CN104285360A - 同步磁阻马达和水下泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同步磁阻马达，用于水下泵，具有定子和转子，该转子包括用于使一个或多个磁性极偶成形的磁通屏障切口，其中转子（12）和定子（11）之间的气隙至少部分填充有铁磁流体（20）。本发明的其它部分方面涉及具有这样的用于驱动泵的同步磁阻马达的水下泵。

Description

同步磁阻马达和水下泵

技术领域

本发明涉及一种同步磁阻马达，用于驱动水下泵，具有定子-转子装置，其中转子包括用于使一个或多个磁性极偶成形的磁通屏障切口（Flusssperrenschnitt）。另外，本发明涉及具有这样的驱动马达的水下泵。

背景技术

水下马达泵用于输送钻孔中的液体介质。马达的壳体外侧被输送介质、通常是地下水完全或部分润湿（benetzen）。所使用的泵驱动马达实施成封装的（gekapselt），以便防止输送介质渗入到马达内部腔室中。

马达腔室填充有合适的液体介质，优选地填充有水-乙二醇混合物或油，该介质既润湿未被保护的转子又在定子未被保护的情况下将定子连同塑料绝缘的绕组线一起润湿或在定子被保护的情况下润湿密封外壳（Spaltrohr）。填入的介质保证（sorgen für）了马达的充分冷却效率（Kühlleistung）。

同时该介质保证了流体动力学的滑动轴承的持续润滑，并且可能提供有效部件（Aktivteil）的期望的防腐蚀作用。

但是相对于空气填充的马达腔室，这样的机器的可获得的效率和功率因数明显降低，因为尤其是由于马达腔室中的液体介质，在转子和介质之间的摩擦功率（Reibleistung）大大增加。

水下马达泵机组安装在输送介质的区域中的适当钻孔中。钻孔成本取决于钻孔深度和必要的钻孔直径而变化。几百米的直的钻孔深度产生极大的成本，例如通过限制允许的钻孔直径来限制成本。

但是对最大直径的限制对马达机组的开发提出了高要求，因为机组的物理尺寸通常决定性地一并确定了其效率和功率因数。尤其是马达横截面必须与所期望的钻孔直径相配合。

为了仍然能够提供充分的轴端功率（Wellenleistung），马达的有效部件长度必须相应增大。与此相关联的非常狭长的机组结构方式可使转子长度与转子直径的比例增长。在此转子的有效部件长度至少是转子直径的两倍大。因此，出于制造技术的原因，必须实现相对较大的气隙，结果是该气隙明显比在常规马达的情况下更大。通常水下马达的气隙尺寸为常规马达的气隙尺寸的两倍以上。

然而，恰好在按照磁阻原理工作的机组的情况下，特别期望的是气隙能够保持得尽可能小。但是在水下马达的情况下由于应用造成的马达结构导致目前在水下泵领域中使用同步磁阻马达仅能在效率和功率因数方面产生显著损失的情况下实现。

发明内容

因此，本发明的任务是对公知的同步磁阻马达以如下方式进行改型，使其还可在水下泵中使用，但不必承受在效率和功率因数方面的值得一提的损失。

该任务通过根据权利要求1的特征的同步磁阻马达来解决。所示出的同步磁阻马达的有利的扩展方案为跟随独立权利要求的从属权利要求的主题。

根据权利要求1的特征组合，提出了一种同步磁阻马达，其具有定子和与该定子处于作用关联的转子。转子包括用于使一个或多个磁性极偶成形的磁通屏障切口。

同步磁阻机器的转子还可优选地配备有柱形的软磁元件，该软磁元件同轴地布置在转子轴线上。为了形成至少一个极偶或间隙偶（Lückenpaar），软磁元件优选地包括磁通引导片段（Flussleitabschntte）及磁通屏障片段，它们在表达为强度不同的导磁性方面彼此区分。具有较大磁导率的片段表征为转子的d-轴线，而具有相对较低磁导率的片段表征为转子的q-轴线。当d-轴线具有尽可能大的磁导率并且q-轴线具有尽可能低的磁导率时出现优化的扭矩产出（Drehmomentausbeute）。

通过沿着q-轴线在软磁元件中构造多个以空气填充的凹部（Aussparung）可实现该前提条件。

在根据本发明的转子的优选的实施方式中，软磁元件是板叠（Blechpaket），其由多个沿转子的轴向方向彼此堆叠的板构成。这种构造方式避免了软磁元件中出现涡流。尤其适用的是根据US5,818,140的技术教导的板叠构造，在此上下文中明确对其引用。

由于开始阐述的在水下马达泵情况下的技术实际情况，在转子元件和定子元件之间存在相对大的气隙。出于上述原因消除了对与此相关联的功率损失和作用损失进行对抗的气隙的几何减小。

根据本发明至今在马达内部腔室中使用的填充介质由铁磁流体替代。所使用的铁磁流体的合适选择导致相对导磁性μ_R > 1。气隙中导磁性的增大在其作用上对应于磁性气隙的几何减小。磁有效的气隙相应减小。气隙中导磁性的值越大，所使用的同步磁阻马达的效率和功率因数就变得越有利。转子和定子之间的相互作用增强。因此，某些马达原理也可运用于由于技术实际情况而以相对较大的气隙为条件的场合。

根据本发明使用铁磁流体允许使用同步磁阻马达以令人满意的效率和功率因数来驱动水下泵。

同时，所使用的流体改善了马达内部腔室中的热量排出。此外，流体动力学的滑动轴承被持续润滑，并且铁磁流体可以对所使用的同步磁阻马达的有效部件起到防腐蚀的作用。

铁磁流体具有可磁化的并且通常为超顺磁的一种或多种对磁性（Magnetismus）响应的组分。

这些磁性组分可以以不同的形式在载液中存在。颗粒和载液的组合构成铁磁流体。

一种可能性在于，所述组分作为悬浮在载液中的颗粒而存在。理想地，各个颗粒胶状地（kolloidal）悬浮在载液中。

颗粒大小处于纳米范围，优选地在1nm与10nm之间，其中颗粒大小尤其在5nm与10nm之间表明为有利的。

一个或多个颗粒以合适的方式由下列物质中的至少一种制成：铁、磁铁矿（Magnetid）、钴或特殊合金。

颗粒可以设置有表面涂层，尤其是聚合物涂层。可以混合作为单分子层附着在颗粒表面处的表面活性物质。表面活性物质的极性分子的原子团（Radikal）彼此排斥并且因此避免了颗粒的结块（Verklumpen）。

为了使转子处的摩擦功率保持在一定限度内，适宜地使用低粘度的铁磁流体。例如，所使用的铁磁流体的粘度处于水的粘度范围，即在20℃时约1mPa·s的范围。

但是，铁磁流体的使用带来了负面的伴随现象，因为马达腔室中升高的导磁性也使出现的渗漏损失增强。与由空气填充的马达的情况不同的是，渗漏的场力线的传播（Ausbreitung）不再受到阻碍而是得到促进，因此大大增加了出现的损失。

为了对抗该作用，可以在定子的至少一个绕组头部（Wickelkopf）的区域中设置用于减少出现的端部漏磁的装置（Mittel）。在该区域中适宜地布置一个或多个元件，以便排除（verdrängen）该区域中的铁磁流体。合适的元件是一个或多个塑料体，其可以优选地精确配合地环绕一个或多个绕组头部安装或可套装到一个或多个绕组头部上。用于减少出现的端部漏磁的可替代装置是通过铸造绕组头部或起泡填充（Ausschäumen）环绕绕组头部的腔室而得到的。原则上具有非磁性（amagnetisch）性质的材料是适合的。

相似的问题出现在定子体的槽缝的区域中。同样在此由于铁磁流体的原因，场力线可以更好地传播并引起较高的损失。适宜地，提出了槽缝区域中的装置，其从该区域排除铁磁流体并且限制出现的渗漏损失。尤其有利的是被置入到一个或多个槽缝中的槽楔。

同步磁阻机器的转子优选地由层压转子叠片组成。转子叠片具有单个磁通屏障（Flusssperren）以用于使一个或多个极偶成形。磁通屏障以本身公知的方式由转子叠片中的凹部形成，所述凹部通常被填充空气。在这种情况下，存在铁磁流体到达磁通屏障的中空腔室中的危险。在本发明的优选实施方式中，转子或转子的至少一部分实施成封装的，以便相对于铁磁流体使转子体密封。

附加地或可替换地，一个或多个磁通屏障可单独密封，并且被保护以防不期望的液体进入。也可以的是磁通屏障填充有合适的材料，例如塑料，以便抑制液体进入。

此外，本发明涉及一种水下泵，该水下泵具有根据本发明的马达的特征的或具有同步磁阻马达的有利实施方式的特征的、驱动泵的同步磁阻马达。水下泵明显具有与根据本发明的同步磁阻马达或马达的优选扩展方案相同的优点和性质，因此在此不作重复描述。

附图说明

本发明的其它优点和性质从图中示出的实施例中得到。附图：

图1示出了根据本发明的同步磁阻马达的示意性纵截面图示；

图2示出了根据本发明的同步磁阻马达的转子的示意性横截面图示；以及

图3示出了根据本发明的同步磁阻马达的定子的细节截取部分。

具体实施方式

图1中示出的同步磁阻马达10具有普通的定子11和相对于定子11能转动支承的转子12，转子12自身同轴地布置在轴13上。转子体由层压的叠片（Paket）、例如板叠（Blechpaket）组成，其中各个层或板沿轴13的轴向方向堆叠。从图2可得出单个层的示意性图示。

转子壁和定子壁之间的距离称为气隙。根据本发明在图1中马达内部腔室填充有铁磁流体20，由此提高了定子11和转子12之间区域中的导磁性并且补偿了相对较大的几何距离。转子12和定子11之间的相互作用（即，磁阻力）将由于提高的导磁性而增大。

所使用的铁磁流体20由几纳米大的磁性颗粒组成，这些颗粒胶状地悬浮在合适的载液中。所使用的铁磁流体20的粘度性质在此被选择为使得转子和铁磁流体20之间的摩擦功率结果是尽可能低的。理想地，铁磁流体20具有水的粘度数量级的粘度。

定子11的绕组头部15的区域中出现的渗漏损失应当通过一个或多个塑料体16尽可能大程度地减少。塑料体安装在相应的绕组头部15上并且环绕该绕组头部以用于完全排除铁磁流体。

此外，通过槽楔30来降低定子11的槽缝区域中出现的渗漏损失。图3示出了具有绕组腔室17的定子叠片11的横截面的细节图片。在槽缝区域中设置槽楔30，槽楔30排除槽缝中的铁磁流体，以便抑制定子齿之间的磁性短路。

图2示出了转子叠片12的横截面。该图示意性示出了转子层41的单个磁通屏障。转子层41的在其它情况下的被填充空气的凹陷40完全由塑料类材料填充或起泡填充，以便防止可能的流体进入。

附加地或可替换地，整个转子体12可以如图1中表明的那样封装实施。例如转子表面完全涂敷有合适的材料50，以便保护转子体免受液体进入损害。

Claims (10)

1.一种同步磁阻马达，用于驱动水下泵，具有定子和转子，所述转子包括用于使一个或多个磁性极偶成形的磁通屏障切口，

其特征在于，

转子（12）和定子（11）之间的气隙至少部分填充有铁磁流体（20）。

2.根据权利要求1所述的同步磁阻马达，其特征在于，铁磁流体（20）包括载液，所述载液具有一种或多种对磁性响应的组分。

3.根据权利要求2所述的同步磁阻马达，其特征在于，磁性组分的至少一部分是颗粒，所述颗粒胶状地悬浮在载液中。

4.根据权利要求3所述的同步磁阻马达，其特征在于，颗粒大小处于纳米范围，优选地在1nm与10nm之间，尤其处于5nm与10nm之间的范围。

5.根据前述权利要求中任一项所述的同步磁阻马达，其特征在于，铁磁流体（20）的粘度在20℃时处于约1mPa·s的范围中。

6.根据前述权利要求中任一项所述的同步磁阻马达，其特征在于，在定子绕组头部（15）的区域中设置用于减少端部漏磁的装置。

7.根据前述权利要求中任一项所述的同步磁阻马达，其特征在于，设置用于降低定子（12）的槽壁间漏磁的装置，尤其是至少一个槽楔（30）。

8.根据前述权利要求中任一项所述的同步磁阻马达，其特征在于，设置转子（11）的封装。

9.根据前述权利要求中任一项所述的同步磁阻马达，其特征在于，一个或多个转子磁通屏障（40）被密封和/或填充。

10.一种水下泵，所述水下泵具有根据前述权利要求中任一项所述的驱动泵的同步磁阻马达。