RU65314U1

RU65314U1 - SUBMERSIBLE MODULAR VENT ELECTRIC CENTRIFUGAL PUMP MOTOR

Info

Publication number: RU65314U1
Application number: RU2007115942/22U
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Иванов; Евгений Модестович Черемисинов; Валентин Мустафьевич Девликанов
Original assignee: Александр Александрович Иванов; Евгений Модестович Черемисинов
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2007-07-27

Abstract

Настоящая полезная модель относится к машиностроению, а именно к модульным электродвигателям, применяемым, например, в качестве погружного электропривода для скважинных центробежных установок. Разработан вентильный электродвигатель, состоящий по меньшей мере из двух модулей. Каждый из модулей содержит корпус, статор с фазными обмотками, ротор, с постоянными магнитами, которые намагничены в радиальном направлении. Ротор выполнен составным из роторов модулей, причем постоянные магниты ротора каждого модуля представляют собой кольцевые сегменты. Каждый модуль содержит элементы круговой ориентации статора с фазными обмотками и ротора. Взаимное расположение указанных элементов обеспечивает одинаковое взаимное угловое положение одноименных магнитов ротора каждого модуля по отношению к одноименным фазным обмоткам статора в каждом модуле. Технический результат предлагаемого изобретения - облегчение процесса сборки многомодульных вентильных двигателей, а именно обеспечение правильного согласования положений статоров и роторов смежных секций. 1 н-п ф-лы, 4 илл.This utility model relates to mechanical engineering, namely to modular electric motors, used, for example, as a submersible electric drive for downhole centrifugal installations. A valve motor consisting of at least two modules has been developed. Each of the modules contains a housing, a stator with phase windings, a rotor, with permanent magnets that are magnetized in the radial direction. The rotor is made integral of the rotors of the modules, and the permanent magnets of the rotor of each module are annular segments. Each module contains elements of circular orientation of the stator with phase windings and the rotor. The relative position of these elements provides the same relative angular position of the rotor magnets of the same name of each module with respect to the same phase stator windings in each module. The technical result of the invention is to facilitate the assembly process of multi-module valve motors, namely, ensuring the correct coordination of the positions of the stators and rotors of adjacent sections. 1 np, 4 ill.

Description

Настоящая полезная модель относится к машиностроению, а именно к модульным электродвигателям, применяемым, например, в качестве погружного электропривода для скважинных центробежных установок.This utility model relates to mechanical engineering, namely to modular electric motors, used, for example, as a submersible electric drive for downhole centrifugal installations.

Ближайшим аналогом предлагаемой полезной модели является изобретение - вентильный электродвигатель (по патенту RU 2277285, опубликован в 2006.05.27), состоящий по меньшей мере из двух модулей (секций), каждый из которых содержит корпус, статор, вал, причем на валу каждого модуля размещены постоянные магниты, которые намагничены в радиальном направлении. Недостатком предлагаемого электродвигателя является то, что в нем не предусмотрены специальные конструктивные элементы на валу и роторе, обеспечивающие согласование взаимной ориентации смежных модулей (положения фазных обмоток и роторов) при сборке.The closest analogue of the proposed utility model is the invention - a valve motor (according to patent RU 2277285, published in 2006.05.27), consisting of at least two modules (sections), each of which contains a housing, a stator, a shaft, and each module has a shaft Permanent magnets that are magnetized in the radial direction. The disadvantage of the proposed motor is that it does not provide special structural elements on the shaft and rotor, ensuring coordination of the mutual orientation of adjacent modules (position of phase windings and rotors) during assembly.

Технический результат предлагаемого изобретения - облегчение процесса сборки многомодульных вентильных двигателей, а именно обеспечение правильного согласования положений статоров и роторов смежных модулей (т.е. избежать неправильной взаимной ориентации валов и статоров модулей) за счет применения в нем элементов взаимной круговой ориентации смежных модулей двигателя.The technical result of the invention is to facilitate the assembly process of multi-module valve motors, namely, ensuring the correct coordination of the positions of the stators and rotors of adjacent modules (i.e., to avoid the incorrect mutual orientation of the shafts and stators of the modules) by using elements of relative circular orientation of adjacent engine modules in it.

Указанный технический результат достигается за счет того, в известном вентильном электродвигателе, состоящем по меньшей мере из двух модулей, в каждом из которых содержится корпус, статор с фазными обмотками и ротор с постоянными магнитами, которые намагничены в радиальном направлении, одноименные фазные обмотки каждого модуля соединены последовательно, корпуса и ротора модулей соединены между собой механически, а каждый модуль содержит элементы круговой ориентации статора с фазными обмотками и ротора, причем взаимное расположение указанных элементов обеспечивает одинаковое взаимное угловое The specified technical result is achieved due to the fact that in the known valve electric motor, consisting of at least two modules, each of which contains a housing, a stator with phase windings and a rotor with permanent magnets that are magnetized in the radial direction, the same phase windings of each module are connected sequentially, the cases and the rotor of the modules are mechanically interconnected, and each module contains elements of circular orientation of the stator with phase windings and the rotor, and the relative position of the of the given elements provides the same mutual angular

положение одноименных магнитов ротора по отношению к одноименным фазными обмоткам статора в каждом модуле.the position of the rotor magnets of the same name with respect to the stator phase windings of the same name in each module.

На фиг.1 модульный вентильный электродвигатель показан в поперечном разрезе. На фиг.2 показаны концы вала со шлицами и фронтальный вид вала. Под ротором мы будем понимать вал вместе с магнитной системой. На рис 3 схематично показаны два модуля погружного электродвигателя в продольном разрезе с ориентирующими элементами. На рис 4 показаны в поперечном разрезе два модуля в случае, когда ориентации фазных обмоток статорных смежных модулей не совпадают.1, a modular valve motor is shown in cross section. Figure 2 shows the ends of the shaft with splines and the front view of the shaft. By rotor we mean a shaft together with a magnetic system. Figure 3 schematically shows two modules of a submersible motor in longitudinal section with orienting elements. Figure 4 shows in cross section two modules in the case when the orientations of the phase windings of the stator adjacent modules do not coincide.

Рассмотрим двухмодульный электродвигатель с модулями F, G, которые соединены переходной секцией 16 с соединительной муфтой для роторов модулей. Элементы взаимной круговой ориентации f1, f2, g1, g2 соответствующих модулей располагаются на статоре (точнее на внешней поверхности корпуса модуля, в который помещен неподвижный относительно корпуса статор - например, запресованный в корпус)) и роторе (см. рис 3). Они позволяют правильно соориентировать статоры 12, 13 и роторы 14, 15 соответственно модулей F и G при соединении, обеспечивая их правильную ориентацию относительно друг друга. Одинаковое взаимное угловое положение магнитов ротора по отношению к одинаковым фазным обмоткам статора (в трехфазном двигателе соответственно три фазные обмотки А, В, С) в каждом модуле обеспечивает согласованную работу роторов с максимальным вращательным моментом на валу двигателя.Consider a two-module electric motor with modules F, G, which are connected by the adapter section 16 with a coupling for the rotors of the modules. The elements of mutual circular orientation f1, f2, g1, g2 of the respective modules are located on the stator (more precisely, on the outer surface of the module case, into which the stator is stationary relative to the case - for example, pressed into the case)) and the rotor (see Fig. 3). They allow you to correctly orient the stators 12, 13 and rotors 14, 15 of the modules F and G, respectively, when connected, ensuring their correct orientation relative to each other. The same relative angular position of the rotor magnets with respect to the same phase stator windings (in a three-phase motor, respectively, three phase windings A, B, C) in each module ensures coordinated operation of the rotors with maximum torque on the motor shaft.

Многомодульный электродвигатель включает следующие элементы: корпус электродвигателя 1 (точнее корпус модуля), соединительные муфты 16, соединяющие соответственно валы смежных модулей. В каждом модуле 6 (в двухмодульном случае это модули F и G) содержится: статорный пакет 2 с проводами обмотки в пазах электродвигателя 3. Статорный элемент модуля имеет открытый паз 4. Вал 9 содержит кольцевые магнитные сегменты 5 ротора. На поверхности статора выполнен элемент взаимной круговой ориентации 7 (в двухмодульном случае это элемент f1 или g1), представляющий в данном случае прямолинейный неглубокий канал, проходящий по всей длине корпуса модуля. Для каждого модуля элемент взаимной круговой ориентации ориентирован одинаково по отношению к положению - пазов статора с обмоткой. На рисунке показана и часть другой, смежного модуля, содержащий элемент взаимной круговой ориентации 8 на поверхности модуля. Луч ov проходит в плоскости поперечного сечения модуля с центром в точке о (лежащей на центральной продольной оси модуля) и пересекает область элемента взаимной круговой ориентации 7 (точнее, через центральную часть канала 7, являющийся примером элемента круговой ориентации). Луч о'm The multi-module electric motor includes the following elements: motor housing 1 (more precisely, the module housing), couplers 16, connecting respectively the shafts of adjacent modules. Each module 6 (in the two-module case, it is modules F and G) contains: stator package 2 with winding wires in the grooves of the electric motor 3. The stator element of the module has an open groove 4. The shaft 9 contains ring magnetic segments 5 of the rotor. An element of mutual circular orientation 7 is made on the surface of the stator (in the two-module case, it is an element f1 or g1), which in this case is a rectilinear shallow channel extending along the entire length of the module casing. For each module, the element of mutual circular orientation is oriented identically with respect to the position of the grooves of the stator with the winding. The figure also shows a part of another adjacent module containing an element of mutual circular orientation 8 on the surface of the module. Ray ov passes in the plane of the cross section of the module centered at point o (lying on the central longitudinal axis of the module) and intersects the region of the element of mutual circular orientation 7 (more precisely, through the central part of the channel 7, which is an example of the element of circular orientation). Ray o'm

проходит в плоскости поперечного сечения присоединенного смежного модуля с центром в точке о' (лежащей на продольной оси соответствующего модуля). Угловое расхождение (взаимной ориентации смежных модулей по кругу) определяется углом, образованными вышеуказанными лучами. При сборке расхождение указанных элементов не должно превышать 1 углового градуса. Такой угол обеспечивает приемлемое значение КПД, близкое к оптимальному. Аналогичные ориентирующие элементы 11 содержат и шлицы вала 10 (см. рис.2), не допускающие также существенного расхождения направлений ориентаций направлений намагничивания магнитов роторов смежных модулей. Подчеркнем, что здесь рассмотрен частный случай, когда фазные обмотки разных модулей имеют одинаковую ориентацию.passes in the plane of the cross section of an attached adjacent module centered at point o '(lying on the longitudinal axis of the corresponding module). The angular divergence (relative orientation of adjacent modules in a circle) is determined by the angle formed by the above rays. When assembling, the discrepancy of these elements should not exceed 1 angular degree. This angle provides an acceptable value of efficiency, close to optimal. Similar orienting elements 11 also include splines of the shaft 10 (see Fig. 2), which also do not allow a significant difference in the directions of the orientations of the magnetization directions of the magnets of the rotors of adjacent modules. We emphasize that here we consider a special case when the phase windings of different modules have the same orientation.

Внутренняя полость двигателя выполнена герметичной и заполнена диэлектрическим маслом для защиты двигателя от проникновения в его полость пластовой жидкости, а также для охлаждения обмоток и смазывания подшипников. В вентильном двигателе индуктор находится на валу (в виде постоянных магнитов), обмотка находится на статоре. Напряжение питания обмоток двигателя формируется в зависимости от положения ротора с помощью полупроводникового коммутатора. Статор состоит из корпуса, сердечника (набора статорных пластин) из электротехнической стали и медной обмотки, уложенной в пазы по периметру сердечника. Количество обмоток определяет количество фаз двигателя. В нашем случае три фазы (см. рис.1 - обмотки соответственно А, В, С). Двигатель выполнен с открытым пазом 4. На корпусе статора выполнен элемент взаимной круговой ориентации, расположенный одинаковым образом по отношению к положению обмоток статора любого модуля. Постоянные магниты ротора вала представляют собой кольцевые сегменты, симметрично расположенные на валу по кругу. Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов и имеет три пары пар полюсов с чередованием северного и южного полюсов (рис.1) по круговому направлению ротора. Используются магниты редкоземельных сплавов, так как они позволяют получить высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора. Магниты закреплены на валу ротора (например, клеевым соединением). На валу выполняются специальные шпоночные пазы, в которые располагаются шпонки, а между ними располагаются кольцевые магниты. Эти магниты в свою очередь заключаются в гильзу, дополнительно удерживающую магниты. В каждом модуле содержится специальный элемент взаимной круговой ориентации, в частном случае (для ручной сборки) он представляет собой неглубокий канал, например треугольной формы в поперечном сечении, выполненный на внешней стороне корпуса. В каждом модуле этот канал выполняют расположенным строго одинаковым образом по отношению к положению обмоток статорного элемента. Ориентирующие элементы в роторе любого модуля имеют одинаковое положение по отношению к магнитам роторов, включая их направление намагничивания.The internal cavity of the engine is sealed and filled with dielectric oil to protect the engine from penetration of formation fluid into its cavity, as well as to cool the windings and lubricate the bearings. In the valve motor, the inductor is on the shaft (in the form of permanent magnets), the winding is on the stator. The supply voltage of the motor windings is formed depending on the position of the rotor using a semiconductor switch. The stator consists of a housing, a core (a set of stator plates) of electrical steel and a copper winding laid in grooves around the perimeter of the core. The number of windings determines the number of phases of the motor. In our case, there are three phases (see Fig. 1 - windings A, B, C, respectively). The motor is made with an open groove 4. An element of mutual circular orientation is made on the stator housing, located in the same way with respect to the position of the stator windings of any module. The permanent magnets of the rotor of the shaft are annular segments symmetrically located on the shaft in a circle. The rotor is manufactured using permanent magnets and has three pairs of pole pairs with alternating north and south poles (Fig. 1) in the circular direction of the rotor. Rare-earth alloy magnets are used, since they make it possible to obtain a high level of magnetic induction and reduce the size of the rotor. The magnets are fixed to the rotor shaft (for example, by glue connection). On the shaft, special keyways are made in which the keys are located, and ring magnets are located between them. These magnets, in turn, are enclosed in a sleeve that further holds the magnets. Each module contains a special element of mutual circular orientation, in the particular case (for manual assembly) it is a shallow channel, for example, triangular in cross section, made on the outside of the case. In each module, this channel is located exactly the same way with respect to the position of the stator element windings. The orienting elements in the rotor of any module have the same position with respect to the magnets of the rotors, including their direction of magnetization.

В частном случае статорный ориентирующий элемент может представлять собой метку пространственной ориентации пакета статора, нанесенную на внешнюю поверхности корпуса модуля, например, неглубокую прямую канавку по всей длине внешней поверхности корпуса модуля, и ориентированную для каждого модуля одинаковым образом по отношению к положению пазов статорной обмотки, соответствующих статорных фазных обмоток. При прикреплении к статору фланцевой переходной (между модулями) секции, канавка переносится и на нее, образуя единый прямой канал на внешней поверхности модуля. Аналогичный канал имеется и на корпусе присоединяемого модуля. При соединении статоры соединяются строго по элементам взаимной круговой ориентации. В случае, если эти элементы разных модулей выполнены в виде неглубоких прямых каналов, то они просто совмещаются, образуя единый канал. В результате соединение смежных модулей согласовано относительно положений статоров смежных модулей. Элементы круговой ориентации для валов расположены одинаковым образом по отношению к ориентации магнитной системы ротора и могут выполняться, например, фрезерованием в виде каналов на торцевой стороне вала. Из всех возможных вариантов взаимного расположения роторов выбирается единственно возможный вариант шлицевого соединения указанных деталей. В результате соединение валов смежных модулей согласовано относительно направлений намагничивания и положений магнитов соответствующих модулей.In a particular case, the stator orienting element may be a spatial orientation label of the stator package applied to the outer surface of the module housing, for example, a shallow straight groove along the entire length of the outer surface of the module housing, and oriented for each module in the same way with respect to the position of the grooves of the stator winding, corresponding stator phase windings. When a flange transition (between modules) section is attached to the stator, the groove is also transferred to it, forming a single direct channel on the external surface of the module. A similar channel is also available on the housing of the connected module. When connecting, the stators are connected strictly according to the elements of mutual circular orientation. If these elements of different modules are made in the form of shallow direct channels, then they are simply combined, forming a single channel. As a result, the connection of adjacent modules is consistent with the positions of the stators of adjacent modules. Elements of circular orientation for the shafts are located in the same way with respect to the orientation of the rotor magnetic system and can be performed, for example, by milling in the form of channels on the front side of the shaft. Of all the possible options for the mutual arrangement of the rotors, the only possible option for the spline connection of these parts is selected. As a result, the connection of the shafts of adjacent modules is coordinated with respect to the directions of magnetization and the positions of the magnets of the respective modules.

Рассмотрим более общий пример использования системы, когда ориентация фазных обмоток смежных модулей не совпадает. В этом случае ориентации магнитов роторов соответствующих смежных модулей также не совпадают, а взаимное угловое положение магнитов ротора с фазными обмотками статора в каждом модуле должно быть одинаково (для согласованной синхронной работы модулей электродвигателя по рассмотренному выше алгоритму). В этом случае элементы взаимной круговой ориентации позволяют обеспечить необходимое угловое расположение магнитов ротора по отношению к фазным обмоткам в соответствующих модулях. На рис.4 показаны в поперечном разрезе два модуля в рассмотренном выше случае (фронтальный вид). Указанные фазные обмотки для разных модулей ориентированы различным образом по отношению к оси координат YX (с центром в точке К лежащих на оси составного ротора модулей), соответственно магниты ротора разных модулей имеют несовпадающую ориентацию положений магнитов, но взаимное угловое положение магнитов ротора с фазными обмотками статора в каждом модуле одинаково. Это реализовано с помощью элементов взаимной ориентации модулей, позволяющих обеспечить правильную ориентацию статоров и роторов отдельных модулей, формирующих составной ротор - например, когда статорные метки на корпусе F и G, представляющие неглубокую риску, составляют единый прямой канал на статорном корпусе, и метки на роторах соответственно ориентируются друг относительно друга так, что они находятся на прямой линии, когда сформирован составной ротор.Consider a more general example of using the system when the orientation of the phase windings of adjacent modules does not match. In this case, the orientations of the rotor magnets of the respective adjacent modules also do not coincide, and the mutual angular position of the rotor magnets with the phase stator windings in each module must be the same (for coordinated synchronous operation of the motor modules according to the algorithm discussed above). In this case, the elements of mutual circular orientation make it possible to provide the necessary angular arrangement of the rotor magnets with respect to the phase windings in the respective modules. Figure 4 shows in cross section two modules in the case considered above (front view). The indicated phase windings for different modules are oriented differently with respect to the coordinate axis YX (centered at the point K of the modules lying on the axis of the composite rotor), respectively, the rotor magnets of different modules have a different orientation of the magnet positions, but the relative angular position of the rotor magnets with the phase stator windings in each module the same. This is realized with the help of the elements of the relative orientation of the modules, allowing to ensure the correct orientation of the stators and rotors of the individual modules forming the composite rotor - for example, when the stator marks on the F and G housing, representing shallow risk, form a single direct channel on the stator housing, and the marks on the rotors respectively, they are oriented relative to each other so that they are in a straight line when a composite rotor is formed.

Электродвигатель работает следующим образом. Информация о наведенной ЭДС в фазных обмотках статора (А, В, С) используется для реализации обратной связи по положению ротора (образованного соединенными через муфту валов с магнитами смежных модулей). Управляющее устройство на основе информации о положении ротор, создает комбинацию управляющих напряжений для силовых ключей (полупроводникового преобразователя), так, что в каждый такт работы двигателя включены два ключа и к сети подключены последовательно две из трех обмоток статора. Обмотки расположены на статоре со сдвигом на 120° и их начала и концы соединены так, что при переключении ключей образуется вращающееся магнитное поле. Радиально намагниченные постоянные магниты кольцевого типа 5 создают магнитный поток, проходящий через пакет 2 статора, обмотку 3, корпус 1, образуя замкнутую магнитную цепь для прохождения магнитного потока. В каждом модуле одновременно фазные напряжения формируются на фазных обмотках статора (соединенных последовательно) таким образом, что в результате взаимодействия магнитных потоков статора и возбуждения на роторе создается вращающий момент, который стремится развернуть ротор так, чтобы магнитные потоки статора и возбуждения совпали, но при повороте ротора происходит переключение обмоток и поток якоря поворачивается на следующий шаг. Частота вращения поля пропорциональна частоте вращения ротора, а частота вращения ротора зависит от напряжения питания.The electric motor operates as follows. Information on induced EMF in the stator phase windings (A, B, C) is used to provide feedback on the position of the rotor (formed by connecting shafts with magnets of adjacent modules through a shaft coupling). The control device, based on information about the position of the rotor, creates a combination of control voltages for the power switches (semiconductor converter), so that two switches are connected to each motor cycle and two of the three stator windings are connected in series. The windings are located on the stator with a shift of 120 ° and their beginnings and ends are connected so that when the keys are switched, a rotating magnetic field is formed. The radially magnetized permanent magnets of the ring type 5 create a magnetic flux passing through the package 2 of the stator, winding 3, housing 1, forming a closed magnetic circuit for the passage of magnetic flux. In each module, phase voltages are simultaneously generated on the stator phase windings (connected in series) so that as a result of the interaction of the stator magnetic fluxes and the excitation on the rotor, a torque is created that tends to rotate the rotor so that the magnetic fluxes of the stator and excitation coincide, but when turning The rotor switches the windings and the armature flow turns to the next step. The frequency of rotation of the field is proportional to the frequency of rotation of the rotor, and the frequency of rotation of the rotor depends on the supply voltage.

Включение элементов взаимной ориентации обеспечивает точное согласование положения статорных сборок и ориентаций магнитов роторов смежных модулей.The inclusion of elements of relative orientation provides accurate coordination of the position of the stator assemblies and the orientations of the magnets of the rotors of adjacent modules.

Claims

Valve motor, consisting of at least two modules, each of which contains a housing, a stator with phase windings, a rotor with permanent magnets that are magnetized in the radial direction, characterized in that the same phase windings of each module are connected in series, the housing and the rotor modules are mechanically interconnected, and each module contains elements of circular orientation of the stator with phase windings and rotor, and the relative position of these elements provides the same mutual the angular position of the rotor magnets of the same name with respect to the stator phase windings of the same name in each module.