專利名稱：利用電機通過管道輸送流體的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種流體輸送系統(tǒng)，特別涉及一種利用電機通過管道輸送流體的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
流體輸送涉及很多工業(yè)領(lǐng)域，包括但不限于化學、石油和天然氣工業(yè)。已知的流體輸送應用中，將流體從陸上或水中輸送到工廠用于隨后使用。在其他已知應用中，流體輸送用于碳氫化合物加工工廠和化學工廠，并且方便分配到終端使用者。
至少一些已知輸送站采用流體輸送設(shè)備，例如由氣輪機驅(qū)動的壓縮機、風扇和/或泵。這些渦輪機中的一些通過齒輪箱驅(qū)動相關(guān)的流體輸送設(shè)備，齒輪箱將氣輪機輸出驅(qū)動軸的速度增大或減小到預定的設(shè)備驅(qū)動軸速度。電機(即電力驅(qū)動的電動機或者電動驅(qū)動器)在操作的靈活性(例如不同速度)、維修、低造價和低操作成本、較高效率和環(huán)境兼容性方面比機械驅(qū)動(即氣輪機)要更有利。另外，通常電力驅(qū)動比機械驅(qū)動構(gòu)造簡單，更易于與流體輸送設(shè)備集成，可以去除齒輪箱，并且/或者比機械驅(qū)動更可靠。
然而，采用電力驅(qū)動的系統(tǒng)比采用機械驅(qū)動的系統(tǒng)效率低。影響電力驅(qū)動效率的一些系數(shù)至少包括電動機驅(qū)動、驅(qū)動控制電學和電子布局、電源質(zhì)量和效率、驅(qū)動組件(例如轉(zhuǎn)子)的大小和重量、磁耦合強度。而且，流體輸送設(shè)備的電力驅(qū)動產(chǎn)生熱量，例如經(jīng)由驅(qū)動組件、與轉(zhuǎn)子相關(guān)的風阻損失，可能會需要附加系統(tǒng)來方便移除熱量。例如，一些已知的電力驅(qū)動裝置采用所輸送的流體作為主要的熱量傳輸介質(zhì)，并且利用流體流過和圍繞定子的管道。然而，在一些情況下，所輸送的流體具有侵蝕性成分或雜質(zhì)，其將對所使用的組件產(chǎn)生不利影響。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，提供了一種方便通過管道輸送流體的電機。該電機包括轉(zhuǎn)子組件，其進一步包括配置用于產(chǎn)生分發(fā)的磁流體的磁體陣列。轉(zhuǎn)子組件基本上是防腐蝕的。
另一方面，提供了一種組裝電機的方法。該方法包括產(chǎn)生分布的磁場。該方法還包括將永久磁體陣列連接在基本防腐的圍罩內(nèi)，使永久磁體陣列基本上與圍罩之外的環(huán)境絕緣。
又一方面，提供一種流體輸送站。該站包括流體輸送設(shè)備，輸送設(shè)備包括至少一個轉(zhuǎn)動軸。流體輸送設(shè)備還包括驅(qū)動馬達。驅(qū)動馬達包括連接到轉(zhuǎn)動軸上的轉(zhuǎn)子組件。轉(zhuǎn)子組件包括配置為產(chǎn)生分布磁場的磁體陣列。轉(zhuǎn)子組件基本上是防腐蝕的。


圖1是示例性流體輸送站的橫剖面示意圖；圖2是示例性電動機的橫剖面示意圖，電動機可用于圖1所示的流體輸送站中；圖3是示例性轉(zhuǎn)子組件的放大橫剖面示意圖，轉(zhuǎn)子組件可以用于圖2所示的電動機中；圖4是示例性轉(zhuǎn)子組件的橫剖面軸向示圖，轉(zhuǎn)子組件可以用于圖2所示的電動機中；圖5是示例性轉(zhuǎn)子組件和可用于圖2所示的電動機中的磁場的橫剖面軸向示圖；圖6是可選擇的轉(zhuǎn)子組件的橫剖面軸向示圖，轉(zhuǎn)子組件可以用于圖2所示的電動機中；圖7是可選擇的轉(zhuǎn)子組件和可用于圖2所示的電動機中的磁場的橫剖面軸向示圖；圖8是可選擇的轉(zhuǎn)子組件的放大橫剖示圖，轉(zhuǎn)子組件可用于圖2所示的電動機中。
具體實施例方式
圖1是示例性流體輸送站100的橫剖面示意圖。在示例性實施例中，站100是一個水下天然氣壓縮站100，其包括流體輸送設(shè)備102。在示例性實施例中，設(shè)備102是多級壓縮機102，其轉(zhuǎn)動連接到電力驅(qū)動的電動機104上?？蛇x擇的是，設(shè)備102可以是但不限于泵或風扇。站100可設(shè)置在任何地理位置上并且便于輸送要滿足預定操作參數(shù)的任意流體?？杀徽?00輸送的流體的例子包括但不限于來自于天然源(圖1中未示)導引到站100的未經(jīng)處理的甲烷。
在示例性實施例中，電動機104是永久磁體型電動機104，設(shè)計用于在高于3600轉(zhuǎn)/分的最大時速下操作，通常與由60Hz的電源驅(qū)動的同步電動機聯(lián)合。因此，電動機104通常被稱為“超-同步”電動機。詳細說來，在示例性實施例中，電動機104包括多個特征，其比可選擇的驅(qū)動裝置更為有利。例如，在示例性實施例中，不需要額外的構(gòu)件(例如便于增大輸出速度的齒輪箱)，電動機就可以實現(xiàn)大約10,000到20,000轉(zhuǎn)/分(rmp)的速度。可選擇的是，可以采用超過20,000rmp速度的電動機。增大的速度便于快速壓縮氣體，由此提高壓縮站100的效率和有效性，這便于實現(xiàn)較小的底座。另外，在該實施例中，額外構(gòu)件(例如齒輪箱)的排除使得站100僅需要較小的底座，并且排除了相應的維修需要。該實施例的另一個特征是排除了耐磨構(gòu)件，例如碳質(zhì)滑動環(huán)。結(jié)果，在該示例性實施例中，電動機104有助于壓縮站100的穩(wěn)定性的提高。可選擇的是，電動機104可以是永久磁體型同步電動機、單獨驅(qū)動的電動機或者任意其它可以實現(xiàn)預定操作參數(shù)并使站100按照此處描述的方式工作的驅(qū)動裝置。
電動機104和壓縮機102穩(wěn)定的固定在一體件(即單一的)箱體106內(nèi)。電動機104設(shè)置在箱體106的電動機部分105內(nèi)，壓縮機102設(shè)置在箱體106的壓縮機部分。在示例性實施例中，箱體106通過澆鑄或鍛造工序制造?？蛇x擇的是，箱體106可以采用現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何方法制造，例如，焊接工序，使箱體106裝配形成按照此處描述的方式工作的單一箱體106。此外，可選擇的是，可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的已知方法將箱體部分103和105作為單獨構(gòu)件制造，并且連接起來形成箱體106。箱體106包括壓縮機抽吸定位裝置108，其以流體相通的方式連接到入口管道110。管道110可以由金屬、橡膠、聚氯乙烯(PVC)或者可以實現(xiàn)與所輸送的流體和站100的位置相關(guān)的預定操作參數(shù)的任意材料制成。
在示例性實施例中，站100還包括壓縮機尾端件112，其連接到箱體106并從那里延伸。尾端件112有助于在壓縮機102插入到箱體106之后將壓縮機102封閉在站100內(nèi)，并包括壓縮機排出定位裝置114，其以流體相通的方式連接到與入口管道110基本相似的壓縮機出口管道116。另外，電動機端部蓋體組件118固定連接到箱體106上。端部蓋體118有助于在將電動機104插入到箱體106之后將電動機封閉在站100內(nèi)。
電動機104包括轉(zhuǎn)子組件120、多個連接到轉(zhuǎn)子組件120的永久磁體(圖1未示)、定子122(其設(shè)置為在定子122和轉(zhuǎn)子組件120之間限定間隙124)。多個設(shè)置在電纜管道126內(nèi)的電源線有助于將站100連接到動力源，例如，變頻驅(qū)動裝置(VFD)(圖1未示)。永久磁體產(chǎn)生圍繞轉(zhuǎn)子組件120的磁場(圖1未示)。當激勵定子122時，電動機104內(nèi)部生成電磁場。間隙124有助于轉(zhuǎn)子組件120和定子122之間的磁耦合，以便產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子組件120產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的扭矩。
壓縮機102包括轉(zhuǎn)動連接到轉(zhuǎn)子120的轉(zhuǎn)動驅(qū)動軸128。在示例性實施例中，壓縮機102包括多個壓縮級130?？蛇x擇的是，壓縮機102僅包括一個壓縮級。轉(zhuǎn)子120和軸128可圍繞轉(zhuǎn)動軸線132轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動軸線132可以是有助于實現(xiàn)站100的預定操作參數(shù)的任意朝向，其包括但不限于水平和垂直方向。
在操作過程中，VFD以預定電壓和頻率向定子122供應多相交流電。在定子122內(nèi)生成轉(zhuǎn)動電磁場(圖1未示)。在任意給定速度下，所產(chǎn)生的磁場的相對強度都與由VFD供給的電壓成正比。隨著定子122內(nèi)生成的電磁場的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子組件120的磁場通過間隙124與定子122的電磁場相互作用。兩個磁場之間的相互作用產(chǎn)生扭矩，以及接下來轉(zhuǎn)子組件120的轉(zhuǎn)動。
站100經(jīng)由入口管道110接收處于第一預定壓力的天然氣。天然氣經(jīng)由抽吸定位裝置108被導引至壓縮機。氣體隨后流入壓縮機102內(nèi)并被壓縮至較大密度和較小體積，其處在比第一預定壓力大的第二預定壓力。壓縮氣體經(jīng)由排出定位裝置114被排出到出口管道116。
在示例性實施例中，站100包括電動機輸送流體的供應管道133和電動機輸送流體的回流管道134。供應管道133以流體相通的方式與入口管道110和電動機端部蓋體118連接。回流管道134以流體相通的方式與箱體106的電動機部分105和抽吸定位裝置108連接。管道133和134可以由金屬、橡膠、聚氯乙烯(PVC)或者可以實現(xiàn)與所輸送的流體和站100的位置相關(guān)的預定操作參數(shù)的任意材料制成。管道133和134的尺寸設(shè)置為方便最初的供應，并且有助于隨后將箱體部分105內(nèi)流體的壓力保持在與入口定位裝置108內(nèi)的流體壓力基本相同的壓力上。
供應管道133包括電動機供應閥135，回流管道134包括電動機返回單向閥136。單向閥136有助于減緩輸送流體從定位裝置108到管道134以及隨后進入箱體部分105的導入。在示例性實施例中，閥135是節(jié)流閥，其調(diào)節(jié)到預定的打開位置，以便于導引流過電動機104預定流量的輸送流體，以及便于設(shè)定箱體105預定增壓等級。閥135可以是但不限于針形閥。可選擇的是，閥135可以是隔離式閥，其包括但不限于閘式閥，其中利用裝置便于實現(xiàn)預定的流體流速和預定的增壓比，該裝置包括但不限于至少一個流體孔(圖1未示)。系統(tǒng)100進一步包括電動機-壓縮機箱體密封件137，其有助于減緩箱體106的電動機部分105和箱體106的壓縮機部分106之間的流通。在示例性實施例中，密封件137是內(nèi)部密封件，其配置為承受電動機箱體105和壓縮機入口108之間可能發(fā)生的相對小的壓力差?？蛇x擇的是，密封件138可以配置為承受相對大的壓力差，例如但不限定于電動機箱體105內(nèi)的輸送流體和站100外部的環(huán)境條件之間的壓力差。
操作過程中，如圖示相關(guān)箭頭所示，輸送流體的一部分從入口管道110被導引到電動機端部蓋體118。輸送流體被導引流過電動機104(下文中將詳述)，接下來經(jīng)由回流管道134導入抽吸定位裝置。
圖2是可被流體輸送站100(圖1所示)采用的示例性電動機104的橫剖示圖。如上所述，電動機104包括端部蓋體組件118、轉(zhuǎn)子組件120、定子122、間隙124、電纜管道126、軸線132和密封件137。箱體106將電動機104封閉在箱體部分105內(nèi)。
轉(zhuǎn)子組件120包括永久磁體段140(下文中將詳述)。多個永久磁體(圖2未示)嵌入到段140的周邊。轉(zhuǎn)子組件120還包括外側(cè)軸段141、內(nèi)側(cè)軸段142和大體位于中央的段145。段140連接到中央軸段145，使得內(nèi)側(cè)軸段142和外側(cè)軸段141的至少一部分分別從段140的軸向端延伸。同樣，段140連接到軸段145，使得在段140內(nèi)部產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力在段140以及段141、142和145上產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。中央段145的直徑小于、等于或大于段141和142的直徑，以便于將永久磁體段140連接到軸段145。
內(nèi)部流體輸送設(shè)備144轉(zhuǎn)動連接到轉(zhuǎn)子120的一部分上。在示例性實施例中，設(shè)備144是連接到軸段141的最外側(cè)部分的風扇144。風扇144尺寸和位置設(shè)置為方便流體在箱體部分105內(nèi)部流動。可選擇的是，設(shè)備144可包括但不限于泵或可以實現(xiàn)與箱體部分105內(nèi)輸送的流體相關(guān)的預定參數(shù)的任意裝置。同樣，可選擇的是，設(shè)備144可設(shè)置在箱體部分105內(nèi)可以實現(xiàn)預定操作參數(shù)的任意位置。
定子122包括基本為螺旋型定子芯體段150。芯體段150設(shè)置在箱體部分105內(nèi)部，使得轉(zhuǎn)子組件的永久磁體段140和定子芯體段150限定環(huán)形間隙124。芯體150固定連接到箱體部分105上。定子122還包括電樞繞組、外側(cè)和內(nèi)側(cè)端部繞組或者端部線圈段154和156。段154和156電連接到芯體段150并從那里軸向向外延伸。段154和156設(shè)置在定子芯體段150的軸向相對端。
箱體106包括周邊表面160和徑向內(nèi)表面162。在示例性實施例中，箱體106、周邊表面160和162基本上是圓柱形?？蛇x擇的是，箱體106和它的相關(guān)構(gòu)件可以是能夠?qū)崿F(xiàn)預定操作參數(shù)的任何形狀或結(jié)構(gòu)。同樣，在示例性實施例中，表面160和162之間的徑向距離(即箱體106的厚度)和箱體106的制造材料足以承受操作參數(shù)，例如但不限于與站100所潛入水中的深度相關(guān)的外部操作壓力和溫度，以及所輸送流體的特性。
端部蓋體組件118包括徑向周邊表面164和限定在組件118內(nèi)部的流體供應管道166，管道與供應管道113以流體相通方式連接。流體供應管道166的尺寸設(shè)置為方便最初的供給，并且有助于隨后將箱體部分105內(nèi)流體的壓力保持在與入口定位裝置108(參見圖1)內(nèi)的流體壓力基本相同的壓力上。管道166還有助于將箱體部分105的加壓等級控制在預定等級上。
電動機進一步包括外側(cè)磁懸浮軸承169和內(nèi)側(cè)磁懸浮軸承170以及外側(cè)軸承支承元件171和內(nèi)側(cè)軸承支承元件172。在示例性實施例中，元件171和172基本上是環(huán)形的并且牢牢固定到箱體的徑向內(nèi)表面162，并且從表面162向內(nèi)朝著轉(zhuǎn)子組件120徑向伸出。元件171具有至少一個形成在元件171內(nèi)部的敞開通道174，以便有助于流體在箱體部分105內(nèi)流動，下文有進一步描述。可選擇的是，元件171和172可以是但不限于多個徑向延伸的元件，形成、配置并且尺寸設(shè)置為支承軸承169和170，并且有助于流體在箱體部分105內(nèi)流動，下文有進一步描述。表面162和164、軸承169和軸承支承元件171限定了流體入口增壓室176，其以流體相通方式與風扇144、通道166和174連接，并有助于將流體導引至風扇144。
表面162的一部分、軸承169、軸承支承元件171以及定子芯體段150的外側(cè)表面限定了基本為環(huán)形的外側(cè)端部旋轉(zhuǎn)流體增壓室178。增壓室178以流體相通的方式與通道174和間隙124連接。同樣，表面162的一部分、軸承170、軸承支承元件172以及定子芯體段150的內(nèi)側(cè)表面限定了基本為環(huán)形的內(nèi)側(cè)端部端部旋轉(zhuǎn)流體增壓室180。增壓室180以流體相通的方式與間隙124和管道134連接。在示例性實施例中，間隙124將所輸送流體導引通過增壓室178和180之間的單個軸向流體通道?？蛇x擇的是，此處描述的本發(fā)明可插入到電動機104中，其中多個流體通道經(jīng)由多個穿過和/或圍繞定子芯體150的基本為徑向的冷卻槽將流體輸送到間隙124內(nèi)或者從間隙中輸送到外部。
磁懸浮軸承169和170有助于轉(zhuǎn)子組件120的徑向定位。在示例性實施例中，磁懸浮軸承169和170配置為主動式磁懸浮軸承。更為詳細些，控制子系統(tǒng)(圖2未示)與磁懸浮軸承169和170聯(lián)合來確定轉(zhuǎn)動軸承構(gòu)件(圖2未示)相對于固定構(gòu)件(圖2未示)在任意給定時間的徑向位置，并且方便磁調(diào)整，以便修正任意給定角度位置上的偏差。磁懸浮軸承169和170有助于在與示例性電動機104相關(guān)的上述高速下轉(zhuǎn)子組件120的操作。可選擇的是，可以使用那些能夠?qū)崿F(xiàn)預定參數(shù)(包括但不限于減小振動和摩擦損耗)的包括但不限于滑動軸承的非磁懸浮軸承。至少一個備用軸承(rundown bearing)(圖2未示)以與軸承169和170相似的方式設(shè)置在電動機104內(nèi)，以便于在磁懸浮軸承169和/或170失效時徑向支承轉(zhuǎn)子組件120。而且，至少一個止推軸承(圖2未示)以與軸承169和170相似的方式設(shè)置在電動機104內(nèi)，以便于減小轉(zhuǎn)子組件120和軸128(圖1示出)的軸向推力效果。
站100可以應用于輸送具有侵蝕性和雜質(zhì)的流體。為了潤滑和/或冷卻電動機104的組件，可以將這些流體引導至箱體部分105。
操作過程中，如圖2箭頭所示，由壓縮機102輸送的流體還可有助于冷卻電動機104。如上所述，在電激勵定子122和啟動電動機104之前，箱體部分105充有所輸送的流體，并且由于它與管道110和定位裝置108以流體相通方式連接，它具有入口管道110和抽吸定位裝置108(圖1所示)基本相同的壓力。管道133和134、增壓室176、178和間隙124充有輸送流體，并且基本處于壓力平衡。一旦啟動電動機104，轉(zhuǎn)子組件開始轉(zhuǎn)動，風扇144在通道166與入口增壓室176以流體連通方式連接的區(qū)域附近局部形成低壓區(qū)，并且還在增壓室176內(nèi)形成局部高壓區(qū)。輸送流體從通道166開始被導引至與增壓室176流體相通的連接的通道174中。接著將輸送流體導引至增壓室178，其中流體將熱量從定子芯體段150和段154去除。將流體進一步導引通過間隙124，帶走定子芯體段150和轉(zhuǎn)子組件磁體段140上的熱量。接著將流體導引到增壓室180，去除定子芯體段150和段156的熱量。流體隨后流至管道134。
圖3是可用于電動機電動機104(參見圖2)的示例性轉(zhuǎn)子組件120的放大橫剖視圖。展示了定子端部繞組段154和156、軸承169和170、轉(zhuǎn)動軸線132。圖4是可用于電動機電動機104(參見圖2)的示例性轉(zhuǎn)子組件120的橫剖軸向視圖。圖5是示例性轉(zhuǎn)子組件120以及可用于電動機電動機104的磁場的橫剖軸向視圖。下面對電動機104的描述參考圖3、4、5。
電動機104包括定子122。定子122包括多個形成在定子芯體150內(nèi)部的定子齒157。齒157限定多個定子電樞繞組槽158。電樞繞組159軸向設(shè)置在槽158內(nèi)，除了電樞繞組端部線圈部分154和156外，與軸線132基本平行。
電動機104還包括轉(zhuǎn)子組件120。轉(zhuǎn)子組件120包括基本為圓柱形的轉(zhuǎn)子軸段141、142和145、基本為圓柱形的磁體罩146和基本為圓柱形的設(shè)置在軸段145和罩146之間的永久磁體陣列148。在示例性實施例中，軸段141、142和145由Inconel 725制造，并形成位于軸段141、142和145中心的空腔143。可選擇的是，軸段141、142和145可由任意可實現(xiàn)預定操作參數(shù)(包括但不限于抗腐蝕性和導磁率)的材料制造。例如，在選擇性實施例中，可利用的材料包括但不限于Incoloy 925、Inconel 718或者帶有保護層的磁性鋼合金，其中保護層包括但不限于陶瓷合成物、聚合物涂層和金屬鍍層，例如鎳或者高磷-鎳。
通常，期望抵抗所輸送流體的侵蝕特性的防侵蝕性。而且，期望罩146的材料具有較低的相對導磁率，以便于減小由轉(zhuǎn)子組件120形成的磁場的變形，這是現(xiàn)有技術(shù)已知的。例如，不飽和純鐵具有1000到5000的相對導磁率，Inconel合金通常具有1.002到1.010的相對導磁率。與自由空間(即空氣或真空)的相對導磁率相關(guān)的參考值為1.000。相對導磁率是unit-less參數(shù)。通常，具有高導磁率的材料稱為磁體材料，具有低導磁率的材料稱為非磁體材料。因此，Inconel合金通常被認定為非磁體。
在選擇實施例中，軸段141和142包括至少一層(圖3、4和5中未示)防腐蝕非磁性材料，其包括但不限于陶瓷合成物、聚合物涂層和金屬鍍層，例如鎳或者高磷-鎳(圖3、4和5中未示)。該涂層可通過下述方法形成，包括但不限于現(xiàn)有技術(shù)已知的噴射、涂覆和電鍍技術(shù)，或者通過將具有預定尺寸的材料段與軸段141和142固定連接。該涂層或多層涂層可以在軸段141和142的整個徑向最外層表面上延伸(圖1和2所示)，其中軸段暴露于箱體部分105內(nèi)的輸送流體。
在示例性實施例中，空腔143沒被填充，即軸段141、142和145是中空的?？蛇x擇的是，軸段141、142和145可以是實心的。此外，可選擇的是，空腔143可以填充有便于實現(xiàn)操作參數(shù)(包括但不限于電動機104的輕量、轉(zhuǎn)子組件20的高速度、轉(zhuǎn)子組件120的低振動)的材料。
永久磁體包括多個牢牢連接到軸段145的外周邊并圍繞該周邊的永久磁體148。磁體148沿軸段145軸向延伸，并且與軸線132基本平行。將磁體148連接到軸段145的方法包括但不限于粘接和燒結(jié)，使得實現(xiàn)預載低公差配合?？梢允褂眉訅壕o配合，其包括但不限于熱冷縮配合和/或液壓冷縮配合。
磁體148包括但不限于高能量密度稀土元素永久磁體材料，例如釹-鐵-硼(Nd-Fe-B，或者Nd2Fe5B)或者釤-鈷(Sm-Co，或者SmCo5)。在示例性實施例中，采用的是Nd-Fe-B?？蛇x擇的是，采用Sm-Co。通常用于限定和比較磁體(包括永久磁體)的能量密度的索引是“最大能量乘積”，經(jīng)常稱為BHMax。BHMax是特定磁場的磁通量強度(B)與相關(guān)磁場強度(H)的乘積。乘積結(jié)果代表與特定磁體相關(guān)的最大、理論上可能的能量強度。Nd-Fe-B永久磁體的BHMax的一般值在80到380千焦耳/立方米(KJ/m3)。 Sm-Co永久磁體的BHMax的一般值在120到260KJ/m3。為了比較，具有低能量密度的磁體包括BHMax在5到13KJ/m3之間的橡膠永久磁體。Nd-Fe-B和Sm-Co永久磁體的較高能量密度有助于更強的防退磁性能和長的有效使用壽命?？蛇x擇的是，可以采用非稀土元素永久磁體。
連接到軸段145之后，每一分段148都暴露在驅(qū)動磁場下，使得每個分段148都實現(xiàn)包括單個預定磁極的預定剩磁。剩磁是剩余或殘余磁通量強度的測量值，也就是在從驅(qū)動磁場取走后分段148的磁化。剩磁通常通過特斯拉(T)測量。例如，Nd-Fe-B和Sm-Co通常分別具有大約1.2T和0.83T的剩磁，其中這些值通常被認定為相對強的剩磁，每個分段148的磁極通過圖4中的小箭頭示出。
在示例性實施例中，分段148以預定順序設(shè)置，其中分段剩磁磁極形成重復的循環(huán)，每個分段磁極對繞軸段145周向累進。分段148的預定定位有助于產(chǎn)生圍繞轉(zhuǎn)子120的預定分布式磁場190。這種效果在現(xiàn)有技術(shù)中稱為Halbach效果，陣列148被稱為Halbach陣列。此處描述的Halbach效果便于采用較小體積的磁體148，同時能實現(xiàn)方便站100的操作的預定磁通量分布。在示例性實施例中，繞氣體間隙124內(nèi)的陳列148的周邊觀察時，磁通量分布基本呈正弦曲線?？蛇x擇的是，繞氣體間隙124內(nèi)的陳列148的周邊觀察時，預定的磁通量分布可以是但不限于梯形、三角形和矩形模式。而且，小體積的磁體148有助于實現(xiàn)具有低機械應力、減少的設(shè)備資源以及減小的重量和底座的更為緊湊的設(shè)計，便于減小最初的建造費用以及隨后站100的操作費用。
Halbach陣列148的另外的優(yōu)點包括使用更高效的磁化方法。而且，磁場190的分布模式有助于減少通常進入到軸145的磁場190的量，因此陣列148有助于使用非磁體和防腐蝕的軸材料。在示例性實施例中，電動機104是四極電動機，其每個極包括8個永久磁體段148?？蛇x擇的是，電動機104可以是但不限于兩極電動機(下文做進一步討論)、六極電動機和/或可以實現(xiàn)與站100相關(guān)的預定操作參數(shù)的任意結(jié)構(gòu)。而且，可選擇的是，每一極可以使用任意數(shù)量的段148。通常，隨著每一極磁體148數(shù)量的增多，有助于實現(xiàn)更為高效的磁耦合。
在無負載條件下，磁場190與多個正交軸(Q-)192和直軸(D-)194基本上對齊。通常，Q軸線192對應轉(zhuǎn)子組件120的區(qū)域，其中磁場190的一部分基本正切于轉(zhuǎn)子組件120的轉(zhuǎn)動方向，并且其中磁場190非常強的指向周向。同樣，通常D軸線194對應于轉(zhuǎn)子組件120的區(qū)域，其中磁場190的一部分與轉(zhuǎn)子組件120的轉(zhuǎn)動方向基本正交，并且其中磁場190非常強的指向徑向。通常，軸的數(shù)量和極的數(shù)量之間還存在對應關(guān)系，一般Q軸線192的數(shù)量和D軸線194的數(shù)量與極的數(shù)量相同。
圖6是可選擇的轉(zhuǎn)子組件220的橫剖面軸向示圖，轉(zhuǎn)子組件可以用于電動機104(圖2所示)中。圖7是可選擇的轉(zhuǎn)子組件220剖面軸向示圖，顯示了用在電動機104中在無載荷條件下它們所呈現(xiàn)的磁場線條。下文參考圖6和圖7描述了可選擇的轉(zhuǎn)子組件220?？蛇x擇轉(zhuǎn)子組件220包括可選擇的永久磁體段240，其包括軸段145、空腔143、間隙146和軸線132，其與示例性實施例中的構(gòu)件相似。定子段150和齒157、槽158和電樞繞組159也與示例性實施例中的構(gòu)件基本相似。永久磁體段240還包括永久磁體248，其中永久磁體陣列248包括每一個極具有8個永久磁體的兩個極，它們產(chǎn)生磁場290。在無負載條件下，磁場290與Q軸線292和D軸線294基本對齊。
參考圖3、4和5做下述說明。在示例性實施例中，磁體罩146(有時被稱為磁體保持環(huán))基本為圓柱形并且由Inconel 725制造?？蛇x擇的是，磁體罩146可以由可實現(xiàn)預定操作參數(shù)的任意材料制造，操作參數(shù)包括但不限于那些有助于實現(xiàn)與磁體148和軸段145的材料和操作兼容性的參數(shù)，例如防腐蝕性和導磁率。例如，在選擇性實施例中，可以使用的材料包括但不限于Incoloy 925、Inconel 718或者不銹鋼合金，它們可能帶有保護層，其中保護層包括但不限于陶瓷合成物、聚合物涂層和金屬鍍層，例如鎳或者高磷-鎳。
同樣，可選擇的是，罩146包括至少一層(圖3、4和5中未示)防腐蝕非磁性材料，其包括但不限于Inconel和/或陶瓷合成物或聚合物涂層。該涂層可通過下述方法形成，包括但不限于現(xiàn)有技術(shù)已知的噴射、涂覆和電鍍技術(shù)，或者通過將具有預定尺寸的材料段固定連接到罩146。該涂層或多層涂層基本上可以在罩146的整個徑向最外層表面上延伸。
永久磁體148基本上與所輸送流體隔絕。在示例性實施例中，多個端部蓋部分149與軸段141、142和145一體制造。端部蓋部分149基本上是螺旋形的，并且分別設(shè)置在軸段141和145、142和145的轉(zhuǎn)子部分軸向界面195和196的附近區(qū)域。端部蓋部分149包括基本為圓柱形的徑向最外側(cè)表面197，并具有與罩146的內(nèi)側(cè)直徑尺寸199基本相等的相關(guān)直徑尺寸198。
罩146設(shè)置在磁體陣列148上，使得在罩146和磁體148的圓周面之間實現(xiàn)預加載低公差配合，并且使得罩146的至少一部分軸向延伸超出陳列148的周向表面的兩個軸向端。通過這種方式，罩146同樣在端部蓋部分149上延伸，使得在罩146和端部蓋部分149之間實現(xiàn)預加載低公差配合。采用了加壓緊配合，其包括但不限于熱冷縮配合和/或液壓冷縮配合。同樣在示例性實施例中，在配合區(qū)域由罩146和端部蓋部分149限定的接縫通過焊接密封?？蛇x擇的是，可以采用包括但不限于通過毛細作用注射防腐蝕密封材料的密封方法。罩146和端部蓋部分149由此有助于減緩電動機104內(nèi)的輸送流體和永久磁體陣列148之間的流體流通。而且，罩146有助于保持磁體148的徑向?qū)R。
圖8是可選擇的轉(zhuǎn)子組件320的放大橫剖示圖，轉(zhuǎn)子組件可用于電動機104(圖2所示)中。在選擇性轉(zhuǎn)子組件320中，多個端部蓋349可以獨立于軸段141、142和145制造。在該選擇性實施例中，電動機104包括可選擇的轉(zhuǎn)子組件320，除了如下文所述的永久磁體段340與示例性磁體段140不同外，其與示例性轉(zhuǎn)子組件120基本相同。圖中顯示了定子芯體150、電樞繞組159、端部繞組154和156、軸承169和170、軸段141、142和145、間隙124、軸線132和轉(zhuǎn)子軸空腔143。
端部蓋349基本上是螺旋形，并且每個端部蓋349包括基本位于中央的由內(nèi)側(cè)環(huán)形壁396形成的軸入口395?；疚挥谥醒氲妮S入口395具有與軸段141、142和/或145的直徑尺寸398基本相等的直徑尺寸397，其有助于將端部蓋349插入到軸段141、142和145上。端部蓋349分別設(shè)置在在軸段141和145、142和145的轉(zhuǎn)子部分軸向界面195和196的附近區(qū)域，并且隨后端部蓋349連接到軸段141、142和/或145，使得實現(xiàn)下文所述的預加載低公差配合。端部蓋部分349包括基本為圓柱形的徑向最外側(cè)表面399，并具有與罩146的內(nèi)側(cè)直徑尺寸401基本相等的相關(guān)直徑尺寸400，其有助于在端部蓋349和罩146之間形成密封。罩146連接到端部蓋349，使得使得實現(xiàn)下文所述的預加載低公差配合。
在可選擇實施例中，磁體罩349由Inconel 725制造?？蛇x擇的是，端部蓋349可以由可實現(xiàn)預定操作參數(shù)的任意材料制造，操作參數(shù)包括但不限于那些有助于實現(xiàn)與磁體148和軸段145的材料和操作兼容性的參數(shù)，例如防腐蝕性和導磁率。例如，在選擇性實施例中，可以使用的材料包括但不限于Incoloy 925、Inconel 718或者不銹鋼合金，它們可能帶有保護層，其中保護層包括但不限于陶瓷合成物、聚合物涂層和金屬鍍層，例如鎳或者高磷-鎳。
同樣，可選擇的是，端部蓋可包括至少一層(圖3、4和5中未示)防腐蝕非磁性材料，其包括但不限于Inconel和/或陶瓷合成物、聚合物涂層和金屬鍍層，例如鎳或者高磷-鎳。涂層可通過下述方法形成，包括但不限于現(xiàn)有技術(shù)已知的噴射、涂覆和電鍍技術(shù)，或者通過將具有預定尺寸的材料段固定連接到端部蓋149。該涂層或多層涂層可以在端部蓋349至少一部分上延伸，這一部分包括但不限于端部蓋349暴露于所輸送流體的表面。
在該選擇性實施例中，磁體148基本密封在罩146和端部蓋349內(nèi)，使得磁體148與罩146和端部蓋349外部的環(huán)境隔離開。罩146設(shè)置在磁體陣列148上，使得實現(xiàn)罩146和磁體148周邊表面之間的預加載低公差配合。并且使得罩146的至少一部分軸向延伸超出陣列148的周邊表面的兩個軸向端。采用加壓緊配合將罩146連接到磁體148的周邊表面，其包括但不限于熱冷縮配合和/或液壓冷縮配合。同樣在該實施例中，在多個配合區(qū)域由罩146和磁體148的軸向最遠端限定的接縫通過焊接密封?？蛇x擇的是，可以采用包括但不限于通過毛細作用注射防腐蝕密封材料的密封方法。
而且，采用包括但不限于熱冷縮配合和/或液壓冷縮配合的方法，將端部蓋349加壓緊配合連接到轉(zhuǎn)子部分軸向界面195和196附近的轉(zhuǎn)子部分141、142和145。同樣在該選擇性實施例中，在配合區(qū)域由轉(zhuǎn)子部分141、142和端部蓋349限定的接縫通過焊接密封。可選擇的是，可以采用包括但不限于通過毛細作用注射防腐蝕密封材料的密封方法。
此外，在該可選擇實施例中，罩146同樣在端部蓋349上延伸，使得在罩146和端部蓋349之間實現(xiàn)預加載低公差配合。采用加壓緊配合，其包括但不限于熱冷縮配合和/或液壓冷縮配合。同樣在示例性實施例中，在配合區(qū)域由罩146和端部蓋349限定的接縫通過焊接密封。可選擇的是，可以采用包括但不限于通過毛細作用注射防腐蝕密封材料的密封方法。罩146和端部蓋349由此有助于減緩電動機104內(nèi)的輸送流體和永久磁體陣列148之間的流體流通。
又一選擇性實施例可包括上述實施例的組合體，例如但不限于制造一個與軸段141和145一體的端部蓋部分149、以及制造一個插入到軸段142之上和插入到軸段145中的獨立的端部蓋349。
又一選擇性實施例包括在軸承169和170表面上形成至少一層(圖3、4和5中未示)防腐蝕非磁性材料，其包括但不限于Inconel和/或陶瓷合成物、聚合物涂層和金屬鍍層，例如鎳或者高磷-鎳。涂層可通過下述方法形成，包括但不限于現(xiàn)有技術(shù)已知的噴射、涂覆和電鍍技術(shù)，或者通過將具有預定尺寸的材料段固定連接到軸承169和170的表面。該涂層或多層涂層基本上可以在所有轉(zhuǎn)動軸承構(gòu)件的表面、固定構(gòu)件表面和軸承罩表面(所有的均未在圖3、4和5中示出)上延伸。
此處描述的壓縮站方便了通過管道輸送天然氣。更詳細說來，壓縮站設(shè)備包括連接到永久磁體型超同步電動機的壓縮裝置。永久磁體型超同步電動機與感應電動機相比優(yōu)勢在于它們具有很少露在轉(zhuǎn)子表面的構(gòu)件，并且由于轉(zhuǎn)子表面損耗低而帶來的高效率。結(jié)果，壓縮站的操作效率提高，并且降低了站的資金和維修成本。
此處描述的輸送管道內(nèi)流體的方法和設(shè)備方便了流體輸送站的操作。更詳細說來，上述描述的電動機有助于實現(xiàn)更為堅固的流體運輸站結(jié)構(gòu)。這樣的電動機結(jié)構(gòu)同樣促進了效率、穩(wěn)定性、以及降低維修成本和流體運輸站的儲運損耗。
與流體運輸站相關(guān)的電動機的示例性實施例在上文中得到詳細描述。方法、設(shè)備和系統(tǒng)不限于此處描述的具體實施例，也不限于特定展示的電動機和流體運輸站。
雖然已經(jīng)根據(jù)特定實施例對本發(fā)明做了描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以意識到本發(fā)明可以通過權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的變形來實施。
部件明細站 100流體輸送設(shè)備 102箱體部分 103電動機 104箱體部分 105箱體106壓縮機抽吸定位裝置 108入口管道 110尾端件112排出定位裝置114
出口管道116端部蓋體組件118轉(zhuǎn)子組件120定子122間隙124電纜管道126轉(zhuǎn)動驅(qū)動軸128多個壓縮級130軸線132供應管道133回流管道134電動機供應閥135電動機返回單向閥136箱體密封137永久磁體段140外側(cè)軸段141內(nèi)側(cè)軸段142轉(zhuǎn)子軸空腔143內(nèi)部流體輸送設(shè)備144中心軸段145罩146耦合磁體148端部蓋部分149定子芯體段150定子端部電樞繞組154端部線圈段156多個定子齒157槽158電樞繞組159周邊表面160徑向內(nèi)側(cè)表面162周向表面164
流體供應管道166外側(cè)磁懸浮軸承169內(nèi)側(cè)磁懸浮軸承170外側(cè)軸承支承元件 171內(nèi)側(cè)軸承支承元件 172敞開通道174流體入口增壓室176外側(cè)端部旋轉(zhuǎn)流體增壓室178內(nèi)側(cè)端部旋轉(zhuǎn)流體增壓室180磁場190正交軸192轉(zhuǎn)子部分軸向界面195軸向界面196圓柱形徑向最外側(cè)表面197直徑尺寸198內(nèi)側(cè)直徑尺寸199可選擇的轉(zhuǎn)子組件220永久磁體段240永久磁體248磁場290Q軸線292D軸線294可選擇的轉(zhuǎn)子組件320永久磁體段340端部蓋349中央軸入口395內(nèi)側(cè)環(huán)形壁396直徑尺寸397直徑尺寸398圓柱形徑向最外側(cè)表面399相關(guān)直徑尺寸400內(nèi)側(cè)直徑尺寸40權(quán)利要求
1.一種包括轉(zhuǎn)子組件的電機，所述轉(zhuǎn)子組件(120)包括配置用于生成分布式磁場的磁體陣列，所述轉(zhuǎn)子組件基本上防腐蝕。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機，其特征在于所述磁體陣列包括多個周向間隔設(shè)置的永久磁體(248)，磁體配置為繞轉(zhuǎn)子周邊生成大體為正弦曲線形式的磁場。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電機，其特征在于所述多個周向間隔設(shè)置的永久磁體(248)包括多個相鄰的永久磁體，其中每個所述相鄰永久磁體具有帶有不同預定磁極的不同預定剩磁。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機，其特征在于所述轉(zhuǎn)子組件(120)進一步包括至少一個轉(zhuǎn)子組件軸，由基本上防腐蝕的材料構(gòu)成，其中所述轉(zhuǎn)子組件軸的大小設(shè)置為在其中容納所述磁體陣列的至少一部分；至少一個磁體陣列罩，由基本上防腐蝕的材料構(gòu)成，其中所述至少一個的陣列罩大小設(shè)置為在其中容納所述磁體陣列的至少一部分；至少一個端部蓋(349)，由基本上防腐蝕的非磁性材料構(gòu)成，其連接到所述磁體罩，所述至少一個的端部蓋從所述轉(zhuǎn)子組件軸延伸。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電機，其特征在于所述至少一個的端部蓋(349)可拆卸的連接到所述轉(zhuǎn)子組件軸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機，其特征在于所述轉(zhuǎn)子組件(120)進一步包括至少一個轉(zhuǎn)子組件軸，其大小設(shè)置為容納所述磁體陣列的至少一部分，其中所述轉(zhuǎn)子組件軸包括至少一個基本上防腐蝕的材料層，其在所述轉(zhuǎn)子組件軸的至少一部分上延伸；至少一個陣列罩，其大小設(shè)置為容納所述磁體陳列的至少一部分，其中所述陣列罩包括至少一個基本上防腐蝕并且是非磁性材料層，其在所述陣列罩的至少一部分上延伸；以及至少一個從所述轉(zhuǎn)子組件軸延伸的端部蓋(349)，其中所述至少一個的端部蓋包括至少一個基本上防腐蝕的材料層，其在所述至少一個的端部蓋的至少一部分上延伸。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電機，其特征在于所述至少一個端部蓋(349)可拆卸的連接到所述軸。
8.一種流體輸送站(100)，包括包括至少一個轉(zhuǎn)動軸的流體輸送設(shè)備(102)；和驅(qū)動電動機，包括連接到所述轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)子組件(120)，所述轉(zhuǎn)子組件包括配置為生成分布式磁場的磁體陣列，其中所述轉(zhuǎn)子組件基本上防腐蝕。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的流體輸送站(100)，其特征在于所述流體輸送設(shè)備(102)包括下述部件中的至少一個流體壓縮機；流體泵；和流體風扇。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的流體輸送站(100)，其特征在于所述轉(zhuǎn)子組件(120)進一步包括至少一個轉(zhuǎn)子組件軸，由基本上防腐蝕的材料構(gòu)成，其中所述轉(zhuǎn)子組件軸的大小設(shè)置為在其中容納所述磁體陣列的至少一部分；至少一個磁體陣列罩，由基本上防腐蝕并且是非磁性材料構(gòu)成，其中所述至少一個的陣列罩大小設(shè)置為在其中容納所述磁體陣列的至少一部分；至少一個端部蓋(349)，由基本上防腐蝕并且是非磁性材料構(gòu)成，其連接到所述磁體罩，所述至少一個的端部蓋從所述軸延伸。
全文摘要
提供一種有助于通過管道輸送流體的電機。該電機包括轉(zhuǎn)子組件(120)，轉(zhuǎn)子組件進一步包括配置為生成分布式磁場的磁體陣列。該轉(zhuǎn)子組件具有防腐蝕特征，其有助于減緩當轉(zhuǎn)子組件暴露于侵蝕性和粗糙的流體時對轉(zhuǎn)子組件的有害效果。
文檔編號H02K21/12GK101051770SQ200710092079
公開日2007年10月10日 申請日期2007年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月7日
發(fā)明者C·A·卡明斯基, C·M·斯蒂芬斯, J·M·福加蒂, J·D·范丹, J·R·亞吉爾斯基, K·R·韋伯 申請人:通用電氣公司