石油钻井用混合励磁式叶轮发电机制造技术

本发明专利技术提供了一种石油钻井用混合励磁式叶轮发电机，由叶轮组件和发电机组件两部分组成。叶轮组件由叶轮和叶轮轴组成；叶轮轴与发电机转轴组件通过齿轮减速器连接在一起；发电机组件包括：发电机上轴承组件，发电机转轴组件，发电机房，上发电机定子组件，下发电机定子组件，发电机下轴承组件；发电机转轴组件包括有上下两组永磁体和凸极组，在轴向上分别与设于发电机转轴组件外侧的上发电机定子组件和下发电机定子组件相对应。该叶轮发电机在保证旋转密封工作的可靠性的同时，使得发电机转速可以维持较高，发电机能够运行在较大功率输出状态。发电机的开路输出电压幅值稳定。发电机的长度可以较短，对石油钻井仪器结构设计会带来很大好处。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石油开采
，特别是一种石油钻井用混合励磁式叶轮发电机。
技术介绍
在石油钻井过程中，一般都需要给井下电子测量总成及旋转自动导向器中的导向控制模块供电。一种方式是利用耐高温锂电池供电，其缺点是明显的①使用寿命有限(一般不超过300小时)，仅为更换电池而起钻，浪费时间和财力；②最大传输电流受限制，一定程度上限制了其所能提供的功率；③电池用完后，会造成环境污染；④操作不当时，可能产生爆炸等危险后果。另外一种优选的方式是利用叶轮发电机供电，通过泥浆冲刷叶轮带动发电机转轴旋转发电来实现机械能到电能的转换，理论使用时间无限，国外产品连续实际使用时间也可到500小时以上，维修时只需要更换价格较低的少数易损件(如轴承等)，可重复使用，且操作安全，环保。现有的石油钻井仪器用叶轮发电机，基本上都是由叶轮组件和发电机组件两部分组成。其中叶轮组件包括叶轮和叶轮轴，发电机组件由发电机定子组件和发电机转轴组件组成，发电机定子组件是在具有齿槽结构的硅钢片叠压形成的定子壳体内绕设定子绕组构成，定子绕组一般是3相对称绕组；发电机转轴组件是在导磁转轴上镶嵌永磁体构成，发电机定子组件和发电机转轴组件由发电机上、下轴承组件支撑连接在一起，放在发电机房里。 发电机转轴组件通过联轴器与叶轮组件的叶轮轴直接相连接，叶轮与叶轮轴之间有一个旋转密封，或者发电机转轴组件通过磁耦合的方式与叶轮耦合连接。在井下工作的时候，泥浆冲刷叶轮旋转，带动发电机转轴组件旋转，其中永磁体产生的径向磁场切割定子绕组发电。现有技术一专利US 5249161提到的结构形式为叶轮组件中的叶轮轴直接连接到发电机转轴组件(发电机转轴上有永磁体)，叶轮和叶轮轴之间用到旋转密封，泥浆冲刷叶轮带动叶轮轴转动，进而带动发电机转轴组件旋转发电。专利US 2002/0162654A1提到的结构形式为发电机房内有发电机定子组件、发电机转轴组件(含永磁体)、上轴承组件、下轴承组件和一个叶轮组件。发电机房在叶轮上端附近至少有一个泥浆入口，在叶轮下端附近至少有一个泥浆出口。上、下轴承组件和发电机定转子组件都在液压油中，叶轮组件与上、下轴承组件两者之间分别有旋转密封。旋转密封的作用是阻止泥浆进入轴承组件和发电机定转子组件以及避免泥浆污染液压补偿油腔。现有技术一的共同特点是①叶轮轴与发电机转轴之间直接相连(或者通过联轴器相连)，叶轮和叶轮轴之间用到旋转密封；②叶轮轴与发电机转轴之间直接相连(或者通过联轴器相连)，两者之间没有齿轮减速器。而使用齿轮减速器后，发电机转轴转速可以较高，同时保持叶轮转轴转速较低。由于现有技术一必须用到旋转密封，而我们知道影响旋转密封的工作可靠性及使用寿命的一个关键因素是与之工作相配合的转轴的转速高低，转轴转速越低，旋转密封的工作可靠性越好，使用寿命越长。这就意味着现有技术一中要保证旋转密封的工作可靠性，叶轮轴的转速就必须较低，由于直接连接，相应的发电机转轴的转速也必须较低，而这对于发电机的功率优化设计是很不利的，也就是说发电机无法工作在较高转速对应的较大功率输出状态。或者反过来说，如果基于系统功率需求，强求发电机工作在较高转速(能够输出较大功率)，那么旋转密封部分工作可靠性将降低，使用寿命将大幅度缩短，这势必影响整个石油钻井系统的无故障工作时间。事实上，国内很多石油钻井仪器无故障工作时间上不去，旋转密封不可靠是一个重要因素。另外，由于发电机转轴组件中只有永磁体(硬磁材料)，制成后其径向气隙磁场仅由永磁体提供，基本保持恒定。发电机的开路输出电压近似与发电机转轴组件转速成正比变化。而在石油钻井中，泥浆排量是经常变化的，这将造成叶轮转速变化，导致发电机转轴转速变化，相应的发电机的开路输出电压会发生变化，无法保持稳定。如果泥浆排量变化范围较大，发电机的开路输出电压幅值变化就会较大，将对后续整流电路及DC-DC变换电路部分造成较大冲击，甚至损坏电路。综上所述，现有技术一的缺点是①发电机不能工作在较大功率输出状态；②旋转密封工作可靠性低，使用寿命短，整个系统的无故障工作时间上不去；③泥浆排量变化范围较大情况下，发电机的开路输出电压幅值变化较大，会对后续整流电路及DC-DC变换电路部分造成较大冲击，甚至损坏电路。现有技术二鉴于现有技术一中所述旋转密封存在的隐患，国内外石油钻井仪器中又出现了磁耦合器形式的叶轮发电机。其结构如下叶轮与外磁耦合器(含外磁耦合器永磁体)组成叶轮组件，叶轮组件通过滑动轴承支撑在磁耦合器隔离套上；磁耦合器隔离套通过螺纹连接在发电机房上；发电机房内部装有内磁耦合器(含内磁耦合器永磁体)，发电机转轴组件 (含发电机永磁体)，发电机定子组件(含3相定子绕组)，发电机上、下轴承组件，其中内磁耦合器与发电机转轴同轴固连，发电机房与磁耦合器隔离套组成了一个密闭的空间，处在空气当中，如此一来就省去了旋转密封。其工作原理是泥浆冲刷叶轮，带动叶轮和外磁耦合器转动，通过磁耦合作用带动内磁耦合器转动，也就是带动发电机转轴转动发电。由于没有旋转密封，发电机转速可以较高，可以工作在较大功率输出状态。虽然现有技术二成功的避开了旋转密封所存在的隐患，但是其缺点如下①发电机输出功率受限。由于磁耦合器传输功率有限，如果要求发电机输出功率较大，内外磁耦合器之间就会由于负载扭矩过大而造成滑脱，导致发电机停转，整个系统无法工作。事实上，成功应用在石油钻井系统中的磁耦合器形式的叶轮发电机输出功率都不大，例如Baker Hughes公司的NaviTrack UPU仪器中用的磁耦合器形式的发电机输出功率为85W，Halliburton公司sperry-sun 650仪器中用到的磁耦合形式的发电机输出功率不超过50W。如此小输出功率的发电机应用在常规无线随钻系统中勉强可以，但要应用在用电量较高的带地质参数的无线随钻系统中或者旋转导向系统中基本不现实。②与现有技术一中所述一样，泥浆排量变化范围较大情况下，发电机的开路输出电压幅值变化较大，会对后续整流电路及DC-DC变换电路部分造成较大冲击，甚至损坏电路。鉴于上述现有技术中存在的问题，我们有必要设计一种新型结构的混合励磁式叶轮发电机，以克服上述各种问题。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种石油钻井用混合励磁式叶轮发电机。本专利技术的目的是通过下述技术方案予以实现的一种石油钻井用混合励磁式叶轮发电机，其特征在于该叶轮发电机由叶轮组件和发电机组件两部分组成；所述叶轮组件由叶轮和叶轮轴组成；该叶轮和叶轮轴之间安放一个旋转密封；叶轮轴由叶轮轴用轴承支撑；叶轮轴与发电机转轴组件通过齿轮减速器连接在一起；所述发电机组件包括发电机上轴承组件，发电机转轴组件，发电机房，上发电机定子组件，下发电机定子组件，发电机下轴承组件；所述发电机房作为发电机组件的外壳； 所述发电机转轴组件包括有上下两组永磁体和凸极组，在轴向上分别与设于发电机转轴组件外侧的上发电机定子组件和下发电机定子组件相对应；该发电机转轴组件通过发电机上轴承组件和发电机下轴承组件支撑在所述上发电机定子组件和下发电机定子组件内部。所述发电机组件中还设置有励磁绕组；所述励磁绕组绕设在所述发电机转轴组件的外侧，设置在所述上下发电机定子组件之间。所述发电机转轴组件，包括发电机转轴本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：林恩怀，李德胜，黄晓凡，杜建生，叶乐志，
申请(专利权)人：北京市普利门电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：