RU2287721C1

RU2287721C1 - Submersible electric motor for well

Info

Publication number: RU2287721C1
Application number: RU2005110222/06A
Authority: RU
Inventors: ков Дмитрий Борисович Пол (RU); Дмитрий Борисович Поляков; Анатолий Константинович Пономарев (RU); Анатолий Константинович Пономарев; Рамиль Фаритович Шаймарданов (RU); Рамиль Фаритович Шаймарданов; Евгений Евгеньевич Голубков (RU); Евгений Евгеньевич Голубков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Лифт Ойл"
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2006-11-20

Abstract

FIELD: oil industry.

SUBSTANCE: electric motor comprises housing, stator with winding, and rotor provided with permanent magnets and mounted on the shaft by means of sliding bearings. The cylindrical shell define a pressure-tight space together with the housing. The space receives the axial magnetic bearing. The rotor is multi-polar and made of ferrite magnets. The area of the cross-section of the tangential magnets decreases toward the axis of the rotor. The radial magnets have the constant cross-section. The shaft of the rotor is hollow. The labyrinth pumps with screws are mounted on both sides of the rotor. The inlet of the first pumps is connected with the space of the rotor shaft, and the outlet of the first pump is in communication with the space between the rotor and shell. The inlet of the second pump is in communication with the space between the rotor and shell, and the outlet of the second pump is connected with the space of the rotor to define a cooling circuit.

EFFECT: enhanced efficiency.

Description

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано при производстве погружных насосов, предназначенных для добычи нефти из глубинных скважин.The invention relates to pump engineering and can be used in the production of submersible pumps designed for oil production from deep wells.

Известен вентильный двигатель с тиристорньм коммутатором, в котором переключение тиристоров инвертора осуществляется за счет электродвижущей силы обмотки двигателя (Овчинников И.Е., Теория вентильных электрических двигателей, Москва, Наука, 1985 г., стр.22).A known valve motor with a thyristor switch, in which the inverter thyristors are switched by the electromotive force of the motor winding (Ovchinnikov I.E., Theory of valve electric motors, Moscow, Nauka, 1985, p.22).

Регулировать частоту вращения данного двигателя сравнительно дешевле и проще. Но из-за больших индуктивных параметров снижается вращающий момент машины на 25-30%, что не позволяет использовать преимущества вентильного двигателя по сравнению с асинхронным при регулировании частоты вращения.Adjusting the speed of this engine is relatively cheaper and easier. But due to the large inductive parameters, the machine torque is reduced by 25-30%, which does not allow using the advantages of the valve motor compared to the asynchronous one when regulating the speed.

Известна электрическая машина с беспазовым статором и с высококоэрцитивными постоянными магнитами (Ледовский А.Н., Электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами, Москва, Энергоиздат, 1985 г., стр.27, 136, рис.2.7., 5.5).A known electric machine with a baseless stator and with highly coercive permanent magnets (A. Ledovsky, Electric machines with highly coercive permanent magnets, Moscow, Energoizdat, 1985, p. 27, 136, Fig. 2.7., 5.5).

В данной машине сравнительно сложная технология изготовления и укладки обмотки на гладкий пакет статора. Нужны два технологических шаблона и две оправки для формирования обмотки, необходима механическая обработка на станке после компаундирования обмотки. Если проводники обмотки имеют большой диаметр, технология изготовления обмотки усложняется дополнительно. Кроме того, данная технология пригодна только для изготовления машин с относительно коротким пакетом статора и неприемлема в производстве погружных двигателей.This machine has a relatively sophisticated manufacturing technology and stacking the windings on a smooth stator package. Two technological templates and two mandrels are needed to form the winding; machining on the machine after compounding the winding is necessary. If the conductors of the winding have a large diameter, the manufacturing technology of the winding is complicated further. In addition, this technology is suitable only for the manufacture of machines with a relatively short stator package and is unacceptable in the manufacture of submersible engines.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является погружной электродвигатель для насосов, предназначенных для добычи нефти из глубинных скважин, содержащий беспазовый статор с обмоткой и явнополюсный ротор с постоянными магнитами, при этом обмотка статора выполнена гладкой, беспазовой и уложена в немагнитном каркасе беспазового пакета статора с немагнитными кольцами, который запрессован в корпус электродвигателя (см. патент RU №2161852, 10.01.2001).The closest to the invention in technical essence and the achieved result is a submersible motor for pumps designed for oil production from deep wells, containing a baseless stator with a winding and an explicit pole rotor with permanent magnets, while the stator winding is made smooth, baseless and laid in a non-magnetic frame of a baseless a stator package with non-magnetic rings, which is pressed into the motor housing (see patent RU No. 2161852, 01/10/2001).

Данная конструкция погружного электродвигателя позволяет упростить технологию его изготовления. Однако эффективность работы данного электродвигателя недостаточно высока, что связано с неоптимальным выполнением ротора и недостаточной сбалансированностью теплоотвода при работе двигателя в погруженном в скважину состоянии.This design of a submersible motor allows to simplify the technology of its manufacture. However, the efficiency of this electric motor is not high enough, which is associated with the non-optimal execution of the rotor and insufficient balance of the heat sink when the engine is in a submerged state in the well.

Техническим результатом, на достижение которого направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности работы погружного электродвигателя в скважине за счет выравнивания тепловой напряженности при работе погружного электродвигателя и создания многополюсного ротора электродвигателя на постоянных магнитах с концентрацией магнитного потока постоянных магнитов.The technical result, the achievement of which the present invention is directed, is to increase the efficiency of a submersible motor in a well by equalizing the thermal tension during operation of a submersible electric motor and creating a multi-pole rotor of a permanent magnet electric motor with a concentration of magnetic flux of permanent magnets.

Указанный технический результат достигается за счет того, что погружной электродвигатель для работы в буровых скважинах содержит корпус и расположенные в нем беспазовый статор с обмоткой и установленный на валу с радиальными подшипниками ротор с постоянными магнитами, при этом обмотка статора закреплена посредством каркаса относительно корпуса. Вал ротора снабжен, по крайней мере, одним осевым магнитным подшипником, установленным на конце вала, противоположном его концу, кинематически связанному с погружным скважинньм насосом, радиальные подшипники образованы подшипниками скольжения, длина втулки (L) каждого из которых которого составляет от 2 до 2,5 ее наружного диаметра (D₁), ротор выполнен многополюсным и собран из тангенциально и радиально расположенных ферритовых магнитов, последовательно чередующихся вдоль окружности ротора, причем тангенциально расположенные магниты выполнены с уменьшающейся площадью поперечного сечения по направлению к оси ротора, а радиально расположенные магниты выполнены с постоянной площадью поперечного сечения, каркас обмотки статора выполнен в виде цилиндрической обечайки, установленной в корпусе с образованием с последним герметичного пространства, в котором расположена обмотка статора, вал ротора выполнен полым с толщиной стенки (S), составляющей от 0,25 до 0,3 наружного диаметра (D₂) вала ротора, а в корпусе электродвигателя по обе стороны относительно ротора установлены лабиринтные насосы, шнеки которых расположены на валу ротора, при этом один из насосов входом сообщен с полым пространством вала ротора и выходом - с пространством между ротором и обечайкой, а второй насос входом сообщен с пространством между ротором и обечайкой и выходом - с полым пространством вала ротора с образованием заполненного охлаждающей жидкой средой контура циркуляции.The specified technical result is achieved due to the fact that the submersible motor for operation in boreholes contains a housing and a baseless stator with a winding located in it and a rotor with permanent magnets mounted on a shaft with radial bearings, while the stator winding is fixed with the frame relative to the housing. The rotor shaft is equipped with at least one axial magnetic bearing mounted on the shaft end opposite its end, kinematically connected with the submersible borehole pump, the radial bearings are formed by sliding bearings, the sleeve length (L) of each of which is from 2 to 2, 5 of its outer diameter (D ₁ ), the rotor is multi-pole and assembled from tangentially and radially arranged ferrite magnets sequentially alternating along the circumference of the rotor, and the tangentially located magnets filled with a decreasing cross-sectional area in the direction of the rotor axis, and the radially arranged magnets are made with a constant cross-sectional area, the stator winding frame is made in the form of a cylindrical shell installed in the housing with the last sealed space in which the stator winding is located, the rotor shaft made hollow with a wall thickness (S) of 0.25 to 0.3 of the outer diameter (D ₂ ) of the rotor shaft, and labyrinths are installed in the motor housing on both sides of the rotor Pumps whose screws are located on the rotor shaft, with one of the pumps inlet communicating with the hollow space of the rotor shaft and the outlet with the space between the rotor and the shell, and the second pump inlet with the space between the rotor and the shell and the output with the hollow shaft rotor with the formation of a circulation loop filled with a cooling liquid medium.

Анализ работы погружных электродвигателей показал, что организация циркуляции жидкой среды внутри электродвигателя в пространстве между ротором и статором, а также внутри вала ротора позволяет эффективно отводить тепло от статора и ротора и одновременно снимать пиковые тепловые нагрузки, что позволяет повысить полезную нагрузку на электродвигателе. Не менее важное значение имеет организация взаимодействия постоянных магнитов ротора со статором.An analysis of the operation of submersible electric motors showed that the organization of the circulation of a liquid medium inside the electric motor in the space between the rotor and the stator, as well as inside the rotor shaft, allows efficient heat removal from the stator and rotor and at the same time removes peak thermal loads, which allows to increase the useful load on the electric motor. Equally important is the organization of the interaction of the permanent magnets of the rotor with the stator.

Как известно, напряженность магнитного поля постоянных магнитов возбуждающей системы ограничена сверху материалом, из которого сделан постоянный магнит, и благодаря этому верхнюю границу плотности магнитного потока определяет активная поверхность. Для увеличения вращающего момента необходимо увеличить действующую поверхность, что ведет к увеличению диаметра или осевой длины.As is known, the magnetic field strength of the permanent magnets of the exciting system is bounded above by the material of which the permanent magnet is made, and thanks to this, the active surface determines the upper limit of the magnetic flux density. To increase the torque, it is necessary to increase the effective surface, which leads to an increase in diameter or axial length.

В данном случае применен первый способ, а именно - увеличенный диаметр ротора. Если у перспективного погружного электродвигателя «Цунар» с наружным габаритным диаметром 117 мм диаметр ротора составляет 50 мм, то в данной конструкции при том же наружном диаметре электродвигателя диаметр ротора составляет 80 мм. Этого удалось достичь за счет уменьшенной радиальной толщины беспазового статора электродвигателя. Главное преимущество увеличенного диаметра и комбинированной магнитной системы ротора из радиальных и тангенциальных магнитов состоит в увеличении активной длины силовой линии магнитной индукции по материалу магнитов, на которой, собственно, и создается магнитодвижущая сила постоянных магнитов, которая потом должна быть истрачена на преодоление немагнитных зазоров: воздушного зазора между ротором и статором 2 мм и немагнитного зазора по медным проводам статора 6 мм, уложенных без зубцов магнитопровода. Для сравнения немагнитный зазор, который преодолевают постоянные магниты ротора в электродвигателе «Цунар», составляет 1 мм в отличие от 8 мм у данного электродвигателя.In this case, the first method is applied, namely, the increased diameter of the rotor. If the perspective rotary Tsunar submersible motor with an outer overall diameter of 117 mm has a rotor diameter of 50 mm, then in this design with the same outer diameter of the electric motor the rotor diameter is 80 mm. This was achieved due to the reduced radial thickness of the baseless stator of the electric motor. The main advantage of the increased diameter and the combined magnetic system of the rotor from radial and tangential magnets is the increase in the active length of the magnetic induction power line along the material of the magnets, on which, in fact, the magnetomotive force of the permanent magnets is created, which then must be spent on overcoming non-magnetic gaps: air the gap between the rotor and the stator is 2 mm and the non-magnetic gap along the copper wires of the stator is 6 mm, laid without teeth of the magnetic circuit. For comparison, the non-magnetic gap that the permanent rotor magnets overcome in the Tsunar electric motor is 1 mm, in contrast to 8 mm for this electric motor.

Предпочтительно, чтобы постоянные магниты состояли из одинакового материала, преимущественно из материала с магнитной проницаемостью, близкой к магнитной проницаемости воздуха. Особенно предпочтительными материалами являются ферриты. Это не только уменьшает индуктивность магнитных цепей машины, но и дает те преимущества, что ферриты являются высокотемпературными магнитами и коррозионно-стойкими магнитами.Preferably, the permanent magnets consist of the same material, preferably a material with a magnetic permeability close to that of air. Particularly preferred materials are ferrites. This not only reduces the inductance of the machine’s magnetic circuits, but also gives the advantages that ferrites are high-temperature magnets and corrosion-resistant magnets.

Так как измеренная у постоянных тангенциальных магнитов по направлению относительного движения ширина с увеличением расстояния от активной поверхности остается постоянной и так как эта ширина у радиальных магнитов с увеличением расстояния от активной поверхности уменьшается (т.е. в направлении от периферии ротора к его оси), имеют место благоприятные конструктивные конфигурации, небольшие магнитные сопротивления и высокая степень использования материала.Since the width measured with permanent tangential magnets in the direction of relative motion remains constant with increasing distance from the active surface, and since this width for radial magnets decreases with increasing distance from the active surface (i.e., in the direction from the periphery of the rotor to its axis), There are favorable structural configurations, small magnetic resistances and a high degree of material utilization.

Указанного результата удалось добиться за счет выполнения ротора многополюсным и собранным, как отмечено выше, из тангенциально и радиально расположенных ферритовых магнитов, последовательно чередующихся вдоль окружности ротора, причем тангенциально расположенные магниты выполнены с уменьшающейся площадью поперечного сечения по направлению к оси ротора, а радиально расположенные магниты выполнены с постоянной площадью поперечного сечения.This result was achieved by performing the rotor multipolar and assembled, as noted above, from tangentially and radially arranged ferrite magnets sequentially alternating along the circumference of the rotor; made with a constant cross-sectional area.

Поверхности магнитопроводящих зон материала, образующие вращающийся ротор, через которые выходит магнитный поток, направленный к действующей поверхности, могут быть цилиндрической или в виде правильного многоугольника.The surfaces of the magnetically conducting zones of the material, forming a rotating rotor, through which a magnetic flux directed towards the acting surface, can be cylindrical or in the form of a regular polygon.

Как правило, постоянные магниты системы возбуждения, если смотреть по направлению относительного движения, имеют переменную поляризацию, вследствие чего за южным полюсом первого постоянного магнита следует южный полюс второго постоянного магнита, за северным полюсом второго постоянного магнита следует полюс третьего постоянного магнита и за южным полюсом третьего постоянного магнита следует южный полюс четвертого постоянного магнита и т.д.As a rule, the permanent magnets of the excitation system, when viewed in the direction of relative motion, have variable polarization, as a result of which the south pole of the second permanent magnet is followed by the south pole of the second permanent magnet, the north pole of the second permanent magnet is followed by the pole of the third permanent magnet and the south pole of the third permanent magnet follows the south pole of the fourth permanent magnet, etc.

В принципе возможно выполнение двигателя с наружным или внутренним ротором.In principle, it is possible to perform an engine with an external or internal rotor.

Надежность работы электродвигателя определяет надежную работу насосного агрегата при его работе в скважине. Поэтому большое внимание уделяется организации процесса теплоотвода и выравниванию температуры элементов электродвигателя. Было установлено, что возможно организовать циркуляцию теплоносителя через полый вал. Однако, с одной стороны, важно создать низкое гидравлическое сопротивление для протекающего через вал ротора теплоносителя, а с другой стороны, не увеличивать габариты вала и не снижать существенно его прочность. В ходе исследования было выявлено, что целесообразно выполнять вал ротора полым с толщиной стенки (S), составляющей от 0,25 до 0,30 от наружного диаметра (D₂) вала ротора. Не менее важно для работы электродвигателя чувствительность внеосевой силы прилипания ротора на постоянных магнитах к стали статора к реальным эксцентриситетам установки ротора в подшипниках. В данной конструкции с немагнитным зазором между постоянными магнитами ротора и стальным магнитопроводом статора 8 мм сила прилипания при эксцентриситете 0,1 мм уменьшена в 500 раз. У аналогов погружных электродвигателей либо сила прилипания при эксцентриситете 0,1 мм может достигать 1 т и постоянно действует на радиальные подшипники, либо необходимо добиваться более строгой точности установки ротора в подшипниках, что неизбежно ведет к появлению сухого трения в них. Наиболее целесообразно для эксплуатации в условиях буровых скважин использование подшипников скольжения, которые при ограниченных осевых габаритах скважины позволяют надежно и точно устанавливать вал ротора. Кроме того, за счет принудительной прокачки через подшипник теплоносителя представляется возможность эффективно отводить тепло от трущейся пары подшипника и при этом использовать теплоноситель для организации жидкостного кольца, что позволяет свести к минимуму трение при работе подшипника. При этом было установлено, что наиболее целесообразно выполнять подшипники скольжения и длиной втулки (L) каждого из подшипников, составляющей от 2 до 2,5 ее наружного диаметра (D₁).The reliability of the electric motor determines the reliable operation of the pump unit during its operation in the well. Therefore, much attention is paid to the organization of the heat removal process and equalization of the temperature of the electric motor elements. It was found that it is possible to organize the circulation of the coolant through the hollow shaft. However, on the one hand, it is important to create a low hydraulic resistance for the coolant flowing through the shaft of the rotor, and on the other hand, not increase the dimensions of the shaft and not significantly reduce its strength. The study revealed that it is advisable to perform the rotor shaft hollow with a wall thickness (S) of 0.25 to 0.30 from the outer diameter (D ₂ ) of the rotor shaft. No less important for the operation of the electric motor is the sensitivity of the off-axis adhesion force of the rotor with permanent magnets to the stator steel to the real eccentricities of the installation of the rotor in the bearings. In this design, with a non-magnetic gap between the permanent rotor magnets and the steel stator magnetic circuit of 8 mm, the adhesion force with an eccentricity of 0.1 mm is reduced by 500 times. For analogs of submersible electric motors, either the adhesion force with an eccentricity of 0.1 mm can reach 1 ton and constantly acts on radial bearings, or it is necessary to achieve a more accurate installation of the rotor in the bearings, which inevitably leads to the appearance of dry friction in them. The most suitable for operation in borehole conditions is the use of plain bearings, which, with limited axial dimensions of the borehole, allow reliable and accurate installation of the rotor shaft. In addition, due to the forced pumping through the bearing of the coolant, it is possible to efficiently remove heat from the friction pair of the bearing and at the same time use the coolant to organize the fluid ring, which minimizes friction during operation of the bearing. It was found that it is most advisable to perform plain bearings and the sleeve length (L) of each of the bearings, comprising from 2 to 2.5 of its outer diameter (D ₁ ).

На фиг.1 представлен продольный разрез погружного электродвигателя с постоянными магнитами для работы в буровых скважинах, на фиг.2 - поперечный разрез А-А погружного электродвигателя на фиг.1, на фиг.3 - вид I (увеличено) на фиг.1.Figure 1 shows a longitudinal section of a submersible motor with permanent magnets for operation in boreholes, figure 2 is a cross section AA of a submersible motor in figure 1, figure 3 is a view I (enlarged) in figure 1.

Погружной электродвигатель для работы в буровых скважинах содержит корпус 1 и расположенные в нем беспазовый статор 2 с обмоткой 3 и установленный на валу 4 с радиальными подшипниками 5 ротор 6 с постоянными магнитами. Обмотка 3 статора 2 закреплена посредством каркаса 7 относительно корпуса 1. Вал 4 ротора 6 снабжен, по крайней мере, одним осевым магнитным подшипником 8, установленным на конце вала 4, противоположном его концу, кинематически связанному с погружным скважинным насосом. Радиальные подшипники 5 образованы подшипниками скольжения, длина (L) втулки 14 каждого из которых составляет от 2 до 2,5 ее наружного диаметра (D₁). Ротор 6 выполнен многополюсным и собран из тангенциально 9 и радиально 10 расположенных ферритовых магнитов, последовательно чередующихся вдоль окружности ротора 6, причем тангенциально расположенные магниты 9 выполнены с уменьшающейся площадью поперечного сечения по направлению к оси ротора 6, а радиально расположенные магниты 10 выполнены с постоянной площадью поперечного сечения. Каркас 7 обмотки 3 статора 2 выполнен в виде цилиндрической обечайки, установленной в корпусе 1 с образованием с последним герметичного пространства, в котором расположена обмотка 3 статора 2. Вал 4 ротора 6 выполнен полым с толщиной стенки (S), составляющей от 0,25 до 0,3 от наружного диаметра (D₂) вала 4 ротора 6. В корпусе 1 электродвигателя по обе стороны относительно ротора 6 установлены лабиринтные насосы 11 и 12, шнеки которых расположены на валу 4 ротора 6, при этом один из насосов 11 входом сообщен с полым пространством вала 4 ротора 6 и выходом - с пространством между ротором 6 и обечайкой 7, а второй насос 12 входом сообщен с пространством между ротором 6 и обечайкой 7 и выходом - с полым пространством вала 4 ротора 6 с образованием заполненного охлаждающей жидкой средой контура циркуляции.The submersible motor for working in boreholes comprises a housing 1 and a baseless stator 2 with a winding 3 located therein and a rotor 6 with permanent magnets mounted on a shaft 4 with radial bearings 5. The winding 3 of the stator 2 is fixed by means of the frame 7 relative to the housing 1. The shaft 4 of the rotor 6 is equipped with at least one axial magnetic bearing 8 mounted on the end of the shaft 4, opposite its end, kinematically connected with the submersible borehole pump. The radial bearings 5 are formed by sliding bearings, the length (L) of the sleeve 14 of each of which is from 2 to 2.5 of its outer diameter (D ₁ ). The rotor 6 is made multi-pole and assembled from tangentially 9 and radially 10 ferrite magnets sequentially alternating along the circumference of the rotor 6, and the tangentially located magnets 9 are made with decreasing cross-sectional area in the direction of the axis of the rotor 6, and the radially located magnets 10 are made with a constant area cross section. The frame 7 of the winding 3 of the stator 2 is made in the form of a cylindrical shell installed in the housing 1 with the formation of the last sealed space in which the winding 3 of the stator 2 is located. The shaft 4 of the rotor 6 is hollow with a wall thickness (S) of 0.25 to 0.3 from the outer diameter (D ₂ ) of the shaft 4 of the rotor 6. In the motor housing 1 on both sides relative to the rotor 6 there are labyrinth pumps 11 and 12, the screws of which are located on the shaft 4 of the rotor 6, while one of the pumps 11 is inlet the hollow space of the shaft 4 of the rotor 6 and the output with the space between the rotor 6 and the casing 7, and the second pump 12 is inlet connected with the space between the rotor 6 and the casing 7 and the outlet with the hollow space of the shaft 4 of the rotor 6 with the formation of a circulation loop filled with a cooling liquid medium.

Перед работой полость корпуса 1 заполняется жидким теплоносителем. Заполнение рабочей полости жидким теплоносителем осуществляется через систему отверстий, выполненных в корпусе 1. После заполнения полости жидким теплоносителем отверстия закрываются заглушками 13.Before work, the cavity of the housing 1 is filled with a liquid coolant. The working cavity is filled with liquid coolant through a system of holes made in the housing 1. After filling the cavity with liquid coolant, the holes are closed with plugs 13.

При заполнении полости корпуса 1 жидким теплоносителем заполняются полый вал 4 ротора и зазор между ротором 6 и выполненным в виде обечайки каркасом 7. Вал 4 погружного электродвигателя может быть механически соединен с насосом и электрически через кабель с системой управления и источником электрической энергии (не показано), после чего электродвигатель опускают в скважину.When filling the cavity of the housing 1 with liquid coolant, the hollow shaft 4 of the rotor is filled and the gap between the rotor 6 and the frame 7 made as a shell 7. The shaft 4 of the submersible motor can be mechanically connected to the pump and electrically through a cable with a control system and an electric energy source (not shown) after which the electric motor is lowered into the well.

По команде от системы управления (не показана) обмотки 3 статора 2 подключаются к источнику электрической энергии (не показан), при этом электрический ток, протекая по обмоткам 3 статора 2, взаимодействует по закону Ампера с магнитным полем постоянных магнитов 9 и 10 ротора 6. Примененная в данном случае беспазовая конструкция статора имеет еще одно преимущество - в отсутствие зубцов магнитопровода повышается коэффициент заполнения медью и суммарные ампервитки статора, что способствует повышению момента электродвигателя даже при низких магнитных свойствах ферритов. Взаимодействие магнитных потоков приводит к возникновению вращающего момента, под воздействием которого ротор 6 приходит во вращение. Вращающий момент передается на вал погружного насоса (не показан), к которому подключен погружной электродвигатель.By command from the control system (not shown), the stator 2 windings 3 are connected to an electric energy source (not shown), while the electric current flowing through the stator 2 windings 3 interacts according to Ampere's law with the magnetic field of the permanent magnets 9 and 10 of the rotor 6. The stator-free design of the stator used in this case has one more advantage - in the absence of the teeth of the magnetic circuit, the fill factor of copper and the total stator amperage increase, which contributes to an increase in the motor torque even at low magnet the total properties of ferrites. The interaction of magnetic fluxes leads to a torque, under the influence of which the rotor 6 comes into rotation. Torque is transmitted to the shaft of a submersible pump (not shown) to which the submersible motor is connected.

При работе погружного электродвигателя в статоре 2, роторе 6, подшипниках 5 и 8 выделяется тепловая энергия, что приводит к нагреву погружного электродвигателя, причем выделение тепловой энергии происходит неравномерно. При вращении ротора 6 одновременно работают лабиринтные насосы 11 и 12, шнеки которых взаимодействуют с теплоносителем, создавая на выходе из лабиринтных насосов 11 и 12 напор, под действием которого теплоноситель циркулирует по контуру: от выхода насоса 11 в пространство между трущимися деталями радиального подшипника 5 и последнего в пространство между ротором 6 и обечайкой 7, далее в пространство между трущимися деталями второго радиального подшипника 5, из него на вход второго насоса 12, с выхода которого в пространство полого вала 4 ротора 6, а из последнего на вход насоса 11. Теплоноситель, протекая по циркуляционному контуру и нагреваясь, отводит теплоту от статора 2, ротора 6 и подшипников 5, а затем, протекая по пространству электродвигателя за пределами лабиринтных насосов 11 и 12, через корпус 1 отдает теплоту потоку продукта скважины, омывающему корпус 1. При таких условиях гладкая поверхность ротора 6 и каркаса 7 статора 2 обеспечивают оптимальные условия для циркуляции теплоносителя по всему объему корпуса 1 электродвигателя, обеспечивая наименьшие гидравлические потери, которые зависят от геометрических размеров ротора, его чистоты и вязкости теплоносителя.During operation of the submersible motor in the stator 2, rotor 6, bearings 5 and 8, thermal energy is released, which leads to heating of the submersible motor, and the release of thermal energy occurs unevenly. When the rotor 6 rotates, labyrinth pumps 11 and 12 simultaneously work, the screws of which interact with the coolant, creating a pressure at the outlet of the labyrinth pumps 11 and 12, under which the coolant circulates along the circuit: from the pump 11 to the space between the rubbing parts of the radial bearing 5 and the latter into the space between the rotor 6 and the shell 7, then into the space between the rubbing parts of the second radial bearing 5, from it to the input of the second pump 12, from the output of which into the space of the hollow shaft 4 of the rotor 6, from the latter to the pump inlet 11. The heat carrier, flowing along the circulation circuit and heating up, removes heat from the stator 2, rotor 6 and bearings 5, and then, flowing through the space of the electric motor outside the labyrinth pumps 11 and 12, through the housing 1 gives off heat to the product flow wells washing the housing 1. Under these conditions, the smooth surface of the rotor 6 and the frame 7 of the stator 2 provide optimal conditions for the circulation of the coolant throughout the volume of the housing 1 of the electric motor, providing the least hydraulic loss, rye depend on the geometrical dimensions of the rotor, its purity and the viscosity.

Таким образом, использование изобретения в погружном насосе позволяет выравнить температуру отдельных его элементов и установить ее ниже допустимой критической величины для электромагнитной системы, образованной ротором и статором, и тем самым повысить надежность работы всей конструкции погружного электродвигателя, а выполнение ротора, как описано выше, в сочетании с беспазовым статором позволяет повысить мощность электродвигателя и сократить его габариты.Thus, the use of the invention in a submersible pump allows you to equalize the temperature of its individual elements and set it below an acceptable critical value for the electromagnetic system formed by the rotor and stator, and thereby increase the reliability of the entire design of the submersible motor, and the execution of the rotor, as described above, Combined with a baseless stator, it allows to increase the electric motor power and reduce its dimensions.

Настоящее изобретение может быть использовано в нефтегазовой и других отраслях промышленности, где требуется использование в скважинах погружных электродвигателей.The present invention can be used in oil and gas and other industries where the use of submersible electric motors in wells is required.

Claims

A submersible motor for working in boreholes, comprising a housing and a baseless stator located in it with a winding and a rotor with permanent magnets mounted on a shaft with radial bearings, while the stator winding is fixed by a frame relative to the housing, characterized in that the rotor shaft is provided with at least at least one axial magnetic bearing mounted on a shaft end opposite its end kinematically connected to a submersible borehole pump, radial bearings are formed into a bearing slip, the sleeve length (L) of each of which is from 2 to 2.5 of its outer diameter (D ₁ ), the rotor is multi-pole and assembled from tangentially and radially arranged ferrite magnets sequentially alternating along the circumference of the rotor, and the tangentially located magnets made with a decreasing cross-sectional area towards the axis of the rotor, and radially arranged magnets are made with a constant cross-sectional area, the stator winding frame is made in the form of a cylindrical shell of the yoke installed in the housing with the formation of the last sealed space in which the stator winding is located, the rotor shaft is hollow with a wall thickness (S) of 0.25 to 0.3 from the outer diameter (D ₂ ) of the rotor shaft, and in Labyrinth pumps are installed on both sides of the motor casing relative to the rotor, the screws of which are located on the rotor shaft, with one of the pumps communicating with the hollow space of the rotor shaft and the output with the space between the rotor and the shell, and the second pump communicating with the space m between the rotor and the shell and the outlet - with a hollow space of the rotor shaft with the formation of a circulation loop filled with cooling liquid medium.