FR2632787A1 - Moteur de pompe electrique submersible rempli d'huile - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un moteur de pompe électrique submersible, rempli d'huile, pouvant fonctionner à des températures élevées. Il comprend une structure de stator non vernie dont les enroulements sont formés de conducteurs 42 revêtus d'un isolant hydrolytiquement stable, résistants à l'huile et à l'abrasion, exposé à l'huile du moteur et avantageusement choisi dans le groupe constitué des polyétheréthercétone (PEEK), polyéthercétone (PEK) et polybenzimazole (PBI). Les spires d'extrémité des enroulements sont montées sur des blocs rigides 58, 60, 62, hydrolytiquement stables, résistants à l'huile et électriquement isolants, qui supportent le poids des enroulements du stator et immobilisent les spires d'extrémité, celles-ci étant reliées aux blocs par un ruban électriquement isolant, hydrolytiquement stable et résistant à l'huile. Domaine d'application : pompes submersibles pour puits de pétrole, etc.

Description

L'invention concerne des moteurs de pompes

électriques-submersibles, et elle a trait plus particuliè-

rement à des perfectionnements à des moteurs remplis

d'huile, pour hautes températures.

Pendant de nombreuses années, on a utilisé des groupes de pompage submersibles dans le pompage de pétrole ou d'eau à partir de puits. Des exemples représentatifs de groupes de pompage submersibles sont décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N 1 951 919,

N 1 970 484, N 2 001 649, N 2 236 887, N 2 251 816,

N 2 270 666, N 2 315 917, N 3 672 795 et N0 4 275 319.

Habituellement, un groupe de pompage submersible comprend un moteur électrique et une pompe centrifuge suspendus colinéairement dans un puits au moyen d'une colonne ou d'un câble. Le moteur est rempli d'une huile qui sert à lubrifier les, pièces en mouvement, à isoler les pièces électriques, à refroidir le moteur et à exclure de

l'intérieur du moteur les fluides présents dans le puits.

Un protecteur contenant de l'huile permet la dilatation et la contraction thermiques de l'huile qui résultent des

cycles de marche et d'arrêt du moteur.

Les moteurs de pompes électriques submersibles sont coûteux. Lorsqu'ils tombent en panne en service, le groupe de pompage doit être retiré du puits, ce qui est une

opération coûteuse. En conséquence, des systèmes perfec-

tionnés d'isolation sont utilisés dans les moteurs de pompes pour minimiser les pannes électriques. Par exemple, le système d'isolation du stator d'un type de moteur submersible vendu par la Cessionnaire de la présente invention comprend des manchons isolants et des tôles isolantes aux extrémités opposées du stator, un caniveau

d'encoche isolant tubulaire pour les enroulements stato-

riques, des couches multiples d'isolant sur le fil à bobiner des enroulements, un ruban isolant sur les spires d'extrémité des enroulements, des manchons isolants sur les connexions avec les spires d'extrémité et un vernis isolant

qui imprègne la totalité de la structure interne du stator.

Le système perfectionné d'isolation décrit dans le brevet N' 4 275 319 précité accroit notablement le temps moyen avant panne des systèmes isolants antérieurs. Néanmoins, dans l'environnement rude des puits & haute température, même ce système perfectionné d'isolation n'a pas conféré la durée de vie utile souhaitée aux moteurs submersibles. I1 a été de pratique normale dans les moteurs submersibles remplis d'huile d'utiliser un vernis dans le système d'isolation du stator. L'invention décrite dans le

brevet N0 4 275 319 précité repose sur un vernis hydrauly-

tiquement stable, amélioré, pour prolonger la durée de vie du moteur. Le vernis imprègne sensiblement la totalité du système statorique et sert d'écran s'opposant à l'humidité pour protéger d'une attaque hydrolytique l'isolant du fil de bobinage. D'une manière classique, le vernis sert aussi d'isolant électrique secondaire pour les conducteurs électriques du stator, supporte le poids des enroulements statoriques et enrobe ou encapsule les spires d'extrémité

des enroulements statoriques afin qu'elles soient sensi-

blement immobilisées.

L'utilisation d'un vernis dans le système

d'isolation du stator est cependant d'un avantage mitigé.

Le processus d'imprégnation du vernis est une opération coûteuse, difficile et consommatrice de capitaux. Le vernis tend à se dégrader en cours d'utilisation, provoquant une contamination de l'huile qui remplit le moteur. De plus, des cycles répétés de dilatation et de contraction thermique qui apparaissent pendant les cycles de marche et d'arrêt du moteur provoquent une fissuration du vernis et

aboutissemnt finalement à une panne électrique du moteur.

D'autres problèmes associés à l'utilisation d'un vernis

seront considérés ci-après.

L'invention est l'aboutissement de recherches

étendues visant à construire un moteur électrique submer-

sible rempli d'huile ayant une structure statorique sans vernis. Bien que sa structure statorique soit dépourvue de vernis, le moteur selon l'invention présente des perfor- mances sensiblement supérieures à celles possibles jusqu'à

présent, en particulier dans des milieux à haute tempé-

rature. En outre, l'invention parvient à accroître notablement la durée de vie du moteur ainsi qu'à élever les températures nominales de fonctionnement pour une durée de

vie donnée du moteur.

Briévement décrite, l'invention propose un moteur de pompe électrique submersible rempli d'huile, comprenant une structure statorique sans vernis ayant des enroulements de stator formés de conducteurs revêtus d'un isolant hydrolytiquement stable, résistant à l'huile et à l'abrasion, qui est exposé à l'huile présente dans le moteur, les enroulements ayant des spires d'extrémité supportées par des moyens électriquement isolants, hydrolytiquement stables, résistants à l'huile, afin d'être

sensiblement immobilisees.

L'invention sera -décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: - la figure 1 est une élévation avec coupe longitudinale raccourcie d'un groupe de pompage submersible dans lequel la présente invention peut être utilisée; - la figure 2 est une coupe longitudinale raccourcie de la structure du stator d'un moteur de pompe électrique submersible rempli d'huile selon l'art antérieur - la figure 3 est une vue en perspective d'une "statorette" coupée longitudinalement, utilisée pour

essayer l'invention, la statorette étant représentée en.

association avec un diagramme illustrant l'agencement des enroulements utilisés a des fins d'essai; - la figure 4 est une vue en perspective

éclatée illustrant des blocs de support de spires d'ex-

trémité et d'autres parties d'une extrémité de la structure de stator utilisée dans l'inventicon; et

- les figures 5 à 7 sont des coupes longi-

tudinales partielles illustrant des parties d'une extrémité d'une structure de stator utilisée dans l'invention, telle que vue à partir de différents points espacés d'environ

120 le long de la circonférence de la structure du stator.

Avant de décrire en détail l'invention, il est approprié de considérer l'environnement général de l'invention et de décrire en détail une structure de stator

de l'art antérieur.

La figure 1 représente un bloc de pompage submersible typique 10 dans lequel la présente invention peut être utilisée. Le bloc de pompage comprend un moteur électrique submersible 12 rempli d'huile, un protecteur 14

de moteur et une pompe 16 qui peut être du type centrifuge.

Le moteur comprend un corps métallique tubulaire 18, une structure 20 de stator montée à l'intérieur du corps et un rotor 22 ayant un arbre 24, le rotor étant supporté de façon à tourner coaxialement à l'intérieur du stator au moyen de paliers 26 et 28. Comme cela est classique, l'intérieur du moteur 12 est rempli d'une huile, telle qu'une huile minérale extra-blanche (constituée entièrement d'hydrocarbures) ou une huile hydrocarbonee synthétique

(particulièrement utile dans des environnements géother-

miques ou autres, à température élevée). L'arbre du moteur comporte un tronçon s'étendant à travers le protecteur 14 et accouplé à l'arbre de l'organe d'impulsion de la pompe 16. Le protecteur 14 contient également de l'huile et communique avec l'intérieur du moteur pour permettre une dilatation et une contraction de l'huile dans le moteur, d'une manière bien connue. En variante ou en outre, le

moteur peut être muni d'une chambre expansible de compen-

sation de pression. Le moteur est protégé de façon étanche contre l'entrée des fluides ambiants du puits et un ou plusieurs joints mécaniques 30 d'étanchéité sont prévus pour empêcher les fluides du puits de fuir le long de l'arbre du moteur et de pénétrer dans ce dernier. La structure 32 des enroulements du moteur est représentée quelque peu schématiquement. Habituellement, le moteur peut être un moteur à induction à cage d'écureuil triphasé, les enroulements 32 de stator produisant le champ moteur. Le bloc de pompage peut être suspendu dans les fluides du puits au moyen d'une colonne vissée sur l'extrémité supéfrieure de la pompe, et la pompe peut refouler dans la colonne. En variante, le bloc de pompage peut être un bloc suspendu à un câble et, si cela est souhaité, la pompe peut refouler dans une colonne perdue. Divers types de blocs de pompage submersibles sont bien connus et le bloc de pompage

est simplement un exemple d'un bloc de pompage submer-

sible dans lequel l'invention peut être utilisée.

La figure 2 illustre plus en détail une structure de stator de l'art antérieur. La structure de stator comprend un empilage de tôles 34 d'acier aux

extrémités opposées duquel se-trouvent des tôles électri-

quement isolantes 36. De la manière habituelle, les tôles

sont perforées de façon à présenter des encoches longi-

tudinales telles que l'encoche 38, espacées le long de la circonférence du stator. Chaque encoche contient un caniveau 40 qui peut se présenter sous la forme d'un tube à

-paroi mince formé d'un copolymère de propylène et d'éthy-

lène fluoré. Des conducteurs isolés 42 formés de fil à bobiner sont insérés dans les caniveaux d'encoches pour former les enroulements statoriques, la configuration des enroulements dépendant du type de moteur, comme cela est bien connu. Un ruban 44 à base de verre est enroulé autour des conducteurs 42 o ils émergent des caniveaux d'encoches et ce ruban se présente habituellement sous la forme d'une étoffe de verre tissé qui lie entre eux les fils émergeant pour former une structure robuste résistant aux forces électromécaniques exercées sur ces fils pendant le fonctionnement du moteur. Les conducteurs 42 peuvent être constitués d'un fil guipé, par exemple, dans lequel un fil de cuivre est recouvert d'un ruban de polyimide aromatique, tel que du "Kapton" (vendu par la firme Dupont). La surface du ruban tournée vers le conducteur est revêtue d'un copolymère de propylène et d'éthylène fluoré, du type "Teflon FEP", qui sert d'adhésif thermofusible. Le ruban de "Kapton" est enroulé étroitement autour du conducteur de cuivre en formant des spires se recouvrant et une seconde couche du ruban est appliquée de façon similaire sur la première couche. Le ruban de "Kapton" est lié au fil et à lui-même

par l'application de chaleur.

Un bloc 46 de mise en forme ou de façonnage d'enroulement est utilisé en tant qu'accessoire mécanique pour donner la courbure souhaitée aux fils de la spire d'extrémité formée en premier. Des coins 48, qui peuvent être des morceaux demi-ronds d'une feuille d'aramide (telle que du "Nomex"), sont introduits a force dans les encoches 38 après que les fils ont été mis en place pour maintenir mécaniquement les fils d'enroulement dans les encoches. Les manchons électriquement isolants 50 revêtent l'intérieur

des extrémités du corps 18 et séparent les spires d'extré-

mité du corps. Des fils 52 de connexion, isolés électri-

quement au moyen d'un tube 54, sont soudés ou autrement connectés aux enroulements 42 du stator. Un connecteur 56 à l'extrémité de chacun des fils de connexion sert à connecter les 'enroulements de stator à un câble de puissance (non représenté) ou à une section statorique suivante (lorsque des sections empilées sont utilisées). La structure de stator comprend également, communément, un fil en guirlande, un cordon de "Nylon", un manchonnage isolant supplémentaire ou "spaghetti" et d'autres pièces bien connues. Un autre élément très important du système isolant de la structure de stator de l'art antérieur est un yernis qui imprègne l'intérieur du stator. Un type commun de vernis utilisé jusqu'à présent dans des stators du type présenté est un vernis à cuire, durcissable à la chaleur, dilué par un solvant, contenant une résine phénolique thermodurcissable qui a été modifié avec un polyester saturé du type alkyd isophtalique, dont un exemple est le produit désigné "Hi-Therm BC- 325", classe F, vendu par John C. Dolph Company, Monmouth Junction, New Jersey. Des moteurs de pompes électriques submersibles remplis d'huile comportant des stators du type montré sur la figure 2 et imprégnés d'un tel vernis ont été vendus pendant de nombreuses années par la Cessionnaire de la présente

invention et sont largement utilisés. Des moteurs simi-

laires vendus par d'autres fabricants sont également d'une

utilisation courante.

Plus récemment, des moteurs vendus par la Cessionnaire de la présente invention ont utilisé un vernis hydrolytiquement stable, amélioré, du type décrit dans le brevet N 4 275 319 précité, qui a notablement augmenté la durée de vie du moteur. L'utilisation d'un tel vernis, basé sur des compositions de polybutadiène, forme un écran résistant à l'eau autour de l'isolation du stator. De l'eau

est évidemment présente dans presque tous les environ-

nements constitués de pétrole et, malgré le remplissage des moteurs submersibles avec de l'huile et les efforts pour protéger de façon étanche l'intérieur du moteur des fluides de puits ambiants, la pénétration par fuite de l'eau dans les moteurs a continué d'être un grave problème.'Des joints et des techniques d'étanchéité améliorés ont quelque peu atténué les problèmes de fuite d'eau, mais, après une utilisation prolongée, une certaine quantité d'eau entre

inévitablement dans le moteur.

Tant que le vernis hydrolytiquement stable reste intact, l'isolant du fil a bobiner formant les bobinages de stator est protégé d'une hydrolyse. Cependant, comme indiqué précédemment, les cycles de marche et d'arrêt du moteur provoquent une dilatation et une contraction thermiques qui finissent par fissurer le vernis, exposant l'isolant du fil a bobiner a une attaque hydrolytique et aboutissant finalement à une panne

électrique du moteur.

Si l'isolant du fil à bobiner, lui-même, était hydrolytiquement stable, il ne serait pas nécessaire d'utiliser un vernis pour protéger de l'hydrolyse l'isolant du fil à bobiner. L'isolant classique du fil à bobiner (décrit précédemment) n'est cependant pas hydrolytiquement stable. Récemment, un fil à bobiner isolé au moyen d'un isolant hydrolytiquement stable est devenu disponible, faisant apparaître la possibilité que l'utilisation d'un tel fil a bobiner pour les enroulements de stator d'une pompe submersible remplie d'huile pourrait supprimer la nécessité d'une protection par un vernis. Cependant, le vernis réalise classiquement des fonctions importantes en plus de la protection de l'isolant du fil à bobiner contre une attaque hydrolytique. Ces autres fonctions consistent à supporter le poids des enroulements formés par le fil à bobiner, à former un isolant électrique secondaire- et à

encapsuler et immobiliser (stabiliser) les spires d'ex-

trémité des enroulements. En outre, le vernis amélioré du brevet N 4 275 319 non seulement protège l'isolant du fil à bobiner d'une hydrolyse, mais il protège aussi d'autres éléments du système d'isolation qui sont sensibles à une attaque hydrolytique, comprenant des écrans entre phases (une tôle "Nomex-Kapton-Nomex", par exemple), des manchons isolants (par exemple en "Nomex"), et un ruban de spires

d'extrémité (par exemple en fibre de verre). Par consé-

quent, l'utilisation d'un isolant hydrolytiquement stable pour le fil à bobiner ne permettrait pas par elle-même

d'éliminer le vernis.

La présente invention propose une structure de stator de conception spéciale qui évite la nécessité du vernis. La configuration générale de la structure de stator utilisée dans l'invention est similaire à celle de la structure de stator de l'art antérieur illustrée sur la

figure.2, mais des différences ressortiront ci-après.

Tout d'abord, la structure du stator de la présente invention, à -la différence de la structure de stator de -l'art antérieur, utilise un isolant de fil à bobiner qui est à la fois hydrolytiquement stable et résistant à l'huile dans les conditions de fonctionnement du moteur. L'isolant doit avoir ces deux propriétés car, lors de l'utilisation, il vient en contact avec l'huile qui remplit le moteur et avec l'eau qui finit par entrer dans

le moteur.

La stabilité hydrolytique est l'aptitude à supporter de l'eau et de la vapeur d'eau au-dessus du point d'ébullition sans détérioration de la structure chimique ni perte notable des propriétés physiques et électriques. La résistance à l'huile est l'aptitude à supporter une exposition à l'huile -sans détérioration notable de la

structure chimique ou des_ propriétés physiques et élec-

triques. Aux fins de l'invention, l'isolant du fil à bobiner doit également être dur et résistant à l'abrasion, tout en étant assez flexible pour être façonné en "coudes en U" serrés. La résistance à l'abrasion est l'aptitude à supporter un frottement ou une friction de glissement sans effet notable, L'isolant du fil à bobiner doit être

résistant à l'abrasion car, quand bien même les enrou-

lements de stator sont supportés mécaniquement (comme décrit en détail ciaprès), on ne peut pas éliminer une certaine action abrasive. L'isolant classique d'un fil à bobiner (décrit précédemment) possède une mauvaise résistance à l'abrasion. L'isolant du fil à bobiner doit être suffisamment flexible pour supporter une flexion et un façonnage répétés pendant le bobinage des enroulements de stator sans se fissurer, se déchirer ou perdre de sa rigidité diélectrique. L'isolant du fil à bobiner doit avoir une rigidité diélectrique suffisante pour les tensions de fonctionnement utilisées et il doit avoir une température d'utilisation en continu assez élevée compte

tenu des températures devant être rencontrées. -

Les matières convenant à l'isolant du fil à bobiner de l'invention comprennent des matières des types polyétheréthercétone (PEEK), polyéthercétone (PEK), et polybenzimazole (PBI), la matière du type PEEK étant la plus avantageuse. Par exemple, un fil a bobiner revêtu de PEEK utilisé dans l'invention peut être un fil de cuivre rond plein, recuit, de tailles 7 à 14 conformément à la norme ASTM B3, revêtu de PEEK cristallin ou amorphe extrudé en continu autour du conducteur de cuivre, sans vides, lacunes, cloques ou matières étrangères, jusqu'à une épaisseur de revêtement de 0,15 mm par côté, avec une accumulation totale d'environ 0,30 mm. Cet isolant possède une rigidité dielectrique d'environ 16 000 V/mm (ASTM D149) et une température d'utilisation en continu d'environ 205 C. La tension minimale de percement est de 8000 V. Pour la plupart des conditions de fonctionnement du moteur prévues par l'invention, une rigidité diélectrique d'au moins environ 16 000 V/mm et une température d'utilisation en continu d'au moins environ 205 C conviennent. Un fil à bobiner isolé au PEEK est disponible auprès de la firme ICI Petrochemicals and Plastics Division of Imperial ChemiCal Industries PLC (sous l'appellation "Victrex PEEK"), par exemple. Le PEEK possède une résistance à l'abrasion de

2632787'

Il 11 mg/1000 cycles, le PBI une résistance à l'abrasion de 11 mg/1000 cycles et le PEK une résistance a l[abrasion de 3,0 mg/1000 cycles. La valeur précitée de résistance a l'abrasion pour le PEK apparait dans l'ouvrage "Materials Engineerinq Materials Selector 1988", publié par Penton Publishing, Inc. Les valeurs pour le PBI.et le PEEK ont été obtenues au laboratoire du Cessionnaire, conformément à la norme ASTM D4060, en utilisant des roues du type CSl0 et des masses de 1000 g. La résistance à 1'abrasion de l'isolant du fil a bobiner devrait avantageusement être de

mg/1000 cycles ou moins.

Ainsi qu'il ressort de la description précé-

dente, l'isolant du fil à bobiner utilisé dans l'invention doit avoir une combinaison de certaines propriétés. Des 15. matières qui ne semblent pas avoir la combinaison demandée des propriétés et qui semblent donc inaptes au fil à bobiner utilisé dans l'invention, comprennent des matières des types polyethersulfone (PES), des polyimides, du polyamidimide ("Torlon"), "Nylon", des polyesters, des polychlorures de vinyle, des époxydes, des matières du type perfluoroalkoxy (PFA), du tétrafluoréthylène- (TFE) et des

polymères éthylène-propylène fluorés (FEP).

Il est essentiel pour éliminer le vernis que certains autres moyens soient présents pour supporter le poids des enroulements de stator et pour immobiliser sensiblement (stabiliser) les spires d'extrémité des enroulements. Conformément à la présente invention, ces fonctions sont exécutées par des blocs de support et par un ruban qui attache les spires d'extrémité des enroulements

de stator aux blocs de support.

Dans le moteur de l'art antérieur montré sur la figure 2, un bloc de mise en forme ou de façonnage d'un enroulement a été utilisé pour former et mettre en place une spire d'extrémité d'un premier enroulement de stator

qui doit être comprimée en un coude de faible rayon.

Cependant, conformément à l'invention, des blocs sont utilisés pour supporter et stabiliser toutes les spires d'extrémité des enroulements de stator et pour constituer aussi un bloc de façonnage de bobinage pour la première spire d'extrémité. Les blocs de l'invention supportent le poids

des enroulements du fil à bobiner et immobilisent sensi-

blement les spires d'extrémité. Bien que les enroulements puissent encore se déplacer légèrement en cours de fonctionnement du moteur, tout mouvement de ce type est fortement restreint. Les blocs doivent être des isolateurs électriques hydrolytiquement stables, résistant a l'huile, ayant une rigidité diélectrique et une température d'utilisation en continu appropriées. Une rigidité diélectrique d'au moins environ 12 000 V/mm (suivant la norme ASTM D149) et une température d'utilisation en continu d'au moins environ 205 C suffisent pour la plupart des conditions prévues par l'invention. Les blocs doivent rester rigides à la température de fonctionnement. Des matières convenant pour les blocs comprennent du sulfure de polyphénylene ("Ryton"), du PEEK, du "Teflon" et du PBI. La matière la plus avantageuse est le "Ryton", suivi des PEEK, PEK et "Teflon". Le "Ryton" est disponible auprès de la

firme Phillips Chemical Company, bartlesville, Oklahoma.

Certaines céramiques, substances phénoliques et époxydes peuvent être utilisés. La plupart des époxydes, PES, "Torlon", "Nylon", des polyimides et la plupart des autres matières plastiques n'associent pas les propriétés demandées de stabilité hydrolytique, de résistance à l'huile, de rigidité mécanique, de rigidité diélectrique et

de température d'utilisation continue.

Des blocs du type utilisé dans l'invention sont représentés sur la figure 4. Comme montré, trois blocs 58, et 62 sont utilisés. Les blocs 58 et 60 ont un contour incurvé pour s'adapter au contour circonférentiel des tôles d'extrémité 36.. Le bloc 58 est quelque peu plus long, circonférentiellement, que les blocs 60 et 62. Le bloc 58 présente deux encoches espacées 64 et 66, tandis que les

blocs 60 et 62 ne présentent qu'une seule encoche 68 ou 70.

Les blocs 58 et 60 sont globalement rectangulaires (mais quelque peu incurvés comme indiqué précédemment) et possèdent des angles doucement arrondis 72. Le bloc -62 comporte une partie de base 73 globalement similaire au bloc 60, mais d'une plus faible longueur circonférentielle, afin que la partie de base 73 puisse être sensiblement plate plutôt qu'incurvée. Le bloc 62 comporte une partie

élargie 74.

Comme montré sur les -figures 5 -à 7, les spires d'extrémité des enroulements de stator sont attachées aux blocs de support par un ruban 76. Le ruban est utilisé pour fixer les conducteurs isolés du fil à bobiner de chaque spire d'extrémité sous la forme d'un faisceau, pour fixer les spires d'extrémité-aux blocs de support, pour fixer les spires d'extrémité entre elles et pour former des écrans entre phases. Le ruban doit être hydrolytiquement stable et résistant à l'huile. Une rigidité diélectrique d'au moins environ 12 000 V/mm (suivant la norme ASTM D149) et une température d'utilisation en continu d'au moins environ

205 C suffisent pour la plupart des conditions de fonction-

nement prévues par l'invention. Le ruban devrait avoir une résistance à la traction suffisante, avantageusement de 21 000 kPa ou plus, il devrait avoir aussi une élasticité suffisante pour- permettre un certain étirement du ruban lors de l'utilisation et pour exercer une force de rappel assurant que le ruban reste tendu lorsqu'il est enroulé. Un ruban non adhésif de "Teflon" est préféré, mais des rubans de PEEK, PEK ou PBI peuvent être utilisés. Le ruban de fibre de verre utilisé dans les moteurs de l'art antérieur pour fixer une spire d'extrémité simple a un bloc de formation de bobinage n'est pas utile dans l'invention, car un tel ruban ne possède pas la combinaison demandée de propriétés. Les types habituels de ruban en caoutchouc et en matière plastique de type polychlorure de vinyle ne sont

pas non plus utiles.

Les enroulements de stator sont en général bobinés de la même manière que les enroulements de stator de la structure statorique de l'art antérieur illustrée sur la figure 2. Des conducteurs isolés 42 en fil & bobiner sont enroulés (de préference en continu) en passant dans les caniveaux d'encoches 40 de paires d'encoches 38 de stator pour former des faisceaux de conducteurs qui constituent les bobinages statoriques. Une partie de l'un de ces faisceaux est représentée de façon fragmentaire sur

la figure 4.

Dans la fabrication du stator d'un moteur triphasé à induction de l'invention, un premier faisceau de conducteur, autour duquel est enveloppé en hélice le ruban 76 pour former une spire d'extrémité 78 d'un premier bobinage d'une première phase, est formé autour du bloc 58 comme montré sur la figure 5. La spire d'extrémité 80 d'un deuxième bobinage de la première phase est enveloppée d'un ruban et est ensuite enveloppée d'un ruban solidairement avec la spire d'extrémité 78. La spire d'extrémité 82 d'un troisième bobinage de la première phase est enveloppée d'un ruban, puis les trois spires d'extrémité des bobinages de la première phase sont toutes fixées au bloc 58 par un ruban enroulé autour des trois spires d'extrémité et passant dans les encoches 64 et 66 comme montré sur la figure 5. Un processus similaire est mené a l'extrémité opposée de la structure du stator, o des blocs identiques à ceux montrés sur la figure 4 sont prévus pour supporter les spires d'extrémité situées à cette extrémité de la structure du stator. Lorsque, pendant le bobinage des enroulements du stator, les conducteurs des enroulements de stator sont bobinés étroitement en passant dans les caniveaux d'encoches du stator et autour des extrémités du stator, les spires d'extrémité situées aux extrémités opposées de la structure de stator sont tirées étroitement contre les blocs respectifs 58, de manière que les blocs de support soient tirés en contact étroit avec les tôles d'extrémité. Comme montré sur la figure 6, un processus similaire de bobinage et d'.enveloppement d'enroulements forme les spires d'extrémité 84, 86 et 88 de trois bobinages de la deuxième phase, enveloppe les spires d'extrémité avec unruban et assujettit les spires d'extrémité sur le bloc 60 de support (au moyen d'un ruban

enveloppant les enroulements et passant dans l'encoche 68).

Le même processus est effectué à l'extrémité opposée du stator afin que les spires d'extrémité soient tirées étroitement contre les blocs respectifs 60 de support situés aux extrémités opposées de la structure de stator et que les blocs de support soient tirés étroitement contre

les tôles d'extrémité.

Enfin, trois spires d'extrémité 90, 92 et 94 de trois enroulements de la troisième phase sont formées et

fixées de la même manière, comme montré sur la figure 7.

Dans ce cas, la plus grande distance entre les spires d'extrémité et les tôles d'extrémité nécessite que les spires d'extrémité soient supportées par la partie -élargie 74 du bloc 62, au moyen d'un ruban qui est enroulé. autour

des spires d'extrémité et qui passe dans -l'encoche 70.

Comme précédemment, on suit le même processus à l'extrémité opposée du stator afin que les spires d'extrémité soient tirées étroitement contre les blocs 62 aux extrémités opposées de la structure du stator et que les blocs soient

tirés étroitement contre les tôles d'extrémité.

Des manchons électriquement isolants 50 sont également utilisés dans la présente invention, mais au lieu

d'utiliser une feuille de "Nomex", qui n'est pas hydroly-

tiquement stable, les manchons isolants sont formés de "Teflon", de PEEK, de PEK, de "Ryton" ou de PBI, par exemple. Le "Teflon" est la matière la plus avantageuse, suivie du PEEK. Certaines substances phénoliques peuvent être utilisées. En plus d'être hydrolytiquement stable, la matière doit être résistante à l'huile. Le "Nomex", le "Kapton" et la plupart des époxydes ne conviennent pas. La matière des manchons isolants doit avoir une rigidité diélectrique et une température d'utilisation en continu

appropriées. Pour la plupart des conditions de fonction-

nement prévues par l'invention, une rigidité diélectrique d'au moins environ 12 000 V/mm (suivant la norme ASTM D149) et une température d'utilisation en continu d'au moins

environ 205 C suffisent.

Dans le moteur de l'art antérieur illustré sur la figure 2, un cordon de "Nylon" (non représenté) est utilisé pour lier les conducteurs de connexion du moteur en position pendant l'assemblage du moteur afin qu'ils n'entrent pas en contact avec l'arbre tournant ou avec l'accouplement de l'arbre. Le "Nylon" est trop abrasif pour être utilisé dans la présente invention. Les liens des

conducteurs de connexion du moteur utilisés dans l'inven-

tion ne doivent pas être abrasifs, mais ils doivent être hydrolytiquement stables et résistants à l'huile. Pour la plupart des conditions de fonctionnement envisagées par l'invention, une rigidité diélectrique d'au moins environ 12 000 V/mm (suivant la norme ASTM D149) et une température

d'utilisation en continu d'au moins environ 205C suf-

fisent. Une résistance à la traction d'au moins 27 OOO kPa est souhaitable. De minces rubans de "Teflon", de PEEK ou

de PEK conviennent, la matière préférée étant le "Teflon".

Un ruban ou une bande est préféré à un cordon formé de

filaments, en raison de la grande surface de contact.

Dans la présente invention, les écrans séparés entre phases utilisés dans la structure de stator de l'art antérieur de la figure 2 ne sont pas nécessaires, car le ruban enroulé autour des spires d'extrémité agit à la manière d'écrans entre phases. De plus, les coins 48 utilisés dans la structure de stator de la figure 2 ne sont pas nécessaires, car le poids des enroulements de stator est porté par les blocs de support.. Tout fil en guirlande, tout manchonnage isolant supplémentaire ou "spaghetti" ou autres éléments utilisés dans la structure de stator doivent être hydrolytiquement stables et résistants à l'huile et doivent avoir une rigidité diélectrique et une

température d'utilisation en continu appropriées.

Pour faciliter l'essai du nouveau système d'isolement de stator conformément à l'invention, ainsi que

d'un système classique auquel on a fait référence précé-

demment en regard de la figure 2 et comprenant un vernis du type décrit dans le brevet N 4 275 319 précité, on a construit en multiples exemplaires un dispositif appelé "statorette". Chaque statorette étaitessentiellement une version miniaturisée des stators réellement utilisés dans des moteurs de pompes électriques submersibles remplis d'huile, mais avec une configuration d'enroulement conçue pour faciliter les essais électriques. La figure 3 illustre la moitié d'une statorette coupée longitudinalement. La statorette comprend un empilage de tôles d'acier 34', de tôles d'extrémité isolantes 36', d'encoches de stator 38' et de neuf enroulements ou bobinages d'essai séparés 1-9, formés chacun d'un bobinage bifilaire a, b et ayant chacun huit spires. Les conducteurs 42' des enroulements sont insérés dans des caniveaux d'encoches et les spires d'extrémité sont enveloppées dans un ruban 44'-d'étoffe de verre dans le cas du système d'isolement ciassique et d'un ruban 44' de "Teflon" dans le cas de l'invention. Le hachurage de certaines extrémités de conducteur distinct a de b. Une seule extrémité de chaque paire de conducteurs

doit être accessible. Certaines des extrémités de conduc-

teurs accessibles ont été entourées d'un cercle sur la

figure. La-configuration de bobinage est montrée schémati-

quement à la partie supérieure de la figure 3, la corré-

lation entre les points de croisement (et certaines extrémités accessibles de conducteurs) étant établie dans les parties supérieure et inférieure de la figure. A

l'exception de la configuration de bobinage, les enrou-

lements bifilaires sont essentiellement les mêmes que dans un stator réel. Les matières isolantes sont celles utilisées dans des stators réels. Un fil bobiné classique (décrit précédemment) a été utilisé dans le cas du système d'isolement classique, et un fil à bobiner revêtu de PEEK a

été utilisé dans le cas de l'invention.

Dans les essais de vieillissement thermique particulier décrits ci-après, un groupe de statorettes classiques a été imprégné sous vide du vernis classique au polybutadiène utilisé dans des moteurs antérieurs comme décrit précédemment, et un groupe de statorettes conformes à l'invention a été laissé sans vernis. Les statorettes ont été soumises à un essai d'épreuve à la tension (avant et après imprégnation dans le cas des statorettes classiques) pour éliminer les effets de toute détérioration mécanique

ayant pu apparaître pendant le bobinage. Puis les stato-

rettes ont été essayées conformément à un cycle d'essais dérive des indications générales données dans la norme IEEE 98-1972. Chaque statorette a été placée dans un autoclave (bombe) chimique de Parr de 2 litres, qui a été utilisé comme chambre de vieillissement dont la température pouvait être réglée. Les essais de vieillissement ont été exécutés à des températures nominales de 185'C, 210'C et 235'C. Les bombes ont été remplies environ aux trois-quarts d'une huile de moteur classique (juste suffisance pour recouvrir les spires d'extrémité les plus hautes), et un tube a essai en verre contenant environ 60 ml d'eau distillée a été placé dans l'alésage de la statorette. Cette quantité d'eau était suffisante pour assurer la saturation complète et constante en -eau du système et la présence d'un excédent d'eau liquide, simulant ainsi les conditions

ambiantes d'un moteur ayant fui.

On a estimé combien de temps on pouvait s'attendre à ce qu'une statorette donnée dure avant de tomber en panne, et le vieillissement par la chaleur a été interrompu à un instant correspondant à environ un dixième du temps moyen estimé avant panne. La bombe contenant la statorette a été ensuite refroidie à la température ambiante et placée dans un congélateur à -40-C pendant 16 heures. Puis on l'a retirée du congélateur et laissé réchauffer jusqu'à température ambiante, apres quoi la statorette a été- retirée de la bombe de Parr et soumise à

des essais d'épreuve à la tension pour déterminer l'inté-

grité restante du système diélectrique.

L'appareil d'essai électrique utilise était un appareil d'essai de diélectrique "Hipotronics'", 30 000 V, Hz. Les tensions d'essai utilisées dans le test électrique de chaque cycle de l'essai de vieillissement thermique ont été établies de façon à être supérieures d'environ 10 % à la tension la plus élevée jamais prévue en utilisation réelle d'un moteur. Trois types d'essais de tension ont été utilisés. Dans un essai, une tension efficace de 500 V a été appliquée entre les deux fils qui constituent un enroulement bifilaire. Ceci a imposé une contrainte électrique à travers le film isolant situé sur les deux longueurs de fil (chacune d'environl 1,8 mètre de

long) se trouvant dans le bobinage bifilaire particulier.

Un deuxième type d'essai de tension a consisté à appliquer une tension efficace de 3500 V entre, d'une part, les deux fils de l'un des bobinages bifilaires et, d'autre part, des tôles de stator. Ceci a imposé une contrainte électrique à travers le film isolant des fils et la matière du caniveau d'encoche en série. Les deux conducteurs du bobinage bifilaire ont été reliés en parallèle pour cet essai. Un troisième essai a consisté à appliquer une tension efficace de 3500 V entre deux bobinages bifilaires adjacents. En d'autres termes, les deux fils du bobinage 1, par exemple, ont été connectés en parallèle, les deux fils du bobinage 2, par exemple, ont été connectés en parallèle et une tension a été appliquée entre ces deux bobinages. Le fer du stator flottait pendant cet essai et l'essai de tension a été appliqué essentiellement entre les spires d'extrémité des bobinages. Cet essai a imposé une contrainte électrique

entre les spires d'extrémité aux points de croisement.

On a pu évaluer d'après les essais précédents l'intégrité de l'isolant du fil à bobiner, de l'isolant de la masse et de l'isolant des spires d'extrémité. Un courant de fuite de plus de 15 milliampères était considéré comme indiquant une défaillance. Une défaillance (affectant la rigidité diélectrique) dans l'un quelconque des trois essais de tension a été considérée comme étant une

défaillance de l'échantillon en cours d'essai.

Apres l'achèvement de la partie d'essai de tension de chaque cycle d'essai, la statorette a été remise en place dans la bombe de Parr, et le vieillissement par la chaleur a été poursuivi pendant une période de temps égale à la première période de vieillissement. On a continué les vieillissements et essais électriques périodiques pour

déterminer la durée de vie réelle avant défaillance.

Dans l'analyse des données d'essai obtenues, on

a suivi très étroitement le guide pour l'analyse statis-

tique de données d'essai de vie thermique conforme à la norme IEEE 1011972. En bref, les temps mesurés avant défaillance à une température donnée ont été analysés statistiquement et appliqués à une distribution statistique appropriée. A partir de l'analyse statistique de la distribution des temps avant défaillance à une température donnée, on a déduit le temps avant probabilité de 50 %

d'une défaillance.

Les essais en laboratoire montrent un temps avant probabilité de 50 % d'une défaillance pour le système isolant comportant le vernis classique et un fil à bobiner - égal à 2284 heures à 235 C lorsque la pression absolue dans la bombe est de 3220 kPa. Apres 14 458 heures de temps de vieillissement à 235 C, il n'y avait aucune défaillance de la satorette sans vernis utilisant un fil à bobiner revêtu

de PEEK. Pour les statorettes de l'invention, une probabi-

lité de 50 % de défaillance à 235 C dans une huile saturée en eau a été déterminée comme étant supérieure d'au moins % à 2284 heures, c'est-àdire 4568- heures.' Les résultats d'essai démontrent clairement une durée de vie supérieure des moteurs de pompes électriques submersibles

remplis d'huile, fabriqués conformément à l'invention.

Un autre essai en laboratoire a utilisé une "motorette" non vernie et une "motorette" vernie (une "motorette" est un moteur à rotor simple tel que decrit précédemment, mais sans le corps 18 de la figure 2),

fonctionnant à 166 C dans une condition de rotor bloqué.

Les motorettes ont effectué 64 000 cycles sans défaillance électrique. Cet essai impose des contraintes extrêmes aux spires d'-extrémité. L'excitation des enroulements de stator est maintenue pendant 10 secondes puis relâchée pendant 60 secondes. Ce cycle est poursuivi jusqu'à ce qu'une défaillance apparaisse ou jusqu'à ce qu'un nombre suffisant de cycles soit mené à bien pour assurer qu'un mouvement des

spires extrêmes ne mène pas à une défaillance du moteur.

Une motorette vernie classique a été essayée en parallèle avec la motorette non vernie et aucune des motorettes n'a présenté de défaillance pour le même nombre de cycles, mais la motorette vernie fonctionnait à une température

supérieure de 5-8 C. -

Un moteur TRW Reda, série 540, d'une puissance de 37,5 kW, a été fabriqué conformément à l'invention, placé dans un puits d'essai technique et mis en marche conjointement avec un moteur de la série 540, verni classique. Ces moteurs ont été essayés (à rotor bloqué) a 93'C dans de l'eau, à une tension maximale de 1370 V, appelant 23 ampères à 60 Hz. Les calculs de températures ont montré que les enroulements du moteur verni étaient plus chauds de 6,5' que ceux du moteur non verni. Les deux

moteurs ont effectué plus de 10 000 cycles sans défail-

lance. Ceci est très supérieur au nombre de démarrages et d'arrêts qu'un moteur effectue en utilisation actuelle (moins de 100). Enfin, un moteur de la série 540, 120 kW, V, a été construit conformément à l'invention et mis en service dans un puits d'essai de production, en tant que moteur asservi à des pompes d'essai. Ce moteur a fonctionné 672 heures avec 165 démarrages et arrêts jusqu'à ce qu'une

défaillance de palier fasse arrêter l'essai.

Grâce à l'invention, on élimine le temps et le coût de l'imprégnation d'un vernis dans la structure du stator. Les défaillances électriques dues à la fissuration du vernis sont également éliminées. Un avantage inattendu de la structure de stator sans vernis est que le moteur fonctionne en réalité a une température sensiblement plus basse, car l'huile rempiissant le moteur est en contact direct avec l'isolant du fil à bobiner et circule librement

dans les encoches du stator et autour des spires d'ex-

trémité des enroulements du stator. L'invention prolonge notablement la durée de vie en service des moteurs mis en fonctionnement aux mêmes températures que celles auxquelles les moteurs de l'art antérieur fonctionnent, et elle permet à un moteur de coût inférieur de fonctionner à des températures encore plus élevées que celles possibles

jusqu'à présent.

La suppression du vernis élimine aussi une source importante de contamination de l'huile du moteur. En vieillissant en cours de service, le vernis tend à se

2 632787

dégrader physiquement et à permettre à de petites écailles ou particules de vernis de se déposer dans l'huile. Ceci dégrade les propriétés Iubrifiantes et électriquement

isolantes de l'huile.

Un autre avantage de l'élimination du vernis apparaît dans la récupération et la reconstruction d'un stator. Un stator non verni est aisément rebobiné sans qu'il soit nécessaire d'éliminer le vernis et de nettoyer complètement le stator, comme cela est nécessaire avant qu'un stator verni puisse être reconstruit. La facilité d'enlèvement du fil d'un stator non verni simplifie l'analyse des pannes, car la cause de la panne n'est pas

détruite pendant l'enlèvement du vernis.

Le bobinage des conducteurs d'un stator non verni est facilité par l'absence de -l'enveloppement isolant classique du fil à bobiner. Le fil isolé à bobiner utilisé dans l'invention présente une surface lisse et est plus aisé-à bobiner. La suppression de la construction avec isolant enveloppant du fil à bobiner classique utilisé dans un stator verni évite aussi une source possible de pannes électriques. Un mouvement du fil à bobiner, induit à la fois électriquement et mécaniquement pendant le cycle de fonctionnement du moteur, provoque un frottement de la matière isolante enveloppante contre elle-même ou une autre matière, avec, pour résultat, une usure, la formation d'écailles, une fissuration ou une détérioration générale de l'isolant, ce qui aboutit à une panne électrique. De plus, les joints d'enveloppement du ruban isolant enroulé *autour du fil à bobiner constituent une zone de faiblesse inhérente du système isolant. Tout ceci est évité par la

présente invention.

Bien que les stators non vernis aient été utilisés dans des moteurs à basse température de faible puissance nominale, pour le pompage de l'eau, par exemple, de tels moteurs étaient remplis d'eau et, aux températures et puissances nominales plus faibles, les fonctions réalisées par le vernis utilisé dans des moteurs remplis d'huile n'étaient pas nécessaires. Dans des moteurs remplis d'huile, on a utilisé pendant des décennies des stators vernis et le vernis semblait être un élément essentiel du système isolant du stator. La présente invention, en procédant à l'encontre des indications de l'art antérieur,

a produit un moteur nettement supérieur.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au moteur électrique décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, des matières autres que celles indiquées peuvent être utilisées pour les éléments du système isolant de l'invention pourvu qu'elles possèdent la combinaison demandée de propriétés spécifiées. Des versions chargées (renforcées) de certaines matières peuvent être utilisées si la charge est compatible avec les propriétés demandées

par l'invention. Bien que l'invention concerne principa-

lement des moteurs prévus pour des environnements à haute

température, telle que 205 C, il peut exister des cir-

constances dans lesquelles des moteurs réalisés confor-

mément à l'invention sont conçus pour des environnements à plus basses températures, telles que 102 C et plus. Dans ce cas, la température d'utilisation en continu des diverses matières entrant dans le système isolant peut être inférieure à 205 C. De plus, bien que l'invention soit principalement destinée à une utilisation dans des moteurs ayant une tension de fonctionnement assez élevée pour

nécessiter des rigidités diélectriques de 12 000-

16 000 V/mm, par exemple, comme indiqué, il peut exister des circonstances dans lesquelles des matières ayant des rigidités diélectriques inférieures suffisent, pourvu que la combinaison demandée d'autres propriétés, telles que la stabilité hydrolytique, la résistance à l'huile et la

résistance à l'abrasion, par exemple, soit présente.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Moteur de pompe électrique submersible, rempli d'huile, caractérisé en ce qu'il comporte une structure de stator sans vernis comportant des enroulements de stator formés par des conducteurs (42) revêtus d'un isolant hydrolytiquement stable, résistant à l'huile et à l'abrasion, qui est exposé à' l'huile se trouvant dans 'le

moteur, les enroulements ayant des spires d'extrémité (78-

94) montées sur des moyens électriquement isolants, hydrolytiquement stables et résistants à l'huile (58, 60, 62) pour immobiliser sensiblement lesdites spires d'ex-' trémité.

2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'isolant des conducteurs est choisi dans le

groupe constitué des PEEK, PEK et PBI.

3. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'isolant des conducteurs possède une rigidité diélectrique d'au moins environ 16 000 V/mm et une température d'utilisation en continu d'au moins environ

205'C.

4. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens électriquement isolants comprennent plusieurs blocs (58, 60, 62) supportant des spires d'extrémité correspondantes (78-94) desdits' enroulements,

les blocs étant reliés à des spires d'extrémité correspon-

dantes par un ruban électriquement isolant (76), hydrolyti-

quement stable et résistant à l'huile, enroulé autour des

spires d'extrémité et des blocs.

5. Moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les blocs sont sensiblement rigides et le ruban

est sensiblement élastique.

6. Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les blocs et le ruban ont des températures d'utilisation en continu d'au moins environ 205'C et en ce que le ruban possède une rigidité diélectrique d'au moins

environ 12 000 V/mm.

7. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un corps métallique (18) contenant la

structure de stator et comprenant des manchons électri-

quement isolants (50) revêtant l'intérieur du corps autour

desdites spires d'extrémité, les manchons étant hydroly-

tiquement stables et résistants à l'huile.

8. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure du stator possède une probabilité de 50 % de défaillance d'au moins 4568 heures à 235'C dans une

huile saturée en eau.

9. Moteur de pompe électrique submersible, rempli d'huile, caractérisé en ce qu'il comporte une structure de stator non vernie comportant des enroulements de stator formés par des conducteurs (42) revêtus d'un isolant hydrolytiquement stable, résistant à l'huile et à l'abrasion, qui est exposé à l'huile présente dans le

moteur, les enroulements ayant des spires d'extrémité (78-

94) montées sur des blocs électriquement isolants (58, 60, 62), hydrolytiquement stables, résistants à l'huile, les spires d'extrémité étant reliées à ces blocs par un ruban électriquement isolant (76), hydrolytiquement stable, résistant a l'huile, enroulé autour des spires d'extrémité et des blocs, les blocs étant sensiblement rigides et le ruban étant sensiblement élastique, la structure du stator ayant une probabilité de 50 % de défaillance d'au moins

4568 heures à 235 C dans une huile saturée en eau.

10. Moteur selon la revendication 9, carac-

térisé en ce que l'isolant des conducteurs possède une rigidité diélectrique d'au moins environ 16 000 V/mm et une température d'utilisation en continu d'au moins environ

205C, et en ce que les blocs et le ruban ont des tempé-

ratures d'utilisation en continu d'au moins environ 205'C et le ruban possède une rigidité diélectrique d'au moins

environ 12 000 V/mm.

11. Moteur selon la revendication- 10, carac-

térisé en ce qu'il comporte un corps métallique (18) contenant la structure de stator et comprenant des manchons électriquement isolants (50) revêtant l'intérieur du corps autour desdites spires d'extrémité, les manchons étant

hydrolytiquement stables et résistants à l'huile.