнения проводниками каждого паза является достаточно низкой.

[0034] Таким образом, были предложены улучшенная конструкция статора 42 и способ его изготовления, которые позволяют сократить время и стоимость изготовления статора 42, при этом повышая его надежность. Один вариант выполнения рассматриваемой конструкции статора 42 с открытыми пазами показан на Фиг. 4-6. Фиг. 4 изображает один вариант выполнения сердечника 70 статора. Указанный сердечник статора может иметь несколько зубцов 46, расположенных в окружном направлении вокруг оси 48 ротора. Каждый зубец 46 проходит в радиальном направлении 50 от ближнего конца 72 к дальнему концу 74. Каждый зубец 46 также проходит в осевом направлении вдоль оси 48 вращения. Ближние концы 72 соседних зубцов 46 могут быть соединены перемычкой 76. Зубцы 46 ограничивают несколько пазов 44, каждый из которых имеет ближний конец 78 и дальний конец 80, причем дальний конец 80 пазов 44 может быть открытым. В некоторых вариантах выполнения зубец 46 может иметь плечико 82, на месте которого ширина зубца 46 (в окружном направлении 52) уменьшается. В некоторых вариантах выполнения указанный статор имеет выемки 84, которые взаимодействуют с опорами указанного ротора для удерживания данных опор на месте с обеспечением возможности вращения ротора 40.

[0035] В некоторых вариантах выполнения сердечник 70 статора может быть выполнен из множества листов, сложенных в осевом направлении так, что сердечник 70 является магнитопроводящим, но не электропроводящим. В некоторых вариантах выполнения сложенные в штабель листы могут иметь такое же поперечное сечение, как и сердечник 70 статора, как показано на Фиг.4, и сложены в штабель вдоль оси 48. Однако возможно выполнение и других конфигураций укладки. Сложенные штабелем листы могут представлять собой листы электротехнической стали (например, группы М19), толщина которых соответствует техническим требованиям, предъявляемым к указанному двигателю. Общедоступной является сталь М19 калибра 24 (толщиной 0,0005 м (0,018 дюйма)) и калибра 26 (толщиной 0,0004 м (0,014 дюйма)), но могут быть использованы листы стали и другой толщины. Сердечник 70 статора может проходить вдоль всей протяженности электрического двигателя 28. В других вариантах выполнения статор 42 может содержать несколько сердечников 70, сложенных в штабель в осевом направлении и разделенных опорами.

[0036] Фиг. 5 изображает сердечник 70 статора с обмотками 86, размещенными в пазах 44. Обмотки 86 размещены в радиальном направлении 50 и проходят внутрь через отверстия в дальних концах 80 пазов 44 статора. В представленном варианте выполнения обмотки 86 изготовлены из меди, но они также могут быть изготовлены из любого проводящего материала и могут представлять собой несколько проводников или одну единственную обмотку 86 (как показано на Фиг. 5), размещенную в единственном пазу 44. В представленном варианте выполнения отдельные проводники могут быть 11, 11,5 калибра или иметь какую-либо другую толщину.

[0037] Фиг. 6 изображает сердечник 70 статора с обмотками 86, проходящими в пазах 44, и магнитными клиновидными элементами 88 (например, клиновидными элементами), закрывающими дальние концы 80 пазов 44. Во варианте выполнения, изображенном на Фиг.6, каждый магнитный клиновидный элемент 88 размещен на плечиках 82 двух соседних зубцов 46 статора, при этом наружные поверхности 90 магнитных клиновидных элементов 88 выступают радиально наружу за пределы дальних концов 74 зубцов 46 на расстояние 92. В некоторых вариантах выполнения 0%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50% или большая часть всех магнитных клиновидных элементов 88 может выступать в радиальном направлении 50 за пределы дальних концов 74 зубцов 46. Такая конфигурация обеспечивает наличие каналов, проходящих в осевом направлении между указанными магнитными клиновидными элементами для обеспечения возможности лучшего протекания масла в электрическом двигателе 28, а также возможности предотвратить прохождение магнитного потока в кожух статора или другую обсадную трубу. Плечики 82 также могут обеспечить более легкое размещение магнитных клиновидных элементов 88 во время сборки. В других вариантах выполнения зубцы 46 могут не иметь плечиков 82, или дальние концы 74 зубцов 46 могут проходить вблизи наружной поверхности 90 магнитных клиновидных элементов 88, в ее пределах или за ее пределами. Как описано далее, в некоторых вариантах выполнения некоторые магнитные клиновидные элементы 88 могут быть присоединены друг к другу. Что касается сердечника 70 статора, магнитные клиновидные элементы 88 могут быть изготовлены из штампованных и листовых пакетов материала и представлять собой магнитопроводящие, но не электропроводящие магнитные клиновидные элементы 88. Штампованные и сложенные листы, используемые для создания магнитных клиновидных элементов 88, могут иметь толщину, отличную от толщины листов, из которых выполнен сердечник 70 статора. Направление, в котором листы для магнитных клиновидных элементов 88 сложены, может быть таким же, как и при изготовлении сердечника 70 статора (например, складывание в осевом направлении), или другим (например, в радиальном направлении 50, в окружном направлении 52 и т.д.). Сложенные в штабель листы для магнитных клиновидных элементов 88 могут представлять собой листы электротехнической стали (например, сорта М19) с толщиной, отвечающей техническим требованиям, предъявляемым к указанному двигателю. Общедоступной является сталь М19 калибра 24 (толщиной 0,0005 м (0,018 дюйма)) и калибра 26 (толщиной 0,0004 м (0,014 дюйма)), но может быть использована сталь и другой толщины. В некоторых вариантах выполнения листы для сердечника 70 статора и листы для магнитных клиновидных элементов 88 могут иметь разную толщину, при этом их края не будут выровнены. Каждый магнитный клиновидный элемент 88 может проходить вдоль оси 48 за пределы протяженности статора 42, или некоторые магнитные клиновидные элементы 88 могут быть соединены так, чтобы проходить вдоль всей протяженности статора 42. В некоторых вариантах выполнения между магнитными клиновидными элементами 88 могут быть выполнены зазоры. Например, зазоры между магнитными клиновидными элементами могут быть выровнены с опорами в роторе 40 и выполнять функцию радиального охлаждающего канала для протекания по нему масла или другой охлаждающей текучей среды.

[0038] Фиг. 7-14 иллюстрируют первый этап способа изготовления или сборки статора 42 в соответствии с одним из вариантов выполнения. На Фиг. 7 сердечник 70 статора установлен на валу 120 или другом элементе в форме вала. В некоторых вариантах выполнения сердечник 70 статора может быть прикреплен к указанному валу с помощью хомута или заклиненной поверхности сопряжения на указанном статоре (например, с помощью выемок 84). Один из концов вала 120 поддерживается с помощью опорного элемента 122 (например, опорной стойки) с обеспечением возможности вращения вала 120 и сердечника 70 статора. Лотковая опора 124 и крышка 126 объединены таким образом, что они окружают внешнюю поверхность сердечника 70 статора. Опорные стойки 122, лотковая опора 124 и, возможно, другие элементы могут быть прикреплены к столу (например, стол с т-образным пазом) или какой-либо другой поверхности, которая обеспечивает возможность точного расположения на ней указанных элементов. Во варианте выполнения, проиллюстрированном на Фиг. 7, лотковая опора 124 и крышка 126 объединены для закрывания всех пазов 44 сердечника статора, кроме двух. Однако в других вариантах выполнения инструментальная оснастка для изготовления/сборки может закрывать большее или меньшее количество пазов 44.

[0039] Как показано на Фиг. 8, боковая обмотка (например, несколько проводников 86) размещена в двух открытых пазах 44 путем ее введения между дальними концами 80 пазов 44. Боковая обмотка 86 может представлять собой единый, предварительно сформированный элемент или набор магнитных проводников 86. В некоторых вариантах выполнения боковая обмотка 86 может перекрывать несколько пазов с соответствующей подгонкой с помощью зажимных приспособлений. В некоторых вариантах выполнения боковые обмотки 86 для двух пазов 44 могут быть объединены на одном или обоих концах так, что одна боковая обмотка 86 проходит вдоль оси в одном направлении, а вторая боковая обмотка 86 проходит вдоль оси в противоположном направлении. Как показано на Фиг.9, когда боковые обмотки 86 установлены на месте, магнитные клиновидные элементы 88 размещают над боковыми обмотками 86 для того, чтобы, по существу, закрыть дальний конец 80 каждого паза 44 и обеспечить удерживание боковых обмоток 86 в пазах 44. В некоторых вариантах выполнения указанные магнитные клиновидные элементы могут быть зафиксированы на месте. Вал 120 и сердечник 70 статора затем поворачивают таким образом, чтобы пазы 44, заполненные боковой обмоткой 86 и магнитными клиновидными элементами 88, проходили под крышку 126, открывая доступ к следующим двум пазам 44. Крышка 126 удерживает боковую обмотку 86 и магнитные клиновидные элементы 88 на месте во время заполнения остальных пазов 44. Как было указано выше, это только один вариант выполнения. В других вариантах выполнения может быть обеспечена возможность одновременного заполнения различного количества пазов 44. К примеру, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 или 10 пазов 44 может быть заполнено в течение заданного времени.

[0040] Фиг. 10 изображает два соседних паза 44, содержащих предварительно установленную боковую обмотку 86 и магнитные клиновидные элементы 88, повернутые под крышку 126 и удерживаемые на месте с ее помощью. Два открытых паза 44 также заполнены боковой обмоткой 86 и магнитными клиновидными элементами 88. Данный процесс заполнения двух пазов 44 боковой обмоткой 86 и магнитными клиновидными элементами 88 и последующий поворот указанных двух пазов 44 вверх под крышку 126 выполняют до тех пор, когда все пазы будут заполнены, как показано на Фиг. 11. Однако следует понимать, что вариант выполнения, проиллюстрированный на Фиг.10, является только одним вариантом выполнения и не исключает наличия других вариантов выполнения. Например, могут быть осуществлены варианты выполнения, в которых 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 пазов 44 или любое другое их количество будут заполнены между выполнением поворотов сердечника 70 статора.

[0041] Как показано на Фиг. 12, когда все пазы 44 заполнены боковой обмоткой 86 и магнитными клиновидными элементами 88, в окружном направлении вокруг узла статора 42 устанавливают один или несколько ленточных хомутов 150, которые обеспечивают удерживание на месте боковой обмотки 86 и магнитных клиновидных элементов. В варианте выполнения, изображенном на Фиг.12, ленточный хомут 150 размещают на каждом конце узла статора 42, при этом узел статора 42 расположен поверх лотковой опоры 124 и крышки 126. Как изображено на Фиг. 13, узел статора 42 может быть оснащен большим количеством ленточных хомутов 150, когда он извлечен из лотковой опоры 124 и крышки 126. Фиг. 14 изображает узел статора 42, размещенный в кожухе 170 статора. По мере введения узла статора 42 в кожух 170 статора ленточные хомуты 150 убирают.

[0042] Фиг. 15 изображает один вариант выполнения паза 44, заполненного обмоткой 86. В обычных электрических двигателях с закрытыми статорами, как изображено на Фиг. 2 и 3, стальной стержень используют в качестве швейной иглы для проведения проводников 86 через пазы 44 статора 42. Сопротивление трения между проводимым проводником 86 и проводниками 86, уже размещенными в пазе 44, ограничивает значение коэффициента заполнения паза 44 статора, который может быть достигнут благодаря данному способу. В представленном варианте выполнения (т.е. с открытым пазом 44), поскольку обмотка 86 вставлена в радиальном направлении 50 через дальний край 80 паза 44, а не проведена вдоль всей протяженности сердечника 70 статора по оси 48, коэффициент заполнения статора 42 улучшен (т.е. каждый паз содержит больше меди), что, соответственно, повышает удельную мощность и коэффициент полезного действия электрического двигателя 28. Для ясности вариант выполнения, изображенный на Фиг. 15, содержит несколько отдельных проводников 86 в пазе 44. Однако, как было указано выше, также могут быть осуществлены варианты выполнения с одним единственным проводником 86, которые могут обеспечить такое же увеличение коэффициента заполнения.

[0043] Фиг. 16 изображает альтернативный вариант выполнения, в котором некоторые магнитные клиновидные элементы 88 могут быть объединены. Во варианте выполнения, изображенном на Фиг. 16, объединены два соседних магнитных клиновидных элемента. Однако следует понимать, что возможно осуществление других вариантов выполнения. Например, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 магнитных клиновидных элемента или любое другое их количество может быть объединено таким образом, что некоторые из них могут представлять собой составные магнитные клиновидные элементы 88, проходящие в окружном направлении вокруг статора 42. В одном из возможных вариантов выполнения может быть использовано цельное кольцо из магнитных клиновидных элементов, насаженное на один конец сердечника 70 статора после установки обмотки 86.

[0044] Фиг. 17 изображает блок-схему осуществления способа 200 изготовления или сборки статора 42, аналогичного вышеописанному способу со ссылками на Фиг. 7-14. Как указано выше, это всего лишь один вариант выполнения. Таким образом, следует понимать, что указанные примеры не являются ограничительными для объема настоящего изобретения, при этом возможно осуществление аналогичных способов.

[0045] В блоке 202 указан этап выполнения сердечника 70 статора. Сердечник 70 статора может иметь несколько зубцов 46, расположенных вокруг оси 48 вращения, при этом каждый из указанных зубцов 46 может проходить в радиальном направлении 50 от ближнего конца 78 к дальнему концу 80. Перемычки 76, каждая из которых расположена между двумя соседними зубцами 46, соединяют ближние концы 78 соседних зубцов 46. Зубцы 46 и перемычки 76 ограничиваю несколько пазов 44. Каждый паз может быть закрыт у ближнего конца 78 и открыт у дальнего конца 80. В блоке 204 указан этап установки сердечника 70 статора на валу 120 или другом имеющим форму вала элементе (например, как показано на Фиг. 7).

[0046] В блоке 206 указан этап установки вала 120 и сердечника 70 статора на опорные элементы 122 и лотковую опору 124 (например, как показано на Фиг. 7). Как указано выше, каждый конец вала 120 поддерживается опорным элементом 122 с обеспечением возможности поворота вала 120 и сердечника 70 статора.

[0047] В блоке 208 указан этап установки крышки 126 (например, как показано на Фиг. 7). Лотковая опора 124 и крышка 126 объединены так, что проходят в окружном направлении 52 частично вокруг сердечника 70 статора. Например, во варианте выполнения, изображенном на Рис.7, лотковая опора 124 и крышка 126 объединены так, что они закрывают все пазы 44 указанного сердечника статора, кроме двух из них. Однако следует понимать, что это только один вариант выполнения, при этом в других вариантах выполнения лотковая опора 124 и крышка 126 могут быть объединены так, чтобы закрывать все пазы 44 статора, кроме 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 или большего количества пазов 44 указанного сердечника статора.

[0048] В блоке 210 указан этап размещения обмотки 86 (например, нескольких проводников) в первом пазу 44 путем введения боковой обмотки 86 в дальний конец 80 паза 44 (например, как показано на Фиг. 8). Боковая обмотка 86 может представлять собой одинарный и предварительно сформированный элемент или набор магнитных проводников.

[0049] В блоке 212 указан этап размещения магнитного клиновидного элемента 88 над боковой обмоткой 86 для того, чтобы, по существу, закрыть дальний конец 80 каждого паза 44 и обеспечить удерживание боковой обмотки 86 в пазах 44 (например, как изображено и описано со ссылкой на Фиг. 9).

[0050] В блоке 214 указан этап поворота вала 120 и сердечника 70 статора таким образом, чтобы пазы 44, заполненные боковой обмоткой 86 и магнитными клиновидными элементами 88, проходили под крышку 126 для обеспечения доступа к следующим двум пазам 44 (например, как было изображено и описано со ссылкой на Фиг. 10, при этом не требуется, чтобы указанные пазы были соседними). Крышка 126 удерживает боковую обмотку 86 и магнитные клиновидные элементы 88 на месте в то время как происходит заполнение остальных пазов 44. Как было указано выше, это только один вариант выполнения. В других вариантах выполнения может быть обеспечено одновременное заполнение различного количества пазов 44. Например, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 или 10 пазов 44 может быть заполнено в течение заданного времени.

[0051] Затем при выполнении способа 200 возвращаются к блоку 210, в котором указан этап установки следующей обмотки 86 и магнитных клиновидных элементов 88, при этом сердечник 70 статора и вал 120 вращают до тех пор, пока не будет заполнен каждый паз 44 (например, как изображено и описано со ссылкой на Фиг. 10 и 11).

[0052] В блоке 216 указан этап установки одного или нескольких ленточных хомутов в окружном направлении вокруг указанного сердечника статора (например, как изображено и описано со ссылкой на Фиг. 12 и 13). Ленточный хомут 150 может быть размещен на каждом конце узла статора 42 в месте, где узел статора 42 проходит за пределы опоры 124 и крышки 126. На узел статора 42 может быть установлено большее количество ленточных хомутов 150 после того, как он будет извлечен из лотковой опоры 124 и крышки 126. На этапе, указанном в блоке 218, крышка 126 может быть снята.

[0053] В блоке 220 указан этап установки узла статора 42 в кожух 170 статора. Этот этап проиллюстрирован и описан со ссылкой на Фиг. 14. Кожух 170 может представлять собой обсадную трубу 16 скважины или отдельный кожух 170 статора.

[0054] Технические результаты настоящего изобретения заключаются в разработке конструкции статора и способа его производства, которые позволяют уменьшить время и стоимость производственного процесса. Описанный способ может быть применен для статоров двигателей с постоянными магнитами, для асинхронных двигателей или других электрических машин со статорами. Также, осуществление описанного способа не предполагает протягивания обмотки через несколько пазов, таким образом, уменьшая риск повреждения изоляции, окружающей обмотку и обеспечивая большую надежность электрического двигателя. К тому же, при введении обмотки в пазы в радиальном направлении вместо протягивания ее в осевом направлении коэффициент заполнения медью каждого паза может быть увеличен, что обеспечит большую удельную мощность двигателя.

[0055] В данном описании приведены примеры для описания заявленного изобретения, включая наиболее предпочтительный вариант выполнения, а также для обеспечения возможности для любого специалиста в данной области техники осуществить настоящее изобретение, включая изготовление и использование любых устройств или систем, а также осуществление соответствующих способов. Объем настоящего изобретения, которому должна быть предоставлена правовая охрана, определен формулой изобретения и может включать и другие примеры, очевидные специалистам в данной области техники. Такие другие примеры входят в объем изобретения, определенный формулой изобретения, если они содержат структурные элементы, которые соответствуют буквальному толкованию содержания формулы изобретения, или если они содержат эквивалентные структурные элементы с несущественными расхождениями с буквальным толкованием содержания формулы изобретения.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – улучшение конструкции статора. Статор электрической машины содержит сердечник статора, имеющий несколько зубцов, которые расположены вокруг оси указанного сердечника статора и каждый из которых проходит в радиальном направлении от ближнего конца к дальнему концу и имеет по меньшей мере одно плечико. Ширина зубца в окружном направлении уменьшается. Несколько перемычек расположены, каждая, между двумя соседними зубцами для соединения ближних концов указанных двух зубцов. При этом указанные зубцы и перемычки ограничивают пазы, каждый из которых имеет ближний конец и дальний конец, причем ближний конец каждого паза закрыт, а дальний конец каждого паза открыт. Несколько магнитных клиновидных элементов расположены, каждый, между дальними концами двух соседних зубцов, причем каждый магнитный клиновидный элемент опирается на указанные плечики двух соседних зубцов и проходит в радиальном направлении за пределы указанных дальних концов двух соседних зубцов. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Статор электрической машины, содержащий сердечник статора, имеющий:

несколько зубцов, которые расположены вокруг оси указанного сердечника статора и каждый из которых проходит в радиальном направлении от ближнего конца к дальнему концу и имеет по меньшей мере одно плечико, где ширина зубца в окружном направлении уменьшается,

несколько перемычек, каждая из которых расположена между двумя соседними зубцами и соединяет ближние концы указанных двух зубцов,

при этом указанные зубцы и перемычки ограничивают пазы, каждый из которых имеет ближний конец и дальний конец, причем ближний конец каждого паза закрыт, а дальний конец каждого паза открыт,

несколько магнитных клиновидных элементов, каждый из которых расположен между дальними концами двух соседних зубцов, причем каждый магнитный клиновидный элемент опирается на указанные плечики двух соседних зубцов и проходит в радиальном направлении за пределы указанных дальних концов двух соседних зубцов.

2. Статор по п. 1, в котором указанный сердечник статора содержит множество листов.

3. Статор по п. 2, в котором указанные листы сердечника статора сложены штабелем в осевом направлении.

4. Статор по п. 1, содержащий несколько обмоток, размещенных внутри указанных пазов.

5. Статор по п. 1, в котором каждый из указанных магнитных клиновидных элементов содержит листы.

6. Статор по п. 5, в котором указанный сердечник статора содержит множество листов, толщина каждого из которых отличается от толщины указанных листов магнитных клиновидных элементов.

7. Статор по п. 1, в котором каждый из указанных магнитных клиновидных элементов соединён по меньшей мере с одним соседним магнитным клиновидным элементом.

8. Электрическая машина, содержащая:

статор, содержащий сердечник, который имеет:

несколько зубцов, которые расположены вокруг оси указанного сердечника статора и каждый из которых проходит в радиальном направлении от ближнего конца к дальнему концу и имеет по меньшей мере одно плечико, где ширина зубца в окружном направлении уменьшается, и

несколько перемычек, причем каждая из указанных перемычек расположена между двумя соседними зубцами и соединяет ближние концы указанных двух зубцов,

причем указанные зубцы и перемычки ограничивают пазы, каждый из которых имеет ближний конец и дальний конец, причем ближний конец каждого паза закрыт, а дальний конец каждого паза открыт,

обмотки, расположенные внутри указанных пазов, и

магнитные клиновидные элементы, каждый из которых расположен между дальними концами двух или более соседних зубцов, причем каждый магнитный клиновидный элемент опирается на указанные плечики двух соседних зубцов и проходит в радиальном направлении за пределы указанных дальних концов двух соседних зубцов, и

ротор, расположенный внутри указанного статора и выполненный с возможностью вращения вокруг оси указанного сердечника статора.

9. Электрическая машина по п.8, в которой электрический двигатель представляет собой асинхронную машину.

10. Электрическая машина по п.8, в которой электрический двигатель представляет собой машину с постоянными магнитами, синхронизированный реактивный двигатель, коммутируемый реактивный электродвигатель или бесщёточный двигатель постоянного тока.

11. Электрическая машина по п.8, содержащая несколько роторов, разделенных одной или несколькими опорами.

12. Электрическая машина по п.8, содержащая несколько статоров, разделённых одной или несколькими опорами.

13. Электрическая машина по п.8, в которой указанный сердечник статора содержит несколько листов и каждый из указанных магнитных клиновидных элементов содержит несколько листов, причем каждый из указанных листов сердечника статора имеет толщину, отличную от толщины каждого из указанных листов магнитного клиновидного элемента.

14. Способ изготовления статора электрической машины, включающий:

обеспечение наличия сердечника статора, который имеет несколько зубцов, которые расположены вокруг его оси и каждый из которых проходит в радиальном направлении от ближнего конца к дальнему концу и имеет по меньшей мере одно плечико, где ширина зубца в окружном направлении уменьшается, и несколько перемычек, каждая из которых расположена между двумя соседними зубцами и соединяет ближние концы указанных двух зубцов, причем указанные зубцы и указанные перемычки ограничивают пазы,

введение первой обмотки в первый из указанных пазов и

присоединение первого магнитного клиновидного элемента к указанному сердечнику статора для создания препятствия для удаления указанной первой обмотки, таким образом, что указанный магнитный клиновидный элемент опирается на плечики двух соседних зубцов и проходит в радиальном направлении за пределы дальних концов указанных двух соседних зубцов.

15. Способ по п.14, в котором размещают несколько последовательных обмоток в соответствующих пазах и присоединяют соответствующие магнитные клиновидные элементы к указанному сердечнику статора для создания препятствия для удаления указанных обмоток.

16. Способ по п.14, в котором указанный сердечник статора устанавливают в кожух статора.