NO319025B1 - Rotorlager med fjaerpatron - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører rotorlagre og, nærmere bestemt, rotorlagre som anvendes i langstrakte elektromotorer f.eks. av den type som inngår i nedsenkbare elektriske pumpesystemer som benyttes for utvinning av fluider fra undergrunnsbrønner.

Undergrunnsfluider, så som olje og vann, pumpes eller "løftes" ofte fra brønnkanaler ved drift av brønnpumper, f.eks. nedsenkbare elektriske pumpesystemer. I disse pumpesystemer inngår typisk en elektromotor som installeres x brønnkanalen for dreiing av en flertrinns-sentrifugalpumpe. Disse motorer kan ha en lengde over 3,30 m, og det er derfor meget viktig at den langsgående, roterende aksel er sentrert, av hensyn til motorens levetid.

For å holde den langsgående aksel sentrert, anvendes ett eller flere rotorlagre av hylsetype som er anordnet i motoren i innbyrdes avstand mellom tilstøtende rotorseksjoner. Hittil vanlige rotorlagre er typisk av en kon-struksjon som vist i fig. 1 og 2. En ulempe ved disse kjente rotorlagre er deres tendens til uønsket omvirvling og/eller fasthenging i statoren, hvilket direkte resulterer i lagerbrudd. Det antas at denne omvirvling og fasthenging skyldes én eller flere av de nedennevnte faktorer.

Når motoren er startet, blir akselen varmere enn statoren og kan derfor ekspandere nedad opptil 5,6 mm (i en 3,30 m motor) i den nedre ende, i forhold til statoren. Samtidig må lageret kunne beveges nedad gjennom stator-kanalen, og på grunn av friksjon med hylsen og motoroljen, vil lageret virvle. Hvis lageret ekspanderer og blir fasthengende i statoren innen varmeekspansjonen er fullført, vil tyngden av rotorene ovenfor lageret og deres motstand mot glidebevegelse langs akselen utøve en nedadrettet trykkraft mot lageret. Dette vil relativt hurtig medføre ødeleggelse av trykkbrikker og direkte medføre riveskader på rotoren og endog elektrisk kortslutning av motoren. Det er behov for en lagerkonstruksjon som ikke motvirker aksial varmeutvidelse av akselen.

Når motoren er fullstendig oppvarmet bør lagerets varmeutvidelse som er forskjellig fra statorkanalens, ideelt ha redusert lagerklaringen i slik grad at lageret hindres i vesentlig omvirvling i kanalen. Hvis lageret fortsatt virvler, kan det inntrenge i motorlamineringene og derved fylle motoroljen med ødeleggende metallspon. Det har vært forsøkt å forhindre eller i hvert fall begrense denne omvirvling, men den har ikke kunnet forhindres fullstendig. Det er behov for en lagerkonstruksjon som i størst mulig grad begrenser så vel omvirvlingen som de ødeleggende resu-ltater av denne.

Når motoren er avstengt, vil akselen avkjøles og krympe og derved trekke lagrene med seg oppad. Lagrene av-kjøles også og bør gli fritt langs statorkanalen tilbake til en utgangsstilling. Hvis det er en hindring i stator-kanalen, f.eks. fremkalt ved at et virvlende lager har ut-gravd en lomme i en statorkanalsone, med en derav følgende og tilgrensende opphopning av slitasjemateriale, kan fri bevegelse av lageret forhindres. Derved påføres akselen strekkspenning, slik at trykkskivene på lageret hurtig ned-slites etter start. Når først statorkanalen er beskadiget, kan lageret ikke beveges fritt i noen retning under termal-syklusen, med derav følgende hurtig nedsliting av trykkskivene. Det er behov for en lagerkonstruksjon som kan beveges fritt langs statorkanalen og som vil tilstrebe til-bakeføring til en naturlig startposisjon.

Hittil kjente rotorlagre sammensettes under motor-monteringen av flere enkeltdeler med derav følgende risiko for feil i motormontasjen. Disse enkeltdeler utvelges vanligvis tilfeldig fra delekasser og er ikke tilpasset for toleranser. Delene kan dessuten beskadiges ved håndtering under monteringen. Det er således behov for en lager-konstruks jon som kan premonteres av omhyggelig utvalgte deler og som lettvint og hurtig kan innmonteres i motoren som en enhet, for å redusere monteringstiden og risikoen for beskadigelse og/eller monteringsfeil.

Det er videre kjent fra US 4,521,708 kjent et rotorlager omfattende en hylse som er montert på akselen til en elektromotor, der hver ende av hylsen er i kontakt med til-støtende motorrotorseksjon. Hylsen opptas deretter i et lager med en gjennomgående kanal, som er bevegelig når rotorseksjonen ekspanderer på grunn av varmen i akselen. Fra US 4,435,661 er det kjent en elektromotor omfattende en stivt forbundet stator som har en sylindriskformet indre vegg, der en rotor er dreibart montert inn i veggen. Et lager opptar en hylse som er sikkert festet til akselen. Når motoren begynner å varmes opp, ekspanderer akselen langsgående.

Hensikten med oppfinnelsen er å avhjelpe de ovennevnte mangler og imøtekomme de beskrevne behov. Nærmere bestemt, omfatter oppfinnelsen et rotorlager for innmontering som en prefabrikkert enhet, i en elektromotor. I lageranordningen inngår en hylse med en kanal for opptaking av en gjennomgående elektromotoraksel, og hver ende av hylsen er tilpasset for kontakt med tilstøtende motorrotor-seksjoner. Det er innbefattet et lager med en gjennomgående kanal som opptar hylsen. Ved hjelp av påmonterte fjærer på hylsen tvinges lageret til en generelt sentrert, nøytral- eller utgangsposisjon på hylsen.

Lageret for statormontering kontrolleres med henblikk på termisk låsing innen oppvarmingen er fullført. Fjærene tillater lengderetningsbevegelse av lageret langs hylsen, når akselen varmeutvides. Fjærene vil også tvinge lageret tilbake til en generelt sentrert utgangs- eller nøytral-posisjon på hylsen, for å forhindre at lageret blir fasthengende i en ytterstilling som kan resultere i en uønsket slitasjelomme som vil begrense bevegelsen og overbelaste trykkskiven.

På denne beskrevne måte kan hele rotorlageret monteres ved bruk av omhyggelig utvalgte deler og adskilt fra motor-monteringen. Den ferdige lagermontasje vil være i form av en patron som helt enkelt kan innskyves som en enhet på motorakselen, hvorved både monteringstid og risiko for monteringsfeil reduseres og høyere kvalitet sikres.

Foretrukne utførelser av oppfinnelsen er definert i de selvstendige kravene 1 og 10, mens foretrukne alternative utførelser er definert i de respektive uselvstendige krav 2-9 og 11-13.

Det henvises til tegningene, hvori:

Fig. 1 og 2 viser vertikal-delsnitt av rotorlagre ifølge oppfinnelsen. Fig. 3 viser et vertikal-delsnitt av en foretrukket versjon av et rotorlager ifølge oppfinnelsen.

Et fjærpatron-rotorlager innføres som en prefabrikkert enhet i en elektromotor under montering. I rotorlageret inngår en hylse med en kanal for opptaking av en gjennomgående elektromotoraksel, og hver ende av hylsen er tilpasset for kontakt med tilstøtende motorrotor-seksjoner. Hylsen opptas i et lager med en gjennomgående kanal. Ved hjelp av én eller flere påmonterte fjærer på hylsen tvinges lageret til en generelt sentrert eller nøytral posisjon på hylsen. Fjærene tillater bevegelse av lageret langs hylsen under tidsrom for varmeekspansjon og -kontraksjon, og forhindrer at lageret fastlåses i en ytterstilling.

For å lette forståelsen av oppfinnelsen, henvises til de medfølgende tegninger. Fig. 1 viser et rotorlager av den kjente type som for tiden anvendes av REDA i Bartlesville, Oklahoma i deres elektromotorer. Fig. 2 viser et rotorlager av en kjent type som antas å ha vært brukt av CentriLift i Claremore, Oklahoma i deres elektromotorer, som full-stendigere beskrevet i US-patentskrift 4.453.099. I begge disse figurer er det vist en elektromotor 10 med et sylindrisk ytterhus 12 hvori det er innmontert en stator 14 som er sammensatt av et antall metallameller 16, slik det vil være kjent for fagkyndige. I motoren 10 inngår videre en rotor 18 som er dreibar om sin lengdeakse i kanalen gjennom statoren 14. Rotoren 18 har en langstrakt aksel 20 hvorpå det er fastkilt et antall rotorseksjoner 22. Hver rotorseksjon 22 er tilvirket av et antall metallameller 24, som det vil være kjent for fagkyndige.

I avstand mellom hver av rotorseksjonene 22 er det montert en rotorlagerenhet 26. Som vist i fig. 1 omfatter hver rotorlagerenhet 26 en sylindrisk innerhylse 28 med en langsgående kanal 30 som opptar den gjennomgående rotoraksel 20. Rotorakselen 20 innbefatter en langsgående renne eller et kilespor 32 og innerveggen av hylsen 28 innbefatter en renne eller et kilespor 34 som opptar en kile 36 for fastlåsing av hylsen 28 til rotorakselen 20. Hylsen 28 vil derved rotere med akselen 20 og kan beveges langs akselen 20.

I den kjente lagerenhet ifølge fig. 1, er en trykk-skive 38 innmontert i hver ende av hylsen 28 og i anlegg mot tilgrensende rotorenderinger 40 og/eller rotorlameller 24. Blant andre funksjoner tjener trykkskivene 38 for opptaking av nødvendige aksialtrykkrefter for skyving av lagrene gjennom statorkanalen under oppvarming, hvorunder lagrenes varmeutvidelse øker friksjonen i statoren. Som tidligere omtalt, kan trykkskivene 38 forvries eller øde-legges, dersom hylsen 28 forskyves i én retning og aksial-trykket og/eller tyngden av rotorseksjonene 22 overføres på trykkskivene 38. I rotorlagerenheten 26 inngår et lager 42 som er tilvirket av en sylindrisk innerseksjon 44 og tilpasset for å ligge an på hylsen 28, og en ytterflensseksjon 4 6 som er tilpasset for å ligge an mot et innerveggparti av statoren 14. I den kjente lagerenhet ifølge fig. 2 ligger hylsen 28 an mot tilstøtende rotorenderinger 40 og/eller rotorlameller 24, og trykkskiver 48 er innmontert ved endene av den sylindriske seksjon 44 av lageret 42.

Ulempene ved de kjente lagre er at disse har tendens til å forbli i en sone som ikke er sentrert, slik at enhver ytterligere forskyvning i en retning vil forhindres, med derav følgende trykkskivebrudd. Dessuten er disse lagre ikke prefabrikkert av omhyggelig utvalgte deler og kan derfor ikke innmonteres lettvint og hurtig som en enhet i motoren, for redusering av monteringstiden og risikoen for beskadigelse.

Fig. 3 viser en foretrukket versjon av en lagerenhet 50 ifølge oppfinnelsen, som er konstruert for å avhjelpe problemene i forbindelse med de kjente lagre. Lagerenheten 50 omfatter en sylindrisk innerhylse 52 med en langsgående kanal 54 som opptar den gjennomgående rotoraksel 20. I hylsens innervegg 52 er det anordnet en renne eller et kilespor 56 som opptar en kile 58 for fastlåsing av hylsen 52 til rotorakselen 20. Som ved de kjente lagerenheter, vil hylsen 52 derved rotere med akselen 20 og kan beveges i lengderetning langs akselen 20. I hver ende av hylsen 52 er det fortrinnsvis men ikke nødvendigvis innmontert én eller flere avstandsholdere eller skiver 60, som nærmere beskrevet i det etterfølgende.

I lagerenheten 50 inngår et lager 62 utformet med en sylindrisk seksjon 64 som er innrettet til å gli på hylsen 52, og en ytterflensseksjon 66 som er tilpasset for å ligge an mot et innerveggparti av statoren 14. For å medvirke ved tilbakeføring av lageret 62 til en "nøytral" eller generelt sentrert utgangsposisjon i forhold til de tilgrensende rotorseksjoner 22, er det anordnet fjærer 68 i hver ende av den sylindriske seksjon 64. Det anvendes fortrinnsvis bellevillefjærer 68, og et antall bølgeskiver eller enkelt-bundne bølgeskiver som virker mot skiver 70, og én eller to låseringer 72 som er innmontert i ringformede spor 74 i ytterveggen av hylsen 52. I en foretrukket versjon er det på en ende av hylsene 52, istedenfor en av låseringene 72, anordnet et opphøyet skulderparti eller fremspring 76 som virker som en integrert stopper og derved eliminerer be-hovet for en ytterligere låsering 72. I skivene 70 inngår fortrinnsvis minst én knast (ikke vist) som strekker seg inn i ett eller flere spor (ikke vist) i hylsen 52 for å forhindre omvirvling av skivene 70. Disse skiver 70 opptar ingen varmeekspansjons-trykkraft men er bare forspent med den relativt svake kraft fra fjærene 68. Knasten(e) som bringes i anlegg mot enden av sporet eller sporene, for hindrer at denne forspenning overføres til lageret og be-virker at dette virvler med hylsen.

Lagerenheten 50 er fortrinnsvis prefabrikkert av deler som er omhyggelig utvalgt og sammenpasset. Lagerenheten 50 i dens helhet innskyves på akselen 20 mellom rotorseksjonene 22, med endene av hylsen 52 i direkte kontakt med rotorseksjonene 22 for kraftoverføring nedad fra de øvre rotorseksjoner 22. Hvis det imidlertid anvendes avstandsholdere eller skiver 60, overføres belastningen gjennom skivene 60. Når akselen 20 roterer kan hele rotorlagerenheten 50 som er fastkilt på akselen 20, rotere fritt med denne. Innen oppvarming og varmeekspansjon er fullført bringes yttersiden av flensseksjonen 66 på lageret 62 i anlegg mot innersiden av statoren 14, slik at dreiebe-vegelsen av lageret 62 fortrinnsvis opphører. Den relative dreiebevegelse av lageret 62 i forhold til hylsen 64 og fjærene 68, kompenseres ved sluring av skivene 70.

Når akselen 20 og rotorseksjonene 22 forskyves nedad (grunnet varmeutvidelsen) kan lagerenheten 50 beveges i lengderetningen langs akselen 20, fordi kilen 58 forskyves i sporene 32 og 56. Lageret 62 kan beveges i langsgående retning uavhengig av hylsen 52, og en fjær vil i så fall sammentrykkes. Dersom lageret ikke låses men fortsetter sin virvelbevegelse i statorkanalen og blir fasthengende i denne posisjon, vil den annen fjær sammenpresses når motoren avstenges og akselen sammentrekkes, og derved fore-bygge trykkrefter.

Andre foretrukne versjoner av oppfinnelsen er tatt i betraktning. I tilfelle av plassbegrensninger i forbindelse med en motor 10 kan fjærene 68 på en side av lageret 62 utelates med derav følgende mulig reduksjon i lengden av hylsen 52. Som tidligere nevnt kan én eller begge avstandsholdere eller skiver 60 også utelates. Skivene 60 må kunne motstå alle antatt opptredende belastningskrefter uten å måtte tåle varmeekspansjonstrykk, og problemene som er beskrevet i US-patentskrift 4.453.099 vil derfor ikke fore-komme. Skivene 60 og 70 er fortrinnsvis tilvirket av bake-litt, Rulon, bronse, stål eller kombinasjoner av disse materialer. I en foretrukket versjon er skivene 60 fremstilt av bronse med én eller begge sider belagt med en PTFE-sammensetning. Hvis det benyttes et isolerings-materiale, vil skivene 60 gi elektrisk isolasjon mellom rotoren 22 og hylsen 52, selv om andre isoleringsmidler, f.eks. et ikke-strømledende belegg vil kunne anvendes i andre tilfeller.

Valget av materialer for statoren 14 og rotorlagerenheten 50 har vist seg å være meget viktig. Særlig i én foretrukket versjon er lagerhylsen 52 tilvirket av herdet stål, lageret 62 av bronse og statorlamellene 16 av stål. Med disse materialer vil det hurtigere enn før oppnås låsing av lageret 62 mot statoren 14, fordi bronsens varme-utvidelseskoeffisient øker med økende temperatur og derved eliminerer interferens mellom lager og hylse ved høy temperatur. Videre er samtlige stålstatorer billigere i frem-stilling en jevnførbare bronsestatorer, og umagnetiske (f.eks. bronse-) lagre reduserer induktans og hysterese i statorens og rotorens magnetfelter.

Det foretrekkes også at hylsen 52 er fremstilt av to separate hylsekomponenter som er sammenstiftet, sammenlimt eller sammenpresset. En innerhylsekomponent 78 er tilvirket av herdet stål og en ytterhylsekomponent 80 er fremstilt av et blandings-, f.eks. "DU"- eller "HI-EX"-merkemateriale. Alternativt er DU- eller HI-EX-hylsekomponenten 80 fast-gjort til kanalen i lagerets sylinderseksjon 64, og hylsekomponenten 7 8 er fremstilt av herdet stål. Dette kan foretrekkes for anvendelser ved høy temperatur og ved dårlig motorsmøring som kan skyldes forurensing av motoroljen med reaktive brønnfluider og slitasjepartikler. Det påpekes, at selv om oppfinnelsen er beskrevet særlig i tilknytning til de medfølgende tegninger, kan andre og ytterligere end-ringer, bortsett fra de viste eller foreslåtte, foretas innenfor oppfinnelsens ramme som definert i de etter-følgende krav.

Claims (13)

1. Fjaerpatron-rotorlager for anvendelse i en elektromotor med en aksel (20) som strekker seg gjennom en første motorrotorseksjon (22), og en tilgrensende andre motorrotorseksjon (22), omfattende en hylse (52) som er montert på akselen mellom den første og den andre motorrotorseksjon med en første ende av hylsen i kontakt med den første rotorseksjon og med en andre ende av hylsen i kontakt med den andre rotorseksjon, samt et lager (62) med en gjennomgående kanal som opptar hylsen (52),karakterisert vedfjæranordninger (68) på hylsen, for tvinging av lageret til en generelt nøytral posisjon på hylsen.

2. Fjaerpatron-rotorlager i samsvar med krav 1,karakterisert vedat hylsen (52) er fastkilt til akselen for rotasjon med denne.

3. Fjaerpatron-rotorlager i samsvar med krav 1 eller 2,karakterisert vedat hylsen (52) videre omfatter en innerhylse (78) og en separat ytterhylse (80) i tilgrensning til lageret (62) hvor ytterhylsen er tilvirket av hardere materiale enn innerhylsen.

4. Fjaerpatron-rotorlager i samsvar med et av kravene 1-3,karakterisert vedat lageret (62) er tilvirket av mindre hardt materiale enn hylsen (52).

5. Fjaerpatron-rotorlager i samsvar med et av kravene 1-4,karakterisert vedat fjæranordningen omfatter en første fjær (68) som er sammenpresset mellom en første ende av lageret (62) og en første stopper (72) ved den første ende av hylsen, og en andre fjær (68) som er sammenpresset mellom en andre ende av lageret og en andre stopper ved den andre ende av hylsen.

6. Fjaerpatron-rotorlager i samsvar med krav 5,karakterisert vedat den første fjær (68) og den andre fjær (68) begge består av et antall belle-villebrikker.

7. Fjærpatron-rotorlager i samsvar med krav 5,karakterisert vedat den første fjær (68) og den andre fjær (68) begge består av én eller flere bølgeskiver.

8. Fjærpatron-rotorlager i samsvar med et av kravene 5-7,karakterisert vedat den første stopper omfatter en låsering (72) som delvis opptas i et ringformet spor (74) i hylsen.

9. Fjærpatron-rotorlager i samsvar med et av kravene 5-8,karakterisert vedat den andre stopper er i form av et fremspring som rager utad fra hylsen.

10. Fjærpatron-rotorlager for innføring i en elektromotor under montering som en prefabrikkert enhet, omfattende en hylse (52) med en kanal for opptaking av en gjennomgående aksel (20) i elektromotoren, hvor hver ende av hylsen er tilpasset for å ligge an mot tilstøtende motorrotor-seksjoner, samt et lager (62) med en gjennomgående kanal som opptar hylsen (52),karakterisert veden fjæranordning (68) på hylsen, for tvinging av lageret til en generelt nøytral posisjon på hylsen.

11. Fjærpatron-rotorlager i samsvar med krav 10,karakterisert vedat fjæranordningen videre omfatter en første fjær (68) som er sammenpresset mellom en første ende av lageret (62) og en første stopper (72) ved den første ende av hylsen (52), og en andre fjær (68) som er sammenpresset mellom den andre ende av lageret og en andre stopper ved den andre ende av hylsen.

12. Fjærpatron-rotorlager i samsvar med krav 11,karakterisert vedat den første fjær (68) og den andre fjær (68) begge består av et antall belle-villebrikker.

13. Fjærpatron-rotorlager i samsvar med krav 11,karakterisert vedat den første fjær (68) og den andre fjær (68) begge består av én eller flere bølgeskiver.