CN109672309A - 一种同步磁阻潜油电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同步磁阻潜油电机，包括定子总成和转子总成，定子总成包括至少两个同心设置的定子节，转子总成包括至少两个同轴设置的转子节，定子节和转子节的个数相同，且在位置上一一对应，设定两个磁路，第一磁路和第二磁路分别为直轴磁路和交轴磁路的其中一个，各转子节的转子铁芯上第一磁路通过的区域开有通孔结构，使电机在第一磁路所在方向的磁阻大于在另一个磁路所在方向的磁阻。转子节上交、直轴磁路巨大的磁阻差异，就会产生磁阻性质的驱动转矩，进而转子就会转动。该同步磁阻潜油电机不存在铜导条等结构，转子运行中就不存在电流，不但不会造成较大的损耗，而且不会导致因电流而产生的发热现象，提高电机在高温环境下的使用寿命。

Description

一种同步磁阻潜油电机

技术领域

本发明涉及一种同步磁阻潜油电机，属于石油开采设备潜油电泵技术领域。

背景技术

以潜油电泵为代表的无杆泵采油系统，将地面电源的电能通过电缆输送到井下潜油电机，使潜油电机运转，从而带动井下离心泵转动，将油井中的原油举升至地面，彻底解决了因抽油杆长距离运动传递造成的杆管偏磨以及脱扣、断杆等问题，在斜井和水平井的开采中应用日益广泛。潜油电机作为核心动力部件，对潜油电泵的性能和可靠性具有决定性的作用。为满足井筒内小直径空间的要求和多种功率需求，潜油电机由同轴多节匹配的定子总成与转子总成组成。定子总成包括定子铁芯和定子绕组，定子铁芯开槽，槽内嵌放定子绕组。转子总成包括转子铁芯和铜导条，转子铁芯开槽，槽内嵌放导条。定子绕组通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场。该旋转磁场切割转子导条，在导条中产生感应电流，载流的导条在定子旋转磁场作用下产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电机旋转。目前潜油电泵配套的潜油电机属于鼠笼式异步电机范畴，技术较为成熟，低温环境下运行可靠，制造容易。但也存在以下缺陷：一是转子转速与磁场转速必须保证一定的转差关系，调速性能较差；二是转子存在铜条，运行过程中通过较大的电流，一方面造成较大的损耗，效率低，另一方面导致较大的发热现象，造成电机高温环境下寿命短。

授权公告号为CN2282745Y的中国专利文件中公开了一种稀土永磁同步潜油电机，该电机中的转子包括转子节、扶正轴承和电机轴三部分组成，转子节由转子铁芯、铜导条和永磁材料组成。该同步潜油电机依靠转子上存在的铜导条实现自动起动，依靠永磁材料提供的磁场牵入同步运行，虽然运行过程中铜导条中的电流较小，不会造成较大的损耗和发热，但是，采用的稀土永磁材料成本很高，并且在高温环境下存在不可逆退磁风险，从而影响使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种同步磁阻潜油电机，用以解决传统的异步潜油电机转子中铜导条有较大电流，会发生较为严重的发热现象的问题，同时，也可以解决稀土永磁同步潜油电机的成本高和高温退磁风险的问题。

为实现上述目的，本发明包括以下方案。

方案一：本方案提供一种同步磁阻潜油电机，包括定子总成和转子总成，所述定子总成包括至少两个同心设置的定子节，所述转子总成包括至少两个同轴设置的转子节，所述定子节和转子节的个数相同，且在位置上一一对应，设定第一磁路是直轴磁路和交轴磁路中的其中一个磁路，第二磁路是直轴磁路和交轴磁路中的另一个磁路，各转子节的转子铁芯上第一磁路通过的区域开有用于增加磁阻的通孔结构，第一磁路通过转子时要穿越空气层，使电机在第一磁路所在方向的磁阻大于在第二磁路所在方向的磁阻。

本发明提供的同步磁阻潜油电机中，各转子节的转子铁芯上第一磁路通过的区域开有用于增加磁阻的通孔结构，那么，当第一磁路通过转子时，需要穿越空气层这一非导磁材料，因此电机在第一磁路所在方向的磁阻很大，而对于第二磁路所在方向而言，磁路主要通过转子铁芯的高导磁材料，磁阻较小，那么，第二磁路的磁阻比第一磁路磁阻小很多，根据磁阻最小原理，转子节上交、直轴磁路巨大的磁阻差异，就会产生磁阻性质的驱动转矩，在该驱动转矩的作用下，转子就会转动。该同步磁阻潜油电机的转子中只有转子铁芯以及对应的通孔结构，并没有涉及其他的机构，即不存在铜导条等结构，进而，在转子运行中就不存在电流，不但不会造成较大的损耗，而且不会导致因电流而产生的发热现象，提高电机在高温环境下的使用寿命。并且，本发明提供的同步磁阻潜油电机的性能与传统的鼠笼式异步潜油电机相比具有以下显著优势：(1)调速性能好：同步磁阻潜油电机依靠转子交直轴电感之差产生磁阻转矩，电机转子转速与定子磁场转速同步，无转差，调速性能好，并且，在与变频控制系统结合使用时还可以实现转速的无级调整，保证油井的供采平衡。(2)结构更简单：同步磁阻潜油电机突出的特点是转子是没有导条和任何形式的绕组，完全由转子铁芯构成，机械强度高，制造方便。(3)效率更高：同步磁阻潜油电机转子转速和定子磁场同步，转子无任何形式的绕组，能量损耗小，效率更高，更加节能。(4)更耐高温：转子不产生感应电流，没有电流发热现象，降低了电机的内部温度，特别适用于高温环境。并且，本发明提供的同步磁阻潜油电机中并没有采用稀土永磁材料，成本较低，同时能够避免出现高温退磁的风险。

方案二：在方案一的基础上，所述第一磁路为直轴磁路，第二磁路为交轴磁路。

方案三：在方案二的基础上，所述通孔结构包括两部分，第一部分为沿转子铁芯径向方向依次布置、且大小依次减小的至少两个弧形或者折线形条孔，第二部分与第一部分沿直轴方向所在直线对称布置，以使第一部分与第二部分之间存在一定的磁桥。

方案四：在方案二的基础上，所述通孔结构为沿转子铁芯径向方向依次布置、且大小依次减小的至少两个弧形或者折线形条孔。

方案五：在方案二或三或四的基础上，各转子节的转子铁芯上设置有4个所述通孔结构，分别布置在相互垂直的两条直轴方向所在直线上。

方案六：在方案一或二或三或四的基础上，转子铁芯由多个硅钢片叠压构成，转子铁芯的各硅钢片的内圆开有键槽，使同一转子节的各硅钢片叠压时交轴分别重合，直轴分别重合。

方案七：在方案一或二或三或四的基础上，所述转子总成还包括扶正轴承和端环，各转子节的两端各布置有一个端环，任意两个相邻的转子节之间布置有一个扶正轴承。

方案八：在方案七的基础上，各转子节、扶正轴承和端环均开有键槽，通过键固定在电机轴上。

方案九：在方案一或二或三或四的基础上，相邻两个转子节的磁极中心线在圆周方向上错开设定的角度，且各角度沿着同一方向依次错开。

方案十：在方案九的基础上，任意两个相邻的转子节的磁极中心线在圆周方向上错开的角度α为：α≤θ/N，其中，θ为定子槽距角，N为转子节个数。

方案十一：在方案一或二或三或四的基础上，所述定子总成还包括机壳，各定子节固定在所述机壳内，任意两个相邻的定子节之间布置有一个铜片节，定子节和铜片节上开有凹槽，定子线圈嵌放在定子节和铜片节的凹槽内。

方案十二：在方案十一的基础上，所述定子总成还包括挡圈，所述机壳内两端开有挡圈槽，挡圈安装在对应的挡圈槽内，用于将定子节和铜片节固定在机壳内。

方案十三：在方案十二的基础上，所述挡圈上安装有绝缘端板，保证机壳内两端绝缘。

方案十四：在方案一或二或三或四的基础上，转子总成同心安装在定子总成的内部，且留有间隙。

方案十五：在方案十一的基础上，所述电机还包括上接头、止推轴承和下接头，所述上接头与所述机壳螺纹连接，止推轴承位于上接头内的轴承座上通过定位销连接，所述下接头与所述机壳螺纹连接。

附图说明

图1是同步磁阻潜油电机的整体结构示意图；

图2是定子总成结构示意图；

图3是定子铁芯截面示意图；

图4是定子绕组接线示意图；

图5是转子总成结构示意图；

图6是转子铁芯横截面第一种结构示意图；

图7是转子铁芯横截面第二种结构示意图；

图8是相邻两转子节横截面的角度关系示意图；

图9是电网与同步磁阻潜油电机的电气连接示意图。

具体实施方式

本发明提供一种同步磁阻潜油电机，包括定子总成和转子总成，定子总成包括至少两个同心设置的定子节，转子总成包括至少两个同轴设置的转子节，定子节和转子节的个数相同，且在位置上一一对应，各转子节的转子铁芯上直轴磁路通过的区域开有用于增加磁阻的通孔结构，直轴磁路通过转子时要穿越空气层，使电机在直轴方向的磁阻大于在交轴方向的磁阻。

基于上述基本技术方案，以下结合附图对技术方案做进一步详细的说明。

如图1所示，本实施例提供了一种同步磁阻潜油电机，最基本的组成部分为定子总成3和转子总成4，但是，作为一个具体的实施方式，除了定子总成3和转子总成4之外，电机还包括上接头1、止推轴承2和下接头5。

如图2所示，定子总成3包括机壳31、定子节32、铜片节33、定子绕组34、挡圈35和绝缘端板36。机壳31内同心安装有多个定子节32和铜片节33，其中，定子节31的个数是至少两个，具体的个数根据实际要求，比如电机的功率设定，铜片节33布置在每相邻两个定子节32之间，所以，铜片节33的个数是至少一个。定子节32的数量由电机功率大小决定，本实施例中，电机的功率为45KW，那么，定子节32的数量设定为15，铜片节33的数量由定子节32的数量决定，那么，铜片节33的数量为14。定子绕组34嵌放在定子节32和铜片节33的凹槽内。挡圈35安装在机壳31两端的挡圈槽内，挡圈35将定子节32和铜片节33与带凹槽的机壳31固定在一起。绝缘端板36同心安装在挡圈35的外侧，绝缘端板36能够保证机壳31内两端绝缘。

另外，对于任意一个定子节，由多级定子铁芯叠压而成，定子铁芯选用高导磁硅钢片，涂有绝缘涂层，如图3所示，截面形状为圆形且开有周向均布的槽，槽数可以为18槽或24槽，槽型可以是半闭口槽、闭口槽和开口槽，相邻两槽中心线的夹角为槽距角。本实施例为24槽，半闭口槽，槽距角为15°，平行齿结构。槽号从1开始逆时针顺序排列。定子铁芯的外圆开有定位槽，保证所有定子铁芯叠压后开口槽重合。

铜片节33由多级铜片叠压而成，铜片形状与定子铁芯完全相同，区别在于材料为铜。

如图4所述，本实施例中，定子绕组34由特定极对数的三相线圈相互连接成。本实施例采用4极24槽均布的单层整数槽同心式三相绕组，每相绕组由4个线圈相串联而成，其中两个线圈正向串联，两个线圈反向串联，共有12个线圈。12个线圈分别以上层边所在的槽号进行编号，例如，1号线圈表示的是由①号槽和⑥号槽内的两个线圈边构成的一个线圈，7号线圈表示由⑦号槽和号槽内的两个线圈边构成的一个线圈。所有线圈的节距均为5槽。另外，绕组采用高纯度无氧铜电磁线，H级绝缘，绝缘材料为聚酰亚胺薄膜。

如图1所示，上接头1与定子总成3的机壳31螺纹连接，止推轴承2位于上接头1内的轴承座上通过定位销连接，止推轴承2的内孔与转子总成4中的电机轴43上端的外径配合。下接头5与定子总成3的机壳31螺纹连接，下接头5的内孔与转子总成4中的电机轴43下端的外径配合。转子总成4同心安装在定子总成3内部，且留有一定的间隙。

如图5所示，转子总成4包括转子节41、扶正轴承42、电机轴43和端环44。转子节41为转子总成4的核心部件，转子节41和定子节32在机壳31内的安装位置一一对应，那么，转子节41的数量和定子节32的数量相等，由于定子节32的数量为15，故转子节41的数量也为15。转子节41、扶正轴承42和端环44均开有键槽，通过键固定在电机轴43上。每个转子节41两端布置有两个端环44，每两个转子节41之间布置一个扶正轴承42。那么，扶正轴承42的数量由转子节41的数量决定，本实施例为14。

本实施例中，转子节41由多级转子铁芯叠压而成，转子铁芯选用高导磁硅钢片，涂有绝缘涂层，截面形状为圆形。

对于任意一个转子节41，该转子节的转子铁芯通过的磁路分为直轴磁路和交轴磁路，在直轴磁路通过的区域开有通孔结构，也就是说，硅钢片上直轴磁路通过的区域并非是完整的硅钢片，将对应区域的硅钢片部分挖去后就形成了通孔结构，这样的话，直轴磁路通过转子时就要穿越通孔结构，即穿过通孔结构中的空气层，由于空气层是非导磁材料，而硅钢片是高导磁材料，那么，直轴磁路在通过转子时会增加磁阻，使电机在直轴方向的磁阻大于在交轴方向的磁阻。作为一个具体的实施例，图6给出了通孔结构的一种实施方式，如图6所示，通孔结构为沿转子铁芯径向方向依次布置、且大小依次减小的至少两个弧形或折线形条孔，以下以4条弧形条孔为例，而且，为维持整个通孔结构的整体性，各弧形条孔的两端，即在接近转子外圆的地方留有一定宽度的磁桥，磁桥的设计原则是保证足够机械强度和工艺实现性的前提下尽量窄。本实施例构成4极结构，那么，各转子节的转子铁芯上设置有4个通孔结构，分别沿相互垂直的两条直径布置，也就是说，各通孔结构的中心线为两个相互垂直的直径所在的直线，通过通孔结构隔离成各相异性磁路。进一步地，为了进一步提高转子冲片结构强度，增强结构强度，在每个通孔结构的磁极中心线的位置必要时也可以增设磁桥，这样的话，如图7所示，通孔结构可以理解为包括了两部分，第一部分为沿转子铁芯径向方向依次布置、且大小依次减小的至少两个弧形或折线形条孔，第二部分与第一部分沿直轴方向所在直线对称布置，那么，直轴方向所在直线的一定区域内没有挖孔，第一部分与第二部分之间存在一定的磁桥。当然，除了上述两种通孔结构之外，本发明也可以有其他的结构，比如通孔为矩形结构。

那么，当直轴磁路通过转子时，需要多次穿越空气层这一非导磁材料，因此电机在直轴方向的磁阻很大，而对于交轴方向而言，磁路主要通过高导磁材料，故交轴磁路的磁阻比直轴磁路磁阻小很多。根据磁阻最小原理，转子节41上交、直轴磁路巨大的磁阻差异，就会产生磁阻性质的驱动转矩。

需要注意的是，直轴磁路和交轴磁路是人为规定的，所以，这两个轴的位置可以互换，那么，可以理解为：设定两个概念——第一磁路和第二磁路，并且，第一磁路是直轴磁路和交轴磁路中的其中一个磁路，第二磁路是直轴磁路和交轴磁路中的另一个磁路，即第一磁路和第二磁路分别与直轴磁路和交轴磁路中的其中一个磁路一一对应，各转子节的转子铁芯上第一磁路通过的区域开有用于增加磁阻的通孔结构，那么，第一磁路通过转子时要穿越空气层，使电机在第一磁路所在方向的磁阻大于在第二磁路所在方向的磁阻，根据磁阻最小原理，转子节上交、直轴磁路巨大的磁阻差异，就会产生磁阻性质的驱动转矩。所以，直轴磁路和交轴磁路是相对而言的，上述实施例中，第一磁路为直轴磁路，第二磁路为交轴磁路，作为其他的实施方式，第一磁路还可为交轴磁路，第二磁路为直轴磁路，那么，在交轴磁路通过的区域开有通孔结构，而直轴磁路通过的区域没有开通孔结构，则交轴磁路通过转子时就要穿越通孔结构，交轴磁路在通过转子时会增加磁阻，使电机在交轴方向的磁阻大于在直轴方向的磁阻，同样能够产生磁阻性质的驱动转矩。

另外，转子铁芯内圆，即各硅钢片内圆开有键槽，保证多级叠压时每片转子铁芯上的交、直轴分别重合，使整个转子节交轴分别重合，直轴分别重合。电机轴43为空心轴，径向有过油孔，与定子总成3和转子总成4之间的间隙相通，构成闭合回路。电机内腔的绝缘油在闭合回路中循环，以满足冷却和润滑的要求。

相邻两个转子节的磁极中心线在圆周方向上可以对正，即所有转子节的磁极中心线在轴向方向上属于同一个纵截面。当然，也可以依次相互错开相同的角度，以减小转矩波动。并且，各角度沿着同一方向依次错开，那么，第一个转子节与最后一个转子节之间的夹角就是所有的角度之和。如图8所示，一个为某一个转子节的横截面图，另一个为相邻转子节的横截面图，两者磁极的中心线用虚线表示，其夹角用α表示。α的数值与定子槽距角θ(单位为机械角度)和转子节的数量N有关，第一个转子节与最后一个转子节之间的夹角，即所有的α角度之和小于或等于定子槽距角θ，则相邻节错开的角度α与定子槽距角θ与转子节N的关系为α≤θ/N，本实施例中，α的计算公式为：α＝θ/N。相邻转子节错开一定角度的实现方式包括但不限于以下两种：(1)电机轴43上的键槽分段错开α角度，各段转子铁芯上的键槽位置一致；(2)电机轴43上的键槽为直槽，各段转子铁芯的键槽相对磁极中心线依次错开α角度。

如图9所示，同步磁阻潜油电机采用变频器供电，同步磁阻潜油电机安装在井下套管内，变频器位于地面，通过动力电缆与同步磁阻潜油电机相连。动力电缆的三根导线通过上接头1上的引线接头分别与定子绕组34的三根引出线连接。电源接通后，三相交流电接入定子绕组34，从而建立具有一定转速的旋转磁场，转子节41上交、直轴磁路存在巨大的磁阻差异，根据磁通总是沿着磁阻最小路径闭合的原理，转子节41在不同位置引起的磁阻变化产生磁拉力形成与负载转矩相平衡的磁阻转矩，从而产生与定子磁场转速和转向均相同的旋转运动。通过调节变频器的频率，可以改变同步磁阻潜油电机的转速，从而调节泵的排量，使油井供采协调。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明提供的同步磁阻潜油电机的基本思路在于：定子总成包括至少两个同心设置的定子节，转子总成包括至少两个同轴设置的转子节，定子节和转子节的个数相同，且在位置上一一对应，各转子节的转子铁芯上直轴磁路通过的区域开有用于增加磁阻的通孔结构，以使电机在直轴方向的磁阻大于在交轴方向的磁阻。在不脱离上述基本思路的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种同步磁阻潜油电机，包括定子总成和转子总成，其特征在于，所述定子总成包括至少两个同心设置的定子节，所述转子总成包括至少两个同轴设置的转子节，所述定子节和转子节的个数相同，且在位置上一一对应，设定第一磁路是直轴磁路和交轴磁路中的其中一个磁路，第二磁路是直轴磁路和交轴磁路中的另一个磁路，各转子节的转子铁芯上第一磁路通过的区域开有用于增加磁阻的通孔结构，第一磁路通过转子时要穿越空气层，使电机在第一磁路所在方向的磁阻大于在第二磁路所在方向的磁阻。

2.根据权利要求1所述的同步磁阻潜油电机，其特征在于，所述第一磁路为直轴磁路，第二磁路为交轴磁路。

3.根据权利要求2所述的同步磁阻潜油电机，其特征在于，所述通孔结构包括两部分，第一部分为沿转子铁芯径向方向依次布置、且大小依次减小的至少两个弧形或者折线形条孔，第二部分与第一部分沿直轴方向所在直线对称布置，以使第一部分与第二部分之间存在一定的磁桥。

4.根据权利要求2所述的同步磁阻潜油电机，其特征在于，所述通孔结构为沿转子铁芯径向方向依次布置、且大小依次减小的至少两个弧形或者折线形条孔。

5.根据权利要求2或3或4所述的同步磁阻潜油电机，其特征在于，各转子节的转子铁芯上设置有4个所述通孔结构，分别布置在相互垂直的两条直轴方向所在直线上。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的同步磁阻潜油电机，其特征在于，转子铁芯由多个硅钢片叠压构成，转子铁芯的各硅钢片的内圆开有键槽，使同一转子节的各硅钢片叠压时交轴分别重合，直轴分别重合。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的同步磁阻潜油电机，其特征在于，所述转子总成还包括扶正轴承和端环，各转子节的两端各布置有一个端环，任意两个相邻的转子节之间布置有一个扶正轴承。

8.根据权利要求7所述的同步磁阻潜油电机，其特征在于，各转子节、扶正轴承和端环均开有键槽，通过键固定在电机轴上。

9.根据权利要求1或2或3或4所述的同步磁阻潜油电机，其特征在于，相邻两个转子节的磁极中心线在圆周方向上错开设定的角度，且各角度沿着同一方向依次错开。

10.根据权利要求9所述的同步磁阻潜油电机，其特征在于，任意两个相邻的转子节的磁极中心线在圆周方向上错开的角度α为：α≤θ/N，其中，θ为定子槽距角，N为转子节个数。