CN108418396B - 一种定子分段单体励磁分极式高温超导电机 - Google Patents

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Abstract

一种定子分段单体励磁分极式高温超导电机，由电枢定子、励磁定子、转子、气隙和屏蔽环构成。电枢定子和励磁定子沿轴向依次排列，二者之间设有非导磁材料构成的屏蔽环；带有凸齿的转子放置在电枢定子内部，二者之间设有气隙。电枢定子由沿圆周方向等距间隔排列的U型铁心，以及绕制在相邻U型铁心齿上的三相对称电枢绕组构成；励磁定子为由在轴向设有凸极的外铁心环、在轴向设有Z型凸起的内铁心环以及单侧端环构成的环形空腔结构，空腔内放置圆环形高温超导励磁绕组。外铁心环的轴向凸极和内铁心环的轴向Z型凸起分别交替与电枢定子的U型铁心磁轭相对齐，实现一种轴‑径向磁路相结合的单体励磁分极式结构，能够简化冷却杜瓦制作，降低成本。

Description

一种定子分段单体励磁分极式高温超导电机
技术领域
本发明涉及一种钻井顶驱用电机，尤其涉及一种采用分段式定子结构且仅使用一个高温超导励磁线圈的定子分段单体励磁分极式高温超导电机。
背景技术
顶驱钻井装置是20世纪80年代以来钻井设备发展的四大新技术之一，代表着钻井工艺技术、机电液一体化油气开采专用设备的最高水平和21世纪钻井设备的发展方向，它对钻井技术的进步有着巨大的影响，已成为深井钻井、复杂井钻井以及出国钻井作业的必配设备之一。
现有钻井顶驱系统所用驱动电机主要包括交流感应电动机和永磁同步电动机两类。然而，交流感应电动机功率因数低，高性能控制算法复杂，常规控制系统的低速性能较差，电机在低速情况下的输出扭矩和转速不平稳，因此增加了顶驱系统的控制难度；永磁同步电动机则制造成本较高、现场维护困难，且控制时需要精确检测转子的位置，转子永磁体在受到大电流冲击以及高温等影响时容易出现失磁危险，致使顶驱系统的运行可靠性降低。此外，随着中深井、超深井和复杂井钻井的发展，所需的大容量低速大转矩直驱电机，不但体积大、质量重，而且给电机制造、运输和安装等带来很大难度。因此，现阶段为满足油气田开发中超深井和复杂井钻井的需要，顶驱电机应该向着大容量、轻量化、高集成度、高可靠性的方向发展。
近年来，随着高温超导技术的发展和低温冷却技术的日益成熟，高温超导电机因为具有功率密度高、效率高等显著优点而受到越来越多的重视。但是，现有的高温超导电机采用的高温超导励磁绕组一般采用多励磁体设计，以便实现电机多极对励磁，这导致用于高温超导励磁绕组冷却的杜瓦需要采用分体式结构，使得低温冷却系统复杂，加工和制造成本高。因此，研制具有高功率密度、高效率且低温冷却系统结构简单的高温超导电机具有重要的理论意义和工程实用价值。
发明内容
技术问题：本发明为了满足超深井和复杂井钻井对顶驱电机大容量、轻量化的需求，同时为解决现有高温超导电机采用多励磁体设计导致的低温冷却系统结构复杂的问题，提供了一种用于钻井顶驱系统的具有高功率密度、高效率且仅采用单个高温超导励磁线圈励磁的高温超导电机拓扑结构。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种定子分段单体励磁分极式高温超导电机，该电机采用轴向两段式定子结构，包括电枢定子、励磁定子、转子、气隙和屏蔽环；
所述电枢定子和励磁定子沿轴向依次排列，二者之间设置有屏蔽环，电枢定子和励磁定子的外径大小相同；
所述转子同轴放置在电枢定子的内部，二者之间设置有气隙，转子的外缘表面等距间隔设有转子凸齿；
所述电枢定子由沿圆周方向等距间隔排列的U型铁心，以及绕制在相邻U型铁心齿上的三相对称集中电枢绕组构成,其中U型铁心的开口方向为沿径向朝向圆心；
所述励磁定子为由在轴向设有凸极的外铁心环、在轴向设有Z型凸起的内铁心环以及单侧端环构成的环形空腔结构，空腔内放置圆环形高温超导励磁绕组；
所述励磁定子外铁心环的轴向凸极、内铁心环的轴向Z型凸起分别沿各自圆周等距间隔设置，且二者在径向空间位置呈现交替排布形式，轴向凸极分别与电枢定子中具有同一极性(如N极)的相隔U型铁心磁轭对齐，轴向Z型凸起则分别与电枢定子中具有另一极性(如S极)的相隔U型铁心磁轭对齐；
优选的，所述屏蔽环由非导磁材料构成，能够实现一定的隔磁作用，消除电枢磁场对高温超导励磁绕组的影响。
优选的，所述励磁定子的外铁心环、内铁心环、端环，电枢定子U型铁心，以及转子由铁磁性材料构成，优选硅钢片叠压而成。
优选的，所述高温超导励磁绕组由铋系高温超导线材或钇系高温超导线材绕制而成，采用单个圆环形励磁线圈形式，形成单体励磁结构形式。
本发明的有益效果：本发明提供了一种用于钻井顶驱系统的定子分段单体励磁分极式高温超导电机，与现有的用于钻井顶驱系统的驱动电机相比，具有以下优点：
1、本发明的定子分段单体励磁分极式电机采用高温超导励磁方式，同普通的电励磁方式和永磁励磁方式相比较，具有功率密度大、重量轻、体积小、效率高的优点；
2、本发明的定子分段单体励磁分极式高温超导电机，采用分段式定子结构，电枢绕组放置在电枢定子上，高温超导励磁绕组放置在励磁定子上，电枢绕组与高温超导励磁绕组分离，提高了电负荷和磁负荷的独立设计余度；
3、本发明的定子分段单体励磁分极式高温超导电机，只采用一个高温超导励磁线圈，简化了冷却杜瓦的结构，有效降低了成本。
附图说明
图1为定子分段单体励磁分极式高温超导电机的整体结构示意图。
图中有：电枢定子1，U型铁心11，U型铁心齿111，U型铁心磁轭112，电枢绕组12，励磁定子2，外铁心环21，轴向凸极211，内铁心环22，Z型凸起221，单侧端环23，高温超导励磁绕组24，转子3，转子凸齿31，气隙4，屏蔽环5。
图2为定子分段单体励磁分极式高温超导电机的拆分结构示意图。
图中有U型铁心11，电枢绕组12，外铁心环21，轴向凸极211，内铁心环22，Z型凸起221，单侧端环23，高温超导励磁绕组24，转子3，屏蔽环5。
具体实施方式
本发明提供了一种定子分段单体励磁分极式高温超导电机，该电机采用轴向两段式定子结构，包括电枢定子1、励磁定子2、转子3、气隙4和屏蔽环5；
参见图1，所述电枢定子1和励磁定子2沿轴向依次排列，二者之间设置有屏蔽环5，电枢定子1和励磁定子2的外径大小相同；
所述转子3同轴放置在电枢定子1的内部，二者之间设置有气隙4，转子3的外缘表面等距间隔设有转子凸齿31；
所述电枢定子1由沿圆周方向等距间隔排列的U型铁心11，以及绕制在相邻U型铁心齿111上的三相对称集中电枢绕组12构成,其中U型铁心11的开口方向为沿径向朝向圆心；
所述励磁定子2为由在轴向设有凸极211的外铁心环21、在轴向设有Z型凸起221的内铁心环22以及单侧端环23构成的环形空腔结构，空腔内放置圆环形高温超导励磁绕组24；
所述励磁定子外铁心环21的轴向凸极211、内铁心环22的轴向Z型凸起221分别沿各自圆周等距间隔设置，且二者在径向空间位置呈现交替排布形式，轴向凸极211分别与电枢定子1中具有同一极性(如N极)的相隔U型铁心磁轭112对齐，轴向Z型凸起221则分别与电枢定子1中具有另一极性(如S极)的相隔U型铁心磁轭112对齐；
参见图2，所述电枢定子U型铁心11的个数：Ns、转子凸齿31的个数：Nr，满足以下关系(I)(II)：
Ns＝Nr±2 (I)
Figure BDA0001610275380000041
在式(II)中，LCM为最小公倍数，k为正整数。
所述外铁心环轴向凸极211的个数：No、内铁心环轴向Z型凸起221的个数：Ni、电枢定子U型铁心11的个数：Ns，满足以下关系(III)：
Ns＝2×No＝2×Ni (III)
所述屏蔽环5由非导磁材料构成，能够实现一定的隔磁作用，消除电枢磁场对高温超导励磁绕组的影响。
所述励磁定子2的外铁心环21、内铁心环22、端环23，电枢定子U型铁心11，以及转子3由铁磁性材料构成，优选硅钢片叠压而成。
所述高温超导励磁绕组24由铋系高温超导线材或钇系高温超导线材绕制而成，采用单个圆环形励磁线圈，形成单体励磁结构形式。。
本发明的定子分段单体励磁分极式高温超导电机采用高温超导励磁方式，具有功率密度高、重量轻、体积小、效率高的特点，可以满足超深井和复杂井钻井对顶驱电机大容量、轻量化的需求；本发明所述电机采用分段式定子结构，电枢定子用于放置电枢绕组，励磁定子用于放置励磁绕组，实现了电枢绕组与励磁绕组的物理分离，提高了电负荷和磁负荷的独立设计余度；本发明所述电机只采用一个高温超导线圈励磁，简化了用于高温超导线圈冷却的杜瓦及其低温冷却系统结构，有效降低了成本。因此，本发明提出的定子分段单体励磁分极式高温超导电机在理论分析、结构设计等方面与现有的高温超导电机有着本质的区别。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (4)

1.一种定子分段单体励磁分极式高温超导电机，该电机采用轴向两段式定子结构，包括电枢定子(1)、励磁定子(2)、转子(3)、气隙(4)和屏蔽环(5)；
所述电枢定子(1)和励磁定子(2)沿轴向依次排列，二者之间设置有屏蔽环(5)，电枢定子(1)和励磁定子(2)的外径大小相同；
所述转子(3)同轴放置在电枢定子(1)的内部，二者之间设置有气隙(4)，转子(3)的外缘表面等距间隔设有转子凸齿(31)；
所述电枢定子(1)由沿圆周方向等距间隔排列的U型铁心(11)，以及绕制在相邻U型铁心齿(111)上的三相对称集中电枢绕组(12)构成，其中U型铁心(11)的开口方向为沿径向朝向圆心；
所述励磁定子(2)为由在轴向设有凸极(211)的外铁心环(21)、在轴向设有Z型凸起(221)的内铁心环(22)以及单侧端环(23)构成的环形空腔结构，空腔内放置圆环形高温超导励磁绕组(24)；
所述励磁定子外铁心环(21)的轴向凸极(211)、内铁心环(22)的轴向Z型凸起(221)分别沿各自圆周等距间隔设置，且二者在径向空间位置呈现交替排布形式，轴向凸极(211)分别与电枢定子(1)中具有同一极性的相隔U型铁心磁轭(112)对齐，轴向Z型凸起(221)则分别与电枢定子(1)中具有另一极性的相隔U型铁心磁轭(112)对齐；
所述电枢定子U型铁心(11)的个数：Ns、转子凸齿(31)的个数：Nr，满足以下关系(I)(II)：
Ns＝Nr±2 (I)
Figure FDA0002230538800000011
在式(II)中，LCM为最小公倍数，k为正整数
所述外铁心环轴向凸极(211)的个数：No、内铁心环轴向Z型凸起(221)的个数：Ni、电枢定子U型铁心(11)的个数：Ns，满足以下关系(III)：
Ns＝2×No＝2×Ni (III)
2.根据权利要求1所述的一种定子分段单体励磁分极式高温超导电机，其特征在于，所述屏蔽环(5)由非导磁材料构成，能够实现一定的隔磁作用，消除电枢磁场对高温超导励磁绕组的影响。
3.根据权利要求1所述的一种定子分段单体励磁分极式高温超导电机，其特征在于，所述励磁定子(2)的外铁心环(21)、内铁心环(22)、端环(23)，电枢定子U型铁心(11)，以及转子(3)由铁磁性材料构成。
4.根据权利要求1所述的一种定子分段单体励磁分极式高温超导电机，其特征在于，所述高温超导励磁绕组(24)由铋系高温超导线材或钇系高温超导线材绕制而成，采用单个圆环形励磁线圈，形成单体励磁结构形式。
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