RU2537966C2

RU2537966C2 - Submerged motor rotor

Info

Publication number: RU2537966C2
Application number: RU2012154259/07A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Михайлович Санталов; Ольга Николаевна Хоцянова; Иван Дмитриевич Хоцянов
Original assignee: Закрытое Акционерное Общество "Новомет-Пермь"
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2015-01-10
Also published as: RU2012154259A; WO2014092610A1

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention pertains to the field of electric engineering, in particular to eclectic motors with permanent magnets used, for example, for submerged electric drive without formation fluid lifting. The motor rotor comprises a key-slotted shaft, the core pack made of electric steel plates with alternating poles, and each of them is formed by two V-mounted prismatic permanent magnets with tangential magnetism faced to the pole by its one polarity. The magnets are placed in slots of the pack plates and do not touch each other. The number of magnets is twice bigger than the number of poles. At inner surface of poles of both polarities there are slots along the pole axis.

EFFECT: improvement of the motor output performance due to scattering of magnetic flow at maintained rotor strength.

5 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электродвигателям с постоянными магнитами, применяемым, например, в погружном электроприводе для подъема пластовой жидкости.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to permanent magnet electric motors, used, for example, in a submersible electric drive for raising formation fluid.

Особенностью конструкции погружных электродвигателей является относительно малый диаметр и большая длина, причем вал выполняется, как правило, из магнитопроводящего материала. Полость между статором и ротором в погружных электродвигателях заполнена жидкостью, поэтому желательно, чтобы постоянные магниты в таких электродвигателях были механически защищены.A design feature of submersible electric motors is a relatively small diameter and a large length, and the shaft is made, as a rule, of magnetically conductive material. The cavity between the stator and the rotor in submersible motors is filled with liquid, so it is desirable that the permanent magnets in such motors are mechanically protected.

Известны роторы погружных электродвигателей, в которых постоянные магниты намагничены в радиальном направлении и размещены в «окнах», выштампованных в листах из электротехнической стали, из которых выполнен магнитопровод ротора [Сагаловский А.В. Новое поколение вентильных электродвигателей компании «Борец» - новый шаг в энергосбережении//Инженерная практика. 2010. №8. С.28].Known rotors of submersible electric motors, in which the permanent magnets are magnetized in the radial direction and placed in the "windows", stamped in sheets of electrical steel, of which the rotor magnetic circuit is made [Sagalovsky A.V. The new generation of valve motors of the Borets company is a new step in energy conservation // Engineering Practice. 2010. No8. P.28].

Недостатком таких роторов является относительно низкое значение индукции в рабочем зазоре электродвигателя, что приводит к невысоким значениям удельного развиваемого момента.The disadvantage of such rotors is the relatively low value of induction in the working gap of the electric motor, which leads to low values of the specific developed moment.

Известен ротор магнитоэлектрической машины, содержащий пакет пластин магнитопроводящей стали с отверстиями, и постоянные магниты призматической формы с тангенциальной намагниченностью N-S, установленные в отверстиях пластин под наклоном к радиальной оси таким образом, что расстояние между разноименными полюсами двух соседних магнитов по наружной дуге меньше, чем по внутренней, причем отверстия выполнены V-образными, а установленные в них магниты, образующие полюсное деление, соприкасаются одноименными полюсами [Патент №2316103 РФ, МПК H02K 1/27, H02K 21/14, 2005].A rotor of a magnetoelectric machine is known, comprising a package of plates of magnetically conductive steel with holes, and permanent prismatic magnets with tangential magnetization NS, mounted in the holes of the plates at an angle to the radial axis so that the distance between the opposite poles of two adjacent magnets along the outer arc is less than internal, and the holes are made V-shaped, and the magnets installed in them, forming the pole division, are in contact with the same poles [Patent No. 2316103 of the Russian Federation, IPC H02K 1/27, H02K 21/14, 2005].

Отсутствие перемычки между полюсом и внутренним кольцом магнитопровода снижает механическую прочность ротора. При вращении ротора к наружному кольцу прикладывается центробежная сила от веса полюса и двух магнитов. Это заставляет увеличивать радиальный размер внешнего кольца магнитопровода, что приводит к увеличению потока рассеяния уже по внешнему кольцу, не позволяя значительно увеличить полезный поток.The absence of a jumper between the pole and the inner ring of the magnetic circuit reduces the mechanical strength of the rotor. When the rotor rotates, an centrifugal force is applied to the outer ring from the weight of the pole and two magnets. This makes it necessary to increase the radial size of the outer ring of the magnetic circuit, which leads to an increase in the scattering flux along the outer ring, not allowing a significant increase in the useful flux.

Известен ротор погружного электродвигателя, содержащий вал со шпоночным пазом, пакет магнитопровода из пластин электротехнической стали с полюсами чередующейся полярности, каждый из которых образован двумя обращенными к полюсу одной полярностью V-образно расположенными постоянными магнитами призматической формы с тангенциальной намагниченностью, не соприкасающимися друг с другом и находящимися в пазах пакета пластин, имеющих внутреннюю и наружную поверхности без разрывов, причем число магнитов в два раза больше числа полюсов [Патент №2244370 РФ, МПК Н02К 1/06, Н02К 21/12, 2003].A rotor of a submersible electric motor is known, comprising a shaft with a keyway, a magnetic circuit pack of electrical steel plates with poles of alternating polarity, each of which is formed by two prismatic V-shaped permanent magnets facing the pole of the same polarity, with tangential magnetization that are not in contact with each other and located in the grooves of the package of plates having inner and outer surfaces without gaps, and the number of magnets is twice the number of poles [Paten t No. 2244370 of the Russian Federation, IPC Н02К 1/06, Н02К 21/12, 2003].

По совокупности признаков этот объект наиболее близок к заявляемому. Благодаря тому, что в магнитной системе данного ротора складываются магнитные потоки, она обладает потенциальной возможностью получения в зазоре электродвигателя значений индукции, превышающих значение индукции короткого замыкания постоянного магнита. Это обеспечивает повышение электромеханических и энергетических показателей электродвигателя.By the totality of features, this object is closest to the claimed one. Due to the fact that magnetic fluxes are formed in the magnetic system of this rotor, it has the potential to obtain induction values in the gap of the electric motor that exceed the induction value of the short circuit of the permanent magnet. This provides an increase in the electromechanical and energy performance of the electric motor.

Недостатком известного ротора является повышенное рассеяние магнитного потока в магнитной системе. Действительно, рассеяние на участке «полюс-вал» ограничивается только насыщением чрезвычайно малых по протяженности участков между сходящимися гранями постоянных магнитов, примыкающих к валу, а механическая связь с валом осуществляется за счет выступа на внутренней поверхности магнитопровода. Для сохранения механической прочности листа ширина насыщающихся участков составляет 0,5-1,5 мм, а проходящий через них и вал поток рассеяния составляет значительную часть полного потока полюса.A disadvantage of the known rotor is the increased scattering of the magnetic flux in the magnetic system. Indeed, scattering in the pole-shaft section is limited only by the saturation of extremely small sections between the converging faces of the permanent magnets adjacent to the shaft, and the mechanical connection with the shaft is due to the protrusion on the inner surface of the magnetic circuit. To preserve the mechanical strength of the sheet, the width of saturable sections is 0.5-1.5 mm, and the scattering stream passing through them and the shaft makes up a significant part of the total pole stream.

Настоящее изобретение направлено на повышение электромеханических и энергетических характеристик электродвигателя за счет снижения рассеяния магнитного потока, при сохранении механической прочности ротора.The present invention is directed to improving the electromechanical and energy characteristics of an electric motor by reducing the scattering of magnetic flux, while maintaining the mechanical strength of the rotor.

Указанный технический результат достигается тем, что в роторе погружного электродвигателя, содержащем вал со шпоночным пазом, пакет магнитопровода из пластин электротехнической стали с полюсами чередующейся полярности, каждый из которых образован двумя обращенными к полюсу одной полярностью V-образно расположенными постоянными магнитами призматической формы с тангенциальной намагниченностью, не соприкасающимися друг с другом и находящимися в пазах пакета пластин, имеющих внутреннюю и наружную поверхности без разрывов, причем число магнитов в два раза больше числа полюсов, согласно изобретениюна внутренней поверхности полюсов обеих полярностей по оси полюсов выполнены пазы.The specified technical result is achieved by the fact that in the rotor of a submersible electric motor containing a shaft with a keyway, a magnetic circuit package of electrical steel plates with poles of alternating polarity, each of which is formed by two prismatic V-shaped permanent magnets facing the pole of the same polarity with tangential magnetization not in contact with each other and located in the grooves of the package of plates having inner and outer surfaces without gaps, and the number magnets are twice the number of poles, according to the invention, grooves are made on the inner surface of the poles of both polarities along the axis of the poles.

Для упрощения сборки пазы по оси полюсов одной полярности целесообразно выполнять с шириной, меньшей ширины пазов, расположенных по оси полюсов другой полярности.To simplify the assembly of the grooves along the axis of the poles of one polarity, it is advisable to perform with a width less than the width of the grooves located along the axis of the poles of another polarity.

Предпочтительно, чтобы радиальный размер паза по центру был больше, чем по краям, это позволит сохранить одинаковую степень насыщения по всей длине насыщающихся участков (перемычек).It is preferable that the radial size of the groove in the center be larger than at the edges, this will allow to maintain the same degree of saturation along the entire length of saturable sections (jumpers).

Рассеяние будет минимальным, если для механического соединения пакета магнитопровода с валом используются шпонки из немагнитного материала.Scattering will be minimal if dowels made of non-magnetic material are used to mechanically connect the magnetic core package to the shaft.

Кроме того, на внешней поверхности пластин по междуполюсной оси каждой пары соседних полюсов могут быть выполнены выемки, а пластины, по крайней мере, части полюсов соединены сваркой по всей длине магнитопровода с образованием сварочного шва по дну выемок.In addition, recesses can be made on the outer surface of the plates along the interpolar axis of each pair of adjacent poles, and plates, at least part of the poles, are connected by welding along the entire length of the magnetic circuit to form a weld along the bottom of the recesses.

Сущность изобретения поясняется чертежами. The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 представлено поперечное сечение ротора с пазами, выполненными на внутренней поверхности полюсов обеих полярностей по оси полюсов; на фиг. 2 - поперечное сечение ротора с пазами разной ширины, на фиг. 3 - фрагмент А фиг. 2 в увеличенном масштабе; на фиг. 4 - поперечное сечение ротора без пазов у двух соседних полюсов одной полярности; на фиг. 5 - поперечное сечение ротора с выемками на внешней поверхности.In FIG. 1 shows a cross section of a rotor with slots made on the inner surface of the poles of both polarities along the axis of the poles; in FIG. 2 is a cross section of a rotor with grooves of different widths, FIG. 3 - fragment A of FIG. 2 on an enlarged scale; in FIG. 4 - cross section of the rotor without grooves at two adjacent poles of the same polarity; in FIG. 5 is a cross section of a rotor with recesses on the outer surface.

Ротор погружного электродвигателя содержит вал 1, на котором расположен магнитопровод 2, набранный из пластин электротехнической стали (фиг. 1, 2, 4, 5). Внутренняя и наружная поверхности пластин выполнены без разрывов. В окнах магнитопровода 2 размещены постоянные магниты 3, намагниченные в тангенциальном направлении так, чтобы создать чередующиеся северные и южные полюса ротора. На внутренней поверхности магнитопровода 2 по оси полюсов выполнены пазы 4, в одном или нескольких из которых установлены шпонки 5, служащие для передачи полезного момента на вал 1. На внешней поверхности ротора по междуполюсной оси каждой пары соседних полюсов могут быть выполнены выемки 6 (фиг. 5), которые могут быть использованы для соединения пластин между собой с помощью сварки с тем, чтобы сварочный шов, проходящий по дну выемок 6, не выходил за образующую окружность полюсов. Наличие этих выемок дополнительно снижает поток рассеяния.The rotor of a submersible electric motor contains a shaft 1, on which is located a magnetic circuit 2, recruited from plates of electrical steel (Fig. 1, 2, 4, 5). The inner and outer surfaces of the plates are made without gaps. In the windows of the magnetic circuit 2 there are permanent magnets 3 magnetized in the tangential direction so as to create alternating north and south poles of the rotor. Grooves 4 are made on the inner surface of the magnetic circuit 2 along the axis of the poles, in one or more of which keys 5 are installed, which serve to transfer the useful moment to the shaft 1. On the outer surface of the rotor along the interpolar axis of each pair of adjacent poles, recesses 6 can be made (Fig. 5), which can be used to connect the plates to each other by welding so that the weld extending along the bottom of the recesses 6 does not extend beyond the circumference of the poles. The presence of these recesses further reduces the scattering flux.

Окна для магнитов 3 и пазы 4 образуют в магнитопроводе 2 внутренние насыщающиеся участки 7 (фиг. 3).Windows for magnets 3 and grooves 4 form internal saturable sections 7 in the magnetic circuit 2 (Fig. 3).

Ротор электродвигателя является индуктором, т.е. источником магнитного потока. Создаваемый постоянными магнитами 3 поток полюса (фиг. 1, 5) содержит полезный поток Ф_п, замыкающийся через статор, и основные потоки рассеяния: поток Ф_s1, замыкающийся через внутренние насыщающиеся перемычки 7 и вал 1, поток Ф_s2, замыкающийся через перемычки 8, примыкающие к внешней образующей ротора (фиг. 3).The rotor of the electric motor is an inductor, i.e. source of magnetic flux. The pole stream created by the permanent magnets 3 (Figs. 1, 5) contains the useful flux Ф _p that closes through the stator and the main scattering fluxes: flux Ф _s1 that closes through the internal saturable jumpers 7 and shaft 1, the stream Ф _s2 that closes through the jumpers 8 adjacent to the outer generatrix of the rotor (Fig. 3).

Чем меньше величина потоков рассеяния, тем совершеннее электродвигатель. Величина потоков рассеяния определяется степенью насыщения магнитопроводящих перемычек и их протяженностью.The smaller the amount of scattering fluxes, the more perfect the electric motor. The magnitude of the scattering flux is determined by the degree of saturation of the magnetically conducting jumpers and their length.

Чем больше протяженность насыщающихся участков 7, тем выше их магнитное сопротивление потокам рассеяния, которые замыкаются по цепи: полюс одной полярности - насыщающийся участок полюса одной полярности - вал - насыщающийся участок полюса другой полярности - полюс другой полярности. В известной магнитной системе протяженность насыщающегося участка для потока рассеяния Ф_s1 чрезвычайно мала, что приводит к повышенному рассеянию магнитного потока постоянных магнитов. В роторе предлагаемой конструкции протяженность насыщающихся участков минимум на порядок больше.The greater the length of saturable sections 7, the higher their magnetic resistance to scattering fluxes that are closed in a circuit: a pole of one polarity — a saturable portion of a pole of one polarity — a shaft — a saturable portion of a pole of another polarity — a pole of another polarity. In the known magnetic system, the extent of the saturable section for the scattering flux Φ _{s1 is} extremely small, which leads to increased scattering of the magnetic flux of permanent magnets. In the rotor of the proposed design, the length of saturable sections is at least an order of magnitude greater.

Оптимальное соотношение параметров «механическая прочность-коэффициент рассеяния» будет в том случае, когда толщина насыщающихся участков 7 будет одинаковой на всем их протяжении. Для этого пазы 4 целесообразно выполнять с радиальным размером по центру большим, чем по краям, например «крышеобразным» (фиг. 1-5).The optimal ratio of the parameters "mechanical strength-scattering coefficient" will be in the case when the thickness of the saturated sections 7 will be the same throughout their entire length. For this, the grooves 4, it is advisable to perform with a radial size in the center greater than at the edges, for example, “roof-shaped” (Fig. 1-5).

В случае большого числа полюсов может оказаться недостаточной прочность участка между пазами 4, через который передается вращающий момент двигателя на вал 1. В этом случае пазы 4 не выполняют напротив полюсов, примыкающих к полюсу с реальным шпоночным пазом, в котором установлена шпонка 5, соединяющая вал 1 с магнитопроводом 2 (фиг. 4). Изготовление шпонки 5 из немагнитного материала снижает рассеяние магнитного потока.In the case of a large number of poles, the strength of the section between the grooves 4 through which the engine torque is transmitted to the shaft 1 may be insufficient. In this case, the grooves 4 are not made opposite the poles adjacent to the pole with a real keyway in which the key 5 connecting the shaft is installed 1 with a magnetic circuit 2 (Fig. 4). The manufacture of dowels 5 from non-magnetic material reduces the scattering of magnetic flux.

При выполнении пазов 4 напротив всех полюсов возникает опасность, что при сборке электродвигателя часть пакетов может быть установлена так, что по одной оси окажутся полюса разной полярности. Для исключения такой возможности пазы, расположенные напротив разноименных полюсов, могут выполняться с разной шириной (фиг. 2-3).When performing grooves 4 opposite all the poles, there is a danger that during assembly of the electric motor some of the packages can be installed so that poles of different polarity appear on one axis. To exclude this possibility, the grooves located opposite the opposite poles can be made with different widths (Fig. 2-3).

Таким образом, заявляемая конструкция ротора за счет увеличения в несколько раз протяженности насыщающихся участков магнитопровода, образованных окнами для магнитов и верхними стенками пазов, позволяет снизить рассеяния магнитного потока, и как следствие, улучшить электромеханические и энергетические характеристики электродвигателя.Thus, the inventive design of the rotor by several times increasing the length of saturable sections of the magnetic circuit formed by the windows for the magnets and the upper walls of the grooves, allows to reduce the scattering of the magnetic flux, and as a result, improve the electromechanical and energy characteristics of the electric motor.

Claims

1. The rotor of a submersible electric motor, comprising a shaft with a keyway, a magnetic circuit package of electrical steel plates with poles of alternating polarity, each of which is formed by two prismatic V-shaped permanent magnets facing the pole of the same polarity, with tangential magnetization that are not in contact with each other and located in the grooves of the package of plates having inner and outer surfaces without gaps, and the number of magnets is two times the number of poles, different the fact that the grooves are made on the inner surface of the poles of both polarities along the axis of the poles.

2. The rotor according to claim 1, characterized in that the grooves of the poles along the axis of one polarity are made wider than the grooves of the poles along the axis of the other polarity.

3. The rotor according to claim 1, characterized in that the radial size of the grooves of the poles in the center is larger than at their edges.

4. The rotor according to claim 1, characterized in that for the mechanical connection of the poles with the shaft, dowels made of non-magnetic material are used.

5. The rotor according to claim 1, characterized in that recesses are made on the outer surface of the plates along the interpolar axis of each pair of adjacent poles, and the plates, at least part of the poles, are connected by welding along the entire length of the magnetic circuit with the formation of a weld along the bottom of the recesses.