CN113162355A - 一种基于螺杆泵式永磁同步潜油电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于螺杆泵式永磁同步潜油电机，包括：外壳；定子机构，设于外壳内，定子机构包括至少一个定子、设置在定子内腔的衬套，定子包括定子铁心、绕设在定子铁心上的多个电枢绕组，衬套的内腔沿轴向呈螺旋形；转子，可转动地设置在衬套的内腔，转子包括螺杆、沿轴向设置在螺杆外壁上的多个磁体机构，每个磁体机构包括呈螺旋排列的多个永磁体。本发明实现了泵即是电机，电机即是泵的一体化系统设计，降低了采油系统的长度，从而降低了采油系统的体积，便于螺杆泵式永磁同步电机下井作业；减小传动链，提高传动效率，降低系统故障率；省去电机保护器，进一步将潜油电机采油系统模块缩短，降低电机与螺杆泵总长。

Description

一种基于螺杆泵式永磁同步潜油电机

技术领域

本发明涉及油气开采技术领域，尤其涉及一种基于螺杆泵式永磁同步潜油电机。

背景技术

随着我国经济的快速发展，各行各业对于石油需求量日益增大，我国仅从采油设备的拥有量和采油量上看，已稳居世界前列，但是采油设备效率、耐温耐压等级与设备稳定性都远低于美国、原苏联和法国等发达国家。因此，为保障油田开发效果和探索新的开采方式，深入开展抽油技术研究对提高油田的采油工程技术水平和经济效益具有重要意义。

近研究表明，相较于传统抽油机效率，潜油电机驱动螺杆泵的举升效率和工艺适应性有比较明显的提升。特别是在电机负载率和系统效率方面，潜油电机驱动螺杆泵采油系统的效率具有较大的提升，螺杆泵的优势日趋明显。另外，由于我国现存大量的高粘度稠油井，而螺杆泵在开采稠油井方面有巨大优势，因此，潜油电机螺杆泵采油系统成为油田采油领域最新的研究热点。随着潜油电机应用需求的扩大，已有的潜油螺杆泵电机采油系统体积大，驱动系统总长超过几十米，制作工艺复杂，下井难度较大，迫切需要体积更小、传动链少和扭矩密度更大的电动执行结构。

发明内容

针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种基于螺杆泵式永磁同步潜油电机。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种基于螺杆泵式永磁同步潜油电机，包括：

外壳；

定子机构，设于所述外壳内，所述定子机构包括至少一个定子、设置在所述定子内腔的衬套，所述定子包括定子铁心、绕设在所述定子铁心上的多个电枢绕组，所述衬套的内腔沿轴向呈螺旋形；

转子，可转动地设置在所述衬套的内腔，所述转子包括螺杆、沿轴向设置在所述螺杆外壁上的多个磁体机构，每个所述磁体机构包括呈螺旋排列的多个永磁体。

作为本发明的进一步改进，所述衬套的内腔的周向截面呈椭圆形或圆形。

作为本发明的进一步改进，所述定子的数量为多个，多个所述定子沿轴向间隔设置。

作为本发明的进一步改进，所述定子铁心包括多个定子齿部，相邻所述定子齿部之间形成定子槽，所述定子齿部包括定子齿根部和定子齿顶部，相邻所述定子齿根部的中心线在周向上相差360°/定子槽数。

作为本发明的进一步改进，所述永磁体与所述衬套的内腔过盈配合。

作为本发明的进一步改进，每个所述磁体机构的永磁体个数为偶数个。

作为本发明的进一步改进，所述永磁体采用径向充磁，每个所述磁体机构的相邻所述永磁体的充磁方向相反。

作为本发明的进一步改进，所述螺杆的螺距为沿轴向设置的相邻所述永磁体之间的距离的两倍。

作为本发明的进一步改进，所述外壳的上部连接有上接头，所述上接头内安装有第一轴承，所述螺杆的上部连接有上挠性轴，所述上挠性轴与所述第一轴承相配合。

作为本发明的进一步改进，所述外壳的下部内安装有第二轴承，所述螺杆的下部连接有下挠性轴，所述下挠性轴与所述第二轴承相配合。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提供了一种螺杆泵和永磁同步电机镶嵌融合的螺杆泵式永磁同步电机，此电机采用新型的拓扑结构，新的磁场调制机理，转子为螺旋形状，定子内腔为椭圆螺旋形结构，实现了泵即是电机，电机即是泵的一体化系统设计，降低了采油系统的长度，从而降低了采油系统的体积，便于螺杆泵式永磁同步电机下井作业,对提高我国采油设备技术水平具有重要意义。

(2)将电机与螺杆泵复合，减小传动链，提高传动效率，降低系统故障率，提高井液举升效率。

(3)电机绕组与定子铁心之间采用灌封工艺，不仅起到固定电枢绕组的作用同时还加强了电机的防水性作用，省去电机保护器，进一步将潜油电机采油系统模块缩短，降低电机与螺杆泵总长。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的优选实施例的主视图；

图2为图1的A-A向剖视图；

图3为图2中B的放大示意图；

图4为本发明的优选实施例的定子俯视图；

图5为本发明的优选实施例的转子的结构示意图；

图6为图5的D-D向剖视图；

图7为图5的E-E向剖视图；

图8为图5中F的放大示意图；

图中，10、外壳，101、关节轴承，102、进液口，20、容积腔，201、定子，202、衬套，203、定子铁心，204、电枢绕组，205、内腔，206、隔磁环，207、定子齿部，208、定子槽，209、定子齿根部，210、定子齿顶部，30、转子，301、螺杆，302、永磁体，40、上接头，401、轴向止推轴承，402、单向阀，403、出液口，50、上挠性轴，60、第一联轴器，70、下挠性轴，80、下接头，90、第二联轴器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参阅图1、图4、图5，本发明一实施例提供了一种基于螺杆泵式永磁同步潜油电机，包括外壳10、定子机构和转子30。

请参阅图2-图4，定子机构设于外壳10内，定子机构包括至少一个定子201、设置在定子201内腔的衬套202，定子201包括定子铁心203、绕设在定子铁心203上的多个电枢绕组204，衬套202的内腔205沿轴向呈螺旋形，通过衬套202的设置使得定子201与转子30之间便于形成气隙实现定子201与转子30的相对运动，同时便于形成与转子30耦合的接触面。

请参阅图4，衬套202的内腔205的周向截面呈椭圆形，能够减少气隙间隔从而增加电机功率密度，但并不局限于椭圆形，也可以为圆形。

本实施例优选定子201的数量为多个，多个定子201沿轴向间隔设置，增加电机功率，衬套202沿轴向延伸至多个定子20的内腔。

为了满足不同的功率需求，本实施例优选各个定子201的多个电枢绕组204采用首尾串联的结构。

在一实施例中，相邻定子201之间设置有隔磁环206，可以减少漏磁，同时隔磁环206可以给端部留下空间方便各电枢绕组204的串联。

请参阅图4，定子铁心203包括多个定子齿部207，相邻定子齿部207之间形成定子槽208，定子齿部207包括定子齿根部209和定子齿顶部210，相邻定子齿根部209的中心线在圆周方向上相差360°/定子槽数，也就是说相邻定子齿根部209的中心线之间的夹角C为360°/定子槽数，定子槽数指的定子槽208的个数，这样就能保证电枢绕组204的对称性。在本实施例中，定子槽208的个数为12，则相邻定子齿根部209的中心线之间的夹角C为360°/12＝30°。

为了保证电机输出特性，本发明优选各定子铁心203的定子齿部207轴向对齐，方便嵌线。

为了保证电机稳定运行，定子201的不同定子齿部207的电枢绕组204的匝数不同。

本实施例将定子铁心203与电枢绕组204的间隙处使用灌封胶灌封，不仅能够对电枢绕组204起到固定作用，还能够加强电机的防水性能。

本实施例优选衬套202采用橡胶制成。具体而言，通过向灌封后的多个定子201内腔注入耐磨橡胶，使得衬套202的内腔205形成螺旋椭圆形内腔。衬套202的材质并不局限于橡胶，也可以采用特种金属制成。

请参阅图2、图4、图5，转子30可转动地设置在衬套202的内腔205，转子30包括螺杆301、沿轴向设置在螺杆301上的多个磁体机构，每个磁体机构包括呈螺旋排列的多个永磁体302。

在本实施例中，永磁体302与衬套202的内腔205过盈配合，能够形成密闭的容积腔20，减少井液渗漏。

请参阅图5-图8，每个磁体机构的永磁体302个数为偶数个，在圆周方向上各占360°/2P，其中，P为极对数，与定子铁心203形成一定关系的电机槽极配合。本实施例中，每个磁体机构的永磁体302的个数为10个，则极对数P为5，每个永磁体302在圆周方向上占36°。本实施例的电机槽极为12槽10极，但并不局限于此种槽极配合，也可以为8极6槽，8极9槽或14极12槽。

永磁体302采用径向充磁，充磁方向与次级运动方向垂直，其中，次级运动指的是永磁体302与螺杆301组成的次级的绕轴向旋转的运动，每个磁体机构的相邻的永磁体302的充磁方向相反。

螺杆301的螺距d1为沿轴向设置的相邻永磁体302之间的距离d2的两倍，便于与定子201相互配合。

本发明优选永磁体302为磁钢，磁钢表面需要进行防腐蚀耐磨处理，防腐蚀耐磨处理后的外表面设置不锈钢衬套(图中未示出)，通过不锈钢衬套与定子201的衬套202来接触，避免永磁体302直接与定子201的衬套202直接摩擦，提高永磁体302的使用寿命。优选地，不锈钢衬套的厚度为0.20-0.30mm。更优选地，不锈钢衬套的厚度为0.25mm。在其他实施例中，永磁体302也可以采用钕铁硼材质制成。

请参阅图1、图2，外壳10的上部连接有上接头40，上接头40内安装有第一轴承，螺杆301的上部连接有上挠性轴50，上挠性轴50与第一轴承相配合，能够承受螺杆301带来的轴向载荷。进一步地，螺杆301的上部通过第一联轴器60与上挠性轴50相连接。优选第一轴承为轴向止推轴承401。

上接头40上设置有单向阀402，单向阀402与上接头40的内腔相连通，能够防止井液流出，平衡内外压力。

为了便于井液的排出，将上接头40的上端设置为出液口403。

外壳10的下部内安装有第二轴承，螺杆301的下部连接有下挠性轴70，下挠性轴70与第二轴承相配合，第二轴承能够随下挠性轴70摆动，降低电机振动，避免对电机输出性能的影响，保证电机稳定运行。进一步地，螺杆301的下部通过第二联轴器90与下挠性轴70相连接。优选第二轴承为关节轴承101。

还包括下接头80，下接头80与外壳10的下部相连接，通过下接头80的设置能够方便与止推装置连接，便于卸载螺杆301轴向力。

本实施例中，外壳10的下部外壁设置有进液口102，便于井液进入到外壳10内。进一步地，进液口102对着下挠性轴70。

本发明在使用时，电机通电后，螺杆301在螺旋磁场的作用下进行运动，转子30在定子201的衬套202的内腔205做运动，转子30不仅绕自身轴线旋转，同时在衬套202的内腔205作直线往复运动，转子30的旋转周期与直线往复周期相同，即转子30自转一周其也沿衬套202的内腔205的椭圆形长轴行走一个来回，转子30在衬套202的内腔205转动，使得井液以螺旋的方式从一个容积腔20向另一个容积腔20移动，带动井液朝向出液口403移动，实现对井液的举升。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种基于螺杆泵式永磁同步潜油电机，其特征在于，包括：

外壳；

定子机构，设于所述外壳内，所述定子机构包括至少一个定子、设置在所述定子内腔的衬套，所述定子包括定子铁心、绕设在所述定子铁心上的多个电枢绕组，所述衬套的内腔沿轴向呈螺旋形；

转子，可转动地设置在所述衬套的内腔，所述转子包括螺杆、沿轴向设置在所述螺杆外壁上的多个磁体机构，每个所述磁体机构包括呈螺旋排列的多个永磁体。

2.根据权利要求1所述的一种基于螺杆泵式永磁同步潜油电机，其特征在于，所述衬套的内腔的周向截面呈椭圆形或圆形。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于螺杆泵式永磁同步潜油电机，其特征在于，所述定子的数量为多个，多个所述定子沿轴向间隔设置。

4.根据权利要求3所述的一种基于螺杆泵式永磁同步潜油电机，其特征在于，所述定子铁心包括多个定子齿部，相邻所述定子齿部之间形成定子槽，所述定子齿部包括定子齿根部和定子齿顶部，相邻所述定子齿根部的中心线在周向上相差360°/定子槽数。

5.根据权利要求1所述的一种基于螺杆泵式永磁同步潜油电机，其特征在于，所述永磁体与所述衬套的内腔过盈配合。

6.根据权利要求1或5所述的一种基于螺杆泵式永磁同步潜油电机，其特征在于，每个所述磁体机构的永磁体个数为偶数个。

7.根据权利要求6所述的一种基于螺杆泵式永磁同步潜油电机，其特征在于，所述永磁体采用径向充磁，每个所述磁体机构的相邻所述永磁体的充磁方向相反。

8.根据权利要求1所述的一种基于螺杆泵式永磁同步潜油电机，其特征在于，所述螺杆的螺距为沿轴向设置的相邻所述永磁体之间的距离的两倍。

9.根据权利要求1所述的一种基于螺杆泵式永磁同步潜油电机，其特征在于，所述外壳的上部连接有上接头，所述上接头内安装有第一轴承，所述螺杆的上部连接有上挠性轴，所述上挠性轴与所述第一轴承相配合。

10.根据权利要求1或9所述的一种基于螺杆泵式永磁同步潜油电机，其特征在于，所述外壳的下部内安装有第二轴承，所述螺杆的下部连接有下挠性轴，所述下挠性轴与所述第二轴承相配合。

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