RU2183043C1

RU2183043C1 - Borehole generator rotor

Info

Publication number: RU2183043C1
Application number: RU2001111128A
Authority: RU
Inventors: Ю.В. Ким; Г.И. Малевич; К.А. Хорьков
Original assignee: Томский политехнический институт
Priority date: 2001-04-23
Filing date: 2001-04-23
Publication date: 2002-05-27

Abstract

FIELD: electrical engineering; electromechanical power sources of inclination metering systems. SUBSTANCE: rotor has inductor and composite shaft. The latter has two nonmagnetic hubs joined together by means of stud. Hubs are provided with seats for bearings; driving hub has shank for coupling with turbine. Inductor is assembled of annular permanent magnets with central bore passing the stud; annular magnets have projection along diameter on one end surface and slot on other end surface; similar slot is provided in driving hub for joining with adjacent annular magnets. Second hub having smooth end surface is turned onto stud and secures magnets and driving hub to form integral part. EFFECT: twice as high power of generator having same size. 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно, к электромашинным источникам питания инклинометрической системы, предназначенным для электропитания системы определения инклинометрических параметров и системы передачи данных в бурящихся скважинах малого диаметра. The invention relates to electrical engineering, in particular, to electrical machine power sources for an inclinometric system, intended for power supply to an inclinometric parameter determination system and a data transmission system in small diameter drilled wells.

Электромашинный источник питания инклинометрической системы представляет собой специальную электрическую машину - скважинный генератор, вал которого приводится во вращение турбиной, и управляемый преобразователь. Скважинные генераторы известных инклинометрических систем представляют собой электрическую машину переменного тока цилиндрического исполнения с ротором, имеющим постоянные магниты. The electric machine power source of the inclinometric system is a special electric machine - a downhole generator, the shaft of which is driven by a turbine, and a controlled converter. Downhole generators of known inclinometric systems are a cylindrical electric alternating current machine with a rotor having permanent magnets.

Известен скважинный генератор инклинометрической системы ЗИС-4 [Система забойная инклинометрическая ЗИС-4, ТУ АХА 2.788.003, Научно-исследовательский институт геофизических исследований, г. Октябрьск, Башкортостан], используемой при направленном бурении скважин большого диаметра (порядка 200 мм), имеющий установленную мощность 250 Вт при частоте вращения 1500 об/мин. Внешний диаметр статора скважинного генератора 102 мм, диаметр расточки статора 60 мм, длина активной части 200 мм. Ротор скважинного генератора имеет вал с буртиком и шпоночной канавкой, на который на шпонку помещен цилиндрический индуктор, упирающийся в буртик и зафиксированный с противоположной стороны гайкой. Цилиндрический индуктор выполнен в виде втулки из стали, хорошо проводящей магнитный поток, с выфрезерованными пазами под магниты (в генераторе их 6). Магниты выполнены трапецеидальной формы: максимальная ширина 12 мм, минимальная ширина 9,5 мм, высота 13,5 мм. Магниты устанавливаются более широкой частью в пазы втулки и фиксируются клиньями из немагнитопроводящего металла, крепящимися винтами к телу втулки. A well-known downhole generator of the ZIS-4 inclinometric system [Downhole inclinometric system ZIS-4, TU AXA 2.788.003, Research Institute of Geophysical Research, Oktyabrsk, Bashkortostan], used in directional drilling of large diameter wells (about 200 mm), having installed power of 250 W at a speed of 1500 rpm. The outer diameter of the stator of the downhole generator is 102 mm, the diameter of the stator bore is 60 mm, the length of the active part is 200 mm. The downhole generator rotor has a shaft with a shoulder and a keyway, on which a cylindrical inductor is placed on the key, abutting against the shoulder and fixed with a nut on the opposite side. The cylindrical inductor is made in the form of a sleeve made of steel that conducts magnetic flux well, with milled grooves for magnets (there are 6 of them in the generator). The magnets are made in a trapezoidal shape: maximum width 12 mm, minimum width 9.5 mm, height 13.5 mm. The magnets are installed wider in the grooves of the sleeve and are fixed with wedges of non-magnetic conductive metal, which are fastened with screws to the body of the sleeve.

При создании инклинометрических систем, используемых при бурении скважин малого диаметра (порядка 100 мм), малогабаритный скважинный генератор должен иметь внешний диаметр статора порядка 60 мм (диаметр расточки статора 30 мм). При выполнении скважинного генератора с конструкцией ротора, описанной выше, он, даже при увеличении длины активной части до 300 мм, не развивает необходимой мощности, так как индуктор не создает необходимого магнитного потока. Причиной этого является малое сечение магнитов (значение коэффициента использования поперечного сечения ротора равно отношению площади поперечного сечения магнитов к площади поперечного сечения ротора). В описанном выше скважинном генераторе этот коэффициент составляет К=0,13, что и ограничивает энергетические возможности генератора в заданных габаритах. Это является основным недостатком существующей конструкции ротора скважинного генератора. When creating inclinometric systems used when drilling small diameter wells (about 100 mm), a small-sized downhole generator must have an external stator diameter of about 60 mm (stator bore diameter 30 mm). When performing a downhole generator with the rotor design described above, even when the length of the active part is increased to 300 mm, it does not develop the necessary power, since the inductor does not create the necessary magnetic flux. The reason for this is the small cross-section of the magnets (the value of the coefficient of utilization of the rotor cross section is equal to the ratio of the cross-sectional area of the magnets to the cross-sectional area of the rotor). In the downhole generator described above, this coefficient is K = 0.13, which limits the generator’s energy capabilities in the given dimensions. This is the main disadvantage of the existing rotor design of the downhole generator.

Известен безпазовый ротор с индуктором из монолитного магнитного материала, выбранный в качестве прототипа, у которого значение коэффициента использования поперечного сечения ротора увеличено в несколько раз и тем самым существенно увеличена магнитная энергия индуктора [Ледовский А.Н. Электрические машины с высококоэрцетивными постоянными магнитами. М.: Энергоатомиздат, 1985.- с. 22, рис. 2.3]. Known non-groove rotor with an inductor of monolithic magnetic material, selected as a prototype, in which the value of the coefficient of use of the cross section of the rotor is increased several times and thereby significantly increased the magnetic energy of the inductor [Ledovsky A.N. Electric machines with highly potent permanent magnets. M .: Energoatomizdat, 1985.- p. 22, fig. 2.3].

При указанных выше геометрических размерах малогабаритного скважинного генератора (внешний диаметр статора 60 мм, диаметр расточки статора 30 мм) при диаметре вала 9 мм значение коэффициента использования поперечного сечения ротора составляет К=0,9, что позволяет существенно поднять энергетические возможности скважинного генератора. With the above geometric dimensions of a small borehole generator (external diameter of the stator 60 mm, diameter of the stator bore 30 mm) with a shaft diameter of 9 mm, the value of the utilization of the rotor cross-section is K = 0.9, which can significantly increase the energy capabilities of the borehole generator.

В указанном прототипе индуктор представляет собой спеченный и намагниченный цилиндрический постоянный магнит, помещенный на клее в оболочку (бандаж). Оболочка состоит из внутренней и внешней металлических втулок из немагнитопроводящего материала, образующих полое кольцо, вовнутрь которого на клее помещается кольцевой магнит, после чего отверстие закрывается шайбой. Собранный таким образом индуктор напрессовывается на вал. In this prototype, the inductor is a sintered and magnetized cylindrical permanent magnet placed on the adhesive in the shell (bandage). The shell consists of internal and external metal bushings of non-magnetic conductive material, forming a hollow ring, inside of which an annular magnet is placed on the glue, after which the hole is closed with a washer. The inductor assembled in this way is pressed onto the shaft.

Недостаток приведенного конструктивного исполнения ротора генератора, принятого в качестве прототипа, заключается в том, что длина индуктора приведенного типа, во избежание снижения удельных энергетических показателей, не превышает нескольких сантиметров (3-4 см). Это обусловлено спецификой технологического процесса изготовления магнитов (прессование с одновременным намагничиванием), а именно тем, что среднее значение вектора намагниченности существенно снижается при увеличении длины изготавливаемого магнита из-за увеличения потоков рассеяния при намагничивании. При значительном увеличении длины магнита (для скважинного генератора до 5 раз и более по сравнению с прототипом) среднее значение вектора намагниченности снижается в 2 и более раза, что существенно ограничивает мощность скважинного генератора. Кроме того, возникают проблемы сборки ротора с большой длиной активной части. Следует отметить, что изготовление оболочки, состоящей из внутренней и внешней металлических втулок из немагнитопроводящего материала, образующих полое кольцо высотой порядка 300 мм с толщиной стенок в доли миллиметров, во внутрь которого на клее помещается кольцевой магнит, - очень сложная техническая задача. Таким образом, при выполнении ротора скважинного генератора по конструкции ротора прототипа также невозможно добиться необходимой установленной мощности генератора, а следовательно, невозможно создание работоспособной инклинометрической системы. The disadvantage of the given design of the rotor of the generator, adopted as a prototype, is that the length of the inductor of the reduced type does not exceed a few centimeters (3-4 cm) in order to avoid a decrease in specific energy indicators. This is due to the specifics of the manufacturing process for manufacturing magnets (pressing with simultaneous magnetization), namely, the average value of the magnetization vector decreases significantly with increasing length of the manufactured magnet due to an increase in scattering fluxes during magnetization. With a significant increase in the length of the magnet (for a downhole generator up to 5 times or more compared with the prototype), the average value of the magnetization vector decreases by 2 or more times, which significantly limits the power of the downhole generator. In addition, there are problems of assembling a rotor with a long active part length. It should be noted that the manufacture of a shell consisting of internal and external metal bushings of non-magnetic conductive material, forming a hollow ring about 300 mm high with a wall thickness of a fraction of millimeters, into which an adhesive magnet is placed on the inside, is a very difficult technical task. Thus, when performing the rotor of the downhole generator according to the design of the rotor of the prototype, it is also impossible to achieve the required installed power of the generator, and therefore it is impossible to create a workable inclinometric system.

Задачей настоящего изобретения является повышение мощности скважинного генератора путем сохранения высоких энергетических удельных показателей магнита, повышение технологичности конструкций элементов ротора и упрощение процесса сборки ротора скважинного генератора. The objective of the present invention is to increase the power of the downhole generator by maintaining high energy specific magnet performance, improving the manufacturability of the rotor element designs and simplifying the assembly process of the downhole generator rotor.

Указанная задача решается тем, что ротор скважинного генератора, содержащий индуктор, вал, бандаж из немагнитопроводящего материала, согласно изобретению содержит составной вал из двух немагнитных ступиц, имеющих посадочные места для установки подшипников, объединенных шпилькой, причем ведущая ступица содержит хвостовик, а индуктор выполнен набранным из постоянных кольцеобразных магнитов с отверстиями в центре, через которые пропущена шпилька, причем кольцеобразные магниты выполнены с выступом по диаметру на одной торцевой поверхности и с пазом на противоположной торцевой поверхности для размещения выступа следующего кольцеобразного магнита. Таким же пазом снабжена ведущая ступица для сопряжения с прилегающим к ней кольцеобразным магнитом, а торцевая поверхность второй ступицы выполнена гладкой. This problem is solved in that the borehole generator rotor containing an inductor, a shaft, a bandage of non-magnetic conductive material, according to the invention contains a composite shaft of two non-magnetic hubs with seats for mounting bearings, coupled by a pin, the leading hub contains a shank, and the inductor is made of permanent ring-shaped magnets with holes in the center through which the pin is passed, and the ring-shaped magnets are made with a protrusion in diameter on one end surface minute and with a groove on the opposite end face for placing the annular projection of the next magnet. The leading hub is equipped with the same groove for pairing with the adjacent ring-shaped magnet, and the end surface of the second hub is made smooth.

Выступ и паз в теле кольцеобразного магнита получены при прессовке магнита в форме соответствующей конфигурации. Очевидно, что для упрощения сборки изделия кольцеобразные магниты в процессе их изготовления целесообразно намагничивать по линии выступа на диске. По внешней поверхности ротора кольцеобразные магниты допускается бандажировать композиционными материалами или лентой, пропитанной синтетическими смолами. The protrusion and groove in the body of the ring-shaped magnet are obtained by pressing the magnet in the form of an appropriate configuration. Obviously, to simplify the assembly of the product, ring-shaped magnets in the process of their manufacture should be magnetized along the protrusion line on the disk. On the outer surface of the rotor, ring-shaped magnets can be bandaged with composite materials or with a tape impregnated with synthetic resins.

Предложенная конструкция ротора скважинного генератора имеет ряд преимуществ перед ротором генератора-прототипа: во-первых, изготовление индуктора ротора из отдельных кольцеобразных магнитов оптимальной толщины (по требованиям технологии прессования и намагничивания) позволяет получить высокие энергетические показатели индуктора, недоступные для конструктивного исполнения ротора прототипа. Во-вторых, отсутствие внутренней и внешней втулок оболочки индуктора, имеющихся у прототипа, упрощает сборку ротора и повышает технологичность изготовления конструкции. The proposed design of the rotor of the downhole generator has several advantages over the rotor of the prototype generator: firstly, the manufacture of the rotor inductor from individual ring-shaped magnets of optimal thickness (according to the requirements of the pressing and magnetization technology) allows to obtain high energy performance of the inductor, inaccessible to the design of the prototype rotor. Secondly, the lack of internal and external bushings of the inductor shell available for the prototype simplifies the assembly of the rotor and increases the manufacturability of the structure.

Механическое соединение вала и индуктора решается нами оригинальным способом через вертикальные выступы и пазы на кольцеобразных магнитах, а также паза на ведущей ступице, позволяющих собрать на клею монолитную конструкцию. При работе генератора нагрузка на скручивание передается от вала на ведущую ступицу, затем через выступы кольцеобразных магнитов, силы трения торцевых поверхностей и адгезионные силы тончайшего слоя клея на сами кольцеобразные магниты. Важно, что при нагрузках на изгиб магниты работают на сжатие, а шпилька на растяжение. The mechanical connection of the shaft and inductor is solved by us in an original way through vertical protrusions and grooves on ring-shaped magnets, as well as a groove on the drive hub, which make it possible to assemble a monolithic structure on glue. When the generator is operating, the twisting load is transferred from the shaft to the drive hub, then through the protrusions of the ring-shaped magnets, the friction forces of the end surfaces and the adhesive forces of the thinnest layer of glue to the ring-shaped magnets themselves. It is important that under bending loads the magnets work in compression and the stud in tension.

Предложенная конструкция ротора скважинного генератора по сравнению с прототипом позволяет увеличить мощность скважинного генератора более чем в 2 раза. The proposed design of the rotor of the downhole generator in comparison with the prototype allows to increase the power of the downhole generator by more than 2 times.

Изобретение поясняется фиг. 1, где показана предлагаемая конструкция ротора скважинного генератора, и фиг.2, где показана конструкция кольцеобразного магнита. The invention is illustrated in FIG. 1, which shows the proposed design of the rotor of the downhole generator, and FIG. 2, which shows the design of an annular magnet.

Ротор скважинного генератора (фиг.1) имеет индуктор, состоящий из набора кольцеобразных магнитов 1 (фиг.2), зафиксированных на шпильке 2 с помощью ступиц 3 и 4. Ступицы имеют посадочные места для установки подшипников 5. Ведущая ступица имеет хвостовик 6 для сопряжения с турбиной. The rotor of the downhole generator (Fig. 1) has an inductor consisting of a set of ring-shaped magnets 1 (Fig. 2), fixed on the stud 2 using the hubs 3 and 4. The hubs have seats for mounting bearings 5. The drive hub has a shank 6 for mating with a turbine.

Процесс сборки ротора скважинного генератора осуществляется следующим образом. The assembly process of the rotor of the downhole generator is as follows.

В ведущую ступицу 3, имеющую паз на торцевой поверхности (не виден на фиг. 1), ввинчивается до упора шпилька 2. Затем на шпильку 2 нанизываются кольцеобразные магниты 1 (с посадкой скольжения) выступами в сторону пазов и с нанесением клея на торцевые поверхности, причем одноименные полюсы магнитов направлены в одну сторону. Процесс сборки заканчивается навинчиванием второй ступицы 4, имеющей гладкую торцевую поверхность. Вторая ступица навинчивается с усилием, создающим предварительное растяжение шпильки и сжатие кольцеобразных магнитов в монолитную конструкцию с первой ступицей. По внешней поверхности индуктора из кольцеобразных магнитов может быть наложен бандаж из композиционных материалов или лентой, пропитанной синтетическими смолами. A pin 2 is screwed into the driving hub 3, having a groove on the end surface (not visible in Fig. 1), then ring-shaped magnets 1 are threaded onto the pin 2 (with a slip fit) with protrusions in the direction of the grooves and with the application of glue on the end surfaces, moreover, the same poles of the magnets are directed in one direction. The assembly process ends with screwing on a second hub 4 having a smooth end surface. The second hub is screwed with a force, creating a preliminary stretching of the studs and compressing the ring-shaped magnets into a monolithic structure with the first hub. A bandage made of composite materials or a tape impregnated with synthetic resins can be applied on the outer surface of the inductor from ring-shaped magnets.

Claims

A downhole generator rotor comprising an inductor, a shaft, a bandage of non-magnetically conductive material, characterized in that the shaft is made up of two non-magnetic hubs having seats for mounting bearings united by a pin, the leading hub comprising a shank, and the inductor is made of permanent ring-shaped magnets with holes in the center through which the pin is passed, and the ring-shaped magnets are made with a protrusion in diameter on one end surface and with a groove on the opposite tsevoy surface to accommodate the annular protrusion of the next magnet, in same is provided with groove leading hub for interfacing with its adjoining ring-shaped magnet and the second end surface of the hub is smooth.