CN111049345A - 轴向磁通游标电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴向磁通游标电机，包括定子和转子，定子上设有绕组，转子上设置永磁体；转子包括至少一级转子单元，转子单元包括转子铁芯和永磁体，永磁体设置于转子铁芯的端部，至少有一级转子单元的转子铁芯的两端均设有永磁体，相邻分布的永磁体充磁方向相反。本发明在潜油深井的工作环境约束下能提供更大的转矩，且机械强度高。

Description

轴向磁通游标电机

技术领域

本发明涉及电机领域，更具体的说，它涉及磁场调制电机。

背景技术

我国石油行的主要采油方式是机械采油。对原油进行开采时，传统游梁式采油抽油泵在砂含量较高的油井中会出现光杆、砂卡、下行困难的情况，而潜油螺杆泵采用系统在粘度和砂含量都较高的稠油中具有更强的灵活性、可靠性，而且潜油螺杆泵杆柱磨损小、管理方便、高效节能。

潜油螺杆泵的驱动方式分为两种，第一种是地面驱动，制约这种驱动方式的主要原因是抽油杆容易折断导致检泵周期短。第二种是油井下方驱动，包括传统的液压驱动和井下电机驱动，其中井下液压驱动对产品的制造工艺要求较高，能耗较大。而由潜油电机驱动的潜油螺杆泵不仅解决了应用抽油杆时对螺杆泵工作稳定性限制，并且还克服了液压驱动的缺点，因此设计专用潜油电机变得尤为重要。

潜油电机的工作环境恶劣，因此对潜油电机的性能要求非常苛刻。首先油井口径较小，因此潜油电机的外径也不能太大，其外形必须是细长的。其次电机在浸油环境中工作，对转子强度有很高的要求。此外潜油电机与螺杆泵同轴连接，对其进行驱动，如果转速匹配则可以直驱，转速不匹配就需要用减速器过渡。目前使用最多的是感应电机，其问题在于效率低，产生的转矩不大，而且转子转速较快，需要使用减速器。

目前，永磁体安装于转子上的方式包括1、表面贴装式：在转子A的柱面粘贴永磁体B（图1a）；2、插入式：转子A柱面具有凹进去的部分，永磁体B插入凹进去的部分（图1b）；3、径向内嵌式：永磁体B嵌入转子A内部，磁通方向为径向（图1c）；4、切向内嵌式：永磁体B嵌入转子A内部，磁通方向为切向（图1d）。但是上述电机均存在一些缺点，表面贴装式和插入式中的永磁体处于定子C与转子A之间，加大了气隙长度，既增加了电机体积，又减弱了气隙磁密，限制出力，径向内嵌式和切向内嵌式会影响转子的机械强度，并且需要辅助磁桥。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轴向磁通游标电机，在潜油深井的工作环境约束下能提供更大的转矩，且机械强度高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：轴向磁通游标电机，包括定子和转子，定子上设有绕组，转子上设置永磁体；转子包括至少一级转子单元，转子单元包括转子铁芯和永磁体，永磁体设置于转子铁芯的端部，至少有一级转子单元的转子铁芯的两端均设有永磁体，相邻分布的永磁体充磁方向相反。这样，磁通的泄露更少，电机转矩更大。

作为优选的方案，转子只有一级转子单元。转子铁芯的两端分别设置有永磁体，两个永磁体的充磁方向相反，磁力线沿电机轴向形成闭合磁路。

或者，转子有多级转子单元，转子单元沿轴向级联。当由两级转子单元级联时，只在转子铁芯的首部或尾部设置永磁体，或者，转子铁芯的首尾均设置永磁体。当由三级或三级以上的转子单元轴向级联时，转子铁芯的首尾均无需设置永磁体，或者，只在转子铁芯的首部或尾部设置永磁体，或者，转子铁芯的首尾均设置永磁体。当电机需要更大的转矩时，通过轴向增加转子单元来实现。而且，如果其中一个转子单元失效，其他转子单元依然可以工作。可以理解的是，转子单元的设置数量根据需要设定。

优选的，永磁体为圆盘，中心开有通孔。通孔用于电机转轴穿过。需要说明的是，永磁体的形状和尺寸不限，还可以是方形或者不规则的形状，只要永磁体的形状不干涉转子的转动即可，当然，最优形状为圆盘状，此时，永磁体受到的阻力小，电机的机械强度高，这是因为在潜油环境下，电机浸没于油里工作，黏度很大的油会阻止永磁体的转动，圆盘状有利于减小阻力。

优选的，转子铁芯包括转子磁轭部和转子齿槽部，转子齿槽部沿转子磁轭部周向开设，永磁体半径与转子磁轭部半径相同。永磁体与转子磁轭部半径大小相同，此时，电机转矩大，电机能稳定地在潜油环境里工作，而且永磁体无需覆盖齿槽部分，否则会浪费。

优选的，永磁体为一体结构，或者由多块拼接。优选一体结构。

优选的，永磁体通过胶水粘贴于转子铁芯端部。

优选的，定子设有定子磁轭部和定子齿槽部，定子磁轭部设有轴向贯通的内腔，转子铁芯位于内腔中，定子齿槽部沿腔壁周向设置，定子齿槽部包括定子槽和定子齿，绕组缠绕于定子齿上。优选的，转子齿槽部包括转子齿和转子槽，定子槽为12个，转子槽为11个。如此，就可以调制出一对极的空间气隙磁导，根据游标电机的磁场调制原理，只要拥有至少一个的极对数，电机则能正常工作。即假设定子有Ps个定子槽，转子有Pr个转子齿，那么定子线圈中的极对数必须是｜Ps-Pr｜。

优选的，定子槽和转子槽开口大小为0.5个极距。需要说明的是，电机的极距：相邻两磁极之间的距离，用槽数计。本实施例中，电机极距为0.5。

优选的，定子齿与转子齿之间具有气隙，气隙长度为0.5mm~3mm。气隙的大小，决定磁通量的大小，气隙较大，漏磁就多，电机的效率就会降低；气隙太小，就容易扫定子膛，因此，将气隙控制到一个合理的数值，才能达到最佳效果。优选的，气隙长度为0.5mm。

优选的，定子齿槽部沿轴向设置多组，各组之间具有间距，每组齿槽部的轴向长度等于转子铁芯的轴向长度，且相互对应。这样，对绕组通电确保能产生磁通。需要说明的是，轴向齿槽部之间的间距应满足缠绕绕组时绕组之间不接触。

优选的，所述电机首尾设有端盖。

本发明的有益效果：

1、本发明将永磁体设于转子铁芯的端部，磁通泄露少，在潜油深井的工作环境约束下电机能提供更大的转矩。

2、通过轴向安装多个转子单元，在不扩大电机外径的情况下能增加电机转矩。

3、永磁体为圆盘状，且永磁体半径与转子磁轭部半径相同，永磁体受到的阻力小，电机的机械强度高，转矩大。

附图说明

图1为现有的永磁体安装于转子上的方式，（a）表面贴装式，（b）插入式，（c）径向内嵌式，（d）切向内嵌式。

图2为电机的爆炸图。

图3为转子单元的结构示意图。

图4为两级转子单元的轴向堆叠方式。

图5为三级或三级以上转子单元的轴向堆叠方式。

图6为电机的俯视图。

图7为定子与转子的安装示意图。

图8为本发明电机的磁通正视（a）和俯视（b）走势图。

图9为表面贴装式电机磁通的立体和俯视走势图。

图10为电机内部示意图。

图中标识：定子1，定子齿槽部12，定子槽121，定子齿122，绕组2，转子铁芯3，转子磁轭部31，转子齿槽部32，转子齿321，转子槽322，永磁体4，通孔41，端盖5。

具体实施方式

下面对本发明涉及的结构或这些所使用的技术术语做进一步的说明。这些说明仅仅是采用举例的方式进行说明本发明的方式是如何实现的，并不能对本发明构成任何的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”和“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或元件必须具有特定方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，属于“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

如图2-10所示，轴向磁通游标电机，包括定子1和转子，定子上设有绕组2，转子上设置永磁体4；转子包括至少一级转子单元，转子单元包括转子铁芯3和永磁体4，永磁体4设置于转子铁芯3的端部，至少有一级转子单元的转子铁芯的两端均设有永磁体。这样，磁通的泄露更少，电机转矩更大。

如图3所示，转子只有一级转子单元。转子铁芯3的两端分别设置有永磁体4，两个永磁体4的充磁方向相反，磁力线沿电机轴向形成闭合磁路。

或者，转子有多级转子单元，转子单元沿轴向级联。当由两级转子单元级联时，只在转子铁芯的首部或尾部设置永磁体（图4a和4b），或者，转子铁芯的首尾均设置永磁体（图4c）。当由三级或三级以上的转子单元轴向级联时，转子铁芯的首尾均无需设置永磁体（图5a），或者，只在转子铁芯的首部或尾部设置永磁体（图5b和5c），或者，转子铁芯的首尾均设置永磁体（图5d）。当电机需要更大的转矩时，通过轴向增加转子单元来实现。而且，如果其中一个转子失效，其他转子依然可以工作。可以理解的是，转子单元的设置数量根据需要设定。

如图2所示，永磁体4为圆盘，中心开有通孔41。通孔41用于电机转轴穿过。需要说明的是，永磁体的形状和尺寸不限，还可以是方形或者不规则的形状，只要永磁体的形状不干涉转子的转动即可，当然，最优形状为圆盘状，此时，永磁体受到的阻力小，电机的机械强度高，这是因为在潜油环境下，电机浸没于油里工作，黏度很大的油会阻止永磁体的转动，圆盘状有利于减小阻力。

如图6所示，转子铁芯3包括转子磁轭部31和转子齿槽部32，转子齿槽部32沿转子磁轭部31周向开设，永磁体4半径与转子磁轭部31半径相同，如图4所示，Rrb为转子圆心到转子槽的距离即转子磁轭部31半径，Rm为永磁体的半径。永磁体4与转子磁轭部31大小相同，此时，电机的转矩最大，电机能稳定地在潜油环境里工作，而且永磁体4无需覆盖齿槽部分，否则会浪费。永磁体4为一体结构，或者由多块拼接，优选一体结构。永磁体4与转子铁芯3端部的固定方式则可以采用胶水粘贴。

如图6所示，转子齿槽部32包括转子齿321和转子槽322，定子1设有定子磁轭部11和定子齿槽部12，定子磁轭部11设有轴向贯通的内腔，转子铁芯3位于内腔中，定子齿槽部12沿腔壁周向设置，定子齿槽部12包括定子槽121和定子齿122，绕组2缠绕于定子齿122上，定子槽为12个，转子槽为11个。如此，就可以调制出一对极的空间气隙磁导，根据游标电机的磁场调制原理，只要拥有至少一个的极对数，电机则能正常工作。即假设定子有Ps个定子槽，转子有Pr个转子齿，那么定子线圈中的极对数必须是｜Ps-Pr｜。

如图7所示，定子槽121和转子槽322开口大小为0.5个极距。需要说明的是，电机的极距：相邻两磁极之间的距离，用槽数计。本实施例中，电机极距为0.5。

如图7所示，定子齿122与转子齿321之间具有气隙，气隙长度为0.5mm~3mm。如图6所示，令Rst为定子内径，Rrt为转子外径，则气隙长度为Rst-Rrt。转子3置于定子内腔11中。气隙的大小，决定磁通量的大小，气隙较大，漏磁就多，电机的效率就会降低；气隙太小，就容易扫定子膛，因此，将气隙控制到一个合理的数值，才能达到最佳效果。优选的，气隙长度为0.5mm。

本发明电机的具体磁通走势为：部分磁场从永磁体出发，经过与之贴合的转子，从转子齿321进入气隙，继而进入定子齿122，最终进入定子磁轭部；部分磁场从永磁体出发，经过转子上方，然后进入转子，沿转子轴向运动形成闭合循环，参见图8。而现有表面贴装式的磁通走势则是从永磁体出发，经过与之贴合的转子，从转子再进入定子，参见图9。

作为一个具体的实施方式，定子齿122的轴向长度等于转子3的轴向长度。这样，对绕组通电确保能产生磁通。

作为一个具体的实施方式，如图10所示，所述电机设置多个转子单元时，定子齿槽部12沿轴向设置多组，各组之间具有间距，每组齿槽部12的轴向长度等于转子铁芯3的轴向长度，且相互对应。这样，对绕组通电确保能产生磁通。需要说明的是，轴向定子齿槽部12之间的间距应满足缠绕绕组时绕组之间不接触。

如图10所示，所述电机首尾具有端盖5，定子1与首尾端盖5围成封闭空间。转子铁芯3、永磁体4以及绕组2均位于端盖5以及定子1围成的封闭空间内，尽量避免油渗入。

在缺少本文中所具体公开的任何元件、限制的情况下，可以实现本文所示和所述的发明。所采用的术语和表达法被用作说明的术语而非限制，并且不希望在这些术语和表达法的使用中排除所示和所述的特征或其部分的任何等同物，而且应该认识到各种改型在本发明的范围内都是可行的。因此应该理解，尽管通过各种实施例和可选的特征具体公开了本发明，但是本文所述的概念的修改和变型可以被本领域普通技术人员所采用，并且认为这些修改和变型落入所附权利要求书限定的本发明的范围之内。

本文中所述或记载的文章、专利、专利申请以及所有其他文献和以电子方式可得的信息的内容在某种程度上全文包括在此以作参考，就如同每个单独的出版物被具体和单独指出以作参考一样。申请人保留把来自任何这种文章、专利、专利申请或其他文献的任何及所有材料和信息结合入本申请中的权利。

Claims (9)

1.轴向磁通游标电机，包括定子和转子，定子上设有绕组，转子上设置永磁体，其特征在于，转子包括至少一级转子单元，转子单元包括转子铁芯和永磁体，永磁体设置于转子铁芯的端部，至少有一级转子单元的转子铁芯的两端均设有永磁体，相邻分布的永磁体充磁方向相反。

2.如权利要求1所述的轴向磁通游标电机，其特征在于，转子只有一级转子单元，或者，转子有多级转子单元，转子单元沿轴向级联。

3.如权利要求1所述的轴向磁通游标电机，其特征在于，永磁体为圆盘，中心开有通孔。

4.如权利要求1所述的轴向磁通游标电机，其特征在于，转子铁芯包括转子磁轭部和转子齿槽部，转子齿槽部沿转子磁轭部周向开设，永磁体半径与转子磁轭部半径相同。

5.如权利要求1所述的轴向磁通游标电机，其特征在于，永磁体为一体结构，或者由多块拼接。

6.如权利要求1所述的轴向磁通游标电机，其特征在于，永磁体通过胶水粘贴于转子铁芯端部。

7.如权利要求4所述的轴向磁通游标电机，其特征在于，定子设有定子磁轭部和定子齿槽部，定子磁轭部设有轴向贯通的内腔，转子铁芯位于内腔中，定子齿槽部沿腔壁周向设置，定子齿槽部包括定子槽和定子齿，绕组缠绕于定子齿上。

8.如权利要求7所述的轴向磁通游标电机，其特征在于，定子齿槽部沿轴向设置多组，各组之间具有间距，每组定子齿槽部的轴向长度等于转子铁芯的轴向长度，且相互对应。

9.如权利要求1所述的轴向磁通游标电机，其特征在于，所述电机首尾设有端盖。

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