CN106130311B - 一种具有涡流制动与取能发电双功能的电磁刹车电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有涡流制动与取能发电双功能的电磁刹车电机，其包括壳体、外定子铁芯、外定子绕组、杯型转子、内定子磁极、内定子励磁绕组和内定子磁轭；所述外定子铁芯固定连接在所述壳体的内壁上；在所述外定子铁芯的内侧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；所述杯型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；所述杯型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。本发明不改变原有的刹车功能，在保证其原有的可靠性的基础上，增加发电取能的功能，将能量加以利用，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

一种具有涡流制动与取能发电双功能的电磁刹车电机

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具有涡流制动与取能发电双功能的电磁刹车电机。

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，完全消耗的电磁刹车的转子上，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结构包括外转子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相联。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具有涡流制动与取能发电双功能的电磁刹车电机，该电机结构不改变原有的刹车功能，在保证其原有的可靠性的基础上，增加发电取能的功能，将能量加以利用。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种具有涡流制动与取能发电双功能的电磁刹车电机，其特征在于：该电机结构包括壳体、外定子铁芯、外定子绕组、杯型转子、内定子磁极、内定子励磁绕组和内定子磁轭；所述外定子铁芯固定连接在所述壳体的内壁上；在所述外定子铁芯的内侧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；所述杯型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；所述杯型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。

进一步，所述杯型转子为一由导磁导电材料制成的空心杯，其外表面与外定子形成异步电机，其内表面与内定子形成电磁涡流制动器。

进一步，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。

进一步，所述内定子励磁绕组为一环形的励磁绕组。

进一步，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的基础上，增加取能发电部件，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异步电机而不采用永磁体，即通过定子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；

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；

图3为本发明的具有涡流制动和取能发电双功能的电磁刹车电机总体机构图；

图4为本发明的具有涡流制动和取能发电双功能的电磁刹车电机爆炸图；

图5为本发明的具有涡流制动和取能发电双功能的电磁刹车电机内定子爆炸图；

图6为本发明的具有涡流制动和取能发电双功能的电磁刹车电机模块化外定子结构图。

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5所示，本发明提供一种具有涡流制动与取能发电双功能的电磁刹车电机，其包括壳体11、外定子铁芯12、外定子绕组13、杯型转子14、内定子磁极15、内定子励磁绕组16和内定子磁轭17。

其中，外定子铁芯12固定连接在壳体11的内壁上。在外定子铁芯12的内侧开设有多个外定子槽，外定子槽内布置外定子绕组13，外定子绕组13一般为三相绕组，也可为多相绕组。外定子铁芯12和外定子绕组13与普通异步电机定子铁心和绕组一样。

杯型转子14为一由导磁导电材料制成的空心杯，其外表面与外定子形成异步电机，其内表面与内定子形成电磁涡流制动器。杯型转子14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。杯型转子14内设置有内定子磁极15、内定子励磁绕组16和内定子磁轭17。

上述实施例中，如图5所示，内定子磁极15为一对爪极磁极，其包括内定子N极磁极151和内定子S极磁极152。在内定子N极磁极151和内定子S极磁极152之间设置有内定子励磁绕组16和内定子磁轭17，内定子磁轭17起磁路联接作用,内定子励磁绕组16为一环形的励磁绕组。

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：当外定子绕组13通入交流电后建立磁场，磁力线经过气隙与杯型转子14相交链，当杯型转子14以某一转速旋转时，改变外定子绕组13通入电流的频率就可以实现异步发电，外定子绕组13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异步发电原理，不需要永磁体。改变外定子绕组13的励磁电流，就可以调节电机的磁场大小。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16通入直流电后建立磁场，磁力线由内定子磁轭17出发，沿轴向达到内定子N极磁极151后转为径向，由N极性爪极151经过气隙到达杯型转子14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152，经过径向最后转为轴向回到内定子磁轭17闭合，形成完整的磁路，杯型转子14的内表面切割该磁路的磁力线，产生感应电动势，由于杯型转子14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，对杯型转子14起制动作用。

在一个优选的实施例中，如图6所示，外定子铁芯12和外定子绕组13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6所示，外定子铁心12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12两端设置有略多余的铁心，即外定子铁心12的圆周方向的长度都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。模块化外定子铁心12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 (5)

1.一种具有涡流制动与取能发电双功能的电磁刹车电机，其特征在于：该电机结构包括壳体、外定子铁芯、外定子绕组、杯型转子、内定子磁极、内定子励磁绕组和内定子磁轭；所述外定子铁芯固定连接在所述壳体的内壁上；在所述外定子铁芯的内侧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；所述杯型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；所述杯型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所述的一种具有涡流制动与取能发电双功能的电磁刹车电机，其特征在于：所述杯型转子为一由导磁导电材料制成的空心杯，其外表面与外定子形成异步电机，其内表面与内定子形成电磁涡流制动器。

3.如权利要求1所述的一种具有涡流制动与取能发电双功能的电磁刹车电机，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。

4.如权利要求1或3所述的一种具有涡流制动与取能发电双功能的电磁刹车电机，其特征在于：所述内定子励磁绕组为一环形的励磁绕组。

5.如权利要求1所述的一种具有涡流制动与取能发电双功能的电磁刹车电机，其特征在于：所述外定子铁芯和外定子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。