Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
STATOR FOR LINEAR ELECTRIC SUBMERSIBLE PUMP UNIT AND METHOD FOR PRODUCING SAME
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/147212
Kind Code:
A1
Abstract:
The claimed invention relates to the field of electrical engineering, particularly to designing linear motors that can be used in electric submersible pump units in the oil industry. The essence of the claimed technical solution consists in the fact that structural elements of a stator are made of a material having a relative thermal expansion equal to the thermal expansion of elements of the moving part of a linear motor. Sections of the stator are in the form of a frame structure that is made from C-shaped ferromagnetic transverse elements (spacers) having radial protrusions. Said elements are connected by sectional and inter-sectional guides that are axially mounted and are capable of providing a constant pole pitch value and precisely positioning stator elements relative to one another.

Inventors:
KHACHATUROV DMITRIY VALEREVICH (UA)
Application Number:
PCT/UA2018/000073
Publication Date:
August 01, 2019
Filing Date:
July 11, 2018
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
KHACHATUROV DMITRIY VALEREVICH (UA)
International Classes:
H02K41/02; H02K15/02
Domestic Patent References:
WO2017074213A12017-05-04
Foreign References:
US20130038144A12013-02-14
RU2582332C12016-04-27
RU179910U12018-05-29
Download PDF:
Claims:
Claims

Статор линейной электропогружной насосной

установки и способ его изготовления

1. Статор линейной электропогружной насосной установки, состоящий из множества секций которые содержат, установленные вокруг полой направляющей для подвижной части линейного привода кольцевые опорные элементы, разделяющие набор катушек, формирующих обмотку с числом магнитных полюсов р>10, включающую в себя пространственно - совмещенную композицию трехфазных взаимозависимых частей (обмоток), собранных в звезду и треугольник, отличающийся тем, что конструктивные элементы статора выполнены из материала с относительным температурным расширением равным температурному расширению элементов подвижной части линейного привода, причем секции статора выполнены в виде каркасной конструкции сформированной из С-образных поперечных ферромагнитных элементов (проставок) с радиальными выступами, а также секционных и межсекционных направляющих, устанавливаемых в осевом направлении, выполненных с возможностью обеспечения постоянной величины полюсного деления и точного позиционирования элементов статора относительно друг друга.

2. Статор линейной электропогружной насосной установки по п.1 отличается тем, что секционные и межсекционные направляющие выполнены в виде пластинчатых перфорированных элементов, установленных в зацеплении с радиальными выступами С-образных поперечных ферромагнитных элементов (проставок) с фиксацией посредством, периодически установленных замковых элементов, при этом С- образные опорные элементы (проставки) выполнены с поперечной прорезью, с постепенным переходом по дуге и при формировании секций статора образуют продольный желоб под укладку соединяемых концов катушек.

3. Статор линейной электропогружной насосной установки отличается тем, что обмотка статора выполнена из набора катушек, объединенных в группы и является частью магнитной системы, у которой число зубцов статора, отличается от числа магнитных полюсов подвижной части линейного электродвигателя на величину кратную двум, образуя результирующее магнитное поле с числом магнитных полюсов статора равным числу магнитных полюсов подвижной части, причем катушки в группах расположены попарно с чередованием соединения в звезду и треугольник, образуя в каждой паре угол между векторами индукции магнитного потока 90 эл. градусов, при этом группы катушек, относящиеся к одной фазе смещены относительно групп катушек относящихся к другим фазам на 120 эл. градусов.

4. Статор линейной электропогружной насосной установки по пп.1;3 отличается тем, что обмотка статора выполнена девятифазной и состоит из трех трехфазных обмоток, соединенных параллельно две из которых соединены в звезду и одна - в треугольник.

5. Статор линейной электропогружной насосной установки по п.З отличается тем, что в группе катушек, по меньшей мере, две катушки представляют одну фазу и образуют один полюс, одна из указанной пары катушек соединена в звезду, а вторая в - треугольник с аналогичными катушками других фаз, причем каждая пара катушек в группе имеет обратную полярность по отношению к предыдущей.

6. Способ изготовления статора, линейной электропогружной насосной установки отличается тем, что статор формируют из секций, конструктивные элементы которых выполняют из материала с относительным температурным расширением равным температурному расширению элементов подвижной части линейного электродвигателя, причем секции статора выполняют в виде каркасной конструкции сформированной из С-образных поперечных ферромагнитных элементов (проставок) с радиальными выступами, а также секционных и межсекционных направляющих, между С-образными поперечными элементами устанавливают набор катушек, которые объединяют в группы, размещенные с учетом поочередной смены направления тока в рамках одной группы, причем катушки в группах формируют попарно с чередованием соединения в звезду и треугольник, образуя в каждой паре угол между векторами индукции магнитного потока 90 эл. градусов, при этом группы катушек, относящиеся к одной фазе смещают относительно групп катушек относящихся к другим фазам на 120 эл. градусов.

7. Способ изготовления статора, линейной электропогружной насосной установки по п.6 отличается тем, что обмотку статора формируют из трех трехфазных обмоток, соединенных параллельно две из которых соединены в звезду и одна - в треугольник.

Description:
DESCRIPTION

Статор линейной электропогружной насосной

установки и способ его изготовления

Заявляемое изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции линейных электродвигателей, используемых в электропогружных насосных установках, в нефтедобывающей промышленности .

Принцип действия известных линейных электропогружных насосных установок основан на возвратно поступательном движении подвижной части линейного электродвигателя, связанной с плунжером насосного узла, под воздействием бегущего электромагнитного поля создаваемого в обмотке статора электродвигателя.

Преимущественно статор выполняют в виде набора кольцевых катушек индуктивности, установленных вокруг направляющей подвижной части линейного электродвигателя. Такое конструктивное выполнение требует надежной фиксации катушек с обеспечением их постоянного и точного позиционирования, как относительного друг друга, так и относительно элементов подвижной части линейного электродвигателя обеспечивая, таким образом, постоянство полюсного деления статора и равномерное распределение магнитной индукции в линейном электродвигателе.

Также, одним из основных требований к эксплуатации электродвигателей является повышение экономичности, плавности движения и коэффициента полезного действия (КПД). Такого результата достигают посредством применения совмещенных обмоток, на данный момент наиболее известной обмоткой данного типа является «Славянка». Указанная схема намотки подразумевает параллельное соединёние двух трехфазных обмоток в звезду и треугольник. Благодаря совмещённым обмоткам параметры двигателей значительно улучшаются, в частности повышается энергоэффективность, при этом, уменьшается применение дорогостоящих электротехнических материалов.

В заявляемом изобретении, представлен вариант реализации секционного каркасного статора линейного электродвигателя с реализованными принципами построения «тихоходных» электрических машин в совокупности с применением совмещенной обмотки со всеми ее преимуществами.

Из заявки на изобретение US2016372994A1 от 22.12.2016 МПК Н02К 41/02 известен статор погружной насосной установки, который содержит опорный сердечник в виде полого элемента, выполненного в виде направляющей подвижной част линейного привода, с по меньшей мере, одной катушкой индуктивности, установленной снаружи сердечника, зафиксированной посредством слоя термоусадочного материала. При этом конструкция предусматривает наличие фрикционного слоя из термоусадочного материала между опорным сердечником и, по меньшей мере, одной катушкой индуктивности. Также конструкцией могут быть предусмотрены кольцевые вставки между катушками индуктивности.

К недостаткам описанного технического решения можно отнести способ фиксации катушек индуктивности посредством термоусадочного материала, что не позволяет обеспечить достаточную точность позиционирование катушек статора относительно друг друга, а также может привести к изменению положения катушек в процессе эксплуатации под воздействием значительных температур. Из патента на полезную модель RU 113090 от 27.01.2012, известна синхронная вращающаяся электрическая машина с совмещенными обмотками, которая включает в себя шестифазную обмотку, состоящую из двух трехфазных совмещенных обмоток, соединенных соответственно в звезду и треугольник при соотношении чисел витков треугольника и звезды, равном л/3, при этом на каждую фазу приходится равное число зубцов, катушки различных фаз уложены в разные пазы так, что результирующие векторы индукции магнитного потока каждой из соседних фаз образуют между собой угол в 30 эл. градусов. Нечетные фазы соединены в звезду, а четные - в треугольник или наоборот, а выводы их фаз, отстоящие друг от друга на 30 эл. градусов, соединены между собой и образуют точки подключения фаз.

Также из заявки на изобретение США US20130038144A1 от 14.02.2013 известен статор электродвигателя погружной насосной установки содержащий множество катушек и проставок между ними, намотанных из одного проводника определенной длинны, с чередованием трех, указанных наборов катушек с разным направлением тока. Концы обмотки статора соединены в звезду в конце последнего набора катушек. Количестве катушек в каждом наборе кратно трем. Также согласно описанному изобретению каждый набор катушек содержит множество катушек, образующих смежных парах, причем одна из пары катушек намотана в противоположном направлении по отношению к другой из катушек указанной пары. Двигатель, описанный в данном варианте выполнения изобретения является тихоходным, так как, согласно описанию количество пар полюсов статора превышает количество пар полюсов подвижной части (слайдера).

К недостаткам описанного технического решения можно отнести то, что при соединение обмоток в звезда или треугольник магнитное поле обмотки не синусоидально и имеет ступенчатый вид кривой магнитодвижущей силы (М.Д.С.), при питании от источника синусоидального напряжения, что приводит к модулированию тягового усилия слайдера и вызывает нежелательные акустические шумы и вибрации двигателя, обусловленные электромагнитными силами. Исходя из конструктивного выполнения, к недостаткам описанного технического решения можно отнести использование элементов крепления, устанавливаемых между секциями статора, что может повлиять на точность позиционирования элементов статора, а также выполнение статора с гребенчатых элементов значительно увеличивает металлоемкость конструкции и усложняет технологию изготовления.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является улучшение эксплуатационных характеристик линеного вентильного электродвигателя с обеспечением стабильного тягового усилия с точным позиционированием элементов конструкции статора независимо от температурного расширения и механической нагрузки.

Технический результат, получаемый от реализации заявляемого изобретения, заключается в увеличении тягового усилия, повышении выходного момента электродвигателя, с обеспечением синусоидальности кривой магнитодвижущей силы (М.Д.С.), а также в повышении точности позиционирования элементов конструкции статора, относительно элементов подвижной части электродвигателя независимо от относительного температурного расширения и механического воздействия. Также реализация технического решения способствует уменьшению количества элементов конструкции, повышению технологичности изготовления.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что конструктивные элементы статора выполнены из материала с относительным температурным расширением равным температурному расширению элементов подвижной части линейного электродвигателя. Секции статора выполнены в виде каркасной конструкции сформированной из С-образных поперечных ферромагнитных элементов (проставок) с радиальными выступами. Указанные элементы соединены секционными и межсекционными направляющими, устанавливаемыми в осевом направлении и выполненными с возможностью обеспечения постоянной величины полюсного деления и точного позиционирования элементов статора относительно друг друга.

Секционные и межсекционные направляющие выполнены в виде пластинчатых перфорированных полос, установленных в зацеплении с радиальными выступами С-образных поперечных ферромагнитных элементов (проставок) с фиксацией посредством, периодически установленных замковых элементов. С-образные опорные элементы (проставки), выполнены с поперечной прорезью, которая выполнена с постепенным переходом по дуге и при формировании секций статора формирует продольный желоб под укладку соединяемых концов катушек.

Согласно предпочтительному варианту реализации обмотка статора содержат набор катушек, помещенных между С-образными поперечными элементами (проставками) секций статора, объединенных в группы с равным числом катушек. Катушки в группах размещенны с учетом поочередной смены направления тока в рамках одной группы. Обмотка статора является частью магнитной системы, у которой число зубцов статора отличается от числа магнитных полюсов подвижной части линейного привода на величину кратную двум, образуя результирующее магнитное поле с числом магнитных полюсов статора равным числу магнитных полюсов подвижной части. Катушки в группах расположены попарно с чередованием соединения в звезду и треугольник, образуя в каждой паре угол между векторами индукции магнитного потока 90 эл. градусов, при этом, группы катушек относящиеся к одной фазе смещены относительно групп катушек относящихся к другим фазам на 120 эл. градусов.

Также согласно предпочтительно варианту реализации изобретения, обмотка статора выполнена девятифазной с одинаковым числом зубцов на фазу и состоит из трех трехфазных обмоток, соединенных параллельно две из которых соединены в звезду и одна - в треугольник.

В группе катушек, по меньшей мере, две катушки представляют одну фазу и образуют один полюс, одна из указанной пары катушек соединена в звезду, а вторая в - треугольник с аналогичными катушками других фаз, причем каждая пара катушек в группе имеет обратную полярность по отношению к предыдущей.

Способ изготовления статора согласно заявляемой конструкции заключается в том, что статор выполняют из секций, конструктивные элементы которых, выполнены из материала с относительным температурным расширением равным температурному расширению элементов подвижной части линейного электродвигателя. Секции статора выполняют в виде каркасной конструкции сформированной из С-образных поперечных ферромагнитных элементов с радиальными выступами, а также секционных и межсекционных направляющих. Между С-образными поперечными элементами устанавливают набор катушек, которые объединяют в группы, размещенные с учетом поочередной смены направления тока в рамках одной группы. Катушки в группах формируют попарно с чередованием соединения в звезду и треугольник, образуя в каждой паре угол между векторами индукции магнитного потока 90 эл. градусов. Группы катушек, относящиеся к одной фазе, смещают относительно групп катушек относящихся к другим фазам на 120 эл. градусов.

б Также согласно предпочтительному варианту изготовления, обмотку статора выполняют из трех трехфазных обмоток, соединенных параллельно, две из которых соединены в звезду и одна - в треугольник.

Сущность заявляемого технического решения поясняется, но не ограничивается следующими графическими материалами:

фиг.1 - линейная электропогружная насосная установка;

фиг.2 - статор линейной электропогружной насосной установки, общий вид; фиг.З - статор электропогружной насосной установки в разрезе;

фиг.4 - С-образная ферромагнитная вставка (вариант 1);

фиг.5 - С-образная ферромагнитная вставка (вариант 2);

фиг.6 - схема обмотки статора электропогружной насосной установки;

фиг.7 - кривая магнитодвижущей силы (М.Д.С.) в немагнитном зазоре.

Заявляемое изобретение реализовано в конструкции линейной электропогружной насосной установки модульной конструкции, которая содержит наземную 1(фиг.1) и погружную 2 части. Наземная часть представлена в виде блока управления 3, выполненного в виде трехфазного высокочастотного инвертора-регулятора и выходного трансформатора, связанного с линейным вентильным электродвигателем 4 кабельной линией 5. Погужная часть 2 (фиг.1) содержит линейный вентильный электродвигатель 4, включающий статор 6 (фиг.2) которого выполнен из набора секций 7. Секции 7 статора сформированы из установленных вокруг полой направляющей 8 (фиг.З) для подвижной части 9 линейного электродвигателя (слайдера), кольцевых опорных элементов, выполненных в виде С-образных поперечных ферромагнитных элементов (проставок) 10, разделяющих катушки 11, формирующие обмотку с числом магнитных полюсов р>10. Обмотка статора включает в себя пространственно- совмещенную композицию трехфазных взаимозависимых частей (обмоток), собранных в звезду и треугольник. Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения конструктивные элементы статора выполнены из материала с относительным температурным расширением равным температурному расширению элементов подвижной части линейного электродвигателя. Такое выполнение позволяет обеспечить точное позиционирование элементов статора относительно подвижной части линейного электродвигателя (слайдера), благодаря чему общее температурное расширение не влияет на соотношение геометрических размеров элементов статора и слайдера, обеспечивая стабильность тягового усилия в широком диапазоне температур.

Секции 7 статора выполнены в виде каркасной конструкции сформированной из С-образных поперечных ферромагнитных элементов (проставок) 10 с радиальными выступами 12, а также секционных 13 и межсекционных 14 направляющих, устанавливаемых по окружности статора в осевом направлении. Направляющие 13,14 выполнены с возможностью обеспечения постоянной величины полюсного деления и точного позиционирования элементов статора относительно друг друга. Согласно описанному варианту реализации, направляющие 13,14 представлены в виде пластинчатых перфорированных элементов, установленных в зацеплении с радиальными выступами 12 С-образных поперечных ферромагнитных элементов (проставок) 10, с фиксацией посредством, периодически установленных замковых элементов 15. Указанные замковые элементы являются легкосъемными и выполнены с возможностью быстрого монтажа, путем установки поверх направляющих 13,14 входя в зацепление с зубцами на радиальных выступах 12. В зависимости от выполнения межсекционные направляющие 14 могут быть реализованы, как в виде отдельно установленных перфорированных пластин (фиг.1), так и виде секционных направляющих 13, устанавливаемых между смежными секциями (на изображениях не показано). Варианты выполнения С-образных опорных элементов (проставок) 10 приведены на (фиг. 4,5). Согласно одному из возможных вариантов реализации, С-образные поперечные ферромагнитные проставки 10 (фиг.4), выполнены с поперечной прорезью 16, с постепенным переходом по дуге и при формировании секций статора образуют продольный желоб под укладку соединяемых концов катушек 1 1.

Каждая секция статора содержит, по меньшей мере, оду группу 17; 17 П (фиг.2), сформированную из пары катушек 11 ; 11 п , разделенных ферромагнитной проставкой 10; 10 П . По меньшей мере, одна из пары катушек 11 , по меньшей мере, одной группы 17 первой секции 7, относящаяся к одной из фаз, связана с катушками 11 п в соответствующих группа 17 п следующих секции 7 П , относящихся к другим фазам, посредством соединения в звезду либо треугольник, обеспечивая чередование и пространственный сдвиг фаз напряжения питающей сети.

Согласно способу реализации заявляемого технического решения обмотку статора (фиг.6) выполняют из трех трехфазных обмоток, соединенных параллельно две из которых соединены в звезду (на схеме показаны сплошной линией в виде трапеций с разной толщиной линий для каждой фазы) и одна - в треугольник (на схеме показана штриховой линией в виде прямоугольников, с разной толщиной линий для каждой фазы).

Обмотка статора содержит набор катушек 11, помещенных между С- образными поперечными элементами 10 секций 7 статора и объединенных в группы 17 с равным числом катушек, размещенных с учетом поочередной смены направления тока в рамках одной группы. Описанная обмотка и слайдер (на фиг.6, показан в виде поочередно расположенных магнитов с полюсами «S», «N») формируют магнитную систему, у которой число зубцов статора отличается от числа магнитных полюсов подвижной части линейного электродвигателя на величину кратную двум, образуя результирующее магнитное поле с числом магнитных полюсов статора равным числу магнитных полюсов подвижной части. Катушки в группах расположены попарно с чередованием соединения в звезду и треугольник. В каждой паре катушек, угол между векторами индукции магнитного потока составляет 90 эл. градусов, при этом группы катушек, относящиеся к одной фазе, смещены относительно групп катушек относящихся к другим фазам на 120 эл. градусов.

Согласно одному из возможных вариантов выполнения обмотки в группе катушек, по меньшей мере, две катушки представляют одну фазу и образуют один полюс, при этом, одна из указанной пары катушек соединена в звезду, а вторая - в треугольник с аналогичными катушками других фаз. Также, каждая пара катушек в группе имеет обратную полярность по отношению к предыдущей паре.

Возможен также вариант соединения катушек в обмотку, при котором одна часть набора катушек образует группы соединенные в звезду, а вторая в треугольник со смещением в пространстве относительно друг друга на 90 эл. градусов.

Выполнение статора электродвигателя с обмоткой (фиг.6) согласно описанному изобретению позволяет получить линейный электродвигатель с числом пар полюсов на слайдере 2р=38 при числе пазов на статоре z=36 либо z=72.

Работу линейного электродвигателя со статором заявляемой конструкции можно описать следующим образом.

Посредством того, что в один из моментов времени, вектор направления магнитного поля, создаваемый током, протекающим по одной фазе обмотки статора, совпадает с вектором магнитного поля слайдера, а в двух других нет, в немагнитном зазоре образуется результирующий вектор, направленный параллельно оси слайдера (в осевом направлении), при этом на слайдер начинает действовать сила, стремящаяся привести его в устойчивое положение. Это, в свою очередь, приводит к созданию движущего момента, так как, слайдер позиционирован относительно статора таким образом, что сума векторов магнитного поля в радиальном направлении ровна нулю.

В обмотке статора протекает синусоидальный ток, фазы, соединенные в звезду размещены в пространстве на 120° относительно друг друга, фазы соединенные в треугольник - аналогично. При этом обмотки соединенные в треугольник смещены относительно обмоток соединенных в звезду на половину пазового деления при z=36 либо на одно пазовое деление при z=72.

Смещение обмоток соединенных в звезду относительно обмоток соединенных в треугольник приводит к созданию пульсирующего магнитного поля в каждом зубце, при этом суммирующий вектор максимального магнитного потока перемещается последовательно по зубцам статора. Магнитное поле, созданное постоянными магнитами слайдера, увлекается за вектором магнитного поля, который создается обмоткой статора, создавая движущий момент, действующий на подвижную часть электродвигателя .

При помощи средства управления (контролера) подают напряжение на обмотки статора так, чтобы вектор магнитного поля статора всегда был равен вектору магнитного поля слайдера. С помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) контроллер управляет током, протекающим через обмотки статора электродвигателя, т.е. вектором магнитного поля статора, и таким образом регулируется момент, действующий на слайдер. Управление реализуется таким образом, чтобы создавать и поддерживать в зазоре между статором и слайдером бегущее магнитное поле, которое увлекает за собой слайдер. Реализация заявляемого изобретения с применением совмещенной обмотки электродвигателя способствует достижению указанного технического результата, обеспечивая увеличение тягового усилия с повышением выходного момента электродвигателя. Также удается достичь синусоидальности кривой магнитодвижущей силы (М.Д.С.), как это показано на (фиг.7), благодаря чему, обеспечивается максимальная плавность хода подвижной части электродвигателя (слайдера) и увеличивается его ресурса. Выполнение статора в виде каркасной секционной конструкции обеспечивает технологичность сборки и способствует повышению точности позиционирования элементов конструкции статора, относительно элементов подвижной части электродвигателя независимо от относительного температурного расширения и механического воздействия.

Заявляемое техническое решение предусматривает различные варианты и альтернативные формы реализации. Конкретный вариант осуществления раскрыт в описании и показан посредством приведенных графических материалов. Описанный вариант реализации изобретения не ограничивается конкретной раскрытой формой и может охватывать все возможные варианты исполнения, эквиваленты и альтернативы, в рамках существенных признаков, раскрытых в формуле.