CN120150459B - 一种轴向分段潜油永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴向分段潜油永磁电机，属于永磁电机领域，包括：转轴；沿转轴设置的多个定转子段，以及设置于最外侧的机壳；相邻定转子段之间通过扶正轴承进行连接；定转子段包括由内向外依次设置的转子段和定子段；扶正轴承的上、下端面上，均设置有M个轴向凹槽和N个轴向开孔以及设置于相邻轴向凹槽间的弧形凹槽；轴向凹槽的位置与端部绕组所在位置相对应；同一定子段中，各相绕组自轴向一端绕进，自轴向另一端绕出，且同一并联支路中，不同定子齿上的绕组在弧形凹槽中电气连接；相邻节定子段间，同一相绕组在轴向开孔内串联。本发明能够在不影响潜油永磁电机电磁性能的情况下，提高电机轴向长度的使用效率，并提高电机结构的稳定性。

Description

一种轴向分段潜油永磁电机

技术领域

本发明属于永磁电机领域，更具体地，涉及一种轴向分段潜油永磁电机。

背景技术

随着油气需求量的不断增加及装备制造业的发展，潜油电机和电动钻具驱动电机作为油田井工作系统的核心驱动装备，也获得迅速发展。传统的潜油电机多采用数段串接的两极三相异步电机，这种多段串接的异步电机会导致各功率单元电机旋转速度不同造成功率分配不均、细长转轴扭转变形造成输出转矩下降等问题。

针对上述问题，利用直驱永磁同步电机代替原有的“减速器+异步电机”驱动系统实现低速大转矩要求的方案被创新性的用于工程实践之中，简化了传动系统，避免了减速器齿轮机械结构连接带来系统可靠性的下降，同时相较于异步电机，永磁同步电机提高了系统的效率和功率因数。因此，以超细长结构的低速大转矩直驱永磁同步电机在井下电动钻具系统和潜油电泵系统中的应用尤为突出。

不同于普通电机，用于驱动井下电动钻具系统和潜油电泵系统的电机结构具有特殊的超细长结构，这使得定子槽内绕组加工工艺难度高，且绕组极易因温升热胀冷缩而导致槽内绕组绝缘破坏和固定松脱。例如，在申请公布号为CN201661451U的专利文件中，公开了一种直驱式电动潜油螺杆泵，该装置取消了减速器和减速保护器，永磁电机输出轴利用联轴节直接与螺杆泵转子轴相连，避免了减速结构带来的诸多缺点；但由于其电机超细长比（电机细长比高达1：50）的结构，存在定子绕组穿线工艺困难以及转子磁极加工技术瓶颈，不便批量化生产，同时由于绕组发热引起绕组轴向热胀冷缩现象导致槽内绕组匝间绝缘被破坏，同时对于槽内绕组固定带来较大不便。

为了缓解绕组装配困难，且绕组热胀冷缩易导致槽内绕组绝缘破坏和固定松脱的问题，在申请公布号为CN101969256A的专利文件中，公开了一种潜油直驱永磁同步电机，该电机至少含有两台永磁电机，定子侧同一相线圈串联在一起，相邻转子轴通过同轴连接器固定，实现了结构简化，安装维修方便的功能；但是，该电机结构中，相邻转子轴通过同轴连接器固定，存在连接轴长度过长，轴向空间利用率低、轴向连接不稳定的问题，并且，同一相定子绕组通常由轴向一端绕进，并由同端绕出，在该电机结构中，为了实现同一相线圈的串联连接，需要在电机外壳上设置相应的走线结构，这会增加电机结构的设计难度，并严重影响电机外壳的机械强度。在授权公告号为CN102223032B的专利文件中，公开了一种单元组合式永磁同步电动机组成的超细长结构电机，该电机由独立的单元组合式永磁同步电动机沿同方向组成的潜油电机，各单元电机三相绕组并联运行，实现了各单元永磁电机电磁和机械的完全独立；但为保证组合式永磁同步电机变频同步启动，此潜油电机对装配工艺要求严格，各单元电机定转子轴线必须分别对齐，装配误差会导致转轴扭曲变形，反而影响电机的电磁性能。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种轴向分段潜油永磁电机，其目的在于，在不影响潜油永磁电机电磁性能的情况下，提高电机轴向长度的使用效率，并提高电机结构的稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了一种轴向分段潜油永磁电机，包括：转轴；设置于转轴外侧且沿轴向设置的多个定转子段，以及设置于多个定转子段外侧的机壳；相邻定转子段之间通过扶正轴承进行连接；

定转子段包括由内向外依次设置的转子段和定子段，转子段和定子段之间设置有气隙；转子段固定于转轴的外表面；定子段包括定子轭，沿周向设置于定子轭内表面的定子齿，以及绕制于定子齿上的定子绕组；定子轭固定于机壳的内表面；

扶正轴承的上、下端面上，均设置有M个轴向凹槽和N个轴向开孔，以及设置于相邻轴向凹槽间的弧形凹槽；M为定子齿数，N为绕组相数；轴向凹槽的位置与相邻定子段的端部绕组所在位置相对应；

同一节定子段中，每一相绕组自轴向一端绕进，自轴向另一端绕出，且同一并联支路中，不同定子齿上的绕组在相邻扶正轴承上的弧形凹槽中电气连接；相邻节定子段间，同一相绕组在两定子段间的扶正轴承上的轴向开孔内串联。

进一步地，同一节定子段中，定子齿两侧的绕组匝数n1和n2的比值满足：在不影响工作谐波的情况下，使非工作谐波含量最小化。

进一步地，扶正轴承中，轴向开孔设置于轴向凹槽中。

进一步地，机壳为一体结构。

进一步地，定子轭上设置有定子轭部凹槽，且机壳上与各定子轭部凹槽相对应的位置处设置有与定子轭部凹槽相配合的机壳子凸台。

进一步地，扶正轴承的轴向开孔内，两绕组通过航空插头串联。

进一步地，各定子段中，定子齿以可拆卸的方式固定于定子轭的内表面。

进一步地，各定子段中，定子齿通过燕尾槽和公差配合装配于定子轭的内表面。

进一步地，各电子段中，定子槽为平行槽。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

（1）本发明利用同一转轴连接轴向排布的多个定转子段，且相邻定转子段通过扶正轴承相连接，能够有效提高电机结构的稳定性；扶正轴承上与相邻定子段的端部绕组对应的位置处设置了轴向凹槽，可容纳定子端部绕组，极大地增加了电机轴向长度的使用效率；同一节定子段中，每一相绕组自轴向一端绕进，自轴向另一端绕出，扶正轴承中设置了轴向开孔，且相邻节定子段中 同一相绕组在两定子段间的扶正轴承上的轴向开孔内串联，便于控制，易实现同步运转，避免因转速不一致出现功率分配不均、细长转轴扭转变形造成输出转矩下降等问题，同时，特定的绕组绕制方式使得槽内绕组匝数相较其他常规槽内绕组少半匝，能够有效降低对电压源电压等级的要求。

（2）由于本实施例中，同一节定子段中，每一向绕组自轴向一端绕进，自轴向另一端绕出，使得同一定子齿两侧的绕组匝数相差1，从而可通过对绕组匝数的调整对同一定子齿两侧的绕组匝数比值进行调整；在本发明优选的方案中，同一节定子段中，定子齿两侧的绕组匝数n1和n2的比值满足：在不影响工作谐波的情况下，使非工作谐波含量最小化，由此能够产生特定谐波，用于消除电机气隙内特定谐波，提高电机工作特性。

（3）在本发明的优选方案中，供相邻节定子段间中同相绕组串联的轴向开孔设置于轴向开槽内，能够在保证实现相关功能的情况下提高扶正轴承的机械强度。

（4）在本发明的优选方案中，机壳采用一体化结构，具有良好的机械强度；在其进一步优选的方案中，轭上设置有定子轭部凹槽，且机壳上与各定子轭部凹槽相对应的位置处设置有与定子轭部凹槽相配合的机壳子凸台，通过定子轭部凹槽和机壳子凸台的相互配合实现定子的固定，结构设计简单，且不影响机壳的机械强度。

（5）在本发明的优选方案中，扶正轴承的轴向开孔内，两绕组通过航空插头串联，可有效保证电气连接的可靠性。

（6）在本发明的优选方案中，定子齿以可拆卸的方式固定于定子轭的内表面，从而绕组绕制时可先将绕组绕在定子齿上后在进行装配，相较于降低了绕组加工的难度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的轴向分段潜油永磁电机的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的扶正轴承的横截面示意图。

图3为本发明实施例提供的定子绕组接线图。

图4为本发明实施例提供的定子横截面示意图。

图5为本发明实施例提供的部分定子齿上绕组绕制示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1-机壳，2-定子齿，3-定子绕组，4-航空插头（母），5-航空插头（公），6-轴向开槽，7-端部绕组，8-定子轭，9-轴向开孔，10-油膜，11-并联绕组引出线，12-转轴，13-转子段，14-定子轭部凹槽，15-机壳子凸台，16-弧形凹槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

为了在克服超细长比同步电动机定子槽内绕组加工工艺难度高，且绕组因温升热胀冷缩会导致槽内绕组绝缘破坏及固定松脱的问题的同时，在不影响电机的电磁性能的情况下提高电机轴向长度的使用效率，并提高电机结构的稳定性，本发明提供了一种轴向分段潜油永磁电机，其整体构思在于，对电机的定、转子进行轴向分段，以降低绕组加工工艺难度，并缓解绕组因温升热胀冷缩会导致槽内绕组绝缘破坏及固定松脱的问题；采用改进的扶正轴承连接相邻的轴向分段，并对各节定子段中的绕组绕制方式进行改进，使得无需在机壳上设置走线结构即可实现相邻节定子段间同相绕组的电气串联，并降低对电源电压等级的要求，同时提高各轴向分段间的连接稳定性。

以下为实施例1。

一种轴向分段潜油永磁电机，如图1~图4所示，包括：

转轴12；设置于转轴12外侧且沿轴向设置的多个定转子段，以及设置于多个定转子段外侧的机壳1；相邻定转子段之间通过扶正轴承进行连接；

定转子段包括由内向外依次设置的转子段13和定子段，转子段13和定子段之间设置有气隙；转子段13固定于转轴12的外表面；定子段包括定子轭8，沿周向设置于定子轭8内表面的定子齿2，以及绕制于定子齿2上的定子绕组3；定子轭8固定于机壳1的内表面。

本发明通过将电机沿周向分段，可以克服超细长比同步电动机定子槽内绕组加工工艺难度高，且绕组因温升热胀冷缩会导致槽内绕组绝缘破坏及固定松脱的问题。同时，相邻节定转子段之间通过扶正轴承进行连接，可以有效保证轴向的连接稳定性。

如图1和图2所示，本实施例中，扶正轴承的上、下端面上，均设置有M个轴向凹槽6和N个轴向开孔9，以及设置于相邻轴向凹槽6间的弧形凹槽，以供同节定子段中并联支路引出线11进行电气连接；轴向凹槽6的位置与相邻定子段的端部绕组7所在位置相对应。M为定子齿数，N为绕组相数，可选地，本实施例所提供的为三相电机，且定子齿数为18，即M=18，N=3，并且，如图2所示，本实施例中，3个轴向开孔9均匀设置于3个轴向凹槽6中。扶正轴承内还设置有油膜10，用于润滑与均压。

通过在扶正轴承的两个轴向端面上与各端部绕组相应位置处设置轴向凹槽，可容纳端部绕组，从而提高轴向空间利用率。

本实施例中，同一节定子段中，每一相绕组自轴向一端绕进，自轴向另一端绕出，且同一并联支路中，不同定子齿上的绕组在相邻扶正轴承上的弧形凹槽中电气连接。图3所示为其中一相绕组的电气分布图，可选地，下端为绕组绕进端，上端为绕组绕出端。

如图1所示，相邻节定子段间，同一相绕组在两定子段间的扶正轴承上的轴向开孔9内串联。作为一种可选的实施方式，扶正轴承的轴向开孔内，两绕组通过航空插头串联，具体地，其中一个绕组连接航空插头（公）4，另一个绕组连接航空插头（母）5，由此实现两绕组间稳定的电气连接。

本实施例中，通过使同一节定子段中，每一相绕组自轴向一端绕进，自轴向另一端绕出，相比于常规的绕组绕制方法，每一相绕组的绕近端和绕出端分别位于两端，且绕组匝数少半匝，一方面，相邻节定子段间同相绕组可直接在扶正轴承的轴向开孔中实现串联，无需在机壳上额外设置走线结构，另一方面，在各相绕组串联的情况下，可以降低对电源电压等级的要求，保证在电机轴向长度较长的情况下，也能对电机进行正常供电。

为了保证机械强度，本实施例中，机壳为一体结构，并且为了便于实现定子与机壳间的固定，作为一种可选的实施方式，如图1和图4所示，本实施例中，定子轭上设置有定子轭部凹槽14，且机壳上与各定子轭部凹槽相对应的位置处设置有与定子轭部凹槽相配合的机壳子凸台5，通过定子轭部凹槽14与机壳子凸台15配合，将每一节定子段固定于机壳之上。本实施例在将定、转子轴向分段的同时采用无独立机壳结构，采用“手电筒电池组装”原理，将各段模块化定子压装进具有良好机械强度的一体化成型加工的电机外壳，具有良好的机械强度。

为了进一步降低定子绕组的装配难度，作为一种可选的实施方式，本实施例采用了模块化的定子齿，具体来说，各定子段中，定子齿以可拆卸的方式固定于定子轭的内表面。更具体地，各定子段中，定子齿通过燕尾槽和公差配合装配于定子轭的内表面，如图4所示。基于这种模块化定子齿的设计，本实施例提供的轴向分段潜油永磁电机，在制造加工时，可先将绕组绕制在模块化定子齿之上，然后装配到定子轭之上，通过定子槽楔开口嵌入定子槽楔以实现对于绕组加工。

作为一种优选的实施方式，本实施例中，如图4所述，各电子段中，定子槽为平行槽，以进一步提高散热效果和电机效率、增强机械强度、减少噪音和震动并提高电磁性能。

以下为实施例2。

一种轴向分段潜油永磁电机。本实施例与上述实施例1类似，所不同之处在于，本实施例中，对绕组匝数进行了进一步的优化设计。

图5所示，为部分定子齿上的绕组绕制示意图，其中，A、B、C分别表示三相绕组。根据图5可知，由于绕组采用少半匝的绕制方式，即定子绕组3在绕定子齿2绕制时，由一端绕进，由另一端绕组，使得同一定子齿两侧的绕组匝数n1和n2相差1，即n2=n1+1，不同于传统的同端绕进、同端绕出的绕组绕制方式，本实施例所提出的绕组绕制方式，可通过对绕组匝数的控制，实现对同一定子齿两侧的绕组匝数比的控制，从而可通过绕组匝数设计产生特定谐波，用于消除电机气隙内特定谐波，提高电机工作特性。基于此，本实施例中，同一节定子段中，定子齿两侧的绕组匝数n1和n2的比值满足：在不影响工作谐波的情况下，使非工作谐波含量最小化。

容易理解的是，电机的工作谐波，由其槽数和极数相应确定，以12槽10极为例，其工作谐波为5次谐波，通过参数扫描可知，当各槽内均采用前端绕进、后端绕出的少半匝绕组，且n1/n2=0.875 时，定子绕组产生的磁势分布如表1所示。以传统的同端绕进、同端绕出方式作为对比，可以看出，本实施例实现了对于无用的1次谐波的有效抑制，且减小幅度高达97.5%，非工作磁势谐波的减少有利于提高电机效率的同时减少电机发热；

。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轴向分段潜油永磁电机，其特征在于，包括：转轴；设置于所述转轴外侧且沿轴向设置的多个定转子段，以及设置于所述多个定转子段外侧的机壳；相邻定转子段之间通过扶正轴承进行连接；

所述定转子段包括由内向外依次设置的转子段和定子段，所述转子段和所述定子段之间设置有气隙；所述转子段固定于所述转轴的外表面；所述定子段包括定子轭，沿周向设置于所述定子轭内表面的定子齿，以及绕制于所述定子齿上的定子绕组；所述定子轭固定于所述机壳的内表面；

所述扶正轴承的上、下端面上，均设置有M个轴向凹槽和N个轴向开孔，以及设置于相邻轴向凹槽间的弧形凹槽；M为定子齿数，N为绕组相数；轴向凹槽的位置与相邻定子段的端部绕组所在位置相对应；

同一节定子段中，每一相绕组自轴向一端绕进，自轴向另一端绕出，且同一并联支路中，不同定子齿上的绕组在相邻扶正轴承上的弧形凹槽中电气连接；相邻节定子段间，同一相绕组在两定子段间的扶正轴承上的轴向开孔内串联。

2.如权利要求1所述的轴向分段潜油永磁电机，其特征在于，同一节定子段中，定子齿两侧的绕组匝数n1和n2的比值满足：在不影响工作谐波的情况下，使非工作谐波含量最小化。

3.如权利要求1或2所述的轴向分段潜油永磁电机，其特征在于，扶正轴承中，轴向开孔设置于轴向凹槽中。

4.如权利要求1或2所述的轴向分段潜油永磁电机，其特征在于，所述机壳为一体结构。

5.如权利要求4所述的轴向分段潜油永磁电机，其特征在于，所述定子轭上设置有定子轭部凹槽，且所述机壳上与各定子轭部凹槽相对应的位置处设置有与定子轭部凹槽相配合的机壳子凸台。

6.如权利要求1或2所述的轴向分段潜油永磁电机，其特征在于，扶正轴承的轴向开孔内，两绕组通过航空插头串联。

7.如权利要求1或2所述的轴向分段潜油永磁电机，其特征在于，各定子段中，定子齿以可拆卸的方式固定于定子轭的内表面。

8.如权利要求7所述的轴向分段潜油永磁电机，其特征在于，各定子段中，定子齿通过公差配合装配于定子轭内表面的燕尾槽中。

9.如权利要求8所述的轴向分段潜油永磁电机，其特征在于，各定子段中，定子槽为平行槽。