一種大力矩永磁低轉速直驅式抽油機電機的製作方法
2023-06-08 23:59:46 2
專利名稱：一種大力矩永磁低轉速直驅式抽油機電機的製作方法
技術領域：
本發明屬於油井的抽油設備，具體說是一種用於直驅式抽油機中的大力矩永磁低轉速電機。
背景技術：
石油作為國民經濟運行的主要能源已成為國家發展的命脈，而石油開採技術的提高成為我國解決能源危機的主要課題。目前，該行業採用的傳統抽油機都需要利用減速器大速比減速，而大力矩齒輪減速箱的結構非常複雜，整機壽命短，重量大，設備維護成本高，無功損耗大，能量轉換效率低。
為解決上述問題，現有技術已經提出一些解決辦法，如國家知識產
權局2006年12月20日，公開的CN2849221Y號實用新型專利，公開了一種"複式永磁電機抽油機"，它包括電機、機軸、機架、配重塊、泵杆和控制裝置，其特徵在於所說的電機為複式永磁電機，在複式永磁電機轉子的徑向筒面繞有牽引用鋼纜，鋼纜一個繩端a連接抽油泵的泵杆，另一端b接一個配重箱，由電機轉子往復運動帶動泵杆上下提拉動作。但所述抽油機未公開電機的生產技術。
另外國家專利局2007年1月17日公開的CN2858941Y號實用新型專利，公開了一種"永磁碟面電機直接驅動式抽油機"，它包括電機、機座、配重塊、泵杆和控制裝置，其電機為雙聯式對稱結構的永磁碟面電機，電機的定子和轉子均為扁平的盤式結構，轉子、定子相互平行並設有氣隙，盤面垂直安裝於轉子的主軸上；該電機的主軸上設有絞筒，絞筒上設有絞繩，絞繩的一端連接泵杆，另一端連接配重塊，由電機的主軸直接帶動絞筒工作。所述抽油機電機去掉了減速箱等機械結構，從簡化結構出發，縮短了傳動鏈，提高了整機效率。但是，盤面電機的永磁磁鋼沿盤 面圓周分布，主磁場磁通為軸向，磁鋼利用率較低，整機重量大，成本 高，限制了推廣。
發明內容
本發明一方面解決了傳統抽油機由於結構複雜引起的整機工作可靠 性低和設備維護成本高，以及現有技術中磁鋼利用率低，整機重量大的 問題；另一方面，解決了傳統永磁電機繞組端部長，銅耗大，絕緣結構 複雜，成本高的問題，提供了一種整機工作可靠性高和設備維護成本低 的大力矩永磁低轉速直驅式抽油機電機。
按照本發明提供的一種大力矩永磁低轉速直驅式抽油機電機，包括 永磁系統、電樞和氣隙，所述永磁系統包括永磁極和永磁極極軛，所述 電樞包括電樞鐵心和電樞繞組，所述電樞鐵心包括電樞鐵心軛、電樞鐵 心齒和兩個電樞鐵心齒之間的容置槽，所述電樞繞組為多相對稱集中繞 組，每相繞組有k個線圈，每個線圈繞在電樞鐵心的一個或兩個齒上，電 樞鐵心的齒距t與永磁系統的永磁極的極距t之間滿足關係
mkt=(mk±c) t /d，(式l)
其中，d取l或2;當d二l時，2《c《0.15mk 當d二2時，l《c《0. 15mk 式l中m-3n， m為電機的相數，n選取自然數；所述電樞鐵心的齒 數Z^k;所述永磁極的極數2P二 (mk土c) /d，其中2P》16，式l中的k、 c、 P選取自然數，將每一相繞組中的k個線圈分成c組下線，每組平均 k/c個線圈，其中k>6，各組內的相鄰線圈反向串聯，同一相的各組線 圈再串聯，構成多相對稱集中繞組中的一相。
按照本發明提供的一種大力矩永磁低轉速直驅式抽油機電機還具有 如下附屬技術特徵-
所述永磁極形成的主磁場磁通為徑向。
所述電樞繞組的有效長度佔總長度的85%—95% 。所述氣隙的大小S與所述永磁極的磁體厚度h之間的關係為2 S《h
《7S 。
所述永磁極的極弧寬度b為15mm—80mm。
採用內轉式結構，所述電樞與所述殼體相固定連接，共同構成電機 的定子；所述永磁系統連接有轉動輸出軸，共同構成電機的轉子。
採用外轉式結構，包括支架和與所述支架相連接的固定軸，所述電 樞固定在支架上，共同構成電機的定子，所述永磁極極軛即為電機的殼 體，永磁系統為電機的轉子。
所述固定軸為空心結構，其內設置有散熱片。
所述永磁極極軛的外表面有凹槽。
採用的磁鋼為外置式或內置式。
按照本發明提供的一種大力矩永磁低轉速直驅式抽油機電機與現有 技術相比具有如下優點首先，本發明將齒距、極距以及齒數、極數之 間按照上述公式進行設置，不僅大大減少了電機繞組端部的長度，節省 了材料、降低了成本、簡化了絕緣結構，還減小了電機的重量，提高了 電機的效率，使電機在低轉速運行時，更加平穩，能夠達到萬牛米以上 的轉矩，更好的滿足大型低轉速直驅式抽油機的需要；其次，按照本發 明設計的電機，避免了磁鋼利用率低的問題，大大提高了整機的工作效 率，在機殼外徑和工作條件一致的情況下，電機體積較小，重量較輕， 效率較高，輸出轉矩較大。
圖1是本發明中的磁鋼外置式內轉電機的結構示意圖； 圖2是本發明中的磁鋼內置式內轉電機的結構示意圖； 圖3是本發明中的磁鋼外置式內轉電機的半剖示意圖； 圖4是本發明中的磁鋼外置式外轉電機的剖示圖； 圖5是本發明中的磁鋼外置式外轉電機的橫斷面圖； 圖6是本發明的各相分組示意7是本發明的局部結構示意圖。
具體實施例方式
參見圖l、圖3、圖6和圖7，本發明提供的一種大力矩永磁低轉速直驅式抽油機電機的實施例，包括永磁系統l、電樞2和氣隙3，所述永磁系統1包括永磁極11和永磁極極軛12，所述電樞2包括電樞鐵心21和電樞繞組22，所述電樞鐵心21又包括電樞鐵心軛211、電樞鐵心齒212和兩個電樞鐵心齒之間的容置槽213。本發明所謂的大力矩電機是指直徑在400mm以上的電機，而低轉速電機是指轉速在1-100轉/分左右的電機，直驅是指電動機不經過變速機構直接與負載耦合，驅動其工作。本發明主要適用的電機也就是針對上述類型的電機，該種電機的結構和工作狀況與一般電機存在本質不同。
本發明與現有技術的不同之處在於，所述電樞繞組22為多相對稱集中繞組，每相繞組有k個線圈，每個線圈繞在電樞鐵心21的一個齒212或兩個齒212上，電樞鐵心21的齒距t與永磁系統永磁極ll的極距t之間滿
足關係
mkt=(mk±c) t /d (式l)
其中，d取l或2;當cNl時，2《c《0. 15mk當d二2時，l《c《0. 15mk式l中m二3n， m為電機的相數，n選取自然數，在這裡限定的電機的相數是3的倍數，例如電機的相數m為3、 6、 9等，本實施例為m二3。所述電樞鐵心21的齒數Z二mk;所述永磁極ll的極數2P二(mk士c)/d，其中2P》16，式l中的k、 c、 P選取自然數，將其中一相繞組中的k個線圈分成c組下線，每組平均k/c個線圈，其中k>6， k/c最好為整數，也可以為分數，各組內的相鄰線圈反向串聯，同一相的各組線圈再串聯,構成多相對稱集中繞組中的一相，其它兩相繞組的構成相同。上述式1中的d=l是指每個線圈繞在電樞鐵心21的一個齒212上；d二2是指每個線圈繞在電樞鐵心21的兩個齒212上。
所述永磁系統永磁極11的極數在16至200之間，而k的取值則在6至70之間。本發明通過將電樞鐵心21的齒距t、永磁極11的極距T、齒數Z、極數2P以及每相繞組中的線圈個數k按照上述條件進行約束，從而使電機繞組下線簡單、方便，既節省了下線時間，提高了工作效率，又節約了材料，降低了成本，使得電機體積更小，重量更輕，電機在低轉速運行時，更加平穩，傳遞扭矩更大。
在本發明給出的上述實施例中，所述永磁系統永磁極11的極數2P最好為50 — 150之間。具體數值可以選用80、 98、 IOO等等。而k的取值最好為18 — 52之間，具體數值可以選用18、 20、 22、 28、 30、 36、 42、 48、52。該數值範圍的選用能夠更好的滿足本發明的需求，使各項指標達到最優化。
在本發明給出的具體實施例中，d=l，即每個線圈繞在電樞鐵心21的一個齒212上。電樞鐵心21的齒數Z二105，永磁系統永磁極ll的極數2P=98， m二3，即k二35， c二7，各相分成7組下線，每組為5個線圈，具體分組方式如圖6所示，其中A相為第11到第15個線圈為第一組，第26到第30個線圈為第二組，第41到第45個線圈為第三組，第56到第60個線圈為第四組，第71到第75個線圈為第五組，第86到第90個線圈為第六組，第101到第105個線圈為第七組；B相為第1到第5個線圈為第一組，第16到第20個線圈為第二組，第31到第35個線圈為第三組，第46到第50個線圈為第四組，第61到第65個線圈為第五組，第76到第80個線圈為第六組，第91到第95個線圈為第七組；其餘為C相，每相中組內的相鄰線圈反向串聯，各組之間線圈再串聯，具體連接方式如圖l所示，圖1中A為A相的進線頭，X為A相的出線頭。該電機峰值堵轉力矩為70000牛米，短時工作力矩為40000牛米，連續工作力矩為13000牛米，額定轉速為8r/min，電機總重量為3000kg，最大直徑為1210mm。在本發明的另一種線圈布置方式中，d二2，即每個線圈繞在電樞鐵心
21的兩個齒212上。電樞鐵心21的齒數Z二105，永磁系統永磁極ll的極數2P=52， m=3， SPk=35， c二l，各相分成l組下線，每組為35個線圈，具體分組如下B相為第2、 4、 6、 8、 10、 12、 14、 16、 18、 20、 22、 24、26、 28、 30、 32、 34、 36、 38、 40、 42、 44、 46、 48、 50、 52、 54、 56、58、 60、 62、 64、 66、 68、 70個線圈;A相為:第37、 39、 41、 43、 45、47、 49、 51、 53、 55、 57、 59、 61、 63、 65、 67、 69、 71、 73、 75、 77、79、 81、 83、 85、 87、 89、 91、 93、 95、 97、 99、 101、 103、 105個線圈;其餘為C相。每相中的線圈反向串聯，該電機峰值堵轉力矩為70000牛米，短時工作力矩為40000牛米，連續工作力矩為13000牛米，額定轉速為8r/min，電機總重量為3000kg，最大直徑為1210腿。
本發明可以根據上述實施例的繞線方式，不限於這兩種方式，還可以按照式l的約束條件選擇數值進行設置。
所述永磁極ll形成的主磁場磁通為徑向。本發明的大力矩電機主磁場磁通是沿徑向分布的，在機殼半徑和工作環境一致的情況下，相對主磁場磁通軸向來說，有效半徑較大，明顯提高了磁鋼和電磁線的利用率，節省了材料、降低了成本、減小了電機體積、減輕了重量。
本發明所謂的集中繞組是指每個線圈套裝在一個或兩個齒上，而每相由多組相鄰線圈構成。這種繞線方式可以減少線圈端部繞組的長度，即減少位於線圈兩端彎折部所形成的無效線圈的長度。在常規電機中，由於採用的都是跨多齒纏繞法，使得電樞繞組的有效長度只佔到總長度的30%—60%左右。而採用本發明的纏繞法，可以使所述電樞繞組的有效長度佔總長度的85%_95%。具體可以為85%、 88%、 90%等，這樣，可以大大的減少無效線圈的用料量，節省材料，降低生產成本。
參見圖7，在本發明給出的上述實施例中，所述氣隙3的大小5與所述永磁極ll的磁體厚度h之間的關係為2 S《h《7 S ，這樣可以傳遞更大扭矩，提高材料利用率。
9參見圖7，在本發明給出的上述實施例中，所述永磁極ll的極弧寬度
b為15mm—80mm。具體數值可以選用18mm、 22,、 46mm等。將永磁極31的寬度限定在該範圍內，可以提高電機的工作效率，使電機在工作中更加平穩。
參見圖1和圖3，在本發明給出的上述實施例中，採用內轉式結構，所述電樞2與殼體4相固定連接，共同構成電機的定子；所述永磁系統l連接有轉動輸出軸6，並一起構成電機的轉子。
參見圖4和圖5，在本發明給出的第二種實施例中，採用外轉式結構，包括支架5和與所述支架5相連接的固定軸51，所述電樞2直接通過支架5連接在固定軸51上，並與支架5和固定軸51共同構成電機的定子；所述永磁系統l為電機的轉子，所述永磁極極軛12即為電機的殼體。
參見圖4和圖5，在本發明給出的上述實施例中，所述固定軸51為空心結構，其內設置有散熱片52。將固定軸51設置成空心結構，可以起到通風的作用，有效降低電機的熱量，對電機起到保護作用。散熱片52可以增大電機散熱面積，起到散熱的作用。
參見圖4和圖5，在本發明給出的上述實施例中，所述永磁極極軛12的外表面有凹槽121。由於永磁系統l為轉子，因此，所述凹槽121不僅可以增大永磁極極軛12的外表面摩擦力，以防止皮帶打滑引起發熱而造成能量損失和加速皮帶老化的現象發生，從而起到散熱的作用，還可以傳遞較大扭矩而提高工作效率。本實施例的其它結構與上述實施例相同。
參見圖l，在本發明給出的實施例中，所述磁鋼採用外置式，永磁極11貼於永磁極極軛12的表面，主磁場磁通徑向。
參見圖2，本發明的技術方案也適用於磁鋼內置式，永磁極ll軸向嵌入永磁體桶中，主磁場磁通徑向。
權利要求
1、一種大力矩永磁低轉速直驅式抽油機電機，包括永磁系統(1)、電樞(2)和氣隙(3)，所述永磁系統(1)包括永磁極(11)和永磁極極軛(12)，所述電樞(2)包括電樞鐵心(21)和電樞繞組(22)，所述電樞鐵心(21)包括電樞鐵心軛(211)、電樞鐵心齒(212)和兩個電樞鐵心齒之間的容置槽(213)，其特徵在於所述電樞繞組(22)為多相對稱集中繞組，每相繞組有k個線圈，每個線圈繞在電樞鐵心(21)的一個或兩個齒上，電樞鐵心(21)的齒距t與永磁系統的永磁極(11)的極距τ之間滿足關係mkt＝(mk±c)τ/d，(式1)其中，d取1或2；當d＝1時，2≤c≤0.15mk當d＝2時，1≤c≤0.15mk式1中m＝3n，m為電機的相數，n選取自然數；所述電樞鐵心(21)的齒數Z＝mk；所述永磁極(11)的極數2P＝(mk±c)/d，其中2P≥16，式1中的k、c、P選取自然數，將每一相繞組中的k個線圈分成c組下線，每組平均k/c個線圈，其中k≥6，各組內的相鄰線圈反向串聯，同一相的各組線圈再串聯，構成多相對稱集中繞組中的一相。
2、 如權利要求l所述的一種大力矩永磁低轉速直驅式抽油機電機， 其特徵在於所述永磁極(11)形成的主磁場磁通為徑向。
3、 如權利要求l所述的一種大力矩永磁低轉速直驅式抽油機電機， 其特徵在於所述電樞繞組(22)的有效長度佔總長度的85%—95%。
4、 如權利要求l所述的一種大力矩永磁低轉速直驅式抽油機電機， 其特徵在於所述氣隙(3)的大小S與所述永磁極(11)的磁體厚度h 之間的關係為2S《h《7S。
5、 如權利要求l所述的一種大力矩永磁低轉速直驅式抽油機電機，其特徵在於所述永磁極(11)的極弧寬度b為15ram—80mm。
6、 如權利要求l所述的一種大力矩永磁低轉速直驅式抽油機電機， 其特徵在於採用內轉式結構，所述電樞(2)與所述殼體(4)相固定 連接，共同構成電機的定子；所述永磁系統(1)連接有轉動輸出軸(6)， 共同構成電機的轉子。
7、 如權利要求l所述的一種大力矩永磁低轉速直驅式抽油機電機， 其特徵在於採用外轉式結構，包括支架(5)和與所述支架(5)相連 接的固定軸(51)，所述電樞(2)固定在支架(5)上，共同構成電機的 定子，所述永磁極極軛(12)即為電機的殼體，永磁系統(1)為電機的 轉子。
8、 如權利要求7所述的一種大力矩永磁低轉速直驅式抽油機電機， 其特徵在於所述固定軸(51)為空心結構，其內設置有散熱片(52)。
9、 如權利要求7所述的一種大力矩永磁低轉速直驅式抽油機電機， 其特徵在於所述永磁極極軛(12)的外表面有凹槽(121)。
10、 如權利要求l所述的一種大力矩永磁低轉速直驅式抽油機電機， 其特徵在於採用的磁鋼為外置式或內置式。
全文摘要
一種大力矩永磁低轉速直驅式抽油機電機，由永磁系統、電樞和氣隙組成，永磁極形成的主磁場磁通為徑向；電樞繞組為多相對稱集中繞組，電樞鐵心的齒距t與永磁極的極距τ之間滿足關係式mkt＝(mk±c)τ/d，其中d取1或2，當d＝1時，2≤c≤0.15mk；當d＝2時，1≤c≤0.15mk，m＝3n，m為電機的相數，電樞鐵心的齒數Z＝mk，永磁極的極數2P＝(mk±c)/d，其中2P≥16，n、k、c、P選取自然數，各相中的k個線圈分成c組下線，每組平均k/c個線圈，本發明提供的電機材料利用率較高，繞組端部較短，體積較小，重量較輕，效率較高，在低轉速運行時，較平穩，傳遞的轉矩可達萬牛米以上，可更好的滿足大型低轉速直驅式抽油機的需要。
文檔編號H02K1/06GK101673976SQ20091017996
公開日2010年3月17日 申請日期2009年10月14日 優先權日2009年10月14日
發明者溫學敏 申請人:包頭市永磁電機研究所