CN102742129A - 电机、用于该电机的转子及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是将大的轴向通道容纳于细长电机中，而并不牺牲它的扭矩密度和径向尺寸。它能够有提供有永磁体（12）的转子（11）和具有狭槽（15）的定子（13），该狭槽用于线圈（20A-c），该狭槽（15）通过齿（16、17）而分开，该电机包括不承载线圈（20A-c）的齿（17），该齿（17）提供有轴向通道（18、18'），该轴向通道凸出至齿（17）中并与护铁相邻，以使得通道（18、18'）的、在齿（17）内部的面积与通道（18、18'）的、在护铁中的面积相当或者甚至更大。通道用于穿过电机输送流体和其它物质，还用于集成马达保护器，该马达保护器可能在井下用途中需要。还提供了新颖的制造技术以及新概念。

Description

电机、用于该电机的转子及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的电机、一种根据权利要求10所述的、用于电机的转子、以及一种根据权利要求15所述的制造方法。

本发明特别涉及用于在有限径向空间中，例如在狭窄井或隧洞中使用的电机。根据本发明的电机的应用是油气勘探和抽取（井下）、总体钻井用途以及具有带轴向通道的紧凑定子是非常重要的的任意其它用途。

背景技术

在井下应用中，通常需要通过电机来输送各种物质，例如岩石切屑、水、油等。有时还需要具有穿过电机的电缆。本领域的状态是使用转子和定子之间的间隙来输送流体，例如油，但是该间隙非常狭窄，因此流量不能很大。而且，固体颗粒或粘性流体不能通过这种狭窄间隙来输送。因此，希望有一些穿过电机的额外通道。

已经有多种这样的电机，其中，轴向通道集成在电机的铁芯中，但是在直接涉及能量转换的区域外部。为了容纳该通道，铁芯只有制成为更厚，因此增加了电机的直径。这种电机的实例在以下文献中介绍：

DE102007006856（A1）西门子公司；

GB986682（A）阿尔斯通；

US2006066159池田；

DE4103154（A1）乌韦水下有限公司；

JP9010155（A）东京芝浦电气公司；以及

US2007024129（A1）西门子公司。

已经公知在定子中提供通道用于冷却。GB986682示出了用于冷却定子的孔的典型构造。在该设计中，定子直径的相对较大部分用于冷却。这在期望较大质量的定子（用于机械稳定性）时很合适，但是通常在方法当用于具有较小直径的相对较长电机时，将导致气隙直径减小，并相应降低扭矩密度。在高扭矩电机中，优选是具有较大转子直径，以便有较长的扭矩臂，力施加在该扭矩臂上。同时，当电机的外径受到限制时，转子直径不能增加太大，原因是应当有用于定子叠片和绕组的足够空间。因此，设计人员的任务是找到最佳气隙直径。

已建立方法的共有问题是没有最佳直径的气隙，原因是通道将占据在电机周边处的相当大空间，并减小可用于能量转换的区域。这可以在例如US2006066159和DE4103154中看到。在US2006066159中，通道布置在起作用材料的外部，因此没有获得最佳气隙直径。在DE4103154中，在定子的外部部分中的凹槽用作通道，也没有获得最佳的气隙直径。

与US2006066159和DE4103154（它们没有集成在定子齿中的通道）相反，在DE1090750（B1）中，冷却通道集成在斜齿中。除了冷却之外，齿中的通道还用于拉平（leveling）磁阻。值得注意的是，在DE1090750（B1）中，通道并不延长至护铁内，原因是几乎所有的损耗都认为在齿区域中，且通道的目的是除去由损耗产生的热量。

在DE1090750（B1）中所述类型的电机的特征在于轭铁（护铁）太厚，从而不能获得最佳气隙直径。在US6664692和NO324241中，护铁厚度由于使用了同心线圈设计的特殊构造和永磁体技术而被最小化。该技术特别有利于轴向通道的集成，原因是只有各第二齿承载线圈，且没有承载线圈的那些齿具有梯形形状。

因此，提出的新概念利用专利US6664692和NO324241所述的技术作为基础和起点。

目的

本发明的主要目的是在细长电机中容纳相对较大的轴向通道，而并不牺牲它的扭矩密度和径向尺寸。特别是，本发明的目的是提供一种适合海上使用的、具有较高扭矩的井下电机。

还一目的是提供能够包括集成的保护器的定子通道。

发明内容

根据本发明的电机在权利要求1中介绍。电机的优选特征在权利要求2-9中介绍。

根据本发明的、用于电机的转子在权利要求10中介绍。转子的优选特征在权利要求11-14中介绍。

根据本发明的、用于电机的制造方法在权利要求15中介绍。制造方法的优选特征在权利要求16-21中介绍。

具体地说，电机的新颖特征是有凸出至不承载线圈的齿中的轴向通道，该轴向通道与护铁相邻，其中，通道的、在齿内部的面积与通道的、在护铁中的面积相当或者甚至更大。

这种电机可以设计成根据可用外径和给定轴向通道的要求而提供最佳的气隙直径。

除了最佳气隙直径，转子结构还使得在电机中的磁场最大和有利于更高扭矩。最佳直径产生比现有技术电机显著更高的扭矩。特定转子设计还能够省略在转子中使用的层叠护铁。

根据本发明的电机是永磁体同步电机（PMSM），具有形成绕组的同心线圈。这意味着定子轭铁的厚度大大降低，并以较低体积提供较高扭矩。

优选地，电机包括12个狭槽、6个线圈、6个承载线圈的齿以及6个不承载线圈的齿。

通道的数目可以比6个更少，并不是没有承载线圈的全部齿都包含通道。

优选地，电机包括6个或更少的、包含通道的齿。

狭槽优选地通过非磁性或半磁性的狭槽楔形件来关闭。

电机优选地至少局部填充有用于压力补偿的流体。

电机的外壳优选是暴露于冷却流体中，该冷却流体在电机的内部循环。

优选地，至少一些通道形成流动通路，该流动通路延伸穿过定子，用于输送流体，例如井流体。

优选地，电机包括转子，该转子提供有用于提供内部流体循环的装置。

优选地，至少一个通道用于容纳马达保护器。

本发明特别适用于具有相对狭窄开口的井下用途。本发明能够设计具有高扭矩的电机，而并不要求会产生机械问题的长度。

本发明还包括一种新颖的转子，该转子具有轴和安装在该轴上的永磁体，其中，磁体分段和根据特定图形来磁化，例如沿交替方向磁化。永磁体或永磁体段优选地安装在轴上。永磁体还优选地提供有防腐涂层。

转子的轴优选地是空心的。

最后，本发明包括一种用于电机的制造方法，其中，由叠片的主预装配堆垛和多个弧形段来装配定子。各段优选地用作护铁的一部分。

优选地，制造方法包括首先将线圈装配至层叠堆垛的狭槽中，然后安装所述弧形段。

优选地，制造方法还包括在将线圈装配至主预装配堆垛中之前预先形成该线圈。

优选地，制造方法还包括使用由径向堆垛叠片、轴向堆垛叠片、烧结磁性体或压实磁性粉末体制造的弧形段。

由下面对示例实施例的说明将清楚本发明的进一步细节。

附图说明

下面将参考附图介绍本发明，附图中：

图1表示了电机的剖视图；

图2A-F表示了通道的变化形式；

图3A-C示意性地表示了不同形状的三个线圈；

图4表示了具有宽通道的电机：（a）没有壳体；（b）有壳体；（c）有空心轴；

图5表示了在电机内部的油循环；

图6表示了一半转子，它包括安装有永磁体的轴；

图7表示了定子组件（变化形式1）；

图8表示了定子组件（变化形式2）；以及

图9表示了集成的马达保护器。

具体实施方式

参考图1，图中示意性地表示了根据本发明的电机的第一实施例，其中起作用部分用剖视图表示，该电机具有至少三相，并包括承载永磁体12的转子11和承载相绕组的定子13。永磁体12优选地通过用于保持和保护永磁体12的层14而布置在转子11上。在所述电机中，定子齿并不需要相同。根据NO324241的定子齿构造将提供优点，但并不是必须的。绕组由线圈构成，各线圈延伸穿过相应对的定子狭槽15，并包围一个窄齿16，其中，并不承载任何线圈的相邻宽齿17包含轴向通道18。

在所述电机中，狭槽15的数目为12个，窄齿16的数目为6个，宽齿17的数目为6个，通道18的数目为6个。在通常情况下，齿的数目能够进行不同选择，调节成适合速度需要。

通道18的数目可以少于6个，原因是并不是没有承载线圈的所有齿17都包含通道18。

容纳线圈的狭槽15通过狭槽楔形件19来关闭，该狭槽楔形件具有与1（unity）相等比整体更高的的相对透过性。

通道18可以有多种形状，如图2A-F中所示。全部变化形式的公共特征是通道18凸出至齿17中，这样，通道18在齿17内部的面积大于在护铁中的面积。如图2e和2f中所示，齿还可以包括多个通道。

下面参考图3A-C，其表示了线圈20A-C的不同形式。图3A表示了具有矩形横截面的线圈20A，图3B表示了成形有平行侧边的线圈20B，图3C表示了成形有非平行侧边的线圈20C。

电机可以有它自身的壳体，或者集成在某些工具中。图4A中表示了具有“花朵状”叠片形状21且带有开口通道18（用于进一步集成）的可选形式。图4B中表示了具有相同叠片21和附加壳体22的可选形式，该附加壳体22优选地遵循定子叠片21的形状。图4A和4B表示了使用实心轴23A。

图4C表示了包括空心轴23B的另一实例，其中没有使用附加壳体22。

下面参考图5，该图5表示了流体24在电机内部25的循环，即也在定子和转子之间的间隙26中。在一些用途中需要使得电机填充流体24（通常为某种油）。因此，电机可以通过使得它的外表面与外部环境接触以及通过油的内部循环而冷却。与外部环境的接触通过凸出至通道18（流体24流过该通道18）上的管27来提供。一个或更多个通道18可以用于所述循环，如图5中所示。为了布置这种循环，螺纹28可以布置在轴23A上或磁体12上，该螺纹28迫使流体24流入在定子13和转子11之间的间隙26中。优选地，还在轴23A和电机的外壳之间附加地布置有密封件29，以便防止流体24逸出。

在图5所示的电机转子中，由永磁体产生的磁极的数目为10，尽管在通常实例中，磁极的数目可以与10不同。

下面参考图6，该图表示了包括实心轴23A的转子的一半，该实心轴带有安装的永磁体12。磁体12根据特定图形而分段和磁化，例如沿交替方向磁化（由图6中的箭头所示），以便降低涡电流损失。在图6的实例中，各磁极由四个磁体元件组成。

为了加强磁场，一些磁体12沿径向方向磁化，一些磁体12以特定角度磁化。

磁体12可以直接安装在轴23A上或者安装护铁上。将磁体12直接安装在轴23A上很有利，原因是更粗的轴意味着转子的更低径向偏转，这又能够制造更长的电机。

磁体12可以提供有防腐涂层。

当电机非常长时，可能很难以普通方式将线圈20A-C插入定子狭槽15中。对于这种情况，电机的制造能够进行如下改变。

如图7中所示，定子13包括叠片21的主预装配堆垛和多个弧形护铁段30。

线圈20B首先装配至层叠堆垛21的狭槽15中，然后再安装弧形段30。线圈20B可以在装配至层叠堆垛21上之前预先形成。

弧形段30可以由轴向堆垛叠片、烧结磁性体或压实磁性粉末体来制造。

由径向堆垛的叠片21制造的段31可以代替弧形段30，如图8中所示。

在附图中表示了由径向堆垛的叠片21制造的平直段31，但是段31也可以由轴向堆垛叠片、烧结磁性体或压实磁性粉末体来制造（图中未示出）。这种代替形式简化了制造和装配。

如上所述，线圈20C首先装配至层叠堆垛21的狭槽15中。然后安装平直段31。线圈20C可以在装配至层叠堆垛21上之前预先形成。

下面将介绍对于较长电机用于简化线圈20A-C向层叠堆垛21中的插入的可选方式。

对于具有小内径的长电机，为了能够将线圈20A-C插入狭槽15中，定子叠片堆垛21能够由两个或更多周向部分来制造，其中，各部分包括一个或更多个线圈20A-C。

线圈20A-C首先装配至层叠堆垛21的狭槽15中。然后，定子部分结合在一起，从而产生圆形定子13。

下面参考图9，该图表示了集成的马达保护器32。尽管一些通道18可以用于输送某些物质33穿过电机（类似于图9中的通道18），但是其它通道（类似于通道18'）可以用于容纳马达保护器32。用于补偿压力的马达保护器32以通道管33、活塞34、弹簧35和孔36的形式构造。在电机内部25中的流体24可以通过开口端37而进出该通道18'。外部流体可以通过孔36而进出该通道18'。通道18'的另一端38封闭。物质33在图中表示为流过通道18。

电机能够以发电机模式以及以马达模式来使用。电机可以有集成的速度和位置传感器。电机可以有用于输送外部物质的空心轴。

变化形式

定子在实例中表示为具有圆形封闭通道，但是显然，该通道可以在需要时具有不同形状。

转子表示为有螺纹，以便使得冷却流体在电机内部循环，但是显然，翅片、叶轮或其它合适装置可以用于相同目的。

转子表示为具有一层保持和保护层，用于保护永磁体，但是显然，该层能够由金属层制造。

Claims (21)

1.一种电机，特别地马达或发电机，其具有至少三相，并包括提供有永磁体（12）的转子（11）和具有狭槽（15）的定子（13），所述狭槽（15）用于线圈（20A-C），以便提供相绕组，所述狭槽（15）通过齿（16、17）而分离，其中，一些齿（16）承载线圈（20A-C），其特征在于：电机包括不承载线圈的齿（17），该齿（17）提供有轴向通道（18、18'），该轴向通道凸出至不承载线圈的齿（17）中并与护铁相邻，以使得通道（18、18'）的在不承载线圈的齿（17）内部的面积与通道（18、18'）的在护铁中的面积相当或者与之相比甚至更大。

2.根据权利要求1所述的电机，其中：狭槽（15）的数目是12，线圈（20A-C）的数目是6，承载线圈的齿（15）的数目是6，且不承载线圈的齿（16）的数目是6。

3.根据权利要求2所述的电机，其中：提供有通道（18、18'）的齿（17）的数目为6或更少。

4.根据权利要求1-3中任意一个所述的电机，其中：狭槽（15）通过非磁性或半磁性狭槽楔入件（19）而关闭。

5.根据权利要求1-4中任意一个所述的电机，其中：电机的内部（25）至少局部填充有用于压力补偿的流体（24）。

6.根据权利要求1-5中任意一个所述的电机，其中：电机的外壳暴露于冷却流体（24）中，该冷却流体在电机的内部（25）循环。

7.根据权利要求1-6中任意一个所述的电机，其中：转子（11）提供有用于提供流体（24）的内部循环的装置（28）。

8.根据权利要求1-5中任意一个所述的电机，其中：至少一些通道（18）形成流动通路，该流动通路延伸穿过定子（13），用于输送一种或更多种物质（33）或材料，例如井流体。

9.根据权利要求1所述的电机，其中：至少一个通道（18'）用于容纳马达保护器（31）。

10.一种用于根据权利要求1所述的电机的转子，该转子具有轴（23A）和安装在该轴（23A）上的永磁体（12），其中，磁体（12）分段。

11.根据权利要求10所述的转子，其中：磁体段（12）直接安装在轴（23A）上。

12.根据权利要求10或11所述的转子，其中：磁体段（12）沿交替方向磁化。

13.根据权利要求10所述的转子，其中：磁体（12）提供有防腐涂层。

14.根据权利要求10所述的转子，其中：轴（23B）为空心的。

15.一种用于根据权利要求1所述的电机的制造方法，其中，由叠片（21）的主预装配堆垛和多个段（30、31）来装配定子（13）芯，其中各段（30、31）用作护铁的一部分。

16.根据权利要求15所述的制造方法，其中：定子段（30、31）为弧形段（30）或平直段（31）。

17.根据权利要求15-16所述的制造方法，其中：首先将线圈（20A-C）装配至层叠堆垛的狭槽（15）中，然后安装所述段（30、31）。

18.根据权利要求16所述的制造方法，其中：所述段（30、31）由径向堆垛叠片、轴向堆垛叠片、烧结磁性体或压实磁性粉末体来制造。

19.根据权利要求15所述的制造方法，其中：定子（13）芯由两个或更多周向定子部分来制成。

20.根据权利要求19所述的制造方法，其中：首先将线圈（20A-C）装配至层叠堆垛的狭槽（15）中，然后将定子部分结合在一起。

21.根据权利要求16或20所述的制造方法，其中：线圈（20A-C）在装配至主预装配堆垛中之前预先形成。

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