Результат интеллектуальной деятельности: ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Настоящее изобретение относится к машиностроению, а именно к модульным вентильным электродвигателям с постоянными магнитами на роторе для погружных нефтедобывающих установок.

В настоящее время большое распространение получили односекционные погружные вентильные электродвигатели (см., например, патент RU 2247463, Н02К 21/14, опубл. 27.02.2005), которые представляют собой модель взаимосвязанных магнитных систем - постоянного магнитного поля ротора, создаваемого постоянными магнитами, и воздействующего на него вращающегося электромагнитного поля статора от выпрямленных токов, поочередно поступающих в две фазы трехфазной обмотки, в зависимости от положения полюсов ротора относительно этих фаз. Такие электродвигатели широко применяются в качестве приводов для погружных центробежных насосов в нефтедобывающей промышленности.

Недостатком односекционных электродвигателей является ограниченная мощность, обусловленная технологией их изготовления и размерами нефтяных скважин. Одним из решений этой проблемы является модульный вентильный электродвигатель, конструктивно подобный серийным асинхронным секционным электродвигателям. Но в отличие от асинхронного секционного электродвигателя, для которого достаточным условием является последовательное соединение обмоток статоров секций (модулей) при соблюдении чередования фаз в каждой секции, и произвольное угловое положение роторов, для вентильного электродвигателя необходимо обеспечить определенно заданное расположение магнитной системы роторов каждого модуля и определенное пространственное расположение фаз обмоток статоров тех же модулей при их последовательном соединении.

Наиболее близким к заявляемому является погружной модульный вентильный электродвигатель электроцентробежного насоса (см., патент RU 65314, опубликован 27.07.2007), в котором задано одинаковое расположение магнитной системы роторов модулей и одинаковое расположение магнитной системы статоров этих модулей. Каждый модуль электродвигателя содержит корпус, статор с фазными обмотками, ротор с постоянными магнитами, которые намагничены в радиальном направлении, одноименные фазные обмотки каждого модуля соединены последовательно, корпуса и ротора модулей механически соединены между собой. Каждый модуль содержит элементы круговой ориентации статора с фазными обмотками и ротора.

Недостатком известного электродвигателя является повышенный уровень пульсаций реактивного момента и ненадежное межсекционное соединение модулей.

Задачей настоящего изобретения является улучшение пусковых свойств вентильного электродвигателя за счет уменьшения пульсаций реактивного момента и обеспечение надежного соединения модулей.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в вентильном электродвигателе, состоящем из n одинаковых модулей, каждый из которых содержит корпус, статор с фазными обмотками, ротор с постоянными магнитами, которые намагничены в радиальном направлении, одноименные фазные обмотки каждого модуля соединены последовательно, корпуса и ротора модулей механически соединены между собой, а каждый модуль содержит элементы круговой ориентации статора с фазными обмотками и ротора, согласно изобретению, половина магнитов каждого модуля смещена в окружном направлении на 1/2 зубцового деления статора t_zs, а в смежных модулях одноименные полюсы магнитов ротора смещены в окружном направлении на величину t_zs/(2n).

Роторы модулей могут быть соединены между собой с помощью шлицевой муфты, снабженной позиционирующими элементами.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан вентильный электродвигатель в поперечном разрезе; на фиг.2 - соединение валов ротора модулей; на фиг.3 - шлицевая муфта; на фиг.4 - пространственное расположение статоров модулей при помощи меток А; на фиг.5 - графики зависимости удельного реактивного момента от углового положения ротора.

Вентильный двигатель состоит из двух и более модулей, каждый из которых содержит корпус 1, ротор с постоянными магнитами 2, насаженными на вал 3, и статор 4 с фазными обмотками (фиг.1). Магниты ротора 2 намагничены в радиальном направлении. Валы 3 смежных модулей соединены специальной шлицевой муфтой 5 (фиг.2), которая обеспечивает заданное взаимное расположение полюсов роторов 2 электродвигателя, выполняя роль элемента круговой ориентации. Для этого в муфте 5 предусмотрены фиксирующие элементы, например, шпонки 6, входящие в те же шпоночные пазы 7 на валах 3, что и шпонки пакетов роторов. Смещение шпонок 6 относительно друг друга на величину t_zs/(2n) обеспечит заданное расположение смежных модулей (фиг.3).

В некоторых вариантах заданное пространственное расположение роторов модулей может быть достигнуто за счет выполнения одного или нескольких шлицев на валу 3 и на муфте 5 с размером, отличающимся от остальных. Кроме того, для соединения модулей может быть использована муфта, в которой выполнен угловой сдвиг шлицев 8 на угол β, обеспечивающий смещение одноименных полюсов магнитов ротора смежного и последующего модулей в окружном направлении на величину t_zs/(2n).

Взаимное расположение полюсов магнитной системы на роторах 2 каждого модуля достигается тем, что половина магнитов с одноименным полюсом расположена над шпоночным пазом 7 вала 3, а другая половина смещена относительно этого паза на 1/2 зубцового деления статора t_zs.

Одноименные фазные обмотки статоров 4 каждого модуля соединены последовательно путем совмещения позиционирующих элементов:

- меток А (фиг.4) на корпусе статора, определяющих пазы пакетов статора, с которых начинается намотка первой фазы;

- меток Б (фиг.1) в узле соединения (секционирования) модулей, для совмещения которых предусмотрен штифт или винт 9 и накидная гайка 10.

Для позиционирования статорных обмоток модулей предлагаемого вентильного электродвигателя предназначено болтовое фланцевое соединение 11 и соединение с помощью закладных деталей, например, стопорных полуколец 12 (фиг.1), которые выполняют роль элементов круговой ориентации статоров. Болтовое фланцевое соединение 11 выполнено таким образом, что расположение статоров модулей и одноименных фаз их обмотки возможно только в определенном положении.

Сборка соединения модулей осуществляется следующим образом.

В корпус 1 статора с помощью резьбового соединения устанавливается переходник 13, имеющий внутреннюю резьбу. На переходнике 13 предусмотрена наружная прорезь 14, а с торца выполнены резьбовые отверстия для винтов 15, при затяжке которых происходит фиксация резьбового соединения между статором 4 и переходником 13. Во внутреннюю резьбу переходника 13 вворачивается втулка 16, на которой выполнена канавка для закладных деталей, например, двух стопорных полуколец 12. Тем самым обеспечивается установка концевой детали 17 одного модуля в корпус 1 статора электродвигателя смежного модуля. Позиционирование концевой детали 17 и корпуса статора 1 обеспечивается за счет размещения между ними шайбы с лепестками 18 и последующего отгибания лепестков в специальные пазы на корпусе статора 1 и на концевой детали 17. Позиционирование переходников 13 и 19 между собой выполняется с помощью шпоночного соединения, или штифтов, или винтов 9 и накидной гайки 10.

Заявляемая конструкция была испытана на примере вентильного погружного двухмодульного электродвигателя габарита 130 мм, имеющего 24 паза и 24 зубца на статоре, с угловым зубцовым делением 360°/24=15°, в котором роторы выполнены со смещением половины полюсов на угол, равный ½ зубцового деления (7,5°), а ротор одного модуля смещен в окружном направлении относительно ротора второго модуля на четверть зубцового деления (3,75°). Полученная зависимость пульсаций реактивного момента приведена на графике 3, фиг.5 (по оси абсцисс отложен геометрический угол поворота ротора относительно условного начального положения). Реактивный момент, ухудшающий рабочие характеристики электродвигателя, возникает из-за неравномерности магнитной проводимости статора, на котором имеются пазы и зубцы. Основная гармоника пульсаций реактивного момента для погружного электродвигателя имеет период 360°/Z_c, где Z_c - число пазов или зубцов статора. Например, для наиболее распространенного вентильного электродвигателя с 24 пазами на статоре период равен 15°.

Для сравнения такие же зависимости были получены для аналогичных погружных вентильных электродвигателей, ротор одного из которых выполнен без смещения магнитов (график 1), а ротор второго - со смещением половины полюсов на угол, равный половине зубцового деления (7,5°), (график 2). Из графиков видно, что наименьшие пульсации реактивного момента получены в вентильном электродвигателе заявленной конструкции.

Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет при последовательном соединении модулей вентильных электродвигателей обеспечить заданное пространственное расположение магнитной системы роторов каждого модуля и заданное пространственное расположение фаз статоров тех же модулей, в результате чего пульсации реактивного момента сводятся к минимуму.