Погружной синхронный электродвигатель
Изобретение относится к области электротехники, а именно - к конструкциям электродвигателей с большим отношением длины к диаметру, и может быть использовано при конструировании электродвигателей, предназначенных для работы в погруженном состоянии и используемых в качестве привода в погружных насосных агрегатах для добычи пластовой жидкости из нефтяных скважин. Технический результат, достигаемый настоящим изобретением, состоит в повышении крутящего момента и мощности удлиненного электродвигателя путем обеспечения синхронизации зубцовых зон электродвигателя при «скручивании» ротора синхронного электродвигателя под воздействием крутящего момента, возникающего при передаче усилий от двигателя на погружной насос, под действием номинальных нагрузок на вал электродвигателя. Указанный технический результат в предлагаемом погружном синхронном электродвигателе, содержащем статор, в корпусе которого установлен шихтованный магнитопровод с зубцами на внутренней поверхности и установленный внутри статора ротор, на внешней поверхности которого также расположены зубцы, а между ротором и статором имеется гарантированный зазор, достигается тем, что рабочие поверхности радиальных зубцов статора и ротора смещены относительно друг друга вдоль оси электродвигателя в направлении, противоположном направлению смещения рабочей поверхности зубцов ротора под действием крутящего момента. 3 ил.
Изобретение относится к области электротехники, а именно к конструкциям электродвигателей с большим отношением длины к диаметру, и может быть использовано при конструировании электродвигателей, предназначенных для работы в погруженном состоянии и используемых в качестве привода в погружных насосных агрегатах для добычи пластовой жидкости из нефтяных скважин.
При добыче нефти из нефтяных скважин с использованием установок электропогружных центробежных насосов в качестве привода насосов используются погружные электродвигатели различных конструкций и габаритов. В настоящее время наиболее распространенными в России являются погружные электродвигатели марок ПЭД, серийно выпускаемые АО "Алнас" (г.Альметьевск, Татарстан), ООО "Алмаз" (г.Радужный, Тюменская область) и рядом других предприятий.
В последнее время для этих целей стали применять и низкооборотные синхронные электродвигатели. Однако для конструкций погружных электродвигателей с большим отношением длины к диаметру характерно явление «скручивания» ротора под действием крутящего момента на валу насоса. Из-за этого происходит нарушение синхронизации зубцовых зон электродвигателя и, как следствие, падение крутящего момента и мощности двигателя. Поэтому в настоящее время достаточно актуальной для такого типа синхронных двигателей является задача обеспечения компенсации или минимизации указанных последствий «скручивания» ротора электродвигателя.
В технике в целях разгрузки предельных концентраций напряжений обычно используют различного рода компенсаторы, наиболее часто выполненные в виде различных пружин. Так, известно техническое решение по патенту №2241156 «Компенсатор для насосно-компрессорных труб», предназначенное для использования в нефтегазодобывающей промышленности и служащее для предотвращения образования предельных концентраций напряжений в колонне насосно-компрессорных труб. Компенсатор содержит упругий элемент, элементы крепления и связанный с насосно-компрессорными трубами посредством резьбы корпус. В последнем размещена труба с упругим элементом, концы которой фиксируются в корпусе и трубе элементами крепления. Компенсатор присоединен к насосной установке переходником, закрепленным в нижней части трубы. Упругий элемент выполнен в виде пружины кручения. Использование компенсатора в составе насосной установки значительно уменьшает нагрузки при ее пуске и остановке, повышая надежность работы скважинного оборудования путем улучшения его амортизационных свойств.
Другим способом разгрузки указанных напряжений может являться применение торсионных валов, которые работают следующим образом. Такой вал содержит центральную часть с выполненными на ней винтовыми канавками, направление которых совпадает с направлением закручивания вала. В канавках размещается пружина, упирающаяся одним из своих концов в головку вала, а другим - в фиксирующую шайбу, установленную на валу. При закручивании вала в направлении, совпадающем с направлением винтовых канавок, когда шаг пружины в свободном состоянии меньше шага канавок, угол предварительной закрутки постепенно выбирается. Поскольку предварительное закручивание вала от натяга пружины осуществляется в области упругих деформаций, то обратное закручивание его до первоначального состояния (раскручивание) также происходит в этой же области, т.е. процесс нагружения при раскручивании характеризуется определенной податливостью вала, величина которой прямо пропорциональна степени запасенной энергии пружины и предварительной закрутки вала от натяга пружины. Так, известен винтовой героторный насос по заявке №2004109959, включающий корпус насоса с сальниковым или торцовым уплотнением, винтовую насосную секцию, шпиндель и узел, воспринимающий осевую и радиальную нагрузку, а также передающий крутящий момент, в котором шпиндель насоса, состоящий из корпуса шпинделя, полого приводного вала и опорного узла, соединен через корпус шпинделя и корпус насоса со статором винтовой насосной секции, а полый приводной вал шпинделя соединен через проходящий внутри него узел, воспринимающий осевую и радиальную нагрузку, а также передающий крутящий момент, с ротором винтовой насосной секции. В этом насосе узел, воспринимающий осевую и радиальную нагрузку, а также передающий крутящий момент, выполнен в виде торсионного или торсионно-шарнирного соединения с конусами, лапками и уплотнительными элементами.
Известно техническое решение синхронного двигателя по патенту РФ №2145460, принятое за прототип. Согласно этому решению в синхронном электродвигателе имеется статор с явно выраженными полюсами, внешняя поверхность которых гладкая или снабжена радиальными зубцами, безобмоточный ротор, на внешней поверхности которого выполнены радиальные зубцы, а на полюсах статора намотаны идентичные индуктивные катушки, соединенные в фазы.
Сущность предлагаемого технического решения состоит в следующем. При конструировании погружных электродвигателей приходится учитывать, что их диаметр ограничен диаметром обсадных колонн, поэтому обычно диаметр таких двигателей составляет от 90 до 230 мм. Чтобы у синхронных двигателей такого диаметра получить мощность 10-15 и более кВт при частоте вращения ротора в диапазоне от 70 до 300 об/мин, необходимо создавать электродвигатели, у которых отношение длины к диаметру составляет: L/D>30, т.е. такие двигатели характеризуются большим соотношением длины к диаметру. Так, например, двигатель мощностью в 10 кВт будет иметь длину порядка 3 метров. Вал ротора такого размера становится достаточно гибким и может несколько скручиваться под воздействием крутящего момента, возникающего при передаче усилий от двигателя на погружной насос. Скручивание длинномерного вала вызывает нарушение синхронизации зубцовых зон и, как следствие, падение крутящего момента и мощности двигателя.
Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании такой конструкции удлиненного электродвигателя, в котором будут компенсироваться указанные последствия «скручивания» ротора, возникающего под действием номинальных нагрузок на вал электродвигателя.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в обеспечении синхронизации зубцовых зон электродвигателя при «скручивании» ротора синхронного электродвигателя под воздействием крутящего момента, возникающего при передаче усилий от двигателя на погружной насос, и, как следствие, повышении крутящего момента и мощности двигателя.
Конструкция погружного электродвигателя, обеспечивающая достижение указанного выше технического результата, во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, может быть охарактеризована следующей совокупностью существенных признаков. Для получения указанного технического результата предлагается погружной синхронный электродвигатель, содержащий статор, в корпусе которого установлен шихтованный магнитопровод с зубцами на внутренней поверхности, внутри статора установлен ротор, на внешней поверхности которого также расположены зубцы, а между ротором и статором имеется гарантированный зазор. Однако в предлагаемом электродвигателе в отличие от прототипа рабочие поверхности радиальных зубцов статора и ротора смещены относительно друг друга вдоль оси электродвигателя в направлении, противоположном направлению смещения рабочей поверхности зубцов ротора под действием крутящего момента.
Описание конструкции поясняется чертежами, на которых изображено следующее:
Фиг.1 - поперечное сечение погружного синхронного электродвигателя;
Фиг.2 - пример винтового (спирального) смещения рабочих поверхностей радиальных зубцов статора и ротора относительно друг друга;
Фиг.3 - пример ступенчатого смещения рабочих поверхностей радиальных зубцов статора и ротора относительно друг друга.
Погружной синхронный электродвигатель по предлагаемому техническому решению (см. фиг.1) содержит корпус 1, на внутренней поверхности которого установлен статор - шихтованный магнитопровод с радиальными зубцами 3, внутри статора установлен ротор 2, между рабочими поверхностями ротора А и статора Б имеется гарантированный зазор. Статор электродвигателя выполнен с явно выраженными полюсами, ротор безобмоточный и на его внешней поверхности выполнены радиальные зубцы, на полюсах статора намотаны идентичные индуктивные обмотки 4, соединенные в фазы, подключенные к источнику переменного синусоидального напряжения.
Однако в отличие от прототипа рабочие поверхности зубцов статора и ротора, расположенные вдоль корпуса электродвигателя, смещены относительно друг друга вдоль оси электродвигателя в направлении, противоположном направлению смещения рабочей поверхности зубцов ротора под действием крутящего момента. При этом смещение рабочих поверхностей зубцов статора и ротора относительно друг друга может быть различным, например непрерывным в виде смещения по спирали, показанного на фиг.2, или дискретным в виде ступенчатого смещения, показанного на фиг.3.
Погружной синхронный электродвигатель по предлагаемому техническому решению работает следующим образом: при подключении двигателя к источнику переменного синусоидального напряжения на каждую его фазу подается напряжение источника питания, создающее на роторе крутящий момент, под действием которого ротор стремится поворачивать винтовой насос, соединенный с ним. Это является для двигателя нагрузкой в виде крутящего момента, направленного противоположно моменту двигателя. Удлиненный вал ротора, будучи достаточно гибким, начнет скручиваться под действием крутящего момента и тем самым уменьшать предварительное смещение рабочих поверхностей зубцов статора и ротора относительно друг друга, тем самым восстанавливая их синхронизацию (параллельность), и, как следствие, содействовать повышению крутящего момента и мощности двигателя.
Погружной синхронный электродвигатель, содержащий статор, в корпусе которого установлен шихтованный магнитопровод с радиальными зубцами на внутренней поверхности, внутри статора установлен ротор, на внешней поверхности которого также расположены зубцы, а между ротором и статором имеется гарантированный зазор, отличающийся тем, что рабочие поверхности радиальных зубцов статора и ротора смещены относительно друг друга вдоль оси электродвигателя в направлении, противоположном направлению смещения рабочей поверхности зубцов ротора под действием крутящего момента.
