申请/专利权人：中石化石油工程技术服务有限公司;中石化胜利石油工程有限公司;中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院

申请日：2016-02-29

公开（公告）日：2024-06-14

公开（公告）号：CN107134867B

主分类号：H02K1/16

分类号：H02K1/16;H02K1/276;H02K1/26;H02K3/28

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.14#授权;2017.11.28#实质审查的生效;2017.09.05#公开

摘要：本发明涉及一种井下电动钻具驱动用超长铁心少线圈永磁同步电动机，属于电机领域。该永磁同步电动机具有1段或数段超长定子铁心；采用定子12个槽、转子10个永久磁极的齿槽配合结构，绕组构成型式为隔齿绕制绕组节距为1的集中线圈，每段铁心只有6个集中线圈，相对的两个线圈通过串联或并联构成一相绕组。这种绕线方式可以有效简化绕线过程，提高槽满率及电机功率密度。同时可以通过定子冲片形状设计，有效减小定位力矩。通过采用上述特定电磁结构及磁路尺寸，使得电机能够实现超长铁心下的绕组线圈制造，并且能够在高温高压的井下环境中运行，并具有高效率、良好的运行特性、以及高可靠性。

主权项：1.井下电动钻具驱动用超长铁心少线圈永磁同步电动机，包括定子和转子,其特征在于，所述定子为数段超长定子铁心,铁心长度在1m以上且长径比大于5，定子具有12个绕线槽；所述转子具有10个永久磁极的齿槽配合结构；每段铁心只有6个节距为1的集中线圈隔齿绕制，相对的两个集中线圈通过串联或并联构成一相绕组；定子铁心长度1至2m，定子冲片外径150±10mm，定子冲片内径100±10mm，定子铁心冲片采用不均匀分布大小齿冲片形状，大齿齿宽大于8mm，小齿齿宽小于8mm；定子铁心分为数段，段与段间增加扶正轴承；所述定子铁心上面开有12个半开口槽，槽形为平行齿或近似平行齿，槽底形状可以为平底或圆弧底，槽肩形状可以为梯形或圆弧形；定子绕组的制造方法是，直接由铜漆包线绕制隔齿绕制绕组节距为1的集中线圈，即间隔一齿绕制一个线圈，两个线圈之间有一个齿上没有绕组。

全文数据：井下电动钻具驱动用超长铁心少线圈永磁同步电动机技术领域[0001]本发明涉及电机领域，具体是应用于油田钻井电动钻具领域的井下电动钻具驱动用超长铁心少线圈永磁同步电动机。背景技术[0002]井下电动钻具是在石油钻探技术领域中除转盘钻井、涡轮钻具钻井和螺杆钻具钻井等技术之外的一种补充钻井技术方法，也可以应用于采矿以及无沟管道铺设等工业部门。其中，钻具驱动电动机是电动钻具的关键核心部件，决定着电动钻具是否能够实现以及电动钻具的性能指标。[0003]目前电动钻具中可使用的电机种类包括单相、三相感应电动机，有刷直流电机以及永磁同步电动机等。由于随着永磁材料技术的发展，目前存在可以满足井下工作环境要求的永磁材料，具有较好的材料温度性能及磁性能，永磁电机就成为一个较好选择。相比于其他类型电机，永磁同步电动机具有转矩密度高、可靠性高及寿命长等特点。可以通过专用变频器采用交流变压变频方法或磁场定向控制方法进行驱动。也可以工作于无刷直流驱动模式，这时可以简单地通过改变输入动力电压实现无级调速，很适合于钻杆应用。[0004]然而电动钻具用永磁同步电动机的实现存在许多技术难点。除高温高压等环境因素外，由于钻具直径尺寸限制，使得常规电机结构无法实现，没有足够的径向空间提供产生大转矩的磁通闭合路径以及有效导体安装面积，因此只能通过增加电机铁心长度来实现电机的力能指标。即使采用分段铁心设计，每段铁心也必须足够长以具有足够的力矩能力。但是电机铁心长度过大会导致很多技术问题，其中最突出的两个技术难题包括，第一是如何制造具有高槽满率的、以及高绕组系数的定子绕组，第二是如何有效降低由于铁心过长所导致的定位力矩。发明内容[0005]为了解决超长铁心永磁同步电动机的绕组制造问题及定位力矩问题，本发明提供了一种井下电动钻具驱动用超长铁心少线圈永磁同步电动机。[0006]其技术方案包括：[0007]井下电动钻具驱动用超长铁心少线圈永磁同步电动机，包括定子和转子，其中，所述定子为具有1段或数段超长定子铁心，铁心长度在lm以上且长径比大于5,定子具有12个绕线槽;所述转子具有1〇个永久磁极的齿槽配合结构;每段铁心只有6个节距为1的集中线圈隔齿绕制，相对的两个集中线圈通过串联或并联构成一相绕组。[0008]上述方案进一步包括：[0009]定子铁心长度1至2m，定子冲片外径150±l〇mm，定子冲片内径100±10mm，转子永久磁极均布在转轴表面上加工的磁极安装定位槽内。_〇]定子铁心长度1至2m，定子冲片外径l5〇±1〇mm，定子冲片内径1〇〇±1〇臟，转子永久磁极以分体的非导磁不锈钢定位块间隔均布在转轴表面上。[0011]定子铁心长度1至2m，定子冲片外径150±10mm，定子冲片内径100±10mm，定子铁心冲片采用不均匀分布大小齿冲片形状，大齿齿宽大于8mm，小齿齿宽小于8mm。[0012]定子铁心分为数段情形下，段与段间增加扶正轴承。[0013]本发明的突出特点是:通过采用特定电磁结构及磁路尺寸以及特殊加工工艺，使得电机能够实现超长铁心下的绕组线圈制造，并且能够在高温高压的井下环境中运行，并具有高效率、良好的运行特性、以及高可靠性。附图说明[0014]图1是本发明的电磁结构示意图；[0015]图2是本发明的定子铁心及绕线结构示意图；[0016]图3是本发明的定子铁心及绕线结构立体示意图；[0017]图4是一种均布定子冲片结构尺寸示意图；[0018]图5是一种非均布定子冲片结构尺寸示意图；[0019]图6和图7是两种不同转子结构示意图。具体实施方式[0020]下面结合附图对本发明组进一步说明。[0021]井下电动钻具驱动用超长铁心少线圈永磁同步电动机包括电磁和机械结构。[0022]其中的电磁结构为3相电机定子12个槽转子和10个永久磁极的齿槽配合结构，即定子铁心上开有12槽，转子上有10个由永久磁钢构成的（5对N-S磁极，如附图1所示。定子上选择12槽结构的原因是，电机定子槽数必须是相数3的整数倍，并且应避免由极数所引起的单边磁拉力影响，应该是偶数，且为了实现本专利提出的少绕组机械结构。电机具有一段或数段超长铁心，每段铁心长度在lm长以上且长径比铁心长度与铁心外径之比）在5以上。为了实现长铁心定子的绕组绕制，每段铁心有且只有6个绕组节距为1的集中线圈，线圈之间没有任何交叉，这样可以方便地进行线圈绕制，有效提高槽满率及电机功率密度。转子上沿周向有10个磁极。这样的极槽配合有利于减小由于铁心超长所导致的定位力矩，同时可以获得较高的电机绕组系数。[0023]此永磁同步电动机的定子电磁部分1是由定子铁心1-1和绕组1-2组成的。定子铁心冲片采用厚度小于等于0.5圓的娃钢片叠成，长度超过lm且长径比在5以上，在定子铁心冲片外圆上进行焊接构成整体铁心。定子铁心外径尺寸A为100mm至200mm，定子铁心长度L对应于不同的额定功率在lm-5m之间取值。定子铁心上面开有12个半开口槽，槽形为平行齿或近似平行齿，槽底形状可以为平底或圆弧底，槽肩形状可以为梯形或圆弧形。采用半开口槽的目的是为了降低超长定子铁心所导致的定位力矩。定子绕组的制造方法是，直接由铜漆包线绕制隔齿绕制绕组节距为1的集中线圈，即间隔一齿绕制一个线圈，两个线圈之间有一个齿上没有绕组，由于定子铁心上开有I2槽，每段铁心有且只有6个集中线圈，如附图2及附图3所不。与传统分布式叠绕组型式相比较，这种绕线方式中每一槽内只有一个线圈边，槽内只需要进行槽绝缘处理，而不需要相间绝缘，每个线圈端部隔槽出现，这样线圈之间没有任何交叉，可以有效简化绕线过程，提高槽满率及电机功率密度。相对的两个线圈通过串联或并联构成一相绕组。[0024]为了有效降低由于铁心过长所导致的定位力矩问题，定子铁心冲片既可以采用均匀分布的对称等齿宽冲片形状，如附图4所示;也可以采用不均匀分布的大小齿定子冲片形状，如附图5所示。其齿宽与形状经电磁场计算，可以使得定位力矩值减小。[0025]转子2由转轴2-1、永磁磁极2-2、和转子护套等组成。转轴结构特征是，由整根导磁合金钢材料构成，在转轴表面设计磁钢安装定位槽，即磁极与磁极之间采用定位台阶，定位台阶可以与转轴为一体或分体构成，如附图6和附图7所示。附图7所示2-3为分体的磁极之间的非导磁不^钢定位块。10个永磁磁极沿周向的排列方法是，N-S极性间隔分布，磁场取向为径向或平行于磁钢径向对称线方向。每个磁极沿轴向由多块磁钢构成，磁钢与磁钢之间直接拼接，每极磁钢总长度与定子铁心长度L相接近，差值范围为±1〇mm。在磁极外表面增加转子护套。转子护套为不导磁不锈钢等材料。[0026]具1本实施方式一:转速范围低于lOOOrpm的进行超长转子铁心少绕组的3相永磁同步电动机，米用转子10极定子I2彳純磁结构，定子冲片如關4所示，定子铁心、长度丨至加，，齒宽尺寸取值为8咖，辄高尺寸取值为6讓，槽口圈构成，每个线圈绕组节距为1，隔齿绕制。转子采用[則具体实施方式二:本实施方式与实施方式—的不曰采^麵細，共_，麵刚分体_制不购H0[_]緋实施方式三:本实施方式与实施方式酬5所示的獨她布大小齿冲片職，大齿处奸，疋子私、冲片木用施方式一相同。机入Ul^见大于8mm，小齿齿宽小于8mm，其它与实_9]具体实施方式四:本实施方式与实施方式—的不每段与实施方式一相同，转子磁极根据定子分段於降乙L在于，足子铁;1"、为为数段，承以防止定转子间机械接触。x角疋磁钢分布。段与段间增加扶正轴

权利要求：1.井下电动钻具驱动用超长铁心少线圈永磁同步电动机，包括定子和转子，其特征在于，所述定子为具有1段或数段超长定子铁心，铁心长度在lm以上且长径比大于5，定子具有12个绕线槽;所述转子具有10个永久磁极的齿槽配合结构;每段铁心只有6个节距Si的集中线圈隔齿绕制，相对的两个集中线圈通过串联或并联构成一相绕组。2.根据权利要求1所述的井下电动钻具驱动用超长铁心少线圈永磁同步电动机，其特征在于，定子铁心长度1至2m，定子冲片外径150±10mm，定子冲片内径1〇〇±1〇mm，转子永久磁极均布在转轴表面上加工的磁极安装定位槽内。3.根据权利要求1所述的井下电动钻具驱动用超长铁心少线圈永磁同步电动机，其特征在于，定子铁心长度1至2m，定子冲片外径150±10mm，定子冲片内径1〇〇±1〇mm，转子永久磁极以分体的非导磁不锈钢定位块间隔均布在转轴表面上。4.根据权利要求1或2、3所述的井下电动钻具驱动用超长铁心少线圈永磁同步电动机，其特征在于，定子铁心长度1至2m，定子冲片外径150±l〇mm，定子冲片内径1〇〇土i〇mm，定子铁心冲片采用不均勾分布大小齿冲片形状，大齿齿宽大于8mm，小齿齿宽小于Snini。5.根据权利要求4所述的井下电动钻具驱动用超长铁心少线圈永磁同步电动机，其特征在于，定子铁心分为数段，段与段间增加扶正轴承。’、

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