專利名稱：電機(jī)、用于該電機(jī)的轉(zhuǎn)子及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求I的前序部分所述的電機(jī)、一種根據(jù)權(quán)利要求10所述的、用于電機(jī)的轉(zhuǎn)子、以及一種根據(jù)權(quán)利要求15所述的制造方法。本發(fā)明特別涉及用于在有限徑向空間中，例如在狹窄井或隧洞中使用的電機(jī)。根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)的應(yīng)用是油氣勘探和抽取(井下)、總體鉆井用途以及具有帶軸向通道的緊湊定子是非常重要的的任意其它用途。
背景技術(shù)：
在井下應(yīng)用中，通常需要通過電機(jī)來輸送各種物質(zhì)，例如巖石切屑、水、油等。有時(shí)還需要具有穿過電機(jī)的電纜。本領(lǐng)域的狀態(tài)是使用轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙來輸送流體，例如油，但是該間隙非常狹窄，因此流量不能很大。而且，固體顆?；蛘承粤黧w不能通過這種 狹窄間隙來輸送。因此，希望有一些穿過電機(jī)的額外通道。已經(jīng)有多種這樣的電機(jī)，其中，軸向通道集成在電機(jī)的鐵芯中，但是在直接涉及能量轉(zhuǎn)換的區(qū)域外部。為了容納該通道，鐵芯只有制成為更厚，因此增加了電機(jī)的直徑。這種電機(jī)的實(shí)例在以下文獻(xiàn)中介紹DE102007006856 (Al)西門子公司；GB986682 (A)阿爾斯通；US2006066159 池田；DE4103154 (Al)烏韋水下有限公司；JP9010155 (A)東京芝浦電氣公司；以及US2007024129 (Al)西門子公司。已經(jīng)公知在定子中提供通道用于冷卻。GB986682示出了用于冷卻定子的孔的典型構(gòu)造。在該設(shè)計(jì)中，定子直徑的相對較大部分用于冷卻。這在期望較大質(zhì)量的定子(用于機(jī)械穩(wěn)定性)時(shí)很合適，但是通常在方法當(dāng)用于具有較小直徑的相對較長電機(jī)時(shí)，將導(dǎo)致氣隙直徑減小，并相應(yīng)降低扭矩密度。在高扭矩電機(jī)中，優(yōu)選是具有較大轉(zhuǎn)子直徑，以便有較長的扭矩臂，力施加在該扭矩臂上。同時(shí)，當(dāng)電機(jī)的外徑受到限制時(shí)，轉(zhuǎn)子直徑不能增加太大，原因是應(yīng)當(dāng)有用于定子疊片和繞組的足夠空間。因此，設(shè)計(jì)人員的任務(wù)是找到最佳氣隙直徑。已建立方法的共有問題是沒有最佳直徑的氣隙，原因是通道將占據(jù)在電機(jī)周邊處的相當(dāng)大空間，并減小可用于能量轉(zhuǎn)換的區(qū)域。這可以在例如US2006066159和DE4103154中看到。在US2006066159中，通道布置在起作用材料的外部，因此沒有獲得最佳氣隙直徑。在DE4103154中，在定子的外部部分中的凹槽用作通道，也沒有獲得最佳的氣隙直徑。與US2006066159和DE4103154 (它們沒有集成在定子齒中的通道)相反，在DE1090750 (BI)中，冷卻通道集成在斜齒中。除了冷卻之外，齒中的通道還用于拉平(leveling)磁阻。值得注意的是，在DE1090750 (BI)中，通道并不延長至護(hù)鐵內(nèi)，原因是幾乎所有的損耗都認(rèn)為在齒區(qū)域中，且通道的目的是除去由損耗產(chǎn)生的熱量。
在DE1090750 (BI)中所述類型的電機(jī)的特征在于軛鐵(護(hù)鐵)太厚，從而不能獲得最佳氣隙直徑。在US6664692和N0324241中，護(hù)鐵厚度由于使用了同心線圈設(shè)計(jì)的特殊構(gòu)造和永磁體技術(shù)而被最小化。該技術(shù)特別有利于軸向通道的集成，原因是只有各第二齒承載線圈，且沒有承載線圈的那些齒具有梯形形狀。因此，提出的新概念利用專利US6664692和N0324241所述的技術(shù)作為基礎(chǔ)和起點(diǎn)。目的本發(fā)明的主要目的是在細(xì)長電機(jī)中容納相對較大的軸向通道，而并不犧牲它的扭矩密度和徑向尺寸。特別是，本發(fā)明的目的是提供一種適合海上使用的、具有較高扭矩的井下電機(jī)。、
還一目的是提供能夠包括集成的保護(hù)器的定子通道。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)在權(quán)利要求I中介紹。電機(jī)的優(yōu)選特征在權(quán)利要求2-9中介紹。根據(jù)本發(fā)明的、用于電機(jī)的轉(zhuǎn)子在權(quán)利要求10中介紹。轉(zhuǎn)子的優(yōu)選特征在權(quán)利要求11-14中介紹。根據(jù)本發(fā)明的、用于電機(jī)的制造方法在權(quán)利要求15中介紹。制造方法的優(yōu)選特征在權(quán)利要求16-21中介紹。具體地說，電機(jī)的新穎特征是有凸出至不承載線圈的齒中的軸向通道，該軸向通道與護(hù)鐵相鄰，其中，通道的、在齒內(nèi)部的面積與通道的、在護(hù)鐵中的面積相當(dāng)或者甚至更大。這種電機(jī)可以設(shè)計(jì)成根據(jù)可用外徑和給定軸向通道的要求而提供最佳的氣隙直徑。除了最佳氣隙直徑，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)還使得在電機(jī)中的磁場最大和有利于更高扭矩。最佳直徑產(chǎn)生比現(xiàn)有技術(shù)電機(jī)顯著更高的扭矩。特定轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)還能夠省略在轉(zhuǎn)子中使用的層疊護(hù)鐵。根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)是永磁體同步電機(jī)(PMSM)，具有形成繞組的同心線圈。這意味著定子軛鐵的厚度大大降低，并以較低體積提供較高扭矩。優(yōu)選地，電機(jī)包括12個(gè)狹槽、6個(gè)線圈、6個(gè)承載線圈的齒以及6個(gè)不承載線圈的齒。通道的數(shù)目可以比6個(gè)更少，并不是沒有承載線圈的全部齒都包含通道。優(yōu)選地，電機(jī)包括6個(gè)或更少的、包含通道的齒。狹槽優(yōu)選地通過非磁性或半磁性的狹槽楔形件來關(guān)閉。電機(jī)優(yōu)選地至少局部填充有用于壓力補(bǔ)償?shù)牧黧w。電機(jī)的外殼優(yōu)選是暴露于冷卻流體中，該冷卻流體在電機(jī)的內(nèi)部循環(huán)。優(yōu)選地，至少一些通道形成流動(dòng)通路，該流動(dòng)通路延伸穿過定子，用于輸送流體，例如井流體。優(yōu)選地，電機(jī)包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子提供有用于提供內(nèi)部流體循環(huán)的裝置。優(yōu)選地，至少一個(gè)通道用于容納馬達(dá)保護(hù)器。
本發(fā)明特別適用于具有相對狹窄開口的井下用途。本發(fā)明能夠設(shè)計(jì)具有高扭矩的電機(jī)，而并不要求會(huì)產(chǎn)生機(jī)械問題的長度。本發(fā)明還包括一種新穎的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有軸和安裝在該軸上的永磁體，其中，磁體分段和根據(jù)特定圖形來磁化，例如沿交替方向磁化。永磁體或永磁體段優(yōu)選地安裝在軸上。永磁體還優(yōu)選地提供有防腐涂層。轉(zhuǎn)子的軸優(yōu)選地是空心的。最后，本發(fā)明包括一種用于電機(jī)的制造方法，其中，由疊片的主預(yù)裝配堆垛和多個(gè)弧形段來裝配定子。各段優(yōu)選地用作護(hù)鐵的一部分。優(yōu)選地，制造方法包括首先將線圈裝配至層疊堆垛的狹槽中，然后安裝所述弧形段。
優(yōu)選地，制造方法還包括在將線圈裝配至主預(yù)裝配堆垛中之前預(yù)先形成該線圈。優(yōu)選地，制造方法還包括使用由徑向堆垛疊片、軸向堆垛疊片、燒結(jié)磁性體或壓實(shí)磁性粉末體制造的弧形段。由下面對示例實(shí)施例的說明將清楚本發(fā)明的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。


下面將參考附圖介紹本發(fā)明，附圖中圖I表示了電機(jī)的剖視圖；圖2A-F表示了通道的變化形式；圖3A-C示意性地表示了不同形狀的三個(gè)線圈；圖4表示了具有寬通道的電機(jī)(a)沒有殼體；(b)有殼體；(C)有空心軸；圖5表示了在電機(jī)內(nèi)部的油循環(huán)；圖6表示了一半轉(zhuǎn)子，它包括安裝有永磁體的軸；圖7表示了定子組件(變化形式I);圖8表示了定子組件(變化形式2);以及圖9表示了集成的馬達(dá)保護(hù)器。
具體實(shí)施例方式參考圖1，圖中示意性地表示了根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)的第一實(shí)施例，其中起作用部分用剖視圖表示，該電機(jī)具有至少三相，并包括承載永磁體12的轉(zhuǎn)子11和承載相繞組的定子
13。永磁體12優(yōu)選地通過用于保持和保護(hù)永磁體12的層14而布置在轉(zhuǎn)子11上。在所述電機(jī)中，定子齒并不需要相同。根據(jù)N0324241的定子齒構(gòu)造將提供優(yōu)點(diǎn)，但并不是必須的。繞組由線圈構(gòu)成，各線圈延伸穿過相應(yīng)對的定子狹槽15，并包圍一個(gè)窄齒16，其中，并不承載任何線圈的相鄰寬齒17包含軸向通道18。在所述電機(jī)中,狹槽15的數(shù)目為12個(gè),窄齒16的數(shù)目為6個(gè),寬齒17的數(shù)目為6個(gè)，通道18的數(shù)目為6個(gè)。在通常情況下，齒的數(shù)目能夠進(jìn)行不同選擇，調(diào)節(jié)成適合速度需要。通道18的數(shù)目可以少于6個(gè)，原因是并不是沒有承載線圈的所有齒17都包含通道18。
容納線圈的狹槽15通過狹槽楔形件19來關(guān)閉，該狹槽楔形件具有與I (unity)相等比整體更高的的相對透過性。通道18可以有多種形狀，如圖2A-F中所示。全部變化形式的公共特征是通道18凸出至齒17中，這樣，通道18在齒17內(nèi)部的面積大于在護(hù)鐵中的面積。如圖2e和2f中所示，齒還可以包括多個(gè)通道。下面參考圖3A-C，其表示了線圈20A-C的不同形式。圖3A表示了具有矩形橫截面的線圈20A，圖3B表示了成形有平行側(cè)邊的線圈20B，圖3C表示了成形有非平行側(cè)邊的線圈 20C。 電機(jī)可以有它自身的殼體，或者集成在某些工具中。圖4A中表示了具有“花朵狀”疊片形狀21且?guī)в虚_口通道18 (用于進(jìn)一步集成)的可選形式。圖4B中表示了具有相同疊片21和附加殼體22的可選形式，該附加殼體22優(yōu)選地遵循定子疊片21的形狀。圖4A和4B表示了使用實(shí)心軸23A。圖4C表示了包括空心軸23B的另一實(shí)例，其中沒有使用附加殼體22。下面參考圖5，該圖5表示了流體24在電機(jī)內(nèi)部25的循環(huán)，即也在定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙26中。在一些用途中需要使得電機(jī)填充流體24 (通常為某種油)。因此，電機(jī)可以通過使得它的外表面與外部環(huán)境接觸以及通過油的內(nèi)部循環(huán)而冷卻。與外部環(huán)境的接觸通過凸出至通道18 (流體24流過該通道18)上的管27來提供。一個(gè)或更多個(gè)通道18可以用于所述循環(huán)，如圖5中所示。為了布置這種循環(huán)，螺紋28可以布置在軸23A上或磁體12上，該螺紋28迫使流體24流入在定子13和轉(zhuǎn)子11之間的間隙26中。優(yōu)選地，還在軸23A和電機(jī)的外殼之間附加地布置有密封件29，以便防止流體24逸出。在圖5所示的電機(jī)轉(zhuǎn)子中，由永磁體產(chǎn)生的磁極的數(shù)目為10，盡管在通常實(shí)例中，磁極的數(shù)目可以與10不同。下面參考圖6，該圖表示了包括實(shí)心軸23A的轉(zhuǎn)子的一半，該實(shí)心軸帶有安裝的永磁體12。磁體12根據(jù)特定圖形而分段和磁化，例如沿交替方向磁化(由圖6中的箭頭所示)，以便降低渦電流損失。在圖6的實(shí)例中，各磁極由四個(gè)磁體元件組成。為了加強(qiáng)磁場,一些磁體12沿徑向方向磁化,一些磁體12以特定角度磁化。磁體12可以直接安裝在軸23A上或者安裝護(hù)鐵上。將磁體12直接安裝在軸23A上很有利，原因是更粗的軸意味著轉(zhuǎn)子的更低徑向偏轉(zhuǎn)，這又能夠制造更長的電機(jī)。磁體12可以提供有防腐涂層。當(dāng)電機(jī)非常長時(shí)，可能很難以普通方式將線圈20A-C插入定子狹槽15中。對于這種情況，電機(jī)的制造能夠進(jìn)行如下改變。如圖7中所示，定子13包括疊片21的主預(yù)裝配堆垛和多個(gè)弧形護(hù)鐵段30。線圈20B首先裝配至層疊堆垛21的狹槽15中，然后再安裝弧形段30。線圈20B可以在裝配至層疊堆垛21上之前預(yù)先形成。弧形段30可以由軸向堆垛疊片、燒結(jié)磁性體或壓實(shí)磁性粉末體來制造。由徑向堆垛的疊片21制造的段31可以代替弧形段30，如圖8中所示。在附圖中表示了由徑向堆垛的疊片21制造的平直段31，但是段31也可以由軸向堆垛疊片、燒結(jié)磁性體或壓實(shí)磁性粉末體來制造(圖中未示出)。這種代替形式簡化了制造和裝配。
如上所述，線圈20C首先裝配至層疊堆垛21的狹槽15中。然后安裝平直段31。線圈20C可以在裝配至層疊堆垛21上之前預(yù)先形成。下面將介紹對于較長電機(jī)用于簡化線圈20A-C向?qū)盈B堆垛21中的插入的可選方式。
對于具有小內(nèi)徑的長電機(jī)，為了能夠?qū)⒕€圈20A-C插入狹槽15中，定子疊片堆垛21能夠由兩個(gè)或更多周向部分來制造，其中，各部分包括一個(gè)或更多個(gè)線圈20A-C。線圈20A-C首先裝配至層疊堆垛21的狹槽15中。然后，定子部分結(jié)合在一起，從而產(chǎn)生圓形定子13。下面參考圖9，該圖表示了集成的馬達(dá)保護(hù)器32。盡管一些通道18可以用于輸送某些物質(zhì)33穿過電機(jī)(類似于圖9中的通道18)，但是其它通道(類似于通道18’)可以用于容納馬達(dá)保護(hù)器32。用于補(bǔ)償壓力的馬達(dá)保護(hù)器32以通道管33、活塞34、彈簧35和孔36的形式構(gòu)造。在電機(jī)內(nèi)部25中的流體24可以通過開口端37而進(jìn)出該通道18’。外部流體可以通過孔36而進(jìn)出該通道18’。通道18’的另一端38封閉。物質(zhì)33在圖中表示為流過通道18。電機(jī)能夠以發(fā)電機(jī)模式以及以馬達(dá)模式來使用。電機(jī)可以有集成的速度和位置傳感器。電機(jī)可以有用于輸送外部物質(zhì)的空心軸。變化形式定子在實(shí)例中表示為具有圓形封閉通道，但是顯然，該通道可以在需要時(shí)具有不同形狀。轉(zhuǎn)子表示為有螺紋，以便使得冷卻流體在電機(jī)內(nèi)部循環(huán)，但是顯然，翅片、葉輪或其它合適裝置可以用于相同目的。轉(zhuǎn)子表示為具有一層保持和保護(hù)層，用于保護(hù)永磁體，但是顯然，該層能夠由金屬層制造。
權(quán)利要求
1.一種電機(jī)，特別地馬達(dá)或發(fā)電機(jī)，其具有至少三相，并包括提供有永磁體(12)的轉(zhuǎn)子(11)和具有狹槽(15)的定子(13)，所述狹槽(15)用于線圈(20A-C)，以便提供相繞組，所述狹槽(15)通過齒(16、17)而分離，其中，一些齒(16)承載線圈(20A-C)，其特征在于電機(jī)包括不承載線圈的齒(17)，該齒(17)提供有軸向通道(18、18’)，該軸向通道凸出至不承載線圈的齒(17)中并與護(hù)鐵相鄰，以使得通道(18、18’ )的在不承載線圈的齒(17)內(nèi)部的面積與通道(18、18’ )的在護(hù)鐵中的面積相當(dāng)或者與之相比甚至更大。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電機(jī)，其中狹槽(15)的數(shù)目是12，線圈(20A-C)的數(shù)目是6，承載線圈的齒(15)的數(shù)目是6，且不承載線圈的齒(16)的數(shù)目是6。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電機(jī)，其中提供有通道(18、18’)的齒(17)的數(shù)目為6或更少。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一個(gè)所述的電機(jī)，其中狹槽(15)通過非磁性或半磁性狹槽楔入件(19)而關(guān)閉。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意一個(gè)所述的電機(jī)，其中電機(jī)的內(nèi)部(25)至少局部填充有用于壓力補(bǔ)償?shù)牧黧w(24)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任意一個(gè)所述的電機(jī),其中電機(jī)的外殼暴露于冷卻流體(24)中，該冷卻流體在電機(jī)的內(nèi)部(25 )循環(huán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意一個(gè)所述的電機(jī)，其中轉(zhuǎn)子(11)提供有用于提供流體(24)的內(nèi)部循環(huán)的裝置(28)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任意一個(gè)所述的電機(jī)，其中至少一些通道(18)形成流動(dòng)通路，該流動(dòng)通路延伸穿過定子(13)，用于輸送一種或更多種物質(zhì)(33)或材料，例如井流體。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電機(jī)，其中至少一個(gè)通道(18’)用于容納馬達(dá)保護(hù)器(31)。
10.一種用于根據(jù)權(quán)利要求I所述的電機(jī)的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有軸(23A)和安裝在該軸(23A)上的永磁體(12)，其中，磁體(12)分段。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的轉(zhuǎn)子，其中磁體段(12)直接安裝在軸(23A)上。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的轉(zhuǎn)子，其中磁體段(12)沿交替方向磁化。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的轉(zhuǎn)子，其中磁體(12)提供有防腐涂層。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的轉(zhuǎn)子，其中軸(23B)為空心的。
15.一種用于根據(jù)權(quán)利要求I所述的電機(jī)的制造方法，其中，由疊片(21)的主預(yù)裝配堆垛和多個(gè)段(30、31)來裝配定子(13)芯，其中各段(30、31)用作護(hù)鐵的一部分。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的制造方法，其中定子段(30、31)為弧形段(30)或平直段(31)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15-16所述的制造方法，其中首先將線圈(20A-C)裝配至層疊堆垛的狹槽(15)中，然后安裝所述段(30、31)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的制造方法，其中所述段(30、31)由徑向堆垛疊片、軸向堆垛疊片、燒結(jié)磁性體或壓實(shí)磁性粉末體來制造。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的制造方法，其中定子(13)芯由兩個(gè)或更多周向定子部分來制成。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的制造方法，其中首先將線圈(20A-C)裝配至層疊堆垛的狹槽(15)中，然后將定子部分結(jié)合在一起。
21.根據(jù)權(quán)利要求16或20所述的制造方法，其中線圈(20A-C)在裝配至主預(yù)裝配堆垛中之前預(yù)先形成。
全文摘要
本發(fā)明的目的是將大的軸向通道容納于細(xì)長電機(jī)中，而并不犧牲它的扭矩密度和徑向尺寸。它能夠有提供有永磁體(12)的轉(zhuǎn)子(11)和具有狹槽(15)的定子(13)，該狹槽用于線圈(20A-c)，該狹槽(15)通過齒(16、17)而分開，該電機(jī)包括不承載線圈(20A-c)的齒(17)，該齒(17)提供有軸向通道(18、18')，該軸向通道凸出至齒(17)中并與護(hù)鐵相鄰，以使得通道(18、18')的、在齒(17)內(nèi)部的面積與通道(18、18')的、在護(hù)鐵中的面積相當(dāng)或者甚至更大。通道用于穿過電機(jī)輸送流體和其它物質(zhì)，還用于集成馬達(dá)保護(hù)器，該馬達(dá)保護(hù)器可能在井下用途中需要。還提供了新穎的制造技術(shù)以及新概念。
文檔編號H02K3/24GK102742129SQ201080062861
公開日2012年10月17日 申請日期2010年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月16日
發(fā)明者A·羅克, A·馬特維夫, E·M·胡蘇姆, S·O·施托內(nèi)斯, S·厄夫雷伯, T·S·普里德 申請人:智能電機(jī)股份公司