CN203722449U - 潜油开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及油田采油生产中所用的潜油电机螺杆泵系统中的潜油开关磁阻电机。该电机的上、下接头间由中间接头连接若干节电机壳体，电机壳体内置有同轴多节匹配的电机定子总成与电机转子总成；电机转子总成内的各段同轴间由轴花键套连接，电机轴的上部由止推轴承及上接头支撑，下端由下部轴承及下接头总成支撑；下接头总成由下接头、下接头堵头组成并通过底部螺栓连接；电机的上、下止推轴承的下端分别与上接头、下接头总成通过定位销连接固定；电机轴的上端与电机保护器连接。该电机因无须机械减速器，因而工作效率高，在转速100-200r/min之间，效率可以达到80%以上，与潜油电机比较具有明显的效率优势。

Description

潜油开关磁阻电机

技术领域

本实用新型涉及油田采油生产中采油、注水所用的潜油螺杆泵系统中的潜油开关磁阻电机。

背景技术

20世纪20年代法国人莫依诺（Moyno）发明了螺杆泵的工作原理，被称为莫依诺（Moyno）原理。80年代初期，螺杆泵被石油工业作为人工举升设备应用于油井采油。K & M公司首先把螺杆泵制造的又细又长，安装在油井当中，用于人工举升原油，成为首批采油螺杆泵的制造厂商之一。目前螺杆泵是油田的主要机械采油方式之一，国内、外油田均有使用，仅大庆油田螺杆泵井就有8000余口井，在其它油田如辽河、胜利、山西煤层气等螺杆泵也有不同程度应用。螺杆泵的驱动方式有两类：一是地面驱动，即地面普通异步电机经过皮带、齿轮等减速器传动，将转速降到100-200r/min，或地面永磁异步电机经过变频器将转速降到100-200r/min，然后连接抽油杆井将动力传动到井下螺杆泵，驱动螺杆泵运行。这种形式的螺杆泵优点是成本低，结构简单。缺点是动力要通过抽油杆长距离传递，抽油杆和液体、油管之间的磨损较大，系统效率低；由于抽油杆传动变形蓄能，地面需要防反转装置，安全性差；因为属于有杆传动，这种螺杆泵不能用于斜井；地面占地面积大，不适用于海上平台。二是井下潜油电机驱动。由四级或六级三相潜油异步电动机，通过机械减速器、将电机转速降至100-200r/min ，驱动柔性联轴器、螺杆泵运转。这种装置的优点是取消了抽油杆长距离传动，消除了抽油杆与油管之间的磨损；可以用在斜井和水平井，适应地面和海上平台使用；装置驱动设备全部在井下，无需地面保养。缺点潜油异步电机级数增加后，电机效率低；潜油异步电机输出的转速高，不能直接驱动螺杆泵，需要通过机械减速器或变频才能达到要求的速度；启动电流大，4～7倍的额定电流、启动瞬间对电机绝缘损伤和电网冲击大，同时定子阻抗压降大，是电动势和主磁通减小，功率因数低、起动转矩小。

实用新型内容

针对有杆传递螺杆泵的应用局限性和潜油螺杆泵电机低速运行效率低及速度不能满足螺杆泵的具体情况，本发明提供一种潜油开关磁阻电机。该电机在结构尺寸上可以满足井下安装，其工作速度可以直接满足螺杆泵的低速要求，无须增加机械减速器，且工作效率高，在转速100-200r/min之间，效率可以达到80%以上，与潜油电机比较具有明显的效率优势。

本实用新型的技术方案是：一种潜油开关磁阻电机，包括电机上接头及下接头总成，所述的上接头与下接头总成间通过中间接头连接若干节电机壳体，所述的电机壳体内置有同轴多节匹配的电机定子总成与电机转子总成；上述电机转子总成内的各段电机轴之间由轴花键套连接，电机轴的上部由止推轴承及上接头支撑，下端由下部轴承及下接头总成支撑，下接头总成由下部支撑块、下丝堵组成并通过底部螺栓连接固定；电机上、下部止推轴承的下端分别与上述的上接头及下接头总成连接并由定位销固定；电机轴的上端与井下保护器相接；此外，电机上接头的侧壁上设有为电机轴注油的注油阀及与潜油电缆连接的引线接头，所述的引线接头上设有电缆护盖及丝堵。

上述的电机定子总成包括电机壳体，所述的电机壳体内置有间隔排列的定子铜片及定子钢片，两端的端部片与电机壳体间由端部挡圈固定。

上述的电机转子总成包括电机轴，所述的电机轴上通过转子方键固定扶正轴承，扶正轴承外壁套装扶正轴承套，扶正轴承的两端设有位置调整垫，扶正轴承套的两侧分布若干转子钢片，左端的转子钢片由端部卡簧固定，右端的转子钢片由定位半环固定。

上述电机上接头的上端通过连接螺栓固定运输护盖，下接头连接下丝堵。 

本实用新型的有益效果是：潜油开关磁阻电机结构尺寸设计满足井下小直径空间要求，性能与现有的潜油电机优势：

1）潜油开关磁阻电机与现有的潜油电机相比结构简单，成本低。潜油开关磁阻电机（SSRD）的结构比鼠笼式感应电动机还要简单。其突出的优点是转子上没有任何形式的绕组，因此不会有鼠笼感应电机制造过程中铸造不良和使用过程中的断条等问题。其转子机械强度极高，可以用于超高速运转，在定子方面，它只有几个集中绕组，因此制造简便、绝缘结构简单。

2）潜油开关磁阻电机功率电路简单可靠。因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方相绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。对比异步电动机绕组需流过双向电流，向其供电的PWM变频器功率电路每相需两个功率器件。因此，开关磁阻电动机调速系统较PWM变频器功率电路中所需的功率元件少，电路结构简单。

3）效率高、损耗小。潜油开关磁阻电机的绕组无铜损，可控参数多，灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。其系统效率在很宽范围内都在80%以上，现有的6级潜油电机效率65%左右，运行效率高出约15%以上 。

4）系统可靠性高。从潜油开关磁阻电机的电磁结构上看，各项绕组和磁路相互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转矩。而不像在一般电动机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个旋转磁场，电动机才能正常运转。从控制结构上看，各相电路各自给一相绕组供电，一般也是相互独立工作。由此可知，当电动机一相绕组或控制器一相电路发生故障时，只需停止该相工作，电动机除总输出功率能力有所减小外，并无其他妨碍。

5）起动转矩大，起动电流低。控制器从电源侧吸收较少的电流，电机得到较大的起动转矩是本潜油开关磁阻电机系统的一大特点。典型产品的数据是：起动电流为额定电流的15%时，获得起动转矩为100%的额定转矩；起动电流为额定电流的30%时，起动转矩可达其额定转矩的250%。而其他调速系统的起动特性与之相比，而鼠笼感应潜油电动机为300%的电流，获得100%的转矩。起动电流小而转矩大的优点还可以延伸到低速运行段，因此本系统十分合适那些需要重载起动和较长时间低速重载运行的机械。

6）适用于频繁起停及正反向转换运行。本潜油开关磁阻电机系统具有的高起动转矩、低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击小，电机和控制器发热较连续额定运行时还要小。可控参数多使其制动运行能与电动运行具有同样优良的转矩输出能力和工作特性。二者综合作用的结果必然使之适用于频繁起停及正反向转换运行，次数可达1000次/小时。

附图说明

图1为本实用新型的示意图；

图2为图1中序号22电机定子总成的结构示意图；

图3为图1中序号23电机转子总成的结构示意图；

图4为本实用新型中四相（8/6）结构的开关磁阻电机原理图。

图中 13-运输护盖，14-连接螺栓， 15-电机转子总成，16-锁紧螺栓，17-半环，18-止推轴承，19-电机上接头，20-注油阀，21-密封环，22-电机定子总成，23-电机转子总成，24-下部轴承，25-下接头，26-底部连接螺栓，27-下丝堵，28-中间接头，29-轴花键套，30-隔套，31-引线接头，32-电缆护盖，33-丝堵，34-方健，35-压盖，36-端部挡圈，37-定子铜片，38-定子钢片，39-端部片，40-电机壳体，41-电机轴，42-端部卡簧，43-转子钢片，44-转子方键，45-扶正轴承套，46-T环，47-扶正轴承，48-位置调整垫，49-定位半环，50-下部支撑块。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明： 

由图1至图4所示，该潜油开关磁阻电机包括电机上接头19及下接头总成，所述的上接头19及下接头总成间通过中间接头28螺纹连接若干节电机壳体10，所述的电机壳体10内置有同轴多节匹配的电机定子总成22与电机转子总成23；上述电机转子总成23内的各段同轴的电机轴41间由轴花键套29连接，中间接头28与花键套29之间装有隔套30，电机轴41的上部固定在止推轴承18内，止推轴承18的下端面由定位销固定在上接头19的台阶上，止推轴承18的下端面由定位销固定在上接头19的台阶上，止推轴承18的动块通过方健34、锁紧螺栓16、半环17及压盖35固定在电机轴上，将电机向下的轴向力传递给轴承静块上；电机轴的下端由下部轴承24及定位销固定在下部的接头总成上端面上，并由下接头总成支撑；所述下接头总成由下部支撑块50、下接头25组成，下部支撑块50螺纹连接在电机壳体40的下部，下部支撑块50的下端孔内置下接头25，下接头25内孔螺纹连接固定下丝堵27，下接头25与下部支撑块50由底部连接螺栓26连接固定；电机轴的上端与电机保护器连接；此外，电机上接头19的侧壁上设有为电机轴注油的注油阀20及与潜油电缆7连接的引线接头31，电机动力线和信号线由电机头部输出，信号线和动力线在同一铠装内，整体为一个专用潜油电缆7，所述的引线接头31上设有电缆护盖32及丝堵33，具体结构如图1所示。

上述的电机定子总成22包括电机壳体40，所述的电机壳体40内置有间隔排列的定子铜片37及定子钢片38，两端的端部片39与电机壳体40间由端部挡圈36固定，如图2所示。

上述的电机转子总成23包括电机轴41，所述的电机轴41上通过转子方键44固定扶正轴承47，扶正轴承47外壁套装扶正轴承套45，扶正轴承47的两端设有位置调整垫48，扶正轴承套45的两侧分布若干转子钢片43，左端的转子钢片43由端部卡簧42固定，右端的转子钢片43由定位半环49固定，扶正轴承套45的外壁固定T环46，具体结构如图3所示。

在实际应用中，该开关磁阻电机在壳体外径￠116mm严格限制下，优化设计定子和转子钢片。由于功率需求不同，电机设计成多节定子和多节转子的串接方式以满足功率要求，如图1所示。定子总成是将定子片叠压在电机壳体内部，两端端部挡圈36固定，如图2所示；转子总成是用端部环将转子片43压紧后成为一个转子，套装轴上，转子方键44和端部半环42、定位半环49定位；每节转子中间安装扶正轴承47，保证转子运行同轴，如图3所示； 各节定子总成中间靠接头螺纹连接，并用0环密封，形成封闭的腔体。转子总成之间用花键套连接，各节转子同步运行；电机上、下部的轴承承担转子总成的轴向力，电机的内部充满高绝缘的润滑油，保证电机轴承润滑和散热；电机的上部和下接头各有一个单向注油阀，为电机注油，如图1所示。电机动力线和信号线由电机头部输出，信号线和动力线在同一铠装内，整体为一个专用电缆。电机下部尾部丝堵，可以打开，下接头带有油管内螺纹，可以连接井下扶正器等井下工具。与该开关磁阻电机配套的专用保护器与电机采用法兰连接，轴采用花键套连接。

此外，电机壳体40与电机上接头19间、电机壳体40与下部支撑块50、下部支撑块50与下接头间有密封环21；电机上接头19的上端通过连接螺栓14固定可拆卸的运输护盖13；下接头25连接下丝堵27，打开后，下接头内的油管内螺纹可以连接井下扶正器等井下工具，如图1所示。

该潜油开关磁阻电机的外径为￠116mm，系统最大投影尺寸可以满足井下5 1/2英寸套管以上要求。该电机配有密封和内外腔压力平衡的专用保护器，可以在井下压力为35mPa以下的井液中长期工作。该电机定、转子的凸级比为8/6，同轴多节定子与转子匹配满足功率不同需求，该电机的设计转速在100-200r/min之间，工作效率可以达到80%以上。该电机的工作原理是遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合；而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的主轴线重合，按照一定的次序给定子通电励磁，转子就会按照励磁的方向旋转，图4示出四相（8/6）结构开关磁阻电动机原理图。为简单计，图中只画出A相绕组及其供电电路，因为该运行原理遵循“磁阻最小原理”即 磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。图4中，当定子D-D’极励磁时，1-1’向定子轴线D-D’重合的位置转动，并使D相励磁绕组的电感最大。若以图中定、转子所处的相对位置作为起始位置，则依次给D→A→B→C相绕组通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，若依次给B→A→D→C相通电，则电动机即会沿顺时针方向转动。从图4可以看出，当主开关器件S1、S2导通时，A相绕组从直流电源US吸收电能，而当S1、S2关断时，绕组电流经续流二极管VD1、VD2继续流通，并回馈给电源US。因此，该潜油开关磁阻电机传动的共性特点是具有再生作用，系统效率高。

Claims (4)

1.一种潜油开关磁阻电机，包括电机上接头（19）及下接头总成（25），其特征在于：所述的上接头（19）与下接头总成（25）间通过中间接头（28）连接若干节电机壳体（10），所述的电机壳体（10）内置有同轴多节匹配的电机定子总成（22）与电机转子总成（23）；上述电机转子总成内的各段电机轴（41）之间由轴花键套（29）连接，电机轴（41）的上部由止推轴承（18）及上接头（19）支撑，下端由下部轴承（24）及下接头总成（25）支撑，下接头总成由下部支撑块（50）、下丝堵（27）组成并通过底部螺栓（26）连接固定；电机上、下部止推轴承（18、24）的下端分别与上述的上接头（19）及下接头总成连接并由定位销固定；电机轴的上端与井下保护器相接；此外，电机上接头（19）的侧壁上设有为电机轴注油的注油阀（20）及与潜油电缆连接的引线接头（31），所述的引线接头（31）上设有电缆护盖（32）及丝堵（33）。

2.根据权利要求1所述的潜油开关磁阻电机，其特征在于：上述的电机定子总成（22）包括电机壳体（40），所述的电机壳体（40）内置有间隔排列的定子铜片（37）及定子钢片（38），两端的端部片（39）与电机壳体（40）间由端部挡圈（36）固定。

3.根据权利要求1所述的潜油开关磁阻电机，其特征在于：上述的电机转子总成（23）包括电机轴（41），所述的电机轴（41）上通过转子方键（44）固定扶正轴承（47），扶正轴承（47）外壁套装扶正轴承套（45），扶正轴承（47）的两端设有位置调整垫（48），扶正轴承套（45）的两侧分布若干转子钢片（43），左端的转子钢片（43）由端部卡簧（42）固定，右端的转子钢片（43）由定位半环（49）固定。

4.根据权利要求1所述的潜油开关磁阻电机，其特征在于：上述电机上接头（19）的上端通过连接螺栓（14）固定运输护盖（13），下接头（25）连接下丝堵（27）。