CN104868677A - 两极永磁同步潜水电动机 - Google Patents

Abstract

两极永磁同步潜水电动机，属于潜水电机技术领域。转子（8）是由多个磁钢构成的两极转子，极弧系数为，转子（8）包括多个轴向叠加的转子冲片（20），转子冲片（20）的外圆周上均匀开设有多个启动杆固定孔（21），在启动杆固定孔（21）径向内侧的转子冲片（20）上设有多个N极磁钢固定槽（22）和多个S极磁钢固定槽（23），磁钢镶嵌固定在N极磁钢固定槽（22）与S极磁钢固定槽（23）内。通过极弧系数比较大的转子（8）结构，即让永磁体尽量多铺点，从而提供更强的磁场能量，克服两极转子的定子（7）轭部磁力线比较密集，定子（7）轭部比较容易饱和，磁力线走的路径比较长的问题。

Description

两极永磁同步潜水电动机

技术领域

两极永磁同步潜水电动机，属于潜水电机技术领域。

背景技术

永磁同步电机由于其励磁结构是由永久磁铁来实现的，不需要定子额外提供励磁电流。因而电机的功率因数可以做得相当高（理论上可以达到 1）。定子电流由于无功分量极低，所以定子电流也显著低于同极数、同容量异步电机，特别在高极数电机时更加明显，可以小 25%-40%，因此可使定子铜耗降低30 %-50%。由于转子无电流通过，因此不像异步电机那样，转子有电流，导致有损耗，这部分损耗，一般在异步电机中可占到总损耗的5~10%。因此永磁同步电机总损耗一般要比异步电机降低10 %-20%。简单的讲，异步起动永磁同步电动机(Line-start Permanent Magnet SynchronousMotor, LSPMSM)就是在三相感应电动机的转子内放置永磁体，依靠阻尼转子绕组产生的异步转矩实现起动。正常运行时，由转子永磁磁极与定子绕组产生的旋转磁场相互作用，产生恒定转矩，电动机的转速为同步转速，此时转子阻尼绕组不再起作用。

井用潜水永磁电机，由于受井径的影响，外形结构均为细长型，即电机外径很小(一般不超过φ350)，这也使得电机内部的转子更细，而要保证转子具有一定得刚度，转子轴又不能太细，这也导致转子冲片内外径之间的空间非常紧张。而异步起动永磁同步电动机一方面需要异步起动能力，另一方面又需要维持同步运行的能力，这使得转子上同时存在起动鼠笼和永磁体。转子冲片的设计空间本来就小，又要在铁芯内设计镶嵌磁钢，使得结构变得尤为复杂，设计难度大大增加。

启动鼠龙与永磁体的位置设计存在较大的矛盾。由于转子永磁体的存在，导致其平均转矩-转差率曲线在低转速时出现一个较低的下凹点，一方面为了保证电机顺利起动(该种电机无法像普通异步电动机一样进行降压起动来限制起动电流)，较高的起动电流需要靠转子槽型的优化设计来抑制，另一方面，为了提高最小转矩而减少永磁体用量，需要增加定子绕组匝数，这使得制造成本和工时增加；同时， 由于启动鼠笼绕组的存在，那么安放永磁体的空间受到限制，一方面如果启动鼠笼转子导条的截面孔过大、永磁体就要进一步向转轴靠近，永磁体没有得到充分的利用，需要增加更多永磁体厚度来保证电磁性能；另一方面如果鼠笼转子导条孔的截面过小，会使转子导条中中的电流过大，可能会使转子导条的发热量过大，就起不到异步起动的作用了。

同时由于受井径细的影响，所有井用潜水电泵均为两极泵，因此配套用井用潜水电机的设计也必须为两极电机，然而转子镶嵌的磁钢由于采用两极磁钢，也使得电磁方案设计更加困难，定子轭部磁力线比较密集，因此定子轭部比较容易饱和，这样我们就需要更加厚的轭部。但是在电机外形尺寸一定的情况下，如果轭部较厚放置铜线的空间就会较小；我们知道如果放置的铜少的话，会带来很多问题，比如说线负荷、定子铜耗、发热量、效率等等。磁力线走的路径比较长，如果磁场能量比较小的化漏磁相对比较大，因此需要更强的磁场能量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种两极永磁同步潜水电动机，首次在井用潜水电机的方案设计中采用了两极极永磁方案，效率及功率因数较常规潜水电机国标，及国外各先进单位有较大提高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该两极永磁同步潜水电动机，包括固定在外壳内的定子和转子，转子内侧同轴固定有电机轴，其特征在于：所述转子是由多个磁钢构成的两极转子，极弧系数为0.85~0.89，转子包括多个轴向叠加的转子冲片，转子冲片的外圆周上均匀开设有多个启动杆固定孔，多个启动杆分别固定在启动杆固定孔内形成启动鼠笼，在启动杆固定孔径向内侧的转子冲片上设有多个N极磁钢固定槽和多个S极磁钢固定槽，其中多个N极磁钢固定槽和多个S极磁钢固定槽均成弧形排列， N极磁钢固定槽与S极磁钢固定槽对称设置在转子冲片的两侧，磁钢镶嵌固定在N极磁钢固定槽与S极磁钢固定槽内。

优选的，所述转子冲片的外径为110~115mm，内径为70~75mm，相邻S极磁钢固定槽之间的间距为1~1.3mm；相邻N极磁钢固定槽之间的间距为1~1.3mm。

优选的，所述转子冲片的外径为112mm，内径为72mm，相邻S极磁钢固定槽之间的间距为1.2mm；相邻N极磁钢固定槽之间的间距为1.2mm，启动杆固定孔的直径为5mm。

优选的，所述转子冲片上开设有五个N极磁钢固定槽与五个S极磁钢固定槽。

优选的，所述外壳两端封闭，在外壳内形成填充有冷却水的充水冷却腔，转子和定子均位于充水冷却腔内，冷却水内添加有防腐液。

优选的，磁钢表面具有0.12~0.17mm的Ni-Cu-Ni镀层。

优选的，电机轴的上下两端与外壳之间通过导轴承座设有导轴承，导轴承与导轴承座上均开设有连通充水冷却腔内的冷却水槽。

优选的，在所述磁钢与N极磁钢固定槽或S极磁钢固定槽之间灌注有环氧树脂。

优选的，所述定子、转子和电机轴均竖向设置，电机轴下端固定有推力轴承，在推力轴承下方设有调心机构。

优选的，所述调心机构包括球面支柱和调心支座，球面支柱竖向固定在调心支座的上部，球面支柱的上端为向上突出的球面，推力轴承下侧的座圈中部具有一个调心固定部，球面支柱的上端抵接调心固定部，调心固定部的下侧是与球面支柱上端相配合的球面。

在外壳的下方还安装有一个底座，球面支柱和调心支座，安装在底座内，在调心支座内装有压力调节器，下导轴承座的下部开设有连通充水冷却腔和底座内腔的第一冷却孔，调心支座上开设有连通底座内腔和调心支座内腔的第二冷却孔。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1、转子由于采用两极磁钢，使得电机方案设计更加困难，本发明通过极弧系数比较大的转子结构，即让永磁体尽量多铺点，从而提供更强的磁场能量，克服两极转子的定子轭部磁力线比较密集，定子轭部比较容易饱和，磁力线走的路径比较长的问题。首次在井用潜水电机的电机方案设计中采用了两极永磁方案，且达到了预期目标。首次在井用潜水电机的转子结构设计上采用了磁钢镶嵌式，效率及功率因数较常规潜水电机国标，及国外各先进单位有较大提高。

2、由于转子设计要求，磁钢分布较密集，磁桥宽度只有较窄，其刚度可能不够，结合加工成本及加工难度，对其进行应力分析，相邻S极磁钢固定槽之间的间距为1~1.3mm；相邻N极磁钢固定槽之间的间距为1~1.3mm，既磁桥采用1~1.3mm的宽度，既能满足强度需要，也可以铺设更多的磁钢，克服以往人们认为井用潜水电机不能在两极转子的情况下还设置启动鼠笼的错误认识。

3、由于该两极永磁同步潜水电动机受井径细的影响，启动鼠龙与磁钢的位置设计存在较大的矛盾，在启动杆固定孔内固定直径为5mm的启动杆构成启动鼠笼，在保证该两极永磁同步潜水电动机顺利启动的同时，保证安装磁钢的空间足够，使得磁钢得到充分的利用，提高效率及功率因数，又不会使启动杆因电流过大而造成严重发热，保证异步启动的顺利进行。

4、磁钢，容易吸附铁屑等异物。而电机定子和转子之间的气隙仅有1mm，如果转子上吸附的异物较多，可能导致转子运转不顺，影响电机的使用性能。长此以往，很可能会发生扫堂，伤导轴承等严重后果，直接影响电机的使用寿命及可靠性。经过长期的观察和试验，我们发现这些异物的来源，主要是导轴承座等铸造成型的结构件长期处于水的浸泡中，生锈进而脱落到水中。此时，电机内腔的防腐就变得尤为重要。针对这个问题，我们尝试在电机内腔充的水中加入适量的防腐液，通过添加防腐液，有效防止长期处于水的浸泡中的铸造成型的结构件生锈，有效提高了电机的使用寿命和可靠性。

5、磁钢材质为钕硼铁，长期浸泡在水中很容易生锈，而锈蚀是磁钢退磁失效的主要原因之一，因此磁钢必须做好防腐处理。在磁钢的表面设置镀层，有效隔离了磁钢，使其不直接与水接触，提高了磁钢的使用寿命。

6、导轴承和轴套形成摩擦付，旋转时冷却水通过冷却水槽不断进入摩擦付，能有效地改善其冷却和润滑条件。

7、磁钢与N极磁钢固定槽或S极磁钢固定槽在径向上有0.1mm的间隙，使用过程中必然震动，而震动是磁钢失效的一个重要原因之一，为克服这一问题，在磁钢与N极磁钢固定槽或S极磁钢固定槽之间灌注环氧树脂，晾干之后会将磁钢完全固定在原有的位置，运行过程中，绝对不会发生任何移动，有效提高了磁钢的使用寿命，而且，在磁钢与N极磁钢固定槽或S极磁钢固定槽之间灌注有环氧树脂，能够保证所有N极磁钢固定槽或S极磁钢固定槽内不会进入水，从而更加有效保证了磁钢不会因接触到水而生锈。

8、通过调心机构能够支撑整个转子，同时调节转子的位置，保证转子始终处在定子内孔的中心位置，保证定子与转子的气隙尺寸，有效保证了定子和转子的使用寿命，提高电机的使用可靠性。

9、压力调节器，自动平衡电机内、外的压力，避免电机内部的充水与环境经过密封面发生交换。

附图说明

图1为该两极永磁同步潜水电动机的结构示意图。

图2为转子冲片的结构示意图。

图3为磁力线的分布示意图。

其中：1、连接法兰  2、防砂环  3、上导轴承座  4、导轴承  5、轴套  6、冷却水槽  7、定子  8、转子  9、电机轴  10、下导轴承座  11、充水冷却腔  12、第一冷却孔  13、推力轴承  14、球面支柱  15、第二冷却孔  16、底座  17、调心支座  18、调节气囊  19、外壳  20、转子冲片  21、启动杆固定孔  22、N极磁钢固定槽  23、S极磁钢固定槽。

具体实施方式

图1~3是该两极永磁同步潜水电动机的最佳实施例，下面结合附图1~3对本发明做进一步说明。

参照图1~3，该两极永磁同步潜水电动机，包括固定在外壳19内的定子7和转子8，转子8内侧同轴固定有电机轴9，转子8是由多个磁钢构成的两极转子，极弧系数为0.87，转子8包括多个轴向叠加的转子冲片20，转子冲片20的外圆周上均匀开设有多个启动杆固定孔21，多个启动杆分别固定在启动杆固定孔21内形成启动鼠笼，在启动杆固定孔21径向内侧的转子冲片20上设有多个N极磁钢固定槽22和多个S极磁钢固定槽23，其中多个N极磁钢固定槽22和多个S极磁钢固定槽23均成弧形排列， N极磁钢固定槽22与S极磁钢固定槽23对称设置在转子冲片20的两侧，磁钢镶嵌固定在N极磁钢固定槽22与S极磁钢固定槽23内，多个N极磁钢固定槽22相邻设置，多个S极磁钢固定槽23相邻设置，从而构成两极转子，转子8由于采用两极磁钢，使得电机方案设计更加困难，本发明通过极弧系数比较大的转子8结构，即让永磁体尽量多铺点，从而提供更强的磁场能量，克服两极转子的定子7轭部磁力线比较密集，定子7轭部比较容易饱和，磁力线走的路径比较长的问题（见图3）。首次在井用潜水电机的电机方案设计中采用了两极永磁方案，且达到了预期目标。首次在井用潜水电机的转子8结构设计上采用了磁钢镶嵌式，效率及功率因数较常规潜水电机国标，及国外各先进单位有较大提高（参见表一）。

表一

。

参照图1，本实施例中的两极永磁同步潜水电动机为充水结构，具体的是，外壳19两端封闭，在外壳19内形成填充有冷却水的充水冷却腔11，转子8和定子7均位于充水冷却腔11内，冷却水内添加有防腐液。该两极永磁同步潜水电动机的转子8因镶嵌有磁钢，因此具有磁性，容易吸附铁屑等异物。而电机定子7和转子8之间的气隙仅有1mm，如果转子8上吸附的异物较多，可能导致转子8运转不顺，影响电机的使用性能。长此以往，很可能会发生扫堂，伤导轴承4等严重后果，直接影响电机的使用寿命及可靠性。经过长期的观察和试验，我们发现这些异物的来源，主要是导轴承座等铸造成型的结构件长期处于水的浸泡中，生锈进而脱落到水中。此时，电机内腔的防腐就变得尤为重要。针对这个问题，我们尝试在电机内腔充的水中加入适量的防腐液，通过添加防腐液，有效防止长期处于水的浸泡中的铸造成型的结构件生锈，有效提高了电机的使用寿命和可靠性。

电机轴9的上下两端与外壳19之间通过导轴承座设有导轴承4，具体到本实施例，导轴承座包括上导轴承座3和下导轴承座10，导轴承4与导轴承座上均开设有连通充水冷却腔11内的冷却水槽6，导轴承4和镀铬轴套5形成摩擦付，旋转时冷却水不断进入摩擦付，能有效地改善其冷却和润滑条件。本实施例中在电机轴9的上端固定有一个防砂环2，具体的，防砂环2固定在上导轴承座3的上侧，且上导轴承座3的上部与电机轴9之间设有密封圈密封，防砂环2充分保证两极永磁同步潜水电动机在运行时，介质中的污水污物进入不到电机内腔，大幅度提升电机的耐腐蚀性、耐磨性等，从而保证电机的使用寿命。而且该两极永磁同步潜水电动机在运行时，振动噪音小，对水源没有污染，属于绿色的产品。外壳19的上端还固定有一个连接法兰1，用于连接水泵。

定子7、转子8和电机轴9均竖向设置，电机轴9下端固定有推力轴承13，在推力轴承13下方设有调心机构，通过调心机构能够支撑整个转子8，同时调节转子8的位置，保证转子8始终处在定子7内孔的中心位置，保证定子7与转子8的气隙尺寸，有效保证了定子7和转子8的使用寿命，提高电机的使用可靠性。具体的，调心机构包括球面支柱14和调心支座17，球面支柱14竖向固定在调心支座17的上部，球面支柱14的上端为向上突出的球面，推力轴承13下侧的座圈中部具有一个调心固定部，球面支柱14的上端抵接调心固定部，调心固定部的下侧是与球面支柱14上端相配合的球面，通过球面支柱14调节推力轴承13，从而调节整个转子8，结构简单，工作可靠。当然本实施例在电机轴9的上端也安装有一个推力轴承（图中未画出），上端推力轴承可以防止在启动时水泵产生的向上轴向力（动反力）提起转子8，而后又对下侧导轴承4产生冲击，提高使用寿命。进一步的，在外壳19的下方还安装有一个底座16，底座16可以有效的增大电机散热表面和电机充水量，球面支柱14和调心支座17，安装在底座16内。作为更进一步的改进，在调心支座17内装有压力调节器，自动平衡电机内、外的压力，避免电机内部的充水与环境经过密封面发生交换。压力调节器为调节气囊18。下导轴承座10的下部开设有连通充水冷却腔11和底座16内腔的第一冷却孔12，调心支座17上开设有连通底座16内腔和调心支座17内腔的第二冷却孔15。

磁钢材质为钕硼铁，长期浸泡在水中很容易生锈，而锈蚀是磁钢退磁失效的主要原因之一，因此磁钢必须做好防腐处理。针对这个问题，对磁钢进行表面处理，每块磁钢的表面都有0.15mm的镀层，分三层，即Ni-Cu-Ni镀层。有效隔离了磁钢，使其不直接与水接触，提高了磁钢的使用寿命。

磁钢与N极磁钢固定槽22或S极磁钢固定槽23在径向上有0.1mm的间隙，使用过程中必然震动，而震动是磁钢失效的一个重要原因之一，为克服这一问题，在磁钢与N极磁钢固定槽22或S极磁钢固定槽23之间灌注有环氧树脂，晾干之后会将磁钢完全固定在原有的位置，运行过程中，绝对不会发生任何移动，有效提高了磁钢的使用寿命，而且，在磁钢与N极磁钢固定槽22或S极磁钢固定槽23之间灌注有环氧树脂，能够保证所有N极磁钢固定槽22或S极磁钢固定槽23内不会进入水，从而更加有效保证了磁钢不会因接触到水而生锈。

参照图2，具体的，该两极永磁同步潜水电动机受井径细的影响，外形结构均为细长型，即电机外径很小，这也使得转子8更细，而要保证转子8具有一定得刚度，转子8轴又不能太细，这也导致转子冲片20内外径之间的空间很小，在冲片边缘有鼠笼条的同时，要在铁芯内设计镶嵌磁钢变得尤为困难，市场上存在的永磁电机绝大多数磁钢都采用转子8表贴式，这类永磁电机大多没有鼠笼结构，且转速较低。即便有转速较高的，采用镶嵌式磁钢的，也不是两极电机，且转子冲片内外径之间空间较大，设计相对简单。本实施例中转子冲片20的外径为110~115mm，内径为70~75mm，而且由于转子8设计要求，磁钢分布较密集，磁桥宽度只有较窄，其刚度可能不够，结合加工成本及加工难度，对其进行应力分析，较佳的，选择相邻S极磁钢固定槽23之间的间距为1~1.3mm；相邻N极磁钢固定槽22之间的间距为1~1.3mm。在经过计算和试验后，旋转在转子冲片20上对称开设五个N极磁钢固定槽22与五个S极磁钢固定槽23。

作为最佳的方案，转子冲片20的外径为112mm，内径为72mm，相邻S极磁钢固定槽23之间的间距为1.2mm；相邻N极磁钢固定槽22之间的间距为1.2mm，能够在保证转子冲片20刚度的同时，铺设更多的磁钢，从而提供更强的磁场能量。进一步的是，启动杆固定孔21的直径为5mm，由于该两极永磁同步潜水电动机受井径细的影响，启动鼠龙与磁钢的位置设计存在较大的矛盾，在启动杆固定孔21内固定直径为5mm的启动杆构成启动鼠笼，在保证该两极永磁同步潜水电动机顺利启动的同时，保证安装磁钢的空间足够，使得磁钢得到充分的利用，提高效率及功率因数，又不会使启动杆因电流过大而造成严重发热，保证异步启动的顺利进行。

本实施例中N极磁钢固定槽22和S极磁钢固定槽23均为外侧宽、内侧窄的等腰梯形结构，且N极磁钢固定槽22和S极磁钢固定槽23的四个角均为圆角，通过应力分析可知。N极磁钢固定槽22和S极磁钢固定槽23的磁桥处为应力较为集中区域，尤其是磁桥外侧部为应力最为集中的部位，此处最容易发生断裂的事故，本实施例将N极磁钢固定槽22和S极磁钢固定槽23的四个角均设为圆角，可以有效的降低应力集中，提高转子冲片20的刚度，同时保证铺设更多的磁钢，从而减少漏磁现象，使磁钢得到充分利用。

本申请中的极弧系数可以在0.85~0.89之间选择。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种两极永磁同步潜水电动机，包括固定在外壳（19）内的定子（7）和转子（8），转子（8）内侧同轴固定有电机轴（9），其特征在于：所述转子（8）是由多个磁钢构成的两极转子，极弧系数为0.85~0.89，转子（8）包括多个轴向叠加的转子冲片（20），转子冲片（20）的外圆周上均匀开设有多个启动杆固定孔（21），多个启动杆分别固定在启动杆固定孔（21）内形成启动鼠笼，在启动杆固定孔（21）径向内侧的转子冲片（20）上设有多个N极磁钢固定槽（22）和多个S极磁钢固定槽（23），其中多个N极磁钢固定槽（22）和多个S极磁钢固定槽（23）均成弧形排列， N极磁钢固定槽（22）与S极磁钢固定槽（23）对称设置在转子冲片（20）的两侧，磁钢镶嵌固定在N极磁钢固定槽（22）与S极磁钢固定槽（23）内。

2.根据权利要求1所述的两极永磁同步潜水电动机，其特征在于：所述转子冲片（20）的外径为110~115mm，内径为70~75mm，相邻S极磁钢固定槽（23）之间的间距为1~1.3mm；相邻N极磁钢固定槽（22）之间的间距为1~1.3mm。

3. 根据权利要求2所述的两极永磁同步潜水电动机，其特征在于：所述转子冲片（20）的外径为112mm，内径为72mm，相邻S极磁钢固定槽（23）之间的间距为1.2mm；相邻N极磁钢固定槽（22）之间的间距为1.2mm，启动杆固定孔（21）的直径为5mm。

4. 根据权利要求1~3任一项所述的两极永磁同步潜水电动机，其特征在于：所述转子冲片（20）上开设有五个N极磁钢固定槽（22）与五个S极磁钢固定槽（23）。

5. 根据权利要求1所述的两极永磁同步潜水电动机，其特征在于：所述外壳（19）两端封闭，在外壳（19）内形成填充有冷却水的充水冷却腔（11），转子（8）和定子（7）均位于充水冷却腔（11）内，冷却水内添加有防腐液。

6. 根据权利要求5所述的两极永磁同步潜水电动机，其特征在于：磁钢表面具有0.12~0.17mm的Ni-Cu-Ni镀层。

7. 根据权利要求5所述的两极永磁同步潜水电动机，其特征在于：电机轴（9）的上下两端与外壳（19）之间通过导轴承座设有导轴承（4），导轴承（4）与导轴承座上均开设有连通充水冷却腔（11）内的冷却水槽（6）。

8. 根据权利要求1所述的两极永磁同步潜水电动机，其特征在于：在所述磁钢与N极磁钢固定槽（22）或S极磁钢固定槽（23）之间灌注有环氧树脂。

9. 根据权利要求1所述的两极永磁同步潜水电动机，其特征在于：所述定子（7）、转子（8）和电机轴（9）均竖向设置，电机轴（9）下端固定有推力轴承（13），在推力轴承（13）下方设有调心机构。

10. 根据权利要求9所述的两极永磁同步潜水电动机，其特征在于：所述调心机构包括球面支柱（14）和调心支座（17），球面支柱（14）竖向固定在调心支座（17）的上部，球面支柱（14）的上端为向上突出的球面，推力轴承（13）下侧的座圈中部具有一个调心固定部，球面支柱（14）的上端抵接调心固定部，调心固定部的下侧是与球面支柱（14）上端相配合的球面。