CN111769661A - 潜油永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油开采机械技术领域，公开了一种潜油永磁同步电机。所述电机包括头部单元(1)、底座单元(3)、电机外壳(4)以及容纳在所述头部单元(1)、电机外壳(4)和底座单元(3)限定的第一容纳腔中的电机本体(2)；所述电机本体(2)包括电机轴(21)、固接在所述电机轴(21)外周的转子组合体(22)、与所述电机轴(21)同轴且固接所述电机外壳(4)的定子组合体(23)；所述定子组合体(23)包括设置为单节结构的定子铁芯(231)；所述定子铁芯(231)的外周和所述电机外壳(4)的内壁紧密接合。保证了定子铁芯(231)和电机外壳(4)之间的连接的可靠性，有效提高了电机的寿命。

Description

潜油永磁同步电机

技术领域

本发明涉及石油开采机械技术领域，具体地涉及一种潜油永磁同步电机。

背景技术

随着定向钻井技术的发展和环境保护的需求，无杆采油技术的应用在油气开采领域越来越广泛，低产、稠油、高含气、高含沙等井况在全球油气井占比越来越多，螺杆泵的需求量也将越来越大，螺杆泵井下无杆驱动技术发展迅速。螺杆泵工作转速通常在100r/min到300r/min之间，需要低速大扭矩动力源，现有技术方案存在一些难以解决的问题。电机的驱动电流是通过上千米的电缆输送到井下，潜油异步感应电机运行中功率因数较低，电缆中无功电流较大，供电损耗较大，严重降低系统效率。近几年，专用于井下驱动螺杆泵的永磁同步电机有较快发展，其外形与较成熟的潜油异步感应电机一致，由于转子要嵌入或者贴装永磁体，潜油永磁同步电机的内部结构需要创新设计，现有的潜油永磁同步电机方案存在多种不同的缺陷，缺陷主要有：1、转子和电机轴固定，定子和电机壳体键连接，转子与定子之间的气隙在轴向分布不能够保证均匀；2、定子采用多节式结构，定子铁芯外圆设计联接键槽电机壳体联接，需要外部压装、焊接完成在穿入壳体，用键槽保证定子与壳体的圆周定位，此设计工艺复杂，壳体键槽加工难度很高，质量和可靠性难以保证，定子与壳体是间隙配合，电机运转中会有相对运动，容易造成定子线圈受损，降低电机寿命；3、潜油电机采用两端分别密封，输出端的输出轴是动密封，在井下长时间工作，这种密封性无法保证；4、转子上的磁钢采用不同的规格，用键来保证磁钢在圆周上的定位，此方案磁钢贴装工艺复杂，且会造成受力不均，易引起磁钢脱落；5、不能适用于低速大扭矩环境，或者虽然能够适用于低速大扭矩。为了解决上述问题，迫切需要重新研发一种新的电机。

发明内容

本发明的目的首先是为了克服现有技术存在的定子采用多节式结构，定子铁芯外圆设计联接键槽电机壳体联接，需要外部压装、焊接完成在穿入壳体，用键槽保证定子与壳体的圆周定位，此设计工艺复杂，壳体键槽加工难度很高，质量和可靠性难以保证，定子与壳体是间隙配合，电机运转中会有相对运动，容易造成定子线圈受损；降低电机寿命的问题。提供一种潜油永磁同步电机，该电机的定子铁芯设置为单节，和电机外壳采用紧密结合的方式，保证了定子铁芯和电机外壳之间的连接的可靠性，有利于提高电机的寿命。

为了实现上述目的，本发明提供一种潜油永磁同步电机所述电机包括头部单元、底座单元、电机外壳以及容纳在由所述头部单元、电机外壳和底座单元限定的第一容纳腔中的电机本体；所述电机本体包括电机轴、固接在所述电机轴外周的转子组合体、与所述电机轴同轴且固接所述电机外壳的定子组合体；所述定子组合体包括设置为单节结构的定子铁芯；所述定子铁芯的外周和所述电机外壳的内壁紧密接合。

进一步的，所述转子组合体包括多个轴向间隔布置的转子单节；所述电机本体还包括设置在两个相邻所述转子单节之间的扶正轴承；所述扶正轴承包括能够相对转动的内圈和外圈；所述内圈和所述电机轴固接；所述外圈和所述定子组合体固接。

进一步的，所述定子铁芯包括沿轴向叠加的多个定子冲片，所述定子冲片包括具有第一中心孔的第一板状主体，所述第一板状主体上形成有以所述第一中心孔为中心圆周均布的多个绕线孔，所述第一板状主体上设置有与所述绕线孔一一对应且开口于所述第一中心孔的圆周处的多个绕线开口；且多个所述定子冲片以所述第一板状主体垂直于所述电机轴的轴线的方式叠加。

进一步的，所述电机包括第一定位单元；所述第一定位单元卡设在所述电机外壳内壁并同时抵挡在所述定子组合体的两端端面。

进一步的，所述转子单节包括同轴且由内向外依次分布的转子体、转子磁钢组合体和磁钢护套；其中，所述转子体包括多个沿轴向叠加的转子冲片，所述转子冲片包括具有第二中心孔的第二板状主体，所述第二板状主体上形成有多个沿所述第二板状主体的外周圆周均布的径向突起；所述转子冲片以所述第二板状主体垂直于所述电机轴的轴线的方式轴向叠加；其中，每个所述转子冲片上的所述径向突起沿轴向对齐形成转子槽。

进一步的，所述转子磁钢组合体包括长度沿轴向延伸的磁钢；所述磁钢容纳在所述转子槽中。

进一步的，所述转子磁钢组合体包括沿轴向依次排列的多节磁钢组；每节所述磁钢组具有多个以所述转子体为中心圆周均布且数量和所述转子槽的个数相同的所述磁钢。

进一步的，所述电机包括安装在所述电机轴靠近所述头部单元的一端用于限定所述电机轴轴向移动的第二定位单元；所述头部单元包括长度沿轴向延伸并套装在所述电机轴上的电机头；所述第二定位单元安装在所述电机头中。

进一步的，所述第二定位单元设置为安装在形成于所述电机头位于背离所述底部单元的一端的第一内腔。

进一步的，所述第一内腔能够连通所述第一容纳腔和所述保护器的内腔。

通过上述技术方案，将定子铁芯设置为单节结构；所述定子铁芯的外周和所述电机外壳的内壁紧密接合。保证了定子铁芯和电机外壳之间的连接的可靠性，有效提高了电机的寿命。

附图说明

图1是本发明一种具体实施方式的电机的结构组成示意图；

图2是图1中的电机本体的结构组成示意图；

图3是图2中的转子组合体的结构示意图；

图4是图3中转子组合体的局部放大图之一；

图5是图3中转子组合体的局部放大图之二；

图6是图3中转子单节的结构组成示意图；

图7是图6中转子冲片的放大图；

图8是图2中定子组合体的端部组成结构示意图；

图9是图8中定子冲片的放大图；

图10是图1中头部单元的结构组成示意图；

图11A是图10中电机头的外观示意图之一；

图11B是图10中电机头的外观示意图之二；

图11C是图10中电机头的剖视图；

图12是图1中底座单元的结构组成示意图；

图13A是图12中底座头的外观示意图之一；

图13B是图12中底座头的外观示意图之二；

图13C是图12中底座头的剖视图。

附图标记说明

1-头部单元；11-电机头；111-第一内腔；112-轴向穿孔；113-第一径向阶梯孔；114-第二内腔；115-第二径向阶梯孔；116-第一斜孔；117-第一外螺纹；118-轴向通孔；119-第二斜孔；12-第二定位单元；13-套管；14-衬套；15-注油阀；2-电机本体；21-电机轴；22-转子组合体；221-轴套；222-第一卡簧；223-扶正轴承；224-转子单节；225-平环；226-带肩半环；2241-磁钢护套；2242-转子磁钢组合体；22421-磁钢；2243-转子体；22431-转子槽；22441-径向突起；22442-第二板状主体；22443-第二中心孔；2244-转子冲片；23-定子组合体；231-定子铁芯；232-端部绝缘块；233-第一定位单元；234-定子冲片；2341-第一中心孔；2342-第一板状主体；2343-绕线孔；2344-绕线开口；3-底座单元；31-衬套；32-滤油器盖板；33-滤油器；34-底座头；341-第三内腔；342-径向通孔；343-第二外螺纹；344-内螺纹；345-第三径向阶梯孔；35-注油阀；36-护盖；4-电机外壳。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。

本发明提供一种潜油永磁同步电机，如图1所示，所述电机包括头部单元1、底座单元3、电机外壳4以及容纳在由所述头部单元1、电机外壳4和底座单元3限定的第一容纳腔中的电机本体2；如图2所示，所述电机本体2包括电机轴21、固接在所述电机轴21外周的转子组合体22、与所述电机轴21同轴且固接所述电机外壳4的定子组合体23；所述定子组合体23包括设置为单节结构的定子铁芯231；所述定子铁芯231的外周和所述电机外壳4的内壁紧密接合。通过将定子铁芯231设置为单节结构；并将所述定子铁芯231的外周和所述电机外壳4的内壁紧密接合。保证了定子铁芯231和电机外壳4之间连接可靠，有效提高了电机的寿命。如图1所示，由于电机是细长结构，将定子铁芯231的外周和电机外壳4的内壁紧密结合的一种方式可为：通过将定子铁芯231整体压装在电机外壳4内，依靠过盈配合将定子铁芯231与电机外壳4固定在一起。这种结构连接稳固，定子铁芯231和电机外壳4之间无缝隙，在电机运转中定子铁芯231和电机外壳4之间不会有相对运动，有利于保护定子铁芯231中形成绕组的线圈。

优选地，如图3所示，所述转子组合体22包括多个轴向间隔布置的转子单节224；所述电机本体2还包括设置在两个相邻所述转子单节224之间的扶正轴承223；所述扶正轴承223包括能够相对转动的内圈和外圈；所述内圈和所述电机轴21固接；所述外圈和所述定子组合体23固接。通过设置轴向均布的扶正轴承223，可以保证转子单节224与定子组合体23之间气隙均匀，从而保证电机的工作性能稳定。

优选地，如图9所述定子铁芯231包括沿轴向叠加的多个定子冲片234，所述定子冲片234包括具有第一中心孔2341的第一板状主体2342，所述第一板状主体2342上形成有以所述第一中心孔2341为中心圆周均布的多个绕线孔2343，所述第一板状主体2342上设置有与所述绕线孔2343一一对应且开口于所述第一中心孔2341的圆周处的多个绕线开口2344；且多个所述定子冲片234以所述第一板状主体2342垂直于所述电机轴21的轴线的方式叠加。这样，定子冲片234叠加后，多个绕线开口2344连成沿轴向延伸的定子槽，多个绕线孔2343连成沿轴向延伸的绕线的通孔。组成定子绕组的线圈从上述通孔和上述定子槽绕制而成，如图9所示可知所述电机包括12个所述定子槽。

优选地，所述电机包括第一定位单元233；所述第一定位单元233卡设在所述电机外壳4内壁并同时抵挡在所述定子组合体23的两端端面。通过第一定位单元233可以限定定子组合体23的轴向位置。如图8所示的一种实施例中，定子铁芯231的两端设置有端部绝缘块232以及端部设置为卡簧的第一定位单元233，定子组合体23由厚度为0.5mm的定子冲片234叠加成定子铁芯231，然后在定子铁芯231上设有绕组，以使得给绕组通电流时产生定子磁场；定子组合体23还包括设置于所述定子铁芯231的两端的端部绝缘块232用于对定子铁芯231两端的绝缘；以及端部设置为卡簧的第一定位单元233，该定子铁芯1两端带着端部绝缘块232在专用设备上压紧，当外力释放后，将卡簧卡入位于电机外壳4内壁上的卡槽中，从而进一步限定定子铁芯231在轴向的位置。

优选地，如图6所示，所述转子单节224包括同轴且由内向外依次分布的转子体2243、转子磁钢组合体2242和磁钢护套2241；通过设置磁钢护套2241可以保护转子磁钢组合体2242，防止转子磁钢组合体2242在转动的时候受到外部的碰撞，其中，如图7所示，所述转子体2243包括多个沿轴向叠加的转子冲片2244，所述转子冲片2244包括具有第二中心孔22443的第二板状主体22442，所述第二板状主体22442上形成有多个沿所述第二板状主体22442的外周圆周均布的径向突起22441；所述转子冲片2244以所述第二板状主体22442垂直于所述电机轴21的轴线的方式轴向叠加；其中，每个所述转子冲片2244上的所述径向突起22441沿轴向对齐形成转子槽22431。所述磁钢护套2241采用刚度、强度满足要求的不锈钢；以满足防腐、刚度及强度的需要；每个所述第二板状主体22442上形成有14个沿所述第二板状主体22442的外周圆周均布的径向突起22441。这样，转子冲片2244叠加时，转子体2243上就会行成了14个转子槽22431。

优选地，所述转子磁钢组合体2242包括长度沿轴向延伸的磁钢22421；所述磁钢22421容纳在所述转子槽22431中。这样，电机就具有14个磁极，这种结构制作简单，而且易于安装磁钢22421，而且具有14个磁极和12个定子槽的电机具有更优越的性能。如图3-5所示，转子组合体22分别由轴套221、设置为卡簧的固定结构222、多个扶正轴承223、平环225、带肩半环226构成，其中，一部分扶正轴承223设置在两个相邻的转子单节224之间，在转子组合体22位于所述头部单元1的一端的固定结构222和靠近所述头部单元1的一节转子单节224之间还布置有扶正轴承223，以保护该节转子单节224。轴套221套在电机轴21上，保证安装误差的同时也起到电机轴21轴向定位的作用，固定结构222设在电机轴21上，用于扶正轴承223的轴向定位；其中多节扶正轴承223设在相邻两个转子单节224之间，起到扶正和保护转子单节224的作用，保证定子组合体23与转子组合体22之间在运行中不会接触和磨损。转子磁钢组合体2242设置在转子单节224中以产生转子磁场；转子组合体22还包括套在电机轴上用于转子与电机轴之间的轴向定位平环225，以及也套在电机轴上用于与平环相配合以限定转子与电机轴之间的轴向位置关系的带肩半环226。

优选地，如图6所示，所述磁钢22421采用磁钢胶粘接在所述转子槽22431中。这样，保证了磁钢22421固接在转子槽22431中，而且磁钢22421受力均匀，不容易脱落。由于所述磁钢护套2241采用不锈钢；即便磁钢22421和转子槽22431之间的粘合失效，磁钢22421也不容易脱落，从而保证了电机的正常工作，这种结构简单，连接可靠。

优选地，所述转子磁钢组合体2242包括沿轴向依次排列的多节磁钢组；这种结构适应于电机比较长的情况下，通过将转子磁钢组合体2242设置成由多节磁钢组组成的结构，这样，每节磁钢组的长度就会降低，便于加工和安装；每节所述磁钢组具有多个以所述转子体2243为中心圆周均布且数量和所述转子槽22431的个数相同的所述磁钢22421；这样磁钢22421安装比较方便，而且不容易脱落。

优选地，所述电机包括安装在所述电机轴21靠近所述头部单元1的一端用于限定所述电机轴21轴向移动的第二定位单元12；所述头部单元1包括长度沿轴向延伸并套装在所述电机轴21上的电机头11；所述第二定位单元12安装在所述电机头11中。通过所述第二定位单元12，可以在轴向对转子组合体22进行限位。如图10所示，头部单元1分别由电机头11、设置为止推轴承的第二定位单元12、套管13、衬套14、注油阀15组成。电机头11还可用于接入电缆线；设置为止推轴承的第二定位单元12用于承受轴向载荷，以对转子组合体22进行轴向定位；套管13为空心结构，用于隔开电机轴21和套管13外围导线，起到绝缘保护的作用；衬套14也为空心结构，套在电机轴21上，衬套14的内壁与电机轴21接触并能够相对滑动，套管13套设在衬套14外部且与电机轴21不接触；通过注油阀15可以向第一容纳腔中注入流体，所述流体可设置为变压器油，但不限于变压器油。如图11A和图11B为从不同的角度看到的电机头11的外观图，图11C是电机头11的剖视图，如图11C所示，电机头11背离所述底座单元3的一端包括安装法兰，通过所述安装法兰可以连接例如保护器；所述电机头11包括电机头本体和形成于所述电机头本体背离所述底座单元3的一端用于安装设置为止推轴承的第二定位单元12的第一内腔111，还包括第一径向阶梯孔113以及连通所述第一径向阶梯孔113和第一内腔111的轴向穿孔112，通过所述轴向穿孔112和第一径向阶梯孔113连通第一径向阶梯孔113和第一内腔111共同用于注油时的排气；所述电机头11还包括轴向延伸的用于穿过电机轴21的第二内腔114以及形成在所述电机头本体上，并垂直和第二内腔114相交的用于安装注油阀15第二径向阶梯孔115；以及形成在所述电机头本体朝向所述底座单元3的一端的轴向通孔118用于给第一容纳腔中注油的第一斜孔116，所述第一斜孔116通过第二内腔114连通第二径向阶梯孔115及第一容纳腔；第一外螺纹117用于与电机外壳4连接,电机头11包括设置在所述电机头本体上在环形槽以安装密封圈；其中，轴向通孔118用于安装套管13以轴向定位电机头11；所述头部单元1包括形成在所述电机头本体上，一端开口于电机头本体的外壁，一端连通第一容纳腔的第二斜孔119以用于安装电缆线。

如图12所示，所述底座单元3包括按照从所述头部单元1到所述底座单元3的方向依次布置的衬套31、滤油器盖板32、滤油器33、底座头34及护盖36；还包括安装在所述底座头34上注油阀35；其中，衬套31套在电机轴21上用于底座头34的定位并同时起到保护电机防止磨损的作用；滤油器盖板32用于轴向盖住滤油器33；滤油器33用于对第一容纳腔注油进行滤油；底座头34用于支撑电机轴21同时起到密封保护的作用；注油阀35用于向第一容纳腔注油；护盖36用于盖住底座头34的尾部，使得电机内部成为密封腔体。

如图13A-13C所示为底座头34的结构示意图，其中，图13A-11B为外观图，图13C为底座单元3的剖视图。如图13C所示，所述底座头34包括底座头本体以及形成在所述底座头本体上的用于安装衬套14且穿过电机轴21的第三内腔341；所述第三内腔341轴向贯通所述底座头本体，所述底座头34还包括径向延伸并连通所述第三内腔341的径向通孔342以渗油使电机内部达到润滑和冷却的效果；所述径向通孔342连通所述滤油器33；所述底座头34朝向所述头部单元1的一侧设置有形成在所述底座头34的外壁上的第二外螺纹343用于与电机外壳4连接同时还起到密封保护的作用；所述滤油器33还包括设置在底座头本体背离所述头部单元1的一侧的内螺纹344用于与护盖36连接；底座头34还包括径向设置并连通第三内腔341的第三径向阶梯孔345以安装注油阀35。

优选地，所述第一容纳腔通过所述头部单元1连通所述保护器的内腔。这样设置，第一容纳腔和保护器的内腔能够通过第一内腔111连通，通过往该连通的腔体内注油，电机与保护器共同形成与外界压力保持平衡的密封结构。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种潜油永磁同步电机，其特征在于，所述电机包括头部单元(1)、底座单元(3)、电机外壳(4)以及容纳在由所述头部单元(1)、电机外壳(4)和底座单元(3)限定的第一容纳腔中的电机本体(2)；所述电机本体(2)包括电机轴(21)、固接在所述电机轴(21)外周的转子组合体(22)、与所述电机轴(21)同轴且固接所述电机外壳(4)的定子组合体(23)；所述定子组合体(23)包括设置为单节结构的定子铁芯(231)；所述定子铁芯(231)的外周和所述电机外壳(4)的内壁紧密接合。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述转子组合体(22)包括多个轴向间隔布置的转子单节(224)；所述电机本体(2)还包括设置在两个相邻所述转子单节(224)之间的扶正轴承(223)；所述扶正轴承(223)包括能够相对转动的内圈和外圈；所述内圈和所述电机轴(21)固接；所述外圈和所述定子组合体(23)固接。

3.根据权利要求2所述的电机，其特征在于，所述定子铁芯(231)包括沿轴向叠加的多个定子冲片(234)，所述定子冲片(234)包括具有第一中心孔(2341)的第一板状主体(2342)，所述第一板状主体(2342)上形成有以所述第一中心孔(2341)为中心圆周均布的多个绕线孔(2343)，所述第一板状主体(2342)上设置有与所述绕线孔(2343)一一对应且开口于所述第一中心孔(2341)的圆周处的多个绕线开口(2344)；且多个所述定子冲片(234)以所述第一板状主体(2342)垂直于所述电机轴(21)的轴线的方式叠加。

4.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机包括第一定位单元(233)；所述第一定位单元(233)卡设在所述电机外壳(4)内壁并同时抵挡在所述定子组合体(23)的两端端面。

5.根据权利要求2所述的电机，其特征在于，所述转子单节(224)包括同轴且由内向外依次分布的转子体(2243)、转子磁钢组合体(2242)和磁钢护套(2241)；其中，所述转子体(2243)包括多个沿轴向叠加的转子冲片(2244)，所述转子冲片(2244)包括具有第二中心孔(22443)的第二板状主体(22442)，所述第二板状主体(22442)上形成有多个沿所述第二板状主体(22442)的外周圆周均布的径向突起(22441)；所述转子冲片(2244)以所述第二板状主体(22442)垂直于所述电机轴(21)的轴线的方式轴向叠加；其中，每个所述转子冲片(2244)上的所述径向突起(22441)沿轴向对齐形成转子槽(22431)。

6.根据权利要求5所述的电机，其特征在于，所述转子磁钢组合体(2242)包括长度沿轴向延伸的磁钢(22421)；所述磁钢(22421)容纳在所述转子槽(22431)中。

7.根据权利要求6所述的电机，其特征在于，所述转子磁钢组合体(2242)包括沿轴向依次排列的多节磁钢组；每节所述磁钢组具有多个以所述转子体(2243)为中心圆周均布且数量和所述转子槽(22431)的个数相同的所述磁钢(22421)。

8.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机包括安装在所述电机轴(21)靠近所述头部单元(1)的一端用于限定所述电机轴(21)轴向移动的第二定位单元(12)；所述头部单元(1)包括长度沿轴向延伸并套装在所述电机轴(21)上的电机头(11)；所述第二定位单元(12)安装在所述电机头(11)中。

9.根据权利要求8所述的电机，其特征在于，所述第二定位单元(12)设置为安装在形成于所述电机头11位于背离所述底部单元3的一端的第一内腔111的止推轴承。

10.根据权利要求9所述的电机，其特征在于，所述第一内腔111能够连通所述第一容纳腔和所述保护器的内腔。

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