RU2592942C1

RU2592942C1 - Submersible motor

Info

Publication number: RU2592942C1
Application number: RU2015137277/06A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Михайлович Санталов; Ольга Николаевна Хоцянова
Original assignee: Акционерное общество "Новомет-Пермь"
Priority date: 2015-09-01
Filing date: 2015-09-01
Publication date: 2016-07-27

Abstract

FIELD: engines.

SUBSTANCE: invention relates to downhole motors, driving driven pumps for fluid lifting from wells, mainly to electric motors operating at high rotational frequencies. Submersible motor comprises a stator with a magnetic core, rotor, on shaft of which there are rotor packs, alternating with bushings of sliding bearings, outer surface of housings of which is connected with inner surface of magnetic conductor. Between bushings and packs there are split rings with conical end surfaces, adjacent to corresponding conical surfaces of packs and bushings. Motor is equipped with at least one fixing element made from material with possibility of increasing its volume. In bearing housings on side of outer surface there is at least one recess to arrange fixing element. Bushings of sliding bearings are made with different axial size and are arranged in order of increasing size in direction towards end of shaft with possibility of free movement in axial direction.

EFFECT: invention is aimed at reduction of vibration level due to elimination of process gap between bearing housing and magnetic core and longer service life of electric motors.

4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к погружным электродвигателям, предназначенным для использования в качестве привода погружных насосных установок, например, используемых в нефтяных скважинах.The invention relates to submersible electric motors intended for use as a drive for submersible pump units, for example, used in oil wells.

Известен погружной электродвигатель, содержащий статор, в корпус которого запрессован магнитопровод, ротор, на валу которого расположены пакеты ротора, между пакетами на валу установлены втулки подшипников скольжения, а внешние цилиндрические поверхности корпусов подшипников связаны с расточкой магнитопровода статора [Богданов А.А. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти. М.: Недра, 1968. - 272 с.: стр. 131, 153].Known submersible electric motor containing a stator, into the body of which a magnetic circuit is pressed, a rotor with rotor packages located on its shaft, sleeve bearings are installed between the packages on the shaft, and the outer cylindrical surfaces of the bearing housings are connected with the bore of the stator magnetic circuit [A. Bogdanov A.A. Submersible centrifugal electric pumps for oil production. M .: Nedra, 1968. - 272 p.: P. 131, 153].

Электродвигатель имеет относительно низкий срок службы из-за вибрации, вызванной, в том числе, и технологическими радиальными зазорами между валом и втулками подшипников, между пакетами ротора и валом, между корпусом подшипника и расточкой магнитопровода статора. Зазоры необходимы для сборки электродвигателя.The electric motor has a relatively low service life due to vibration caused, among other things, by technological radial clearances between the shaft and bearing bushings, between rotor packages and the shaft, between the bearing housing and the bore of the stator magnetic circuit. Clearances are required to assemble the motor.

Известен также погружной электродвигатель, в котором приняты меры для исключения радиальных технологических зазоров между валом и втулками подшипников, между пакетами ротора и валом. Известный погружной двигатель содержит статор с магнитопроводом, ротор, на валу которого расположены пакеты ротора, между пакетами на валу установлены втулки подшипников скольжения, внешняя поверхность корпусов которых связана с внутренней поверхностью магнитопровода статора. Для устранения радиальных зазоров электродвигатель снабжен разрезными кольцами, выполненными с конусообразными торцевыми поверхностями и расположенными на валу между втулками подшипников и пакетами так, что конусообразные поверхности колец контактировали с соответствующими конусообразными поверхностями пакетов и втулок [патент РФ №2380810 C1, МПК Н02К 5/12, Н02К 5/132, Н02К 5/24, приоритет 16.12.2008, опубл. 27.01.2010, Бюл. №3].A submersible electric motor is also known in which measures are taken to eliminate radial technological clearances between the shaft and bearing bushings, between rotor packages and the shaft. A well-known submersible motor contains a stator with a magnetic circuit, a rotor with rotor packages located on its shaft, bushings of sleeve bearings mounted between the packages on the shaft, the outer surface of the housings of which is connected with the inner surface of the stator magnetic circuit. To eliminate radial clearances, the electric motor is equipped with split rings made with conical end surfaces and located on the shaft between the bearing bushings and packages so that the conical surfaces of the rings are in contact with the corresponding conical surfaces of the packages and bushings [RF patent No. 2380810 C1, IPC Н02К 5/12, Н02К 5/132, Н02К 5/24, priority December 16, 2008, publ. 01/27/2010, Bull. Number 3].

По совокупности признаков данное устройство является наиболее близким к предлагаемому изобретению и принято в качестве прототипа.In terms of features, this device is the closest to the proposed invention and is adopted as a prototype.

В этом электродвигателе исключена часть радиальных технологических зазоров: между валом и втулками подшипников, между пакетами ротора и валом и тем самым за счет уменьшения нагрузки на подшипники, вызванные вибрацией, увеличен срок службы. Вместе с тем, радиальные зазоры между внешней поверхностью корпусов подшипников и расточкой магнитопровода статора, на которую они опираются, в этом погружном электродвигателе остаются и имеют разброс по величине в пределах технологических допусков. При работе погружного электродвигателя, длина которого при большой мощности достигает 9 метров, его ротор имеет возможность колебаться в пределах этих зазоров, что снижает срок его службы.This motor eliminates a part of the radial technological clearances: between the shaft and bearing bushings, between the rotor packages and the shaft, and thereby, due to the reduction of the load on the bearings caused by vibration, the service life is increased. At the same time, the radial gaps between the outer surface of the bearing housings and the bore of the stator magnetic circuit on which they rely remain in this submersible electric motor and have a variation in magnitude within technological tolerances. When operating a submersible electric motor, the length of which at high power reaches 9 meters, its rotor has the ability to oscillate within these gaps, which reduces its service life.

Настоящее изобретение направлено на увеличение срока службы погружных электродвигателей, прежде всего работающих на повышенных частотах вращения, за счет снижения вибрации.The present invention is aimed at increasing the service life of submersible motors, especially those operating at high speeds, by reducing vibration.

Указанный технический результат достигается тем, что погружной электродвигатель, содержащий статор с магнитопроводом, ротор, на валу которого расположены пакеты ротора, чередующиеся с втулками подшипников скольжения, внешняя поверхность корпусов которых связана с внутренней поверхностью магнитопровода, между втулками и пакетами размещены разрезные кольца с конусообразными торцевыми поверхностями, примыкающими к соответствующим конусообразным поверхностям пакетов и втулок, согласно изобретению дополнительно снабжен по крайней мере одним фиксирующим элементом из материала, обладающего возможностью увеличения своего объема, в корпусах подшипников со стороны внешней поверхности выполнено, по крайней мере, одно углубление для размещения фиксирующего элемента, а втулки подшипников выполнены с разным осевым размером и размещены в порядке увеличения осевого размера по направлению к концу вала, имеющему возможность свободного перемещения в осевом направлении.The specified technical result is achieved by the fact that the submersible motor containing the stator with the magnetic circuit, the rotor, on the shaft of which are located the rotor packets alternating with the bushings of the sliding bearings, the outer surface of the housings of which is connected with the inner surface of the magnetic circuit, split rings with conical end faces are placed between the bushings and the packets the surfaces adjacent to the corresponding conical surfaces of the bags and bushings, according to the invention is additionally provided with at least at least one recess for accommodating the locking element is made in one bearing element made of a material capable of increasing its volume in the bearing housings on the side of the outer surface, and the bearing bushings are made with different axial sizes and arranged in the order of increasing axial size in the direction to the end of the shaft, with the possibility of free movement in the axial direction.

Фиксирующие элементы могут быть выполнены из материала, обладающего возможностью заданного гарантированного набухания (увеличения объема) в масле, например, из резины с контролируемым уровнем набухания в маслах.The fixing elements can be made of a material with the possibility of a predetermined guaranteed swelling (increase in volume) in oil, for example, rubber with a controlled level of swelling in oils.

Углубления могут быть выполнены в виде кольцевых канавок, а элементы - в форме колец. В некоторых вариантах исполнения на внешней поверхности корпусов подшипников может быть выполнено три или более несквозных цилиндрических отверстий, расположенных по окружности, в которых размещены фиксирующие элементы цилиндрической формы.The recesses can be made in the form of annular grooves, and the elements in the form of rings. In some embodiments, on the outer surface of the bearing housings, three or more non-through cylindrical holes may be formed, arranged in a circle, in which fixing elements of a cylindrical shape are placed.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен осевой разрез фрагмента активной части погружного электродвигателя; на фиг. 2 - конструкция подшипника скольжения, в котором углубления выполнены в виде кольцевых канавок, а элементы в виде колец; на фиг. 3 - конструкция подшипника скольжения, в котором углубления выполнены в виде трех несквозных цилиндрических отверстий, а элементы - в виде цилиндров; на фиг. 4 - разрез А-А фиг. 3; на фиг. 5 - общий вид погружного электродвигателя в рабочем положении.The invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows an axial section through a fragment of the active part of a submersible electric motor; in FIG. 2 - design of a sliding bearing, in which the recesses are made in the form of annular grooves, and the elements in the form of rings; in FIG. 3 - the design of the sliding bearing, in which the recesses are made in the form of three through cylindrical holes, and the elements in the form of cylinders; in FIG. 4 is a section AA of FIG. 3; in FIG. 5 is a general view of a submersible motor in operating position.

Погружной электродвигатель (фиг. 1) содержит статор 1 с магнитопроводом 2, ротор 3, на валу 4 которого расположены пакеты 5 ротора. Между пакетами 5 на валу 4 установлены втулки 6 подшипников скольжения. Пакеты 5 ротора и втулки 6 подшипников установлены на валу 4 так, что исключается возможность их поворота относительно вала электродвигателя. Внешняя поверхность корпусов 7 подшипников связана с внутренней поверхностью магнитопровода 2. Корпуса 7 подшипников опираются на внутреннюю поверхность (расточку) магнитопровода 2, запрессованного в корпус статора 1. Между втулками 6 и пакетами 5 размещены разрезные кольца 8 с конусообразными торцевыми поверхностями. Разрезные кольца 8 своими конусообразными торцевыми поверхностями контактируют с соответствующими конусообразными поверхностями втулок 6 и пакетов 5 и, будучи сжаты в процессе сборки осевым усилием, устраняют радиальные зазоры между валом 4, втулками 6 и пакетами 5. На внешних цилиндрических поверхностях корпусов 7 подшипников скольжения выполнены углубления, в которых размещены фиксирующие элементы 9, соответствующие форме углублений и выполненные из материала, обладающего возможностью увеличения своего объема. Втулки 6 подшипников выполнены с разным осевым размером L, причем втулки имеют тем больший размер, чем ближе к концу вала, имеющему возможность свободного перемещения в осевом направлении, они расположены.Submersible electric motor (Fig. 1) contains a stator 1 with a magnetic circuit 2, a rotor 3, on the shaft 4 of which are located packages 5 of the rotor. Between the packages 5 on the shaft 4 installed sleeve 6 bearings of the slide. The packages 5 of the rotor and the sleeve 6 of the bearings are mounted on the shaft 4 so that the possibility of their rotation relative to the motor shaft is excluded. The outer surface of the bearing housings 7 is connected with the inner surface of the magnetic circuit 2. The bearing housings 7 are based on the inner surface (bore) of the magnetic circuit 2, pressed into the stator housing 1. Between the bushings 6 and the packages 5 are split rings 8 with conical end surfaces. The split rings 8, with their conical end faces, are in contact with the corresponding conical surfaces of the bushings 6 and packages 5 and, being compressed by axial force during assembly, eliminate radial gaps between the shaft 4, bushings 6 and packages 5. On the outer cylindrical surfaces of the housings 7 of the sliding bearings, recesses are made in which the fixing elements 9 are placed, corresponding to the shape of the recesses and made of a material having the ability to increase its volume. The bushings 6 of the bearings are made with different axial size L, and the bushings are of a larger size, the closer to the end of the shaft, with the possibility of free movement in the axial direction, they are located.

Фиксирующие элементы 9 могут быть выполнены из материала, обладающего возможностью гарантированного набухания в масле, например, из специальной резиновой смеси с необходимой величиной объемного набухания в конкретной среде.The fixing elements 9 can be made of a material with the possibility of guaranteed swelling in oil, for example, of a special rubber compound with the required volumetric swelling in a specific environment.

Углубления на внешних цилиндрических поверхностях корпусов 7 подшипников могут быть выполнены в виде кольцевых канавок, а элементы 9 - в форме колец (фиг. 2).The recesses on the outer cylindrical surfaces of the bearing housings 7 can be made in the form of annular grooves, and the elements 9 in the form of rings (Fig. 2).

Углубления на внешних цилиндрических поверхностях корпусов 7 подшипников могут быть выполнены также в виде трех несквозных цилиндрических отверстий, равномерно расположенных по окружности, а элементы 9 могут иметь цилиндрическую форму (фиг. 3-4). Количество отверстий и фиксирующих элементов в зависимости от величины допустимых технологических зазоров и внешнего диаметра расточки магнитопровода статора может быть увеличено.The recesses on the outer cylindrical surfaces of the bearing housings 7 can also be made in the form of three through cylindrical holes uniformly spaced around the circumference, and the elements 9 can have a cylindrical shape (Fig. 3-4). The number of holes and fixing elements, depending on the size of the permissible technological gaps and the external diameter of the bore of the stator magnetic circuit, can be increased.

При сборке ротора погружного электродвигателя на его вал в соответствии с последовательностью, определенной в конструкторской документации, насаживают разрезные кольца 8, подшипники и пакеты 5 (фиг. 1). Количество пакетов 5 выбирается в зависимости от мощности электродвигателя. Втулки 6 подшипников скольжения, имеющие разный осевой размер L, располагают на валу 4 в порядке увеличения их осевого размера по направлению к концу вала, имеющему возможность свободного перемещения при тепловом расширении. Как правило, в погружных электродвигателях такой конец располагается в основании. На фиг. 1 показано, что осевой размер втулок подшипников 6 условно увеличивается слева направо - L1<L2<L3.When assembling the rotor of a submersible electric motor on its shaft in accordance with the sequence defined in the design documentation, insert split rings 8, bearings and packages 5 (Fig. 1). The number of packets 5 is selected depending on the power of the electric motor. Bushings 6 of sliding bearings having different axial size L are arranged on the shaft 4 in the order of increasing their axial size towards the end of the shaft, which has the possibility of free movement during thermal expansion. As a rule, in submersible electric motors such an end is located at the base. In FIG. 1 shows that the axial size of the bearing bushes 6 conditionally increases from left to right - L1 <L2 <L3.

Общий вид погружного электродвигателя в рабочем положении представлен на фиг. 5. Конструкция кабельного ввода 10 не позволяет вставить ротор со стороны головы 11 двигателя, поэтому ротор вставляется в погружной электродвигатель со стороны основания 12. Собранный ротор 3 помещают в расточку магнитопровода 2 статора 1, затем устанавливают основание 12 и голову 11, после чего заполняют внутреннюю полость электродвигателя маслом. Радиальный размер фиксирующих элементов 9 выбирается таким, чтобы они не препятствовали установке ротора в статор.A general view of the submersible motor in the operating position is shown in FIG. 5. The design of the cable entry 10 does not allow insertion of the rotor from the side of the head 11 of the engine, so the rotor is inserted into the submersible motor from the side of the base 12. The assembled rotor 3 is placed in the bore of the magnetic circuit 2 of the stator 1, then the base 12 and the head 11 are installed, after which the internal motor cavity is oil. The radial size of the locking elements 9 is selected so that they do not interfere with the installation of the rotor in the stator.

При установке ротора в статор со стороны основания допускается только минимально возможное обратное перемещение ротора относительно статора. В реальных погружных двигателях это перемещение равно осевому размеру (толщине) стопорного кольца пяты осевой опоры, поскольку именно на эту величину необходимо выдвинуть канавку вала за пяту, чтобы установить стопорное кольцо. После установки стопорного кольца ротор перемещают в обратном направлении до заглубления стопорного кольца в отверстие пяты. После этого устанавливают транспортные крышки, причем транспортная крышка со стороны вала устанавливается так, что ограничивает движение ротора в направлении от основания к голове.When installing the rotor in the stator from the base side, only the smallest possible reverse movement of the rotor relative to the stator is allowed. In real submersible engines, this movement is equal to the axial size (thickness) of the retaining ring of the heel of the axial support, since it is by this value that the groove of the shaft must be extended beyond the heel in order to install the retaining ring. After installing the retaining ring, the rotor is moved in the opposite direction until the retaining ring is deepened into the hole of the heel. After that, transport covers are installed, and the transport cover on the shaft side is installed so that restricts the movement of the rotor in the direction from the base to the head.

Элементы 9 подшипников, например, выполненные из резины с контролируемым набуханием в маслах, в течение 1…2 часов после заполнения электродвигателя маслом увеличивают свой объем, фиксируя корпусы 7 подшипника в расточке магнитопровода 2 статора 1 и центрируя его относительно расточки. При этом исключается возможность как радиального, так и осевого перемещения корпусов 7 подшипника относительно магнитопровода 2 статора и, как следствие, снижается уровень вибрации электродвигателя.Bearing elements 9, for example, made of rubber with controlled swelling in oils, increase their volume within 1 ... 2 hours after filling the electric motor with oil, fixing the bearing housings 7 in the bore of the magnetic circuit 2 of the stator 1 and centering it relative to the bore. This eliminates the possibility of both radial and axial movement of the bearing housings 7 relative to the magnetic circuit 2 of the stator and, as a result, reduces the level of vibration of the electric motor.

Характерной конструктивной особенностью погружных двигателей является большая длина. Монтажная длина односекционных погружных электродвигателей одного габарита определяется мощностью и достигает в ряде случаев 9 м, а соотношение между длиной активной части и наружным диаметром достигает значений 70 и более. При сборке электродвигателя отсутствует перепад температур между статором и ротором. При включении электродвигателя его ротор 3, в том числе вал 4, нагревается гораздо быстрее, чем его статор, поскольку имеет гораздо меньшую массу и худшие условия для отвода тепла. Даже при номинальной нагрузке в установившемся режиме между воздушным зазором и внешней поверхностью статора существует перепад температур, составляющий несколько десятков градусов. В таких условиях ротор 3 от нагрева удлиняется сильнее, чем статор 1. В большинстве электродвигателей длиной 8…9 метров удлинение вала 4 относительно статора 1 при нагревании до рабочей температуры составляет примерно 3…4 мм. В напряженных по теплу конструкциях при такой длине секции, удлинение ротора относительно статора вследствие нагрева достигает 6 мм.A characteristic design feature of submersible engines is the long length. The installation length of single-section submersible electric motors of the same size is determined by power and in some cases reaches 9 m, and the ratio between the length of the active part and the outer diameter reaches 70 or more. When assembling the electric motor there is no temperature difference between the stator and the rotor. When the electric motor is turned on, its rotor 3, including the shaft 4, heats up much faster than its stator, since it has a much lower mass and worse conditions for heat dissipation. Even at nominal steady state load, there is a temperature difference of several tens of degrees between the air gap and the outer surface of the stator. In such conditions, the rotor 3 lengthens from heating more than the stator 1. In most electric motors 8 ... 9 meters long, the elongation of the shaft 4 relative to the stator 1 when heated to operating temperature is about 3 ... 4 mm. In heat-stressed constructions with such a section length, the elongation of the rotor relative to the stator due to heating reaches 6 mm.

Естественно, при нагревании, чем дальше расположен участок вала 4 от головы 11, тем больше будет его осевое перемещение. При этом торцевые поверхности пакетов 5 ротора входят в соприкосновение с неподвижными корпусами 7 подшипников. В случае, когда корпус 7 подшипника зафиксирован в магнитопроводе 2 статора 1 расширившимися элементами 9, усилие трения резко возрастает, выделяется большое количество тепла, что приводит к локальному перегреву изоляции обмотки и возможному выходу двигателя из строя. Для исключения этого эффекта необходимо обеспечить зазор между корпусом подшипника 7 и соседним пакетом 5 ротора, равный максимально возможному температурному удлинению ротора. Именно для этого подвижные втулки 6 подшипников выполняют с осевой длиной, тем большей, чем ближе они расположены к концу вала, имеющему возможность осевого перемещения. В этом случае при тепловом удлинении вала 4 он вместе с втулками 6 подшипников будет перемещаться по рабочему зазору подшипника, исключая локальные перегревы, обусловленные трением.Naturally, when heated, the further the portion of the shaft 4 is located from the head 11, the greater will be its axial movement. In this case, the end surfaces of the packages 5 of the rotor come into contact with the stationary housings 7 of the bearings. In the case when the bearing housing 7 is fixed in the magnetic circuit 2 of the stator 1 by the expanded elements 9, the friction force increases sharply, a large amount of heat is generated, which leads to local overheating of the winding insulation and a possible motor failure. To eliminate this effect, it is necessary to provide a gap between the bearing housing 7 and the adjacent rotor package 5, equal to the maximum possible temperature extension of the rotor. That is why the movable bushings 6 of the bearings are made with an axial length, the greater, the closer they are to the end of the shaft, which has the possibility of axial movement. In this case, with the thermal elongation of the shaft 4, it, together with the bushings 6 of the bearings, will move along the working clearance of the bearing, excluding local overheating caused by friction.

Таким образом, электродвигатель, выполненный согласно изобретению, не подвержен заклиниванию ротора при нагревании, а благодаря исключению технологических зазоров между корпусами подшипников и магнитопроводом, имеет сниженный уровень вибрации и, соответственно, повышенный срок службы.Thus, the motor made according to the invention is not susceptible to jamming of the rotor when heated, and due to the exclusion of technological gaps between the bearing housings and the magnetic circuit, it has a reduced vibration level and, consequently, an increased service life.

Claims

1. A submersible electric motor containing a stator with a magnetic circuit, a rotor, on the shaft of which rotor packages are located, alternating with bushings of sliding bearings, the outer surface of the housings of which is connected with the inner surface of the magnetic circuit, split rings with conical end surfaces adjacent to the corresponding ones are placed between the bushings and the packages conical surfaces of packages and bushings, characterized in that it is equipped with at least one fixing element of a material having In order to increase its volume, at least one recess is made in the bearing housings on the side of the outer surface to accommodate the locking element, and the bearing bushings are made with different axial sizes and are placed in order of increasing axial size towards the shaft end, which can freely move in the axial direction.

2. Submersible motor according to claim 1, characterized in that the locking elements are made of a material having the ability of guaranteed swelling in oil.

3. The submersible motor according to claim 1 or 2, characterized in that the recess is made in the form of an annular groove, and the locking element is in the form of a ring.

4. The submersible motor according to claim 1 or 2, characterized in that on the outer surface of the bearing housings there are three or more non-through cylindrical holes arranged in a circle in which the fixing elements of a cylindrical shape are placed.