CN103503282A

CN103503282A - 电机

Info

Publication number: CN103503282A
Application number: CN201280020974.5A
Authority: CN
Inventors: J·哈伦德巴克
Original assignee: Welltec AS
Current assignee: Welltec AS
Priority date: 2011-04-29
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2014-01-08
Also published as: WO2012146731A1; BR112013027299B1; US9509190B2; US20140054993A1; AU2012247462B2; DK2518867T3; AU2012247462A1; CA2834475C; CA2834475A1; MY168954A; EP2518867B1; MX2013012438A; BR112013027299A2; EP2518867A1; RU2596608C2; RU2013152365A

Abstract

本发明涉及一种在纵向上伸长的井下电机，包括：壳体；包含在所述壳体内部的定子；和包含在所述定子内、与所述定子可旋转地连接的转子，其中，转子具有锁定端和非锁定端并在锁定端处被锁定以避免转子沿纵向移动，并且转子能在转子的非锁定端处沿纵向移动以避免转子上由于在电机运转时在转子发热期间转子的热膨胀而引起的推力负荷，并且所述井下电机还包括与定子连接以将转子支承在锁定端处的锁定轴承和与定子连接以将转子支承在非锁定端处的非锁定轴承，其中所述轴承至少部分由陶瓷材料制成。此外，本发明涉及一种包括根据本发明的电机的井下工具并且涉及包括多个根据本发明的电机的井下系统。

Description

电机

技术领域

本发明涉及一种用于在井下工具中使用的长电机。此外，本发明涉及一种包括根据本发明的电机的井下工具，并且涉及包括多个根据本发明的电机的井下系统。

背景技术

本发明涉及电机，且更具体地，本发明涉及尤其适合在钻井技术中使用的电机。该类型的电机必须例如满足井筒的特殊空间要求，使得外径通常非常有限，而此类电机可能很长。具体长度取决于期望的电机功率。关于在井下环境中在操作期间的特殊空间要求，该类型的环境还代表诸如高压、高温和酸性环境的挑战性条件。

该类型的电机遇到的一个难题在于转子轴杆必须由至少在电机的各端处的轴承并且通常还要由在中间位置的轴承紧密地支承，以确保转子进行旋转而不会摆动，这会诱发电机破损增大和功率输出减小。因此，转子非常紧密地配合在定子内在高效电机的设计中是必要的。转子上的热致推力负荷代表对此类电机的设计的挑战，主要因为，由于转子的热膨胀，转子会朝向定子弯曲，引起增大的磨擦和转子的摆动运动。

现有技术已做出对防止该问题的努力，例如美国专利号3,136,905公开了一种允许冷却水在转子内部的中空转子，由此避免转子的大的热膨胀。利用该方法，另一个问题被引入该设计中，因为在旋转部件上提供良好的密封变得重要，这在通常的井口钻孔操作条件下原本就是一项艰巨的任务，而在具有升高的温度和增大的压差的井下作业时则明显更为复杂。

因此，需要提供一种改进的电机，其具有维持转子在定子内的紧密配合并在井下操作期间的热膨胀过程中维持紧密配合的能力。

发明内容

本发明的一个目的是完全或部分地克服现有技术的以上劣势和缺点。更具体地，本发明的目的是提供一种能在不使用复杂的冷却系统的情况下在升高的环境温度下操作的改进的电机。

将从以下描述变得显而易见的上述目的以及许多其它目的、优点和特征由一种沿纵向伸长的井下电机通过根据本发明的方案来实现，所述电机包括：

-壳体；

-包含在所述壳体内部的定子，和

-包含在所述定子内的转子，该转子与所述定子可旋转地连接，

其中，转子具有锁定端和非锁定端并在锁定端处被锁定以避免转子沿纵向移动，并且转子能在转子的非锁定端处沿纵向移动，以避免转子上由于在电机运转时在转子发热期间转子的热膨胀而引起的推力负荷，并且电机还包括与定子连接以将转子支承在锁定端处的锁定轴承和与定子连接以将转子支承在非锁定端处的非锁定轴承，其中所述轴承至少部分地由陶瓷材料制成。

此外，本发明涉及一种沿纵向伸长的井下电机，该井下电机包括：

-壳体；

-包含在所述壳体内部的定子，和

其中，转子具有锁定端和非锁定端并在锁定端处被锁定以避免转子沿纵向移动，并且转子能在转子的非锁定端处沿纵向移动，以避免转子上由于在电机运转时在转子发热期间转子的热膨胀而引起的推力负荷。

“锁定”和“非锁定”指的是沿纵向移动的能力，即，锁定端不能沿工具的纵向移动，而非锁定端可沿工具的纵向移动。

此外，根据本发明的井下电机可包括与定子连接以在锁定端处支承转子的锁定轴承。

此外，根据本发明的井下电机可包括与定子连接以在非锁定端处支承转子的非锁定轴承。

锁定和非锁定轴承指的是轴承的沿工具的纵向移动的能力，即，锁定轴承不能沿工具的纵向移动，而非锁定轴承可沿工具的纵向移动。

另外，根据本发明的井下电机可至少包括配置在锁定轴承与非锁定轴承之间的一附加轴承。

所述轴承可以是滚子轴承，例如滚珠轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承、锥形滚子轴承或球轴承。

此外，所述滚子轴承可包括由陶瓷材料制成的滚子元件，例如滚珠、滚柱、滚针、锥形元件或球形元件。

此外，所述轴承可包括由陶瓷材料制成的轴承环元件。

在一个实施例中，所述轴承可以是滚珠轴承。

在另一实施例中，所述滚珠轴承可包括由陶瓷材料制成的滚珠。

此外，根据本发明的井下电机可包括用于锁定转子的锁定端以避免转子沿纵向移动的卡环或弹性挡圈。

在一个实施例中，转子可包括轴杆部件、转子部件，并且轴杆部件和转子部件可通过榫舌和凹槽接头互锁，凹槽接头沿电机的纵向伸长，与榫舌交互，从而允许轴杆部件沿电机的纵向相对于转子部件移动。

此外，本发明涉及一种包括根据本发明的电机的井下工具。

最后，本发明涉及一种包括多个如上所述的电机的井下系统，其中所述电机可通过可伸缩联接装置联接。

附图说明

下文将参考所附示意图更详细地描述本发明及其诸多优点，附图出于说明的目的而示出了一些非限制性的实施例，并且其中

图1示出了电机的示意图，

图2是包括中间轴承的电机的示意图，

图3是包括多个中间轴承的电机的示意图，以及

图4是两个串接的电机的示意图。

所有附图均为高度示意性的且不一定按比例绘制，并且它们仅示出阐明本发明所需的那些部分，其它部分被省略或仅进行提示。

具体实施方式

图1示出了在纵向60上伸长的电机1，该电机用于提供井下旋转力以用于驱动单元（诸如液压泵）。该电机包括容纳于电机壳体4内的转子2和定子3。定子3被固定地连接至电机壳体4，定子3包括定子部件31、锁定端部件32和非锁定端部件33。转子2包括轴杆部件21、转子部件22、力传递装置23和锁定凹槽24。此外，转子2具有锁定端2a和非锁定端2b。转子2通过多个轴承41、42——例如至少两个轴承，即，在锁定端2a处支承转子2的锁定轴承41和在非锁定端2b处支承转子2的非锁定轴承42——能旋转地连接至定子3。术语“锁定”和“非锁定”指的是在电机1的纵向60上移动的能力，因此锁定轴承41不能在纵向60上移动，而非锁定轴承42能在电机1的纵向60上移动。锁定轴承41是滚珠轴承，该滚珠轴承包括滚珠45并且还包括锁定内轴承环43、锁定外轴承环44以及被设置在锁定内轴承环43和锁定外轴承环44之间的多个轴承滚珠45。非锁定轴承42是滚珠轴承，该滚珠轴承包括滚珠45并且还包括非锁定内轴承环46、非锁定外轴承环47和多个轴承滚珠45。锁定外轴承环44被固定地连接至锁定端部件32，并且锁定内轴承环43借助两个锁定环5被固定地连接至转子2的轴杆部件21，所述两个锁定环在内轴承环43的两侧与轴杆部件21中的锁定凹槽24接合，以在锁定端处锁定转子2的纵向移动。非锁定外轴承环47靠接定子3的非锁定端部件33，由此限制非锁定外轴承环47在电机1的径向上的移动但不限制非锁定外轴承环47在电机1的纵向60上的移动。非锁定内轴承环46借助锁定环5被固定至转子2的轴杆部件21，所述锁定环在非锁定内轴承环46的与转子部件22相对的一侧上与轴杆部件21中的锁定凹槽24接合，借此允许转子2由于转子2的热膨胀而纵向移动。

锁定端部件32和非锁定端部件33可有利地通过可通过利用火花去除材料而在很厚的材料中形成很薄的切口的火花电蚀加工、火花切割、烧蚀和类似技术制造。这使用户能以锁定端部件32和非锁定端部件33的全部厚度来生产它们，这优化了电机的传热和刚度。或者，通过诸如冲压金属板然后借助多个这样的板建造锁定端部件32和非锁定端部件33的技术来更常规地生产锁定端部件32和非锁定端部件33。

一些不同类型的损失引起电机内的发热。发热的主要来源通常源自电机中的通电线圈的电发热，这通常因为电机中的线圈一般由铜线制成的事实而被称为铜损。有时，铜损被细分为一级损耗和二级损耗，指的是转子线圈中的一级损耗和定子线圈中的二级损耗。电机中的其它损耗可能由于定子中的磁能耗散和其它按大小不太显著的类型（源自泄漏的杂散损耗，谐波能量的产生等）而发生。此外，机械损耗（诸如轴承中的摩擦损耗）可能引起电机的发热。当在井下环境中作业时，作为电机发热的结果而出现的问题变得愈加重要。井下设备中的发热设备面临升高的环境温度（深井中温度可能超过几百度）的问题。升高的环境温度以及由于井筒中的空间限制和压差而通常具有很“紧凑”的结构的设备的结合导致从该设备散热具有很大的挑战。因此，回避发热问题的方案在井下设备的设计中具有重大的技术和商业价值。

在电机1运转期间，转子2相对于定子3旋转，热量主要在转子2中产生。因此，转子2是电机的在运转期间承受最高温度的部分。定子3和电机壳体4也随着热量从转子2朝电机1的周围散发而升温。转子2仅通过轴承41、42而与周围物固体-固体连接以避免摩擦损耗，因此转子与定子之间的温度梯度非常大。此外，考虑到轴承41、42的典型轴承滚珠由导热率相对低的材料（诸如不锈钢类型）制成的事实，因此通过轴承的热传递很低。也可利用具有较高导热率的其它类型的轴承滚珠，例如更常规的铬钢滚珠。定子3与转子2之间的居间空间6填充有油以避免井筒流体进入电机1内。油也是相对不良的热导体，因此通过居间空间6中的油的温度梯度也非常高。总之，转子2难以将在运转期间产生的热量驱散。

当转子2在运转期间发热时，转子的尺寸将由于热膨胀而增大。由于电机1的伸长/细长属性（这源于在井眼内作业的空间限制），所述热膨胀特别是在伸长方向上是一个问题。由于电机可能高达数米长而仅几厘米宽，故在伸长方向上的热膨胀可以引起转子2的长度的显著变化。通常，通过主动冷却或被动冷却转子2以避免定子3与转子2之间的大温度梯度来应对热膨胀问题。问题在于，由于定子3和转子2按常规在两个端部处联接，所以转子2的大的热膨胀以及同时定子3和电机壳体4的较小的热膨胀引起转子2上的推力负荷，导致转子2偏斜。该类型的偏斜可能造成转子2旋转期间的摆动运动，这会降低电机1的效率，在最坏的情形下会损坏电机1。

轴承41、42、50优选可以是滚子轴承，例如滚珠轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承、锥形滚子轴承或球轴承。而且，轴承可至少部分地由陶瓷材料制成，以提供在升高的工作温度期间具有改善的耐久性和性能的轴承。滚子元件45（如滚珠、滚柱、滚针、锥形元件或球形元件）可由陶瓷材料制成。此外，轴承环元件43、44、46、47可由陶瓷材料制成以改善轴承的性能。

锁定轴承41、42的锁定环5有利地可以是接合锁定凹槽24的卡环（扣环，止动环）5或弹性挡圈（卡簧，紧固环）5。

在图1所示的电机中，转子2在运转期间可朝向非锁定轴承42热膨胀而不偏斜。非锁定轴承42靠接非锁定端部件33并因此在径向上被限制，但非锁定轴承42可在纵向60上移动，由此能再次补偿转子的热膨胀，从而避免转子2的偏斜。

图2示出了另一电机1，该电机还包括在非锁定轴承42与锁定轴承41之间的中间位置的中间非锁定轴承50。在非锁定轴承42与锁定轴承41之间设置中间非锁定轴承50的目的在于增加转子2的稳定性，尤其是在转子2很长的情况下。必要的是中间轴承50必须是非锁定的，使得转子2的一部分可被锁定而其它部分不被锁定。如果中间轴承50是非锁定的，则转子2就会在转子2的整个长度上自由膨胀。在非锁定轴承42与锁定轴承41之间的中间处增设中间非锁定轴承50将使转子未被轴承支承的长度减小一半。如图3所示，在电机很长的情况下或者在对转子2的稳定性要求高的情况下可引入多个中间非锁定轴承50。

图4示出了串联的两个联接的电机1。每个电机1包括使转子轴杆21悬置的非锁定轴承42和锁定轴承41，由此允许各转子轴杆21根据本发明自由移动。轴杆21借助可伸缩联接装置51在电机1之间联接。由于可伸缩联接装置51在锁定轴承41与非锁定轴承42之间联接两轴杆21的事实，所以可伸缩联接装置51包括锁定联接端51a和非锁定联接端51b。因此，可伸缩联接装置51必须具有至少两种能力，即，能将旋转力从一个轴杆21传递至另一个轴杆，以及通过能够伸缩而适应联接到非锁定联接端51b的轴杆21的长度变化。具有这两种能力的可伸缩联接装置51的一个实施例是可伸缩万向接头，但可使用更加简单的可伸缩的、至少具有传递旋转和适应长度变化的能力的联接装置，例如简单的榫槽接头。图4中的电机壳体4已通过电机壳体连接装置52被联接。

所述转子包括轴杆部件21和转子部件22。轴杆部件21和转子部件22可通过如图2所示的榫舌61和凹槽接头62互锁。凹槽接头62沿电机1的纵向60伸长，与榫舌61交互，从而允许轴杆部件21沿电机1的纵向60相对于转子部件22移动。凹槽接头62可布置在转子部件22中且榫舌61可布置在轴杆部件21中，或反之亦然。

轴承滚珠45优选由诸如陶瓷材料或高等级钢的高度耐用材料制成。轴承滚珠材料优选非常坚硬、耐用且耐高温，并且能以大尺寸精度和低公差制造。包括轴承滚珠45和轴承环43、44、46、47的整个轴承41、42可由相同的材料制成，或者替代性地可利用所谓的混合轴承（将例如陶瓷轴承滚珠45与钢制轴承环44相结合）。材料的选择允许用户改善电机1的特性，例如减少轴承41、42中的摩擦，提高轴承41、42的寿命，或增加经轴承41、42从转子2向定子3和电机壳体4的热量传递。

尽管上文已结合本发明的优选实施例描述了本发明，但对于本领域技术人员来说将显而易见的是，在不脱离如通过以下权利要求限定的本发明的前提下，可以设想若干个改型。

Claims

1.一种在纵向（60）上伸长的井下电机（1），包括：

-壳体（4），

-包含在所述壳体内部的定子（3），

-包含在所述定子内的转子（2），该转子可旋转地连接到所述定子，

其中，所述转子具有锁定端（2a）和非锁定端（2b）并在所述锁定端处被锁定，以避免所述转子在所述纵向上移动，所述转子能够在所述转子的所述非锁定端处沿所述纵向移动，以避免所述转子上由于在所述电机运转时在所述转子发热期间所述转子的热膨胀而引起的推力负荷，并且所述井下电机还包括连接到所述定子以将所述转子支承在所述锁定端处的锁定轴承（41）和连接到所述定子以将所述转子支承在所述非锁定端处的非锁定轴承（42），其中所述轴承（41，42）至少部分由陶瓷材料制成。

2.根据权利要求1所述的井下电机（1），其特征在于，还至少包括配置在所述锁定轴承（41）与所述非锁定轴承（42）之间的一附加的非锁定轴承（50）。

3.根据权利要求1或2所述的井下电机（1），其特征在于，所述轴承（41，42，50）为滚子轴承，例如滚珠轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承、锥形滚子轴承或球轴承。

4.根据权利要求3所述的井下电机（1），其特征在于，所述滚子轴承（41，42，50）包括由陶瓷材料制成的滚子元件（45），例如滚珠、滚柱、滚针、锥形元件或球形元件。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的井下电机（1），其特征在于，所述轴承（41，42，50）包括由陶瓷材料制成的轴承环元件（43，44，46，47）。

6.根据前述权利要求中任一项所述的井下电机（1），其特征在于，还包括用于锁定所述转子的所述锁定端以避免所述转子沿所述纵向移动的卡环（5）或弹性挡圈（5）。

7.根据前述权利要求中任一项所述的井下电机（1），其特征在于，所述转子包括轴杆部件（21）、转子部件（22），所述轴杆部件和转子部件通过榫舌（61）和凹槽接头（62）互锁，所述凹槽接头沿电机的纵向伸长，与所述榫舌交互，从而允许所述轴杆部件在所述电机的纵向上相对于所述转子部件移动。

8.一种井下工具，包括根据权利要求1至7中任一项所述的电机（1）。

9.一种井下系统，包括多个根据权利要求1至8中任一项所述的电机，其中，所述电机通过可伸缩联接装置（51）联接。