CN102437694A - 石油钻井用混合励磁式叶轮发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种石油钻井用混合励磁式叶轮发电机，由叶轮组件和发电机组件两部分组成。叶轮组件由叶轮和叶轮轴组成；叶轮轴与发电机转轴组件通过齿轮减速器连接在一起；发电机组件包括：发电机上轴承组件，发电机转轴组件，发电机房，上发电机定子组件，下发电机定子组件，发电机下轴承组件；发电机转轴组件包括有上下两组永磁体和凸极组，在轴向上分别与设于发电机转轴组件外侧的上发电机定子组件和下发电机定子组件相对应。该叶轮发电机在保证旋转密封工作的可靠性的同时，使得发电机转速可以维持较高，发电机能够运行在较大功率输出状态。发电机的开路输出电压幅值稳定。发电机的长度可以较短，对石油钻井仪器结构设计会带来很大好处。

Description

石油钻井用混合励磁式叶轮发电机

技术领域

本发明涉及石油开采技术领域，特别是一种石油钻井用混合励磁式叶轮发电机。

背景技术

在石油钻井过程中，一般都需要给井下电子测量总成及旋转自动导向器中的导向控制模块供电。一种方式是利用耐高温锂电池供电，其缺点是明显的：①使用寿命有限(一般不超过300小时)，仅为更换电池而起钻，浪费时间和财力；②最大传输电流受限制，一定程度上限制了其所能提供的功率；③电池用完后，会造成环境污染；④操作不当时，可能产生爆炸等危险后果。另外一种优选的方式是利用叶轮发电机供电，通过泥浆冲刷叶轮带动发电机转轴旋转发电来实现机械能到电能的转换，理论使用时间无限，国外产品连续实际使用时间也可到500小时以上，维修时只需要更换价格较低的少数易损件(如轴承等)，可重复使用，且操作安全，环保。

现有的石油钻井仪器用叶轮发电机，基本上都是由叶轮组件和发电机组件两部分组成。其中叶轮组件包括叶轮和叶轮轴，发电机组件由发电机定子组件和发电机转轴组件组成，发电机定子组件是在具有齿槽结构的硅钢片叠压形成的定子壳体内绕设定子绕组构成，定子绕组一般是3相对称绕组；发电机转轴组件是在导磁转轴上镶嵌永磁体构成，发电机定子组件和发电机转轴组件由发电机上、下轴承组件支撑连接在一起，放在发电机房里。发电机转轴组件通过联轴器与叶轮组件的叶轮轴直接相连接，叶轮与叶轮轴之间有一个旋转密封，或者发电机转轴组件通过磁耦合的方式与叶轮耦合连接。在井下工作的时候，泥浆冲刷叶轮旋转，带动发电机转轴组件旋转，其中永磁体产生的径向磁场切割定子绕组发电。

现有技术一：

专利US 5249161提到的结构形式为：叶轮组件中的叶轮轴直接连接到发电机转轴组件(发电机转轴上有永磁体)，叶轮和叶轮轴之间用到旋转密封，泥浆冲刷叶轮带动叶轮轴转动，进而带动发电机转轴组件旋转发电。

专利US 2002/0162654A1提到的结构形式为：发电机房内有发电机定子组件、发电机转轴组件(含永磁体)、上轴承组件、下轴承组件和一个叶轮组件。发电机房在叶轮上端附近至少有一个泥浆入口，在叶轮下端附近至少有一个泥浆出口。上、下轴承组件和发电机定转子组件都在液压油中，叶轮组件与上、下轴承组件两者之间分别有旋转密封。旋转密封的作用是阻止泥浆进入轴承组件和发电机定转子组件以及避免泥浆污染液压补偿油腔。

现有技术一的共同特点是：①叶轮轴与发电机转轴之间直接相连(或者通过联轴器相连)，叶轮和叶轮轴之间用到旋转密封；②叶轮轴与发电机转轴之间直接相连(或者通过联轴器相连)，两者之间没有齿轮减速器。而使用齿轮减速器后，发电机转轴转速可以较高，同时保持叶轮转轴转速较低。由于现有技术一必须用到旋转密封，而我们知道影响旋转密封的工作可靠性及使用寿命的一个关键因素是与之工作相配合的转轴的转速高低，转轴转速越低，旋转密封的工作可靠性越好，使用寿命越长。这就意味着现有技术一中要保证旋转密封的工作可靠性，叶轮轴的转速就必须较低，由于直接连接，相应的发电机转轴的转速也必须较低，而这对于发电机的功率优化设计是很不利的，也就是说发电机无法工作在较高转速对应的较大功率输出状态。或者反过来说，如果基于系统功率需求，强求发电机工作在较高转速(能够输出较大功率)，那么旋转密封部分工作可靠性将降低，使用寿命将大幅度缩短，这势必影响整个石油钻井系统的无故障工作时间。事实上，国内很多石油钻井仪器无故障工作时间上不去，旋转密封不可靠是一个重要因素。另外，由于发电机转轴组件中只有永磁体(硬磁材料)，制成后其径向气隙磁场仅由永磁体提供，基本保持恒定。发电机的开路输出电压近似与发电机转轴组件转速成正比变化。而在石油钻井中，泥浆排量是经常变化的，这将造成叶轮转速变化，导致发电机转轴转速变化，相应的发电机的开路输出电压会发生变化，无法保持稳定。如果泥浆排量变化范围较大，发电机的开路输出电压幅值变化就会较大，将对后续整流电路及DC-DC变换电路部分造成较大冲击，甚至损坏电路。

综上所述，现有技术一的缺点是：

①发电机不能工作在较大功率输出状态；

②旋转密封工作可靠性低，使用寿命短，整个系统的无故障工作时间上不去；

③泥浆排量变化范围较大情况下，发电机的开路输出电压幅值变化较大，会对后续整流电路及DC-DC变换电路部分造成较大冲击，甚至损坏电路。

现有技术二：

鉴于现有技术一中所述旋转密封存在的隐患，国内外石油钻井仪器中又出现了磁耦合器形式的叶轮发电机。其结构如下：叶轮与外磁耦合器(含外磁耦合器永磁体)组成叶轮组件，叶轮组件通过滑动轴承支撑在磁耦合器隔离套上；磁耦合器隔离套通过螺纹连接在发电机房上；发电机房内部装有内磁耦合器(含内磁耦合器永磁体)，发电机转轴组件(含发电机永磁体)，发电机定子组件(含3相定子绕组)，发电机上、下轴承组件，其中内磁耦合器与发电机转轴同轴固连，发电机房与磁耦合器隔离套组成了一个密闭的空间，处在空气当中，如此一来就省去了旋转密封。其工作原理是：泥浆冲刷叶轮，带动叶轮和外磁耦合器转动，通过磁耦合作用带动内磁耦合器转动，也就是带动发电机转轴转动发电。由于没有旋转密封，发电机转速可以较高，可以工作在较大功率输出状态。

虽然现有技术二成功的避开了旋转密封所存在的隐患，但是其缺点如下：

①发电机输出功率受限。由于磁耦合器传输功率有限，如果要求发电机输出功率较大，内外磁耦合器之间就会由于负载扭矩过大而造成滑脱，导致发电机停转，整个系统无法工作。事实上，成功应用在石油钻井系统中的磁耦合器形式的叶轮发电机输出功率都不大，例如Baker Hughes公司的NaviTrack UPU仪器中用的磁耦合器形式的发电机输出功率为85W，Halliburton公司sperry-sun 650仪器中用到的磁耦合形式的发电机输出功率不超过50W。如此小输出功率的发电机应用在常规无线随钻系统中勉强可以，但要应用在用电量较高的带地质参数的无线随钻系统中或者旋转导向系统中基本不现实。

②与现有技术一中所述一样，泥浆排量变化范围较大情况下，发电机的开路输出电压幅值变化较大，会对后续整流电路及DC-DC变换电路部分造成较大冲击，甚至损坏电路。

鉴于上述现有技术中存在的问题，我们有必要设计一种新型结构的混合励磁式叶轮发电机，以克服上述各种问题。

发明内容

本发明的主要目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种石油钻井用混合励磁式叶轮发电机。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的：

一种石油钻井用混合励磁式叶轮发电机，其特征在于：该叶轮发电机由叶轮组件和发电机组件两部分组成；

所述叶轮组件由叶轮和叶轮轴组成；该叶轮和叶轮轴之间安放一个旋转密封；叶轮轴由叶轮轴用轴承支撑；叶轮轴与发电机转轴组件通过齿轮减速器连接在一起；

所述发电机组件包括：发电机上轴承组件，发电机转轴组件，发电机房，上发电机定子组件，下发电机定子组件，发电机下轴承组件；所述发电机房作为发电机组件的外壳；所述发电机转轴组件包括有上下两组永磁体和凸极组，在轴向上分别与设于发电机转轴组件外侧的上发电机定子组件和下发电机定子组件相对应；该发电机转轴组件通过发电机上轴承组件和发电机下轴承组件支撑在所述上发电机定子组件和下发电机定子组件内部。

所述发电机组件中还设置有励磁绕组；所述励磁绕组绕设在所述发电机转轴组件的外侧，设置在所述上下发电机定子组件之间。

所述发电机转轴组件，包括：发电机转轴、上发电机转轴永磁磁路、上发电机转轴凸极、下发电机转轴凸极、下发电机转轴永磁磁路；所述上发电机转轴永磁磁路和上发电机转轴凸极构成上发电机转轴永磁体和凸极组，与所述上发电机定子组件相对应；所述下发电机转轴永磁磁路和下发电机转轴凸极构成下发电机转轴永磁体和凸极组，与所述下发电机定子组件相对应。

所述发电机转轴采用的材料为导磁率较高的软磁材料。

所述上发电机定子组件、下发电机定子组件，分别由发电机硅钢片定子壳体及绕设于定子壳体槽内的定子绕组结构构成。

所述上发电机转轴永磁磁路上设有多个永磁体，各个永磁体呈N、S极性交错分布；所述上发电机转轴凸极上相间设有多个凸极齿部和凸极永磁体；所述上发电机转轴凸极的凸极齿部的位置与所述上发电机转轴永磁磁路的S极性永磁体相对应；所述上发电机转轴凸极的凸极永磁体极性为N极性，位置与所述上发电机转轴永磁磁路的N极性永磁体相对应；所述下发电机转轴凸极上相间设有多个凸极齿部和凸极永磁体；所述下发电机转轴凸极的凸极齿部的位置与所述上发电机转轴永磁磁路的N极性永磁体相对应；所述下发电机转轴凸极的凸极永磁体极性为S极性，位置与所述上发电机转轴永磁磁路的S极性永磁体相对应；所述下发电机转轴永磁磁路上设有多个永磁体，各个永磁体呈N、S极性交错分布；所述下发电机转轴永磁磁路的N极性永磁体的位置与所述上发电机转轴永磁磁路的N极性永磁体相对应；所述下发电机转轴永磁磁路的S极性永磁体的位置与所述上发电机转轴永磁磁路的S极性永磁体相对应；所述上发电机转轴永磁磁路的永磁体极对数、上发电机转轴凸极的凸极齿部数量、下发电机转轴凸极的凸极齿部数量、下发电机转轴永磁磁路的永磁体极对数四者相一致。

所述上发电机转轴永磁磁路上设有多个永磁体，各个永磁体呈N、S极性交错分布；所述上发电机转轴凸极上相间设有多个凸极齿部和凸极永磁体；所述上发电机转轴凸极的凸极齿部的位置与所述上发电机转轴永磁磁路的S极性永磁体相对应；所述上发电机转轴凸极的凸极永磁体极性为N极性，位置与所述上发电机转轴永磁磁路的N极性永磁体相对应；所述下发电机转轴凸极上相间设有多个凸极齿部和凸极永磁体；所述下发电机转轴凸极的凸极齿部的位置与所述上发电机转轴永磁磁路的S极性永磁体相对应；所述下发电机转轴凸极的凸极永磁体极性为S极性，位置与所述上发电机转轴永磁磁路的N极性永磁体相对应；所述下发电机转轴永磁磁路上设有多个永磁体，各个永磁体呈N、S极性交错分布；所述下发电机转轴永磁磁路的N极性永磁体的位置与所述上发电机转轴永磁磁路的S极性永磁体相对应；所述下发电机转轴永磁磁路的S极性永磁体的位置与所述上发电机转轴永磁磁路的N极性永磁体相对应；所述上发电机转轴永磁磁路的永磁体极对数、上发电机转轴凸极的凸极齿部数量、下发电机转轴凸极的凸极齿部数量、下发电机转轴永磁磁路的永磁体极对数四者相一致。

所述发电机组件设有一个发电机定子组件，两个励磁绕组；所述发电机转轴组件设有转轴；在该转轴中间部分设有发电机转轴永磁磁路；所述发电机转轴永磁磁路上设有多个永磁体，各个永磁体呈N、S极性交错分布；在该发电机转轴永磁磁路两端，在转轴上设有两个发电机转轴凸极；在所述两个发电机转轴凸极上分别设有多个凸极齿部；所述两个发电机转轴凸极的凸极齿部的位置共同与所述发电机转轴永磁磁路的N极性或S极性永磁体相对应；所述两个发电机转轴凸极的凸极齿部数量与发电机转轴永磁磁路的永磁体极对数数量相一致。

通过本发明实施例，该石油钻井用混合励磁式叶轮发电机具有以下有益效果：

(1)在保证旋转密封工作的可靠性，延长其使用寿命的同时，使得发电机转速可以维持较高，发电机能够运行在较大功率输出状态。

(2)采用混合励磁方式，发电机输出电压幅值可以不随转速变化而变化，解决了泥浆排量变化范围较大情况下，发电机的开路输出电压幅值变化较大的问题。

(3)采用混合励磁方式，并且采用单励磁绕组双定子组件-永磁体对称式结构以及单励磁绕组双定子组件-凸极对称式结构后，由于具有两个发电机定子组件，发电机定子组件下线时更为容易，工艺性更好，其绝缘性能更容易保证；充分利用了凸极部分的磁路，既利用了凸极部分的齿，又在其槽内镶嵌永磁体，真正做到了永磁励磁和电励磁的有机结合；励磁绕组利用率高，利用率为100％。理论计算表明，同样直径、同样输出功率、同样电压调节范围情况下，发电机的长度可以较短，对石油钻井仪器结构设计会带来很大好处。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为石油钻井用混合励磁式叶轮发电机的结构示意图；

图2为第一、第二实施例发电机组件的结构示意图；

图3为第一、第二实施例发电机转轴组件的结构示意图；

图4为第一实施例图3中A-A、B-B、C-C、D-D截面图；

图5为第一实施例上下发电机转轴永磁磁路及凸极磁性对应表图；

图6为上发电机定子组件的横剖面图；

图7为NN布置的电机结构及其输出电压波形图；

图8为第二实施例图3中A-A、B-B、C-C、D-D截面图；

图9为第二实施例上下发电机转轴永磁磁路及凸极磁性对应表图；

图10为第三实施例发电机组件结构示意图；

图11为第三实施例发电机转轴组件结构示意图；

图12为第三实施例图11中A-A、B-B、C-C截面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

鉴于前述所提出的现有技术中存在的诸多问题，本发明设计了一种石油钻井用混合励磁式叶轮发电机。图1为该石油钻井用混合励磁式叶轮发电机的结构示意图。如图所示，该混合励磁式叶轮发电机由叶轮组件和发电机组件两部分组成。

所述叶轮组件由叶轮1和叶轮轴3组成。该叶轮1和叶轮轴3之间安放一个旋转密封2。叶轮轴3由叶轮轴用轴承4支撑。叶轮轴3与发电机转轴组件7通过齿轮减速器5连接在一起。

所述发电机组件包括：发电机上轴承组件6，发电机转轴组件7，发电机房8，上发电机定子组件9，下发电机定子组件11，发电机下轴承组件12。所述发电机房8作为发电机组件的外壳。所述发电机转轴组件7包括有上下两组永磁体和凸极组，在轴向上分别与设于发电机转轴组件7外侧的上发电机定子组件9和下发电机定子组件11相对应。该发电机转轴组件7通过发电机上轴承组件6和发电机下轴承组件12支撑在上发电机定子组件9和下发电机定子组件11内部。

该混合励磁式叶轮发电机通过所述旋转密封2，将叶轮轴用轴承4、齿轮减速器5、发电机上轴承组件6、发电机转轴组件7、上发电机定子组件9、下发电机定子组件11、发电机下轴承组件12都密封浸泡在液压油里，而该叶轮1则处在泥浆通道中。泥浆冲刷叶轮1，带动叶轮轴3转动，经过齿轮减速器5后，发电机转轴组件7的转速要比叶轮轴3转速高(两者之比为齿轮减速比G)。通过选择合适的齿轮减速比G，旋转密封部分和发电机部分都可以工作在优化状态。就是说，与旋转密封2相配合的叶轮轴3转速较低，利于旋转密封工作可靠性的提高及使用寿命的延长，而发电机转轴组件7的转速较高，可以使发电机处于较大功率输出状态。通过设置在叶轮轴3与发电机转轴组件7之间的齿轮减速器5，并合理选择该齿轮减速器的齿轮减速比，使得该发电机的旋转密封部分和发电机部分都可以工作在优化状态，既提高了旋转密封2工作的可靠性，延长了使用寿命，也使发电机转轴组件7维持在较高转速状态，从而使发电机处于较大功率输出状态。

另外，如图所示，在所述发电机组件中还设置有励磁绕组10。所述励磁绕组绕设在发电机转轴组件7的外侧，设置在上下发电机定子组件9、11之间。发电机转轴组件7转动后，其上的两组永磁体和凸极组产生的径向磁场分别切割上发电机定子组件9和下发电机定子组件11中的定子绕组发电。当泥浆排量变化而使发电机的开路输出电压变化时，通过对该励磁绕组10通电，使其产生的轴向磁力线通过发电机转轴组件7上的两组凸极组中凸极齿部分别形成单一极性的径向磁场，此磁场对永磁体产生的径向磁场起到增磁或者去磁的作用，进而可以保持发电机开路输出电压稳定。这样可以使发电机输出电压幅值不随转速变化而变化，解决了泥浆排量变化范围较大情况下，发电机的开路输出电压幅值变化较大的问题。

除了上述结构之外，本发明还对发电机的核心部分发电机组件进行了特别设计。图2为发电机组件的结构示意图，图3为发电机转轴组件的结构示意图。如图2所示，发电机组件，包括：发电机上轴承组件6，发电机转轴组件7，发电机房8，上发电机定子组件9，下发电机定子组件11，发电机下轴承组件12。如图3所示，所述发电机转轴组件，包括：发电机转轴71、上发电机转轴永磁磁路72、上发电机转轴凸极73、下发电机转轴凸极74、下发电机转轴永磁磁路75。所述发电机转轴71采用的材料为导磁率较高的软磁材料(如Fe)。所述上发电机转轴永磁磁路72和上发电机转轴凸极73构成上发电机转轴永磁体和凸极组，轴向上与所述上发电机定子组件9相对应。所述下发电机转轴永磁磁路75和下发电机转轴凸极74构成下发电机转轴永磁体和凸极组，轴向上与所述下发电机定子组件11相对应。

本发明所做特别设计主要是针对发电机组件部分。下面就结合附图具体给出三种发电机组成部分可行的实施结构：

第一实施例

第一种结构形式，单励磁绕组双定子组件-永磁体对称式结构，下面进行详细论述。图4为第一实施例图3中A-A、B-B、C-C、D-D截面图，图5为第一实施例上下发电机转轴永磁磁路及凸极磁性对应表图。如图所示，A-A截面图表现上发电机转轴永磁磁路72的截面结构。该上发电机转轴永磁磁路72上设有多个永磁体，各个永磁体呈N、S极性交错分布。B-B截面图表现上发电机转轴凸极73的截面结构。该上发电机转轴凸极73上相间设有多个凸极齿部731和凸极永磁体732。所述凸极齿部731的位置与所述上发电机转轴永磁磁路72的S极性永磁体相对应。所述凸极永磁体732极性为N极性，位置与所述上发电机转轴永磁磁路72的N极性永磁体相对应。C-C截面图表现下发电机转轴凸极74的截面结构。该下发电机转轴凸极7上相间设有多个凸极齿部741和凸极永磁体742。所述凸极齿部741的位置与所述上发电机转轴永磁磁路72的N极性永磁体相对应。所述凸极永磁体742极性为S极性，位置与所述上发电机转轴永磁磁路72的S极性永磁体相对应。D-D截面图表现下发电机转轴永磁磁路75的截面结构。该下发电机转轴永磁磁路75上设有多个永磁体，各个永磁体呈N、S极性交错分布。其中，下发电机转轴永磁磁路75的N极性永磁体的位置与所述上发电机转轴永磁磁路72的N极性永磁体相对应。下发电机转轴永磁磁路75的S极性永磁体的位置与所述上发电机转轴永磁磁路72的S极性永磁体相对应。所述上发电机转轴永磁磁路72的永磁体极对数、上发电机转轴凸极73的凸极齿部数量、下发电机转轴凸极74的凸极齿部数量、下发电机转轴永磁磁路75的永磁体极对数四者相一致。所述上发电机转轴凸极73、下发电机转轴凸极74中的凸极齿部采用的材料为导磁率较高的软磁材料(如Fe)。

图6为上发电机定子组件9的横剖面图，也就是图2中A-A，B-B的剖面图(不显示发电机转轴组件7)。可以看出，上发电机定子组件9包括上发电机硅钢片定子壳体92及其槽内绕设的定子绕组91(图中显示的硅钢片定子壳体92为24槽)，定子绕组91一般是3相对称绕组。需要说明的是，虽然图6中显示的上发电机定子组件9为24槽的3相对称绕组，但是并不限于此，可以是其它槽数以及其它数目相数的发电机定子组件。下发电机定子组件11结构与上发电机定子组件9结构相同。

下面结合图2、图3、图4和图5详细阐述上述第一实施例单励磁绕组双定子组件-永磁体对称式结构发电机的工作原理。如图2、图3、图4和图5所示，上、下发电机定子组件对应上下发电机转子组件永磁磁路72、75的永磁体极性分布相同。上发电机定子组件9对应凸极部分73的齿部731在槽内的N极性永磁体732作用下，从永磁磁路观点来看，在没有励磁绕组10通电流调节的情况下，上发电机定子组件9对应凸极部分73也可以看作是一个N，S极性永磁体相交错分布的永磁磁路(凸极73的齿部731自动变为S极性)，作为永磁磁路部分72的补充(将在下面给以说明)。下发电机定子组件11对应凸极部分74的齿部741在槽内的S极性永磁体742作用下，从永磁磁路观点来看，在没有励磁绕组10通电流调节的情况下，下发电机定子组件11对应凸极部分74也可以看作是一个N，S极性永磁体相交错分布的永磁磁路(凸极74的齿部741自动变为N极性)，作为永磁磁路部分75的补充。励磁绕组10相当于一个螺线管，通正向电流时，其产生的左半边轴向励磁磁场通过上发电机定子组件9对应凸极部分73的齿部731而引导为单极性径向励磁磁场P(由于磁力线走磁阻最小路径，故基本不经过磁导率很小的凸极部分的槽内永磁体732)，先设定励磁绕组10通正向电流时，此径向磁场P对上发电机定子组件9对应凸极部分73的等效S极性永磁体731(同时也是凸极的齿部)产生的径向磁场起到增加作用。同样地，励磁绕组10通正向电流时，其产生的右半边轴向励磁磁场通过下发电机定子组件11对应凸极部分74的齿部741而引导为单极性径向励磁磁场Q(其方向与径向励磁磁场P方向相反)，对下发电机定子组件11对应凸极部分74的等效N极性永磁体741(同时也是凸极的齿部)产生的径向磁场起到增加作用。于是，综合来看，励磁绕组10产生的径向励磁磁场P+Q会起到增加发电机输出电压的作用。当励磁绕组10通反向电流时，同理可知励磁绕组10产生的径向励磁磁场P及Q会起到减小发电机组件输出电压的作用。这里需要明确一点，上发电机定子组件9对应凸极部分73和下发电机定子组件11对应凸极部分74的齿槽配置必须相反(就本例而言，齿部731垂直放置，相应的槽位于水平方向，齿部741水平放置，相应的槽位于垂直方向，如图4和图5所示)，否则如果相同，则励磁绕组10产生的径向励磁磁场P对上发电机定子组件9增加输出电压，径向励磁磁场Q则对下发电机定子组件11减小输出电压，起不到调节作用。相应地上、下发电机定子组件9和11对应凸极部分73和74各自槽内镶嵌的永磁体极性则必须相反。综上所述，一方面从永磁磁路观点来看上、下发电机定子组件9和11对应凸极部分73和74，可以认为是上、下发电机定子组件9和11对应永磁磁路部分72和75的补充，起到提供永磁磁场的作用；另一方面励磁绕组10通电流产生的的励磁磁场又分别通过上、下发电机定子组件9和11对应凸极部分73和74各自的齿部而引导为径向励磁磁场P和Q，起到励磁调节的作用。可以看出，第一种结构实施方式--单励磁绕组双定子组件-永磁体对称式做到了将永磁磁路励磁(即永磁体产生励磁磁场)与电励磁(即给励磁绕组通电流产生励磁磁场)两种励磁方式有机结合，达到了最优化设计，综合两者优势又能克服各自缺陷。故将第一种结构方式即单励磁绕组双定子组件-永磁体对称式列为发电机组件的优选实施方式。

下面以上发电机定子组件9对应凸极部分73(N极性的永磁体732和齿部731)为例来说明，虽然只有两个同极性(N极)的永磁体，但是在齿部(软磁材料)的配合下，齿部自动变为等效S极永磁体的效果。有限元分析模型见图7的上图。里面左右两块是永磁体，左永磁体N极朝左，右永磁体N极朝右，上下两块是凸极的2齿。仿真相电压结果如图7下图所示，得到标准三相交流电，只是电压幅值约为全磁铁(即N，S极交错分布的永磁体)的75％。对于下发电机定子组件11对应凸极部分74同理可作分析。

第二实施例

第二种结构形式，单励磁绕组双定子组件-凸极对称式结构。图8为第二实施例图3中A-A、B-B、C-C、D-D截面图，图9为第二实施例上下发电机转轴永磁磁路及凸极磁性对应表图。如图所示，A-A截面图表现上发电机转轴永磁磁路72的截面结构。该上发电机转轴永磁磁路72上设有多个永磁体，各个永磁体呈N、S极性交错分布。B-B截面图表现上发电机转轴凸极73的截面结构。该上发电机转轴凸极73上相间设有多个凸极齿部731和凸极永磁体732。所述凸极齿部731的位置与所述上发电机转轴永磁磁路72的S极性永磁体相对应。所述凸极永磁体732极性为N极性，位置与所述上发电机转轴永磁磁路72的N极性永磁体相对应。C-C截面图表现下发电机转轴凸极74的截面结构。该下发电机转轴凸极74上相间设有多个凸极齿部741和凸极永磁体742。所述凸极齿部741的位置与所述上发电机转轴永磁磁路72的S极性永磁体相对应。所述凸极永磁体742极性为S极性，位置与所述上发电机转轴永磁磁路72的N极性永磁体相对应。D-D截面图表现下发电机转轴永磁磁路75的截面结构。该下发电机转轴永磁磁路75上设有多个永磁体，各个永磁体呈N、S极性交错分布。其中，下发电机转轴永磁磁路75的N极性永磁体的位置与所述上发电机转轴永磁磁路72的S极性永磁体相对应。下发电机转轴永磁磁路75的S极性永磁体的位置与所述上发电机转轴永磁磁路72的N极性永磁体相对应。所述上发电机转轴永磁磁路72的永磁体极对数、上发电机转轴凸极73的凸极齿部数量、下发电机转轴凸极74的凸极齿部数量、下发电机转轴永磁磁路75的永磁体极对数四者相一致。所述上发电机转轴凸极73、下发电机转轴凸极74中的凸极齿部采用的材料为导磁率较高的软磁材料(如Fe)。

下面结合图2、图3、图8和图9详细阐述单励磁绕组双定子组件-凸极对称式结构发电机的工作原理。如前所述，上发电机定子组件9对应凸极部分73可以看作是一个N，S极性永磁体相交错分布的永磁磁路(凸极73的齿部731自动变为S极性)，作为永磁磁路部分72的补充。下发电机定子组件11对应凸极部分74可以看作是一个N，S极性永磁体相交错分布的永磁磁路(凸极74的齿部741自动变为N极性)，作为永磁磁路部分75的补充。励磁绕组10相当于一个螺线管，通正向电流时，其产生的左半边轴向励磁磁场通过上发电机定子组件9对应凸极部分73的齿部731而引导为单极性径向励磁磁场P，先设定励磁绕组10通正向电流时，此径向磁场P对上发电机定子组件9对应凸极部分73的等效S极性永磁体731产生的径向磁场起到增加作用。同样地，激励绕组通正向电流时，其产生的右半边轴向励磁磁场通过下发电机定子组件11对应凸极部分74的齿部741而引导为单极性径向励磁磁场Q(其方向与径向励磁磁场P方向相反)，对下发电机定子组件11对应凸极部分74的等效N极性永磁体741产生的径向磁场起到增加作用。于是，综合来看，励磁绕组10产生的径向励磁磁场会起到增加发电机输出电压的作用。当激励绕组10通反向电流时，同理可知励磁绕组10产生的径向励磁磁场P及Q会起到减小输出电压的作用。这里需要明确一点，上、下发电机定子组件9和11对应永磁磁路部分72和75的永磁体极性沿圆周方向空间分布正好相反(如图8和图9所示)，相应地上、下发电机定子组件9和11对应凸极部分73和74各自槽内镶嵌的永磁体732和742的极性也必须相反。否则如果相同，励磁绕组10产生的径向磁场对上发电机组件增加输出电压，对下发电机组件减小输出电压，起不到调节作用。

可以看出，第二种结构形式即单励磁绕组双定子组件-凸极对称式结构与第一种结构方式单励磁绕组双定子组件-永磁体对称式结构相比，结构及励磁调节原理基本一样，只是永磁磁路部分和凸极部分的永磁体极性配置及凸极齿槽的空间安排上有所不同。有限元分析表明两者发电及电压调节的效果是一样的，定子接线方式略有不同(即要保证上、下发电机定子组件9和11产生的电压同相位连接)。故将第二种结构方式单励磁绕组双定子组件-凸极对称式结构也列为发电机组件的优选实施方式。

第三实施例

第三种结构形式，双励磁绕组单定子组件结构。图10为第三实施例发电机组件结构示意图，图11为第三实施例发电机转轴组件结构示意图，图12为第三实施例图11中A-A、B-B、C-C截面图。

如图10、11、12所示，本实施例中发电机组件只有一个发电机定子组件90，但有两个励磁绕组100和101。发电机转轴组件70包括转轴701，中间部分设有发电机转轴永磁磁路703。如图12所示，该发电机转轴永磁磁路703上设有多个永磁体，各个永磁体呈N、S极性交错分布。在该发电机转轴永磁磁路703两端，在转轴701上设有发电机转轴凸极702、704。在该发电机转轴凸极702、704上设有多个凸极齿部。该发电机转轴凸极702、704的凸极齿部的位置共同与所述发电机转轴永磁磁路703的N极性或S极性永磁体相对应。可见，所述发电机转轴凸极702、704的凸极齿部数量与发电机转轴永磁磁路703的永磁体极对数数量相一致。所述发电机转轴凸极702、704的凸极齿部采用的材料为导磁率较高的软磁材料(如Fe)。

应当指出，当该发电机转轴凸极702、704的凸极齿部对应的发电机转轴永磁磁路703永磁体极性不同时，所述励磁绕组100和101的通电方式应该相反。这样才能保证该发电机组件正常完成调节电压的作用。

下面结合图10、11及12分析其工作原理如下：永磁磁路的永磁体703切割发电机定子组件90的绕组发电，励磁绕组100产生的右半边磁场通过凸极702的齿部而形成单一极性的径向磁场M，对永磁体703产生的径向磁场起到增磁(或者去磁)的作用；励磁绕组101产生的左半边磁场通过凸极704的齿部而形成单一极性的径向磁场N(与磁场M沿径向的方向相同)，对永磁体703产生的径向磁场起到增磁(或者去磁)的作用。综合而言，M和N共同叠加的径向磁场M+N对永磁体703产生的径向磁场起到增磁(或者去磁)的作用，进而可以对发电机的输出电压进行调节。

可以看出，与第一和第二种结构形式相比，第三种结构形式存在如下缺陷：

(1)井下发电机结构细长，以适用于

钻铤的发电机为例，发电机房(抗压筒)外径为Φ100，硅钢片定子内径仅为Φ50-Φ60。因为只有一个发电机定子组件，要产生较高的输出功率，发电机定子组件需要做得较长，而硅钢片定子内径又较小，这会造成定子绕组下线困难，而且下线时难于保证绕组绝缘强度；

(2)励磁绕组利用率低，激励绕组100只利用了右半边的径向磁场，而励磁绕组101只用到了左半边的径向磁场，使用效率只有50％；

(3)凸极部分磁路利用率低，励磁绕组100和101产生的磁场分别通过凸极部分702和704的齿部，凸极部分的槽完全没有利用。

虽然存在如上缺陷，但第三种结构形式的发电机配合上叶轮组件、旋转密封和齿轮减速器后依然可以实现本发明前述的问题，即发电机转速可以较高，发电机能够运行在较大功率输出状态；采用混合励磁方式，发电机输出电压幅值可以不随转速变化而变化，解决了泥浆排量变化范围较大情况下，发电机的开路输出电压幅值变化较大的问题。因此，也不失为一种可行的实施方案，也应在本发明的保护范围之内。

综上所述，本发明所提供的石油钻井用混合励磁式叶轮发电机，具有以下有益效果：

(1)在保证旋转密封工作的可靠性，延长其使用寿命的同时，使得发电机转速可以维持较高，发电机能够运行在较大功率输出状态。

(2)采用混合励磁方式，发电机输出电压幅值可以不随转速变化而变化，解决了泥浆排量变化范围较大情况下，发电机的开路输出电压幅值变化较大的问题。

(3)采用混合励磁方式，并且采用单励磁绕组双定子组件-永磁体对称式结构以及单励磁绕组双定子组件-凸极对称式结构后，由于具有两个发电机定子组件，发电机定子组件下线时更为容易，工艺性更好，其绝缘性能更容易保证；充分利用了凸极部分的磁路，既利用了凸极部分的齿，又在其槽内镶嵌永磁体，真正做到了永磁励磁和电励磁的有机结合；励磁绕组利用率高，利用率为100％。理论计算表明，同样直径、同样输出功率、同样电压调节范围情况下，发电机的长度可以较短，对石油钻井仪器结构设计会带来很大好处。

本领域技术人员在上述设计思想之下所做任何不具有创造性的改造，均应视为在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种石油钻井用混合励磁式叶轮发电机，其特征在于：该叶轮发电机由叶轮组件和发电机组件两部分组成；

所述叶轮组件由叶轮和叶轮轴组成；该叶轮和叶轮轴之间安放一个旋转密封；叶轮轴由叶轮轴用轴承支撑；叶轮轴与发电机转轴组件通过齿轮减速器连接在一起；

所述发电机组件包括：发电机上轴承组件，发电机转轴组件，发电机房，上发电机定子组件，下发电机定子组件，发电机下轴承组件；所述发电机房作为发电机组件的外壳；所述发电机转轴组件包括有上下两组永磁体和凸极组，在轴向上分别与设于发电机转轴组件外侧的上发电机定子组件和下发电机定子组件相对应；该发电机转轴组件通过发电机上轴承组件和发电机下轴承组件支撑在所述上发电机定子组件和下发电机定子组件内部。

2.如权利要求1所述的石油钻井用混合励磁式叶轮发电机，其特征在于：所述发电机组件中还设置有励磁绕组；所述励磁绕组绕设在所述发电机转轴组件的外侧，设置在所述上下发电机定子组件之间。

3.如权利要求1所述的石油钻井用混合励磁式叶轮发电机，其特征在于：所述发电机转轴组件，包括：发电机转轴、上发电机转轴永磁磁路、上发电机转轴凸极、下发电机转轴凸极、下发电机转轴永磁磁路；所述上发电机转轴永磁磁路和上发电机转轴凸极构成上发电机转轴永磁体和凸极组，轴向上与所述上发电机定子组件相对应；所述下发电机转轴永磁磁路和下发电机转轴凸极构成下发电机转轴永磁体和凸极组，轴向上与所述下发电机定子组件相对应。

4.如权利要求3所述的石油钻井用混合励磁式叶轮发电机，其特征在于：所述发电机转轴采用的材料为导磁率较高的软磁材料。

5.如权利要求1所述的石油钻井用混合励磁式叶轮发电机，其特征在于：所述上发电机定子组件、下发电机定子组件，分别由发电机硅钢片定子壳体及绕设于定子壳体槽内的定子绕组结构构成。

6.如权利要求3或4所述的石油钻井用混合励磁式叶轮发电机，其特征在于：所述上发电机转轴永磁磁路设有多个永磁体，各个永磁体呈N、S极性交错分布；所述上发电机转轴凸极上相间设有多个凸极齿部和凸极永磁体；所述上发电机转轴凸极的凸极齿部的位置与所述上发电机转轴永磁磁路的S极性永磁体相对应；所述上发电机转轴凸极的凸极永磁体极性为N极性，位置与所述上发电机转轴永磁磁路的N极性永磁体相对应；所述下发电机转轴凸极上相间设有多个凸极齿部和凸极永磁体；所述下发电机转轴凸极的凸极齿部的位置与所述上发电机转轴永磁磁路的N极性永磁体相对应；所述下发电机转轴凸极的凸极永磁体极性为S极性，位置与所述上发电机转轴永磁磁路的S极性永磁体相对应；所述下发电机转轴永磁磁路上设有多个永磁体，各个永磁体呈N、S极性交错分布；所述下发电机转轴永磁磁路的N极性永磁体的位置与所述上发电机转轴永磁磁路的N极性永磁体相对应；所述下发电机转轴永磁磁路的S极性永磁体的位置与所述上发电机转轴永磁磁路的S极性永磁体相对应；所述上发电机转轴永磁磁路的永磁体极对数、上发电机转轴凸极的凸极齿部数量、下发电机转轴凸极的凸极齿部数量、下发电机转轴永磁磁路的永磁体极对数四者相一致。

7.如权利要求3或4所述的石油钻井用混合励磁式叶轮发电机，其特征在于：所述上发电机转轴永磁磁路上设有多个永磁体，各个永磁体呈N、S极性交错分布；所述上发电机转轴凸极上相间设有多个凸极齿部和凸极永磁体；所述上发电机转轴凸极的凸极齿部的位置与所述上发电机转轴永磁磁路的S极性永磁体相对应；所述上发电机转轴凸极的凸极永磁体极性为N极性，位置与所述上发电机转轴永磁磁路的N极性永磁体相对应；所述下发电机转轴凸极上相间设有多个凸极齿部和凸极永磁体；所述下发电机转轴凸极的凸极齿部的位置与所述上发电机转轴永磁磁路的S极性永磁体相对应；所述下发电机转轴凸极的凸极永磁体极性为S极性，位置与所述上发电机转轴永磁磁路的N极性永磁体相对应；所述下发电机转轴永磁磁路上设有多个永磁体，各个永磁体呈N、S极性交错分布；所述下发电机转轴永磁磁路的N极性永磁体的位置与所述上发电机转轴永磁磁路的S极性永磁体相对应；所述下发电机转轴永磁磁路的S极性永磁体的位置与所述上发电机转轴永磁磁路的N极性永磁体相对应；所述上发电机转轴永磁磁路的永磁体极对数、上发电机转轴凸极的凸极齿部数量、下发电机转轴凸极的凸极齿部数量、下发电机转轴永磁磁路的永磁体极对数四者相一致。

8.如权利要求1所述的石油钻井用混合励磁式叶轮发电机，其特征在于：所述发电机组件设有一个发电机定子组件，两个励磁绕组；所述发电机转轴组件设有转轴；在该转轴中间部分绕设有发电机转轴永磁磁路；所述发电机转轴永磁磁路上设有多个永磁体，各个永磁体呈N、S极性交错分布；在该发电机转轴永磁磁路两端，在转轴上绕设有两个发电机转轴凸极；在所述两个发电机转轴凸极上分别设有多个凸极齿部；所述两个发电机转轴凸极的凸极齿部的位置共同与所述发电机转轴永磁磁路的N极性或S极性永磁体相对应；所述两个发电机转轴凸极的凸极齿部数量与发电机转轴永磁磁路的永磁体极对数数量相一致。

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