CN106059185A - 一种涡流制动与取能发电一体化的电磁刹车电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡流制动与取能发电一体化的电磁刹车电机，其包括外定子背轭，外定子背轭固定连接在壳体的内壁上；在外定子背轭内壁固定设置两外定子铁芯，两外定子铁芯沿外定子背轭轴向间隔设置；在两外定子铁芯的内侧都开设有多个外定子槽，外定子槽内布置外定子绕组，在两外定子铁芯之间设置外定子励磁绕组，在两外定子铁芯和外定子励磁绕组内侧设置有磁阻和涡流集成转子，磁阻和涡流集成转子内设置有内定子磁极、内定子励磁绕组和内定子磁轭。本发明能实现电磁制动和取能发电双功能，可以广泛应用于替换原有的电磁涡流制动器、需要制动和取能双功能场合。

Description

一种涡流制动与取能发电一体化的电磁刹车电机
技术领域
本发明涉及一种电磁刹车电机，特别是关于一种在电能转换技术领域中应用的涡流制动与取能发电一体化的电磁刹车电机。
背景技术
石油钻机系统的起升系统负责钻杆的上升与下降，在钻机系统中具有重要作用。起升系统的绞车负责带动钻杆上升与下降，为了方便有效地控制钻杆下落的速度，绞车都有电磁刹车。电磁刹车实际是一台电磁涡流制动器，通过转子涡流产生的转矩对钻杆进行制动刹车，这个制动过程中，钻杆下放的动能转换为涡流产生的热能，完全消耗在电磁刹车的转子上，引起转子的发热，造成能量的浪费。如果能够将该浪费的能够收集利用，具有重要的节能价值和意义。特别是目前节能减排是全社会、全人类共同的目标。
如图1、图2所示，现有电磁刹车用的电磁涡流制动器包括外转子1、N极爪极2、S极爪极4、中间磁轭3和环形励磁绕组5。该制动器采用外转子结构，外转子1为空心杯结构，是一个由导磁导电材料构成的圆环，外转子1通过联接部件与转轴固定连接。外转子1内部为静止的N极爪极2和S极爪极4，N极爪极2和S极爪极4内包围着励磁绕组5，励磁绕组5为环形励磁线圈。中间磁轭3起着将N极爪极2和S极爪极4之间的磁路闭合减小磁阻的作用。该系统结构简单，结实耐用，特性能满足钻杆下放时制动需要。但是该制动器将制动回收的动能完全消耗在转子的涡流之中，没有实现能量的回收利用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种涡流制动与取能发电一体化的电磁刹车电机，其能实现电磁制动和取能发电双功能。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种涡流制动与取能发电一体化的电磁刹车电机，其特征在于：该电机结构包括壳体、外定子背轭、外定子铁芯、外定子绕组、外定子励磁绕组、磁阻和涡流集成转子、内定子磁极、内定子励磁绕组和内定子磁轭；所述外定子背轭固定连接在所述壳体的内壁上；在所述外定子背轭内壁固定设置两所述外定子铁芯，两所述外定子铁芯沿所述外定子背轭轴向间隔设置；在两所述外定子铁芯的内侧都开设有多个外定子槽，所述外定子槽内布置所述外定子绕组，在两所述外定子铁芯之间设置所述外定子励磁绕组，在两所述外定子铁芯和外定子励磁绕组内侧设置有所述磁阻和涡流集成转子，所述磁阻和涡流集成转子内设置有所述内定子磁极、内定子励磁绕组和内定子磁轭。
优选地，所述磁阻和涡流集成转子通过联接部件固定在转轴上，所述转轴通过轴承转动支撑在所述壳体内；所述磁阻和涡流集成转子包括转子第一段、转子第二段和转子连接段；所述转子第一段经所述转子连接段与所述转子第二段连接成一体；所述转子第一段和转子第二段均为圆盘结构，各圆盘结构的外圆上都交替布置有突出的齿和凹陷的槽；所述转子连接段也为圆盘结构，其直径小于所述转子第一段、转子第二段上齿处的直径。
优选地，所述转子第一段的齿在轴向上与所述转子第二段的槽相对，同时，所述转子第一段的槽在轴向上与所述转子第二段的齿相对。
优选地，所述转子第一段、转子第二段和转子连接段采用整块锻件制成的一体式结构。
优选地，所述磁阻和涡流集成转子的内圆表面为圆柱面。
优选地，所述外定子励磁绕组在高度方向上与所述转子连接段对应，两所述外定子铁芯在高度方向上分别与所述转子第一段、转子第二段一一对应。
优选地，所述内定子磁极为一对爪极磁极，其包括内定子N极磁极和内定子S极磁极；在所述内定子N极磁极和内定子S极磁极之间设置有所述内定子励磁绕组和内定子磁轭。
优选地，所述内定子励磁绕组为一环形的励磁绕组。
优选地，所述外定子励磁绕组为圆环形，由励磁电源提供直流电建立磁场。
优选地，所述外定子铁心和外定子励磁绕组采用整个圆周布置，或采用模块化的结构，不占据整个圆周。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明不改变原有电磁刹车的电磁涡流制动器的结构和功能，保证其原有的可靠性的基础上，增加取能发电部件，将能量加以利用，实现刹车制动功能的同时能够取能发电。2、本发明取能发电采用电励磁磁阻电机而不采用永磁体，即通过定子励磁绕组励磁从而使电机的磁场大小可以根据需要进行调节，这样当电机处于高速运行时，维持所需电压的励磁电流不大，此时可以通过调节减小磁场，提高系统效率。3、本发明将取能发电转子与涡流制动转子进行集成，实现磁阻和涡流集成转子的集成，简化系统结构。4、本发明转子为实心结构，不需要布置绕组和永磁体，因此强度高，适合高速运行。本发明可以广泛应用于替换原有的电磁涡流制动器、需要制动和取能双功能场合，对于改造油田现有装备，提升性能，实现节能具有重要作用，具有良好的市场应用前景。
附图说明
图1是现有的电磁涡流制动器的典型结构示意图；
图2是现有的电磁涡流制动器的爪极磁极部分的典型结构示意图；
图3为本发明的电磁刹车电机总体机构图示意图；
图4为本发明的电磁刹车电机外定子爆炸图；
图5为本发明的电磁刹车电机转子结构图示意图；
图6为本发明的电磁刹车电机内定子爆炸图；
图7为本发明另一种实施例的模块化定子结构图示意图；
图8为本发明另一种实施例的模块化定子爆炸图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图3～图6所示，本发明提供一种涡流制动与取能发电一体化的电磁刹车电机结构，其包括壳体11、外定子背轭12、外定子铁芯13、外定子绕组14、外定子励磁绕组15、磁阻和涡流集成转子16、内定子磁极17、内定子励磁绕组18和内定子磁轭19。
其中，外定子背轭12固定连接在壳体11的内壁上。在外定子背轭12内壁固定设置两外定子铁芯13，两外定子铁芯13沿外定子背轭12轴向间隔设置；外定子铁芯13和外定子背轭12都是电机磁路的一部分，具有导磁性。在两外定子铁芯13的内侧都开设有多个外定子槽，外定子槽内布置外定子绕组14，外定子绕组14一般为三相绕组，也可为多相绕组。在两外定子铁芯13之间设置外定子励磁绕组15，外定子励磁绕组15为圆环形，由励磁电源(图中未示出)提供直流电建立磁场。在两外定子铁芯13及外定子励磁绕组15内侧设置有磁阻和涡流集成转子16，磁阻和涡流集成转子16内设置有内定子磁极17、内定子励磁绕组18和内定子磁轭19。
上述实施例中，如图5所示，磁阻和涡流集成转子16包括转子第一段161、转子第二段162和转子连接段163，转子第一段161经转子连接段163与转子第二段162连接成一体。磁阻和涡流集成转子16的内圆表面为圆柱面，为涡流流过的通道。转子第一段161和转子第二段162均为具有一定厚度的圆盘结构，且各圆盘结构的外圆上都交替布置有突出的齿164和凹陷的槽165，齿164和槽165使转子的径向磁阻不同。转子连接段163也为具有一定厚度的圆盘结构，其直径小于转子第一段161、转子第二段162上齿164处的直径。转子第一段161的齿164在轴向上与转子第二段162的槽165相对，同时，转子第一段161的槽165在轴向上与转子第二段162的齿164相对。转子第一段161、转子第二段162、转子连接段163均为磁路的一部分，具有导磁性。转子第一段161、转子第二段162和转子连接段163为了保持涡流的流通，实际上是一个整体，可由整块锻件制成一体式结构，进而保证电流的流通。磁阻和涡流集成转子16通过联接部件固定在转轴上(图中未示出)，转轴可通过轴承转动支撑在壳体11内。
其中，外定子励磁绕组15在高度方向上与转子连接段163对应，两外定子铁芯13在高度方向上分别与转子第一段161、转子第二段162一一对应。
上述实施例中，如图6所示，内定子磁极17为一对爪极磁极，其包括内定子N极磁极171和内定子S极磁极172。在内定子N极磁极171和内定子S极磁极172之间设置有内定子励磁绕组18和内定子磁轭19，内定子励磁绕组18为一环形的励磁绕组，内定子磁轭19起磁路连接作用。
本发明的工作原理包括两部分，一部分为取能发电原理，另一部分为涡流制动原理。
取能发电原理如下：当外定子励磁绕组15通入直流电后建立磁场，磁力线由外定子铁芯13径向向外出发，达到外定子背轭14，由轴向经过外定子背轭14，到达另一段外定子铁芯13，沿径向向内经过外定子铁芯13、外定子铁芯13与磁阻和涡流集成转子16之间的气隙、转子第一段161的齿164，再沿轴向经过转子连接段163达到转子第二段162，再沿径向经过转子第二段162的齿164、外定子铁芯13与磁阻和涡流集成转子16之间的气隙，最后回到外定子铁芯13，形成完整的磁路。磁力线经过外定子铁芯13时，与外定子铁芯13的外定子槽14内的外定子绕组14相切割，在外定子绕组14中感应电动势，外定子绕组14与外部负载电路相联，即可对外输出电能，实现机电能量转换。
本发明取能发电部分采用磁阻电机，不采用永磁体。采用外定子励磁绕组15励磁，使电机的磁场大小可以根据需要调节。当电机处于高速运行时，维持所需电压的励磁电流不大，此时可以通过调节减小磁场，使高速运行时的铁损耗大大减小，提高系统效率。
涡流制动原理如下：当内定子励磁绕组18通入直流电后建立磁场，磁力线由内定子磁轭19出发，沿轴向达到内定子N极磁极171后转为径向，由N极性爪极171经过气隙到达磁阻和涡流集成转子16的内表面，由圆周方向到另一个极下转为径向再经过气隙，回到内定子S极磁极172，经过径向最后转为轴向回到内定子磁轭19闭合，形成完整的磁路，磁阻和涡流集成转子16的内表面切割该磁路的磁力线，产生感应电动势，由于磁阻和涡流集成转子16的内表面本身是导电导磁材料制成，感应电动势会产生涡流，因此产生制动转矩，对磁阻和涡流集成转子16起制动作用。
在一个优选的实施例中，外定子铁心13和外定子励磁绕组15构成的外定子除了采用前述整个圆周布置方式外，还可以采用模块化结构，该模块化结构不占据整个圆周，而只是占据圆周的部分。因为在实际应用中，电磁刹车的涡流制动器往往直径较大，而实际的发电需要量不大，因此外定子发电部分并不需要太大功率，外定子可以只是占据圆周的部分。如图7、图8所示，外定子铁心13在圆周方向只占据一个小的圆周角，跨距可以为一个极的范围或一对极的范围等，也可以在外定子铁心13两端设置有略多余的铁心，即外定子铁心13的圆周方向的长度略大于一个极或者一对极的距离，以削弱模块化造成的端部效应。此时的外定子励磁绕组15不再采用环形线圈，而是围绕模块化外定子铁心13即可，外定子励磁绕组15可以套在每个外定子铁心13上，也可以只套在一个外定子铁心13上。模块化外定子铁心13安装在机壳适当的位置，应满足取能功率需求，尽量对称布置。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种涡流制动与取能发电一体化的电磁刹车电机，其特征在于：该电机结构包括壳体、外定子背轭、外定子铁芯、外定子绕组、外定子励磁绕组、磁阻和涡流集成转子、内定子磁极、内定子励磁绕组和内定子磁轭；所述外定子背轭固定连接在所述壳体的内壁上；在所述外定子背轭内壁固定设置两所述外定子铁芯，两所述外定子铁芯沿所述外定子背轭轴向间隔设置；在两所述外定子铁芯的内侧都开设有多个外定子槽，所述外定子槽内布置所述外定子绕组，在两所述外定子铁芯之间设置所述外定子励磁绕组，在两所述外定子铁芯和外定子励磁绕组内侧设置有所述磁阻和涡流集成转子，所述磁阻和涡流集成转子内设置有所述内定子磁极、内定子励磁绕组和内定子磁轭。
2.如权利要求1所述的一种涡流制动与取能发电一体化的电磁刹车电机，其特征在于：所述磁阻和涡流集成转子通过联接部件固定在转轴上，所述转轴通过轴承转动支撑在所述壳体内；所述磁阻和涡流集成转子包括转子第一段、转子第二段和转子连接段；所述转子第一段经所述转子连接段与所述转子第二段连接成一体；所述转子第一段和转子第二段均为圆盘结构，各圆盘结构的外圆上都交替布置有突出的齿和凹陷的槽；所述转子连接段也为圆盘结构，其直径小于所述转子第一段、转子第二段上齿处的直径。
3.如权利要求2所述的一种涡流制动与取能发电一体化的电磁刹车电机，其特征在于：所述转子第一段的齿在轴向上与所述转子第二段的槽相对，同时，所述转子第一段的槽在轴向上与所述转子第二段的齿相对。
4.如权利要求2所述的一种涡流制动与取能发电一体化的电磁刹车电机，其特征在于：所述转子第一段、转子第二段和转子连接段采用整块锻件制成的一体式结构。
5.如权利要求2所述的一种涡流制动与取能发电一体化的电磁刹车电机，其特征在于：所述磁阻和涡流集成转子的内圆表面为圆柱面。
6.如权利要求2所述的一种涡流制动与取能发电一体化的电磁刹车电机结构，其特征在于：所述外定子励磁绕组在高度方向上与所述转子连接段对应，两所述外定子铁芯在高度方向上分别与所述转子第一段、转子第二段一一对应。
7.如权利要求1所述的一种涡流制动与取能发电一体化的电磁刹车电机，其特征在于：所述内定子磁极为一对爪极磁极，其包括内定子N极磁极和内定子S极磁极；在所述内定子N极磁极和内定子S极磁极之间设置有所述内定子励磁绕组和内定子磁轭。
8.如权利要求1或7所述的一种涡流制动与取能发电一体化的电磁刹车电机，其特征在于：所述内定子励磁绕组为一环形的励磁绕组。
9.如权利要求1所述的一种涡流制动与取能发电一体化的电磁刹车电机，其特征在于：所述外定子励磁绕组为圆环形，由励磁电源提供直流电建立磁场。
10.如权利要求1所述的一种涡流制动与取能发电一体化的电磁刹车电机，其特征在于：所述外定子铁心和外定子励磁绕组采用整个圆周布置，或采用模块化的结构，不占据整个圆周。
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