Обмотка погружного электродвигателя, инкапсулированная в термоусадочную трубку

Изобретение относится к погружным электродвигателям для насосов. Техническим результатом группы изобретений является улучшение теплопередачи при охлаждении погружных электродвигателей для насосов, повышение защиты проводов обмотки от истирания. Для этого электродвигатель включает корпус, множество пластин статора внутри корпуса, несколько роторов. В каждой пластине статора образовано центральное окно и несколько пазов. Роторы расположены внутри центрального пространства, образованного центральным окном каждой из множества пластин статора. Провода обмотки проходят сквозь каждый из нескольких пазов пластин в каждой из множества пластин статора. Термоусадочная оболочка окружает провода обмотки для их скрепления в жгуты. Причем пространство между термоусадочной оболочкой, окружающей провода обмотки, и внутренней поверхностью пазов пластины обеспечивает протекание текучей среды через пазы пластин. Для осуществления способа улучшения теплопередачи в электродвигателе вставляют термоусадочную оболочку в пазы пластин статора в электродвигателе. Вставляют множество проводов обмотки в пазы пластин статора. Нагревают провода обмотки для усадки термоусадочной оболочки вокруг проводов обмотки и скрепления проводов обмотки в жгуты так, что пространство между термоусадочной оболочкой и внутренней поверхностью пазов пластин обеспечивает протекание текучей среды вокруг жгутов проводов внутри пазов пластин. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области погружных электродвигателей для насосов. В частности, изобретение относится к улучшению теплопередачи при охлаждении погружных электродвигателей для насосов.

Уровень техники

В погружном электрическом насосном агрегате (установке) обычно используется погружной электродвигатель для приведения в действие соединенного с ним центробежного насоса. Погружной электрический насосный агрегат опускается в ствол нефтяной скважины и используется для подачи нефти на поверхность.

Двигатели обычно заполняются минеральным маслом высокой степени очистки, либо синтетическим, с высокой электрической прочностью. Расчетное и рабочее напряжения таких двигателей обычно находятся в интервале от 230 до 7200 В. Сила тока обычно составляет от 12 до 200 А. Необходимая мощность может быть получена путем увеличения длины или диаметра двигательной секции. Известны одномоторные установки большой мощности, длина которых превышает 100 футов, а мощность составляет до 400 л.с., в то время как известные сдвоенные двигатели имеют длину, приближающуюся к 90 футам и мощность до 750 л.с., и более. Также возможны и другие размеры и мощности.

Двигатель состоит из роторов, обычно имеющих длину примерно от 12 до 18 дюймов, которые установлены на валу и разделены подшипником ротора. Подшипники ротора центрируют вращающиеся компоненты в статоре. Масло с высокими диэлектрическими свойствами, заполняющее двигатель, смазывает подшипники и помогает отводить тепло. Роторы помещены в электромагнитное поле, создаваемое статором, установленным внутри корпуса.

Статор состоит из большого числа отдельных пластин, которые вместе с обмотками статора, включающими жилы обмоточного провода, выполняют функцию электромагнитов. Пластины образуют полый цилиндр, где один полюс каждого электромагнита обращен к центру. Хотя статор физически неподвижен, последовательное изменение полярности полюсов статора производится таким образом, что их совокупное магнитное поле вращается. В двигателе переменного тока это достигается легко, поскольку изменение полярности каждые полпериода автоматически будет изменять полярность каждого полюса статора.

У ротора также имеется группа электромагнитов, находящихся в цилиндре, полюсы которых обращены к полюсам статора. Вращение ротора происходит просто за счет магнитного притяжения и отталкивания, когда полюсы ротора пытаются следовать за вращающимся полем, создаваемым статором. Как правило, ротор не имеет внешних электрических соединений. Вместо этого электрический ток в роторе наводится магнитным полем, создаваемым статором.

Множество пластин статора, которые собраны в пакет и вставлены в корпус двигателя, образуют большое число окон для проводов или пазов пластин, которые заполняются обмотками статора, включающими жилы обмоточного провода электромагнита. Пластины обычно изготавливают из стали. Каждая жила провода имеет покрытие с высокими диэлектрическими свойствами с тем, чтобы не возникало короткого замыкания между проводами. Кроме того, в пазы пластин также обычно вставляются трубки или пазовая изоляция из диэлектрика с с высокой изоляционной способностью для дополнительной защиты проводов. Обмотки электродвигателя могут вибрировать, что приводит к трению проводов друг о друга. Если диэлектрическое покрытие стирается, происходит электрическое короткое замыкание. Чтобы предотвратить это, пазы пластин обычно заполняются лаком или эпоксидной смолой, которая обволакивает провода, создавая сплошной массив, чем предотвращается трение проводов друг о друга.

В трехфазных двигателях индукционного типа обычно выделяется много тепла. Тепло должно быть отведено, иначе двигатель быстро перегреется и выйдет из строя. Масло с высокими диэлектрическими свойствами, которым заполняется двигатель, помогает отводить тепло. Двигатель охлаждается путем передачи тепла изнутри двигателя наружу корпуса, где протекающий мимо двигателя скважинный флюид уносит тепло с использованием кондуктивного, конвективного и радиационного механизмов. Одним недостатком использования материала для заливки проводов является то, что материал заливки препятствует отводу тепла.

Раскрытие изобретения

Соответственно, в основе настоящего изобретения лежит задача улучшения отвода тепла от электродвигателя погружного электрического насоса. Погружной электрический насосный агрегат в соответствии с изобретением опущен в обсадную трубу и имеет электродвигатель для приведения в действие центробежного насоса. Электродвигатель включает корпус и множество пластин статора внутри корпуса. В каждой пластине статора имеется центральное окно и несколько окон или пазов для проводов. Сквозь центральное окно множества пластин статора проходит вал. На валу установлено большое число роторов, располагающихся в центральном окне каждой из множества собранных в пакет пластин статора.

Сквозь каждый из нескольких пазов, образованных собранными в пакет множеством пластин статора, проходит множество проводов обмотки. Каждый из множества проводов обмотки заключен в термоусадочную оболочку для закрепления проводов обмотки в жгутах.

На практике термоусадочная оболочка вставляется в пазы пластин статора в электродвигателе. Пластины статора, термоусадочная оболочка и провода обмотки нагреваются для усадки термоусадочной оболочки вокруг провода обмотки, благодаря чему провода обмотки фиксируются в жгутах термоусадочной оболочкой.

В результате провода надежно связаны друг с другом так, что масло может свободно перемещаться в открытом пространстве, окружающем жгуты проводов внутри пазов в пластинах. Поскольку текучая среда (жидкость) может проходить между и вокруг обмоток, температура по обмотке будет стабилизирована, и локальный перегрев, характерный для существующих конструкций, будет существенно ослаблен.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг.1 схематически представлен вид скважины с помещенным в ней погружным электрическим насосом;

на фиг.2 представлен перспективный вид с вырезом двигателя погружного электрического насоса, показанного на фиг.1; и

на фиг.3 представлен вид сечения по линии 3-3 па фиг.2, показывающий обмотки статора в окнах для проводов или пазах пластин, образованных пластинами статора.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

На фиг 1 представлена скважина 10, в которой ствол скважины окружен обсадной трубой 12. В обсадной трубе сделаны отверстия 14 для обеспечения поступления скважинных флюидов. В скважину 10 на насосно-компрессорной трубе 18 опущен погружной электрический насосный агрегат 16. Погружной электрический насосный агрегат 16 включает насос 20, имеющий всасывающие отверстия 22, засасывающие скважинные флюиды. Насос 20 отделен от двигателя 26 протектором 24 погружного электродвигателя. Скважинные флюиды нагнетаются на поверхность насосом 20 сквозь насосно-компрессорную колонну 18.

Как показано на фиг.2 и 3, электродвигатель 26 включает корпус 28 и множество пластин 30 статора. В каждой пластине 30 статора имеется центральное окно 32 (фиг.3) и несколько окон или пазов 34 в пластинах для проводов. Сквозь центральное окно 32 множества пластин 30 статора проходит вал 36.

На валу 36 установлено несколько роторов 38. Роторы 38 вращаются внутри центрального пространства, образованного центральным окном 32 каждого из множества пластин 30 статора. Вал 36 окружен радиальным подшипником 40 (фиг.2). Обмотки статора, включающие множество проводов 42 обмотки, проходят сквозь каждый из нескольких пазов 34 в пластинах в каждой из множества пластин 30 статора. Термоусадочный материал, например термоусадочная оболочка или трубка 44, окружает каждый из множества проводов 42 обмотки, плотно удерживая провода 42 в жгутах. В одном предпочтительном варианте, термоусадочная трубка 44 выполнена из полиэфирэфиркетона или полиарилэфиркетона, обычно называемого PEEK, толщиной 0,007 дюйма, хотя могут быть использованы и другие материалы с другой толщиной. В зависимости от условий, включая ожидаемые рабочие температуры, требования по напряжению и др., используемый материал и толщина материала могут изменяться. В других применениях могут быть использованы другие термоусадочные материалы. Другие возможные материалы включают РЕЕКНТ (высокотемпературный полиэфирэфиркетон), Kynar® (поливинилиденфторид), Viton®, полиолефин, PVC (поливинилхлорид), неопрен, PTFE (политетрафторэтилен) и FEP (фторированный этилен-пропилен). Кроме того, при необходимости, может быть использовано несколько слоев термоусадочной оболочки или термоусадочной трубки 44.

Преимущество использования термоусадочной трубки 44 состоит в том, что провода 42 обмотки закреплены внутри пазов 34 пластин так, что между термоусадочной трубкой 44 и внутренней поверхностью пазов 34 пластин остается пространство 46 (фиг.3). Наличие пространства 46 обеспечивает протекание диэлектрической жидкости сквозь пазы 34 пластин, что способствует отведению тепла.

На практике, перед тем, как провода 42 обмотки вставляются в пазы 34 пластин, в каждый паз 34 пластин вставляется термоусадочная трубка 44. Далее, обмотки статора, включающие провода 42 обмотки, вставляются внутрь термоусадочных трубок 44. Затем провода 42 обмотки нагреваются до температуры, необходимой для того, чтобы произошла усадка трубок 44 вокруг проводов 42 обмотки.

Преимущества изобретения включают защиту проводов 42 обмотки от истирания во время работы двигателя путем объединения проводов 42 в жгут термоусадочной трубкой 44. Другое преимущество состоит в том, что исключаются традиционно используемые для закрепления провода 42 обмотки лак или эпоксидная смола, благодаря чему диэлектрическое масло может свободно протекать сквозь открытое пространство, окружающее термоусадочные трубки внутри пазов 34 пластин. Затем нагретое масло может перемещаться к более холодным областям вблизи корпуса 28, что значительно улучшает отведение тепла. Поскольку диэлектрическая жидкость может проходить между и вокруг провода 42 обмотки, температура по проводу 42 обмотки в целом будет стабилизирована, и локальный перегрев, характерный для пазов 34 пластин, заполненных лаком или эпоксидной смолой, будет существенно ослаблен.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет эффективно решить задачи и достигнуть цели и преимущества как упомянутые выше, так и присущие изобретению. В то время как для раскрытия изобретения были описаны предпочтительные варианты его выполнения, для специалистов будут очевидны многочисленные изменения и модификации. Подобные изменения и модификации охватываются существом настоящего изобретения, определяемым формулой.

1. Скважина, включающая устье скважины, обсадную трубу, проходящую вниз от устья скважины, погружной электрический насосный агрегат, опущенный в обсадную трубу и снабженный электродвигателем для приведения в действие центробежного насоса, имеющим:
корпус,
множество пластин статора внутри корпуса, в каждой из которых имеется центральное окно и несколько пазов пластины,
несколько роторов, расположенных внутри центрального пространства, образованного центральным окном каждой из множества пластин статора, и установленных с возможностью вращения относительно этого множества пластин статора,
провода обмотки, проходящие сквозь каждый из нескольких пазов пластин в каждой из множества пластин статора,
термоусадочную оболочку, окружающую провода обмотки для их скрепления в жгуты,
причем пространство между термоусадочной оболочкой, окружающей провода обмотки, и внутренней поверхностью пазов пластины обеспечивает обтекание текучей средой проводов обмотки в пазах пластин.

2. Скважина по п.1, в которой термоусадочная оболочка представляет собой термоусадочную трубку.

3. Скважина по п.1, в которой термоусадочная оболочка выполнена из полиэфирэфиркетона.

4. Скважина по п.1, где имеется дополнительный слой термоусадочной оболочки, окружающий упомянутую термоусадочную оболочку вокруг проводов обмотки.

5. Электродвигатель для погружного насосного агрегата, имеющий
корпус,
множество пластин статора внутри корпуса, в каждой из которых имеется центральное окно и несколько пазов пластины,
несколько роторов, расположенных внутри центрального пространства, образованного центральным окном каждой из множества пластин статора,
провода обмотки, проходящие сквозь каждый из нескольких пазов пластин в каждой из множества пластин статора,
термоусадочную оболочку, окружающую провода обмотки для их скрепления в жгуты,
причем пространство между термоусадочной оболочкой, окружающей провода обмотки, и внутренней поверхностью пазов пластины обеспечивает протекание текучей среды через пазы пластин.

6. Электродвигатель по п.5, в котором термоусадочная оболочка представляет собой термоусадочную трубку.

7. Электродвигатель по п.5, в котором термоусадочная оболочка выполнена из полиэфирэфиркетона.

8. Электродвигатель по п.5, включающий дополнительный слой термоусадочной оболочки, окружающий упомянутую термоусадочную оболочку вокруг проводов обмотки.

9. Способ улучшения теплопередачи в электродвигателе погружного электрического насоса, при осуществлении которого:
вставляют термоусадочную оболочку в пазы пластин статора в электродвигателе,
вставляют множество проводов обмотки в пазы пластин статора,
нагревают провода обмотки для усадки термоусадочной оболочки вокруг проводов обмотки и скрепления проводов обмотки в жгуты так, что пространство между термоусадочной оболочкой и внутренней поверхностью пазов пластин обеспечивает протекание текучей среды вокруг жгутов проводов внутри пазов пластин.

10. Способ по п.9, в котором термоусадочная оболочка представляет собой термоусадочную трубку.

11. Способ по п.9, в котором дополнительно вставляют второй слой термоусадочной оболочки в пазы пластин.