本發(fā)明涉及電機(jī)領(lǐng)域，具體是應(yīng)用于油田鉆井電動(dòng)鉆具領(lǐng)域的井下電動(dòng)鉆具驅(qū)動(dòng)用超長鐵心少線圈永磁同步電動(dòng)機(jī)。

背景技術(shù)：

井下電動(dòng)鉆具是在石油鉆探技術(shù)領(lǐng)域中除轉(zhuǎn)盤鉆井、渦輪鉆具鉆井和螺桿鉆具鉆井等技術(shù)之外的一種補(bǔ)充鉆井技術(shù)方法，也可以應(yīng)用于采礦以及無溝管道鋪設(shè)等工業(yè)部門。其中，鉆具驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)鉆具的關(guān)鍵核心部件，決定著電動(dòng)鉆具是否能夠?qū)崿F(xiàn)以及電動(dòng)鉆具的性能指標(biāo)。

目前電動(dòng)鉆具中可使用的電機(jī)種類包括單相、三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，有刷直流電機(jī)以及永磁同步電動(dòng)機(jī)等。由于隨著永磁材料技術(shù)的發(fā)展，目前存在可以滿足井下工作環(huán)境要求的永磁材料，具有較好的材料溫度性能及磁性能，永磁電機(jī)就成為一個(gè)較好選擇。相比于其他類型電機(jī)，永磁同步電動(dòng)機(jī)具有轉(zhuǎn)矩密度高、可靠性高及壽命長等特點(diǎn)。可以通過專用變頻器采用交流變壓變頻方法或磁場(chǎng)定向控制方法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。也可以工作于無刷直流驅(qū)動(dòng)模式，這時(shí)可以簡單地通過改變輸入動(dòng)力電壓實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，很適合于鉆桿應(yīng)用。

然而電動(dòng)鉆具用永磁同步電動(dòng)機(jī)的實(shí)現(xiàn)存在許多技術(shù)難點(diǎn)。除高溫高壓等環(huán)境因素外，由于鉆具直徑尺寸限制，使得常規(guī)電機(jī)結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)，沒有足夠的徑向空間提供產(chǎn)生大轉(zhuǎn)矩的磁通閉合路徑以及有效導(dǎo)體安裝面積，因此只能通過增加電機(jī)鐵心長度來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的力能指標(biāo)。即使采用分段鐵心設(shè)計(jì)，每段鐵心也必須足夠長以具有足夠的力矩能力。但是電機(jī)鐵心長度過大會(huì)導(dǎo)致很多技術(shù)問題，其中最突出的兩個(gè)技術(shù)難題包括，第一是如何制造具有高槽滿率的、 以及高繞組系數(shù)的定子繞組，第二是如何有效降低由于鐵心過長所導(dǎo)致的定位力矩。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決超長鐵心永磁同步電動(dòng)機(jī)的繞組制造問題及定位力矩問題，本發(fā)明提供了一種井下電動(dòng)鉆具驅(qū)動(dòng)用超長鐵心少線圈永磁同步電動(dòng)機(jī)。

其技術(shù)方案包括：

井下電動(dòng)鉆具驅(qū)動(dòng)用超長鐵心少線圈永磁同步電動(dòng)機(jī)，包括定子和轉(zhuǎn)子,其中，所述定子為具有1段或數(shù)段超長定子鐵心,鐵心長度在1m以上且長徑比大于5，定子具有12個(gè)繞線槽；所述轉(zhuǎn)子具有10個(gè)永久磁極的齒槽配合結(jié)構(gòu)；每段鐵心只有6個(gè)節(jié)距為1的集中線圈隔齒繞制，相對(duì)的兩個(gè)集中線圈通過串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成一相繞組。

上述方案進(jìn)一步包括：

定子鐵心長度1至2m，定子沖片外徑150±10mm，定子沖片內(nèi)徑100±10mm，轉(zhuǎn)子永久磁極均布在轉(zhuǎn)軸表面上加工的磁極安裝定位槽內(nèi)。

定子鐵心長度1至2m，定子沖片外徑150±10mm，定子沖片內(nèi)徑100±10mm，轉(zhuǎn)子永久磁極以分體的非導(dǎo)磁不銹鋼定位塊間隔均布在轉(zhuǎn)軸表面上。

定子鐵心長度1至2m，定子沖片外徑150±10mm，定子沖片內(nèi)徑100±10mm，定子鐵心沖片采用不均勻分布大小齒沖片形狀，大齒齒寬大于8mm，小齒齒寬小于8mm。

定子鐵心分為數(shù)段情形下，段與段間增加扶正軸承。

本發(fā)明的突出特點(diǎn)是：通過采用特定電磁結(jié)構(gòu)及磁路尺寸以及特殊加工工藝，使得電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)超長鐵心下的繞組線圈制造，并且能夠在高溫高壓的井 下環(huán)境中運(yùn)行，并具有高效率、良好的運(yùn)行特性、以及高可靠性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的電磁結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的定子鐵心及繞線結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的定子鐵心及繞線結(jié)構(gòu)立體示意圖；

圖4是一種均布定子沖片結(jié)構(gòu)尺寸示意圖；

圖5是一種非均布定子沖片結(jié)構(gòu)尺寸示意圖；

圖6和圖7是兩種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明組進(jìn)一步說明。

井下電動(dòng)鉆具驅(qū)動(dòng)用超長鐵心少線圈永磁同步電動(dòng)機(jī)包括電磁和機(jī)械結(jié)構(gòu)。

其中的電磁結(jié)構(gòu)為3相電機(jī)定子12個(gè)槽轉(zhuǎn)子和10個(gè)永久磁極的齒槽配合結(jié)構(gòu)，即定子鐵心上開有12槽，轉(zhuǎn)子上有10個(gè)由永久磁鋼構(gòu)成的(5對(duì)n-s)磁極，如附圖1所示。定子上選擇12槽結(jié)構(gòu)的原因是，電機(jī)定子槽數(shù)必須是相數(shù)3的整數(shù)倍，并且應(yīng)避免由極數(shù)所引起的單邊磁拉力影響，應(yīng)該是偶數(shù)，且為了實(shí)現(xiàn)本專利提出的少繞組機(jī)械結(jié)構(gòu)。電機(jī)具有一段或數(shù)段超長鐵心，每段鐵心長度在1m長以上且長徑比(鐵心長度與鐵心外徑之比)在5以上。為了實(shí)現(xiàn)長鐵心定子的繞組繞制，每段鐵心有且只有6個(gè)繞組節(jié)距為1的集中線圈，線圈之間沒有任何交叉，這樣可以方便地進(jìn)行線圈繞制，有效提高槽滿率及電機(jī)功率密度。轉(zhuǎn)子上沿周向有10個(gè)磁極。這樣的極槽配合有利于減小由于鐵心超長所導(dǎo)致的定位力矩，同時(shí)可以獲得較高的電機(jī)繞組系數(shù)。

此永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子電磁部分1是由定子鐵心1-1和繞組1-2組成的。定子鐵心沖片采用厚度小于等于0.5mm的硅鋼片疊成，長度超過1m且長徑比在5以上，在定子鐵心沖片外圓上進(jìn)行焊接構(gòu)成整體鐵心。定子鐵心外徑尺寸a為100mm至200mm，定子鐵心長度l對(duì)應(yīng)于不同的額定功率在1m-5m之間取值。定子鐵心上面開有12個(gè)半開口槽，槽形為平行齒或近似平行齒，槽底形狀可以為平底或圓弧底，槽肩形狀可以為梯形或圓弧形。采用半開口槽的目的是為了降低超長定子鐵心所導(dǎo)致的定位力矩。定子繞組的制造方法是，直接由銅漆包線繞制隔齒繞制繞組節(jié)距為1的集中線圈，即間隔一齒繞制一個(gè)線圈，兩個(gè)線圈之間有一個(gè)齒上沒有繞組，由于定子鐵心上開有12槽，每段鐵心有且只有6個(gè)集中線圈，如附圖2及附圖3所示。與傳統(tǒng)分布式疊繞組型式相比較，這種繞線方式中每一槽內(nèi)只有一個(gè)線圈邊，槽內(nèi)只需要進(jìn)行槽絕緣處理，而不需要相間絕緣，每個(gè)線圈端部隔槽出現(xiàn)，這樣線圈之間沒有任何交叉，可以有效簡化繞線過程，提高槽滿率及電機(jī)功率密度。相對(duì)的兩個(gè)線圈通過串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成一相繞組。

為了有效降低由于鐵心過長所導(dǎo)致的定位力矩問題，定子鐵心沖片既可以采用均勻分布的對(duì)稱等齒寬沖片形狀，如附圖4所示；也可以采用不均勻分布的大小齒定子沖片形狀，如附圖5所示。其齒寬與形狀經(jīng)電磁場(chǎng)計(jì)算，可以使得定位力矩值減小。

轉(zhuǎn)子2由轉(zhuǎn)軸2-1、永磁磁極2-2、和轉(zhuǎn)子護(hù)套等組成。轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)特征是，由整根導(dǎo)磁合金鋼材料構(gòu)成，在轉(zhuǎn)軸表面設(shè)計(jì)磁鋼安裝定位槽，即磁極與磁極之間采用定位臺(tái)階，定位臺(tái)階可以與轉(zhuǎn)軸為一體或分體構(gòu)成，如附圖6和附圖7所示。附圖7所示2-3為分體的磁極之間的非導(dǎo)磁不銹鋼定位塊。10個(gè)永磁磁極沿周向的排列方法是，n-s極性間隔分布，磁場(chǎng)取向?yàn)閺较蚧蚱叫杏诖配搹? 向?qū)ΨQ線方向。每個(gè)磁極沿軸向由多塊磁鋼構(gòu)成，磁鋼與磁鋼之間直接拼接，每極磁鋼總長度與定子鐵心長度l相接近，差值范圍為±10mm。在磁極外表面增加轉(zhuǎn)子護(hù)套。轉(zhuǎn)子護(hù)套為不導(dǎo)磁不銹鋼等材料。

具體實(shí)施方式一：轉(zhuǎn)速范圍低于1000rpm的進(jìn)行超長轉(zhuǎn)子鐵心少繞組的3相永磁同步電動(dòng)機(jī)，采用轉(zhuǎn)子10極定子12槽電磁結(jié)構(gòu)，定子沖片如附圖4所示，定子鐵心長度1至2m，定子沖片外徑150mm，定子沖片內(nèi)徑100mm，齒寬尺寸取值為8mm，軛高尺寸取值為6mm，槽口寬度尺寸取值為5mm。定子繞組由6個(gè)線圈構(gòu)成，每個(gè)線圈繞組節(jié)距為1，隔齒繞制。轉(zhuǎn)子采用如附圖6所示的磁極結(jié)構(gòu)，共10極，在轉(zhuǎn)軸表面加工有每個(gè)磁極的安裝定位槽。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于，轉(zhuǎn)子采用如附圖7所示的磁極結(jié)構(gòu)，共10極，磁極間以分體的非導(dǎo)磁不銹鋼定位塊間隔，其它與實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于，定子鐵心沖片采用附圖5所示的不均勻分布大小齒沖片形狀，大齒齒寬大于8mm，小齒齒寬小于8mm，其它與實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于，定子鐵心分為數(shù)段，每段與實(shí)施方式一相同，轉(zhuǎn)子磁極根據(jù)定子分段長度確定磁鋼分布。段與段間增加扶正軸承以防止定轉(zhuǎn)子間機(jī)械接觸。