ПОГРУЖНОЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2021 года по МПК H02K5/12 H02K1/20 G01L27/00 

Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли и может быть использовано в установках электроцентробежных насосов (УЭЦН) для скважинной добычи нефти.

Известен погружной электродвигатель (ПЭД), содержащий корпус, расположенный внутри него статор со множеством пластин, в каждой из которых имеется центральное отверстие для вращающегося ротора и несколько пазов, провода обмотки, проходящие через пазы и окруженные для их скрепления в жгуты термоусадочной оболочкой, образующей с внутренней поверхностью пазов пространство, обеспечивающее протекание сквозь пазы текучей жидкости [US 7679242B2; CN 101815842; RU 2442880].

Недостатками двигателя является недостаточная защита статора от воздействия скважинной жидкости, поскольку термоусадочная оболочка защищает только обмотки, а не весь статор, и при этом ухудшается теплоотвод из-за увеличения расстояния между проводами обмотки и пластинами статора.

Известен погружной электродвигатель, в котором сердечник статора образован одной или несколькими секциями, выполненными из сплошного магнитомягкого композитного материала, между секциями и на концах сердечника установлены уплотнения, которые предотвращают попадание скважинной жидкости во внутреннюю полость камеры статора и контакт ее с изоляцией обмоток, проходящих через пазы статора [US 2017064158].

Недостатками двигателя является сердечник из магнитомягкого материала, при применении которого двигатель имеет КПД ниже, чем при многослойном сердечнике из стальных листов.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности признаков является погружной электродвигатель, содержащий статор в виде трубы с запрессованным магнитопроводом, трехфазной обмоткой и размещенным внутри ротором в виде пакетов из листовой электротехнической стали, разделенных между собой как минимум одним промежуточным подшипником, и надетых на пустотелый вал. В пазы пакетов вставлены медные стержни, сваренные по торцам с короткозамыкающими медными кольцами, в головке электродвигателя установлены перепускные клапаны для стравливания масла из полости обмотки статора при нагреве [RU 2487273 С1]. Полость статора с обмоткой включает в себя верхнюю полость в головке и нижнюю полость в основании, заполненные диэлектрической жидкостью, и герметично отделена от полости ротора посредством тонкостенной трубки с уплотнительными кольцами, установленными в головку и в переходник электродвигателя.

Недостатками устройства является пониженная надежность двигателя из-за наличия перепускных клапанов для стравливания масла и отсутствия необходимого контроля за состоянием электродвигателя во время его работы. Стравливание масла через перепускной клапан, сопровождаемое при циклической эксплуатации многократным изменением объема масла в статоре, может сопровождаться нарушением герметичности электродвигателя. Кроме того, использование тонкостенной трубки для отделения полости статора от полости ротора снижает КПД двигателя из-за увеличения зазора между статором и ротором.

Задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности и, как следствие, средней продолжительности работы электродвигателя при максимальном сохранении КПД.

Указанный результат достигается тем, что в погружном электродвигателе, имеющем верхнюю и нижнюю полости, заполненные диэлектрической жидкостью, и содержащем ротор, выполненный в виде надетых на вал пакетов, разделенных между собой как минимум одним промежуточным подшипником, и статор, имеющий запрессованный магнитопровод с внутренней тонкостенной оболочкой, отделяющей полость статора от полости размещенного внутри него ротора, согласно изобретению, внутренняя тонкостенная оболочка сформирована в виде покрытия, компаундированный статор снабжен проточкой, соединяющей верхнюю и нижнюю полости, по крайней мере, в одной из которых размещен компенсатор объема жидкости, выполненный в виде эластичного элемента, при этом внутри статора расположен датчик, измеряющий абсолютное давление в его полости.

В некоторых вариантах исполнения листы магнитопровода статора могут быть соединены между собой герметично при помощи клеящего состава.

Кроме того, покрытие может быть выполнено полимерным или металлическим с толщиной, обеспечивающей максимальное сохранение КПД электродвигателя.

Сущность заявляемого погружного электродвигателя поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид погружного электродвигателя, на фиг. 2 - герметичный статор с покрытием.

В состав погружного электродвигателя входят следующие элементы:

1 - статор;

2 - ротор, размещенный внутри статора 1 и выполненный в виде пакетов 7;

3 - головка ПЭД с колодкой токоввода в верхней части;

4 - основание в нижней части;

5 - корпус;

6 - вал;

7 - пакеты ротора 2, разделенные между собой как минимум одним промежуточным подшипником (не показан), и надетые на вал 6;

8 - ниппель, расположенный между статором 1 и основанием 4;

9 - запрессованный магнитопровод статора 1, состоящий из набора стальных листов;

10 - внутренняя тонкостенная оболочка магнитопровода 9;

11 - полость статора 1;

12 - обмотка статора 1;

13 - полость ротора 2;

14 - верхняя полость статора 1;

15 - нижняя полость статора 1;

16 - компенсатор объема жидкости в полости статора;

17 - датчик;

18 - проточка в статоре 1.

Полость статора 11 герметично отделена от полости ротора 13 и включает в себя верхнюю полость 14 и нижнюю полость 15, связанные гидравлически.

Для увеличения стойкости изоляции статора 1 к перегревам применен теплопроводный и термостойкий материал - двухкомпонентный компаунд, которым заполняют полости статора, получая монолитную конструкцию изоляции обмоток без воздушных включений. Полость 11 статора 1, включая нижнюю 15 и верхнюю полости 14, заполнена диэлектрической жидкостью, нижняя 15 и верхняя 14 полости соединены проточкой 18. В качестве диэлектрической может быть использовано как масло, например, синтетическое масло марки МДПН-С, минеральное МДПН (3), или иностранные аналоги, например, Motor Fluid#3, так и любая диэлектрическая жидкость, например, перфторполиэфирная. Внутри полости 11 размещен компенсатор объема жидкости 16, прикрепленный к ниппелю 8, который обеспечивает компенсацию объема жидкости в условиях отсутствия стравливающих клапанов. Компенсатор 16 может быть выполнен в виде эластичного элемента, металлического сильфона или другого элемента, известного из уровня техники, например, в виде эластичной диафрагмы. В некоторых вариантах исполнения компенсатор может быть расположен в верхней полости 14, в других вариантах возможна одновременная установка компенсаторов в обеих полостях 14 и 15. Датчик 17 расположен в основании 4 электродвигателя и гидравлически сообщен с полостью статора 11 для обеспечения возможности измерения абсолютного давления в ней.

Внутренняя тонкостенная оболочка 10 представляет собой покрытие, которое обеспечивает герметизацию магнитопровода 9 и может быть выполнено в виде тонкого слоя металла или полимера. Покрытие наносится на внутреннюю поверхность статора 1. Для лучшего сцепления покрытия внутренняя поверхность статора 1, образованная торцами листов магнитопровода 9, может быть предварительно обработана в месте нанесения покрытия, например, шихтована или расточена. Тонкий слой металла может быть нанесен гальваническим способом, а слой полимера - газоплазменным способом. Состав и толщина покрытия выбираются исходя из условий обеспечения качества герметизации и сохранения прочности при высокой температуре. Покрытие преимущественно должно быть тонкостенным во избежание существенного снижения КПД электродвигателя из-за возникновения вихревых токов и увеличения зазора между статором и ротором. Расчеты потерь показывают, что в случае применения покрытия толщиной 50 мкм КПД электродвигателя падает не более, чем на 0.2%, в то время как при применении тонкостенной трубки толщиной 0.5 мм КПД электродвигателя падает на 5% и более. Следует учесть, что при рассмотрении признаков приведенного изобретения, а также примеров его реализации, для специалиста станут очевидными другие варианты нанесения тонкостенного покрытия. Например, вакуумное термическое напыление. Данное изобретение охватывает и другие варианты нанесения покрытия, известные из уровня техники.

Концевые элементы магнитопровода 9 герметично соединены с головкой 3 в верхней части и с ниппелем 8 в нижней части при помощи патрубков.

Наряду с использованием покрытия дополнительное повышение герметизации статора 1 может достигаться за счет соединения листов магнитопровода 9 статора между собой клеящим составом, например, высокотемпературным и коррозионностойким составом "Backlack".

Заявляемый погружной электродвигатель работает следующим образом.

При спуске установки в скважину и во время работы электроцентробежного насоса и погружного электродвигателя посредством гидрозащиты выравнивается давление между полостью ротора 13 и скважинной жидкостью. Компенсатор 16 выравнивает давление между полостью ротора 13 и полостью статора 11.

Попадающие во внутреннюю полость электродвигателя при потере герметичности в колодке токоввода или торцевом уплотнении гидрозащиты скважинная жидкость, металлические частицы или иные инородные предметы не смогут контактировать со статором 1, поскольку его полость сохраняет герметичность благодаря тонкостенному герметичному покрытию 10, что позволит предотвратить выход из строя электродвигателя, например, по причине короткого замыкания.

Возможность отслеживания на поверхности работы компенсатора 16 посредством показаний с датчика 17 предупреждает аварийную остановку электродвигателя и его повреждения в случае неправильной работы компенсатора 16.

Наличие тонкостенного покрытия обеспечивает герметичность полости статора 1 и гарантирует работу электродвигателя даже в случае попадания скважинной жидкости в полость электродвигателя. Как следствие, повышается средняя продолжительность работы погружного электродвигателя при сохранении КПД.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к нефтедобывающей отрасли, и может быть использовано в установках электроцентробежных насосов (УЭЦН) для скважинной добычи нефти. Технический результат заключается в повышении надежности и, как следствие, средней продолжительности работы электродвигателя при максимальном сохранении КПД. Погружной электродвигатель содержит ротор, выполненный в виде надетых на вал пакетов, разделенных между собой как минимум одним промежуточным подшипником. Статор, имеющий запрессованный магнитопровод с внутренней тонкостенной оболочкой. Внутренняя тонкостенная оболочка сформирована в виде покрытия и отделяет полость статора от полости размещенного внутри него ротора. Компаундированный статор снабжен проточкой, соединяющей верхнюю и нижнюю полости, заполненные диэлектрической жидкостью. По крайней мере, в одной из полостей размещен компенсатор объема жидкости, выполненный в виде эластичного элемента. Внутри статора расположен датчик, измеряющий абсолютное давление в его полости. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Погружной электродвигатель, имеющий верхнюю и нижнюю полости, заполненные диэлектрической жидкостью, и содержащий ротор, выполненный в виде надетых на вал пакетов, разделенных между собой как минимум одним промежуточным подшипником, и статор, имеющий запрессованный магнитопровод с внутренней тонкостенной оболочкой, отделяющей полость статора от полости размещенного внутри его ротора, отличающийся тем, что внутренняя тонкостенная оболочка сформирована в виде покрытия, компаундированный статор снабжен проточкой, соединяющей верхнюю и нижнюю полости, по крайней мере, в одной из которых размещен компенсатор объема жидкости, при этом внутри статора расположен датчик, измеряющий абсолютное давление в его полости.

2. Погружной электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что листы магнитопровода статора соединены между собой герметично при помощи клеящего состава.

3. Погружной электродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что покрытие выполнено полимерным или металлическим с толщиной, обеспечивающей максимальное сохранение КПД электродвигателя.