[发明专利]无电刷电动机换向及控制

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于无电刷电动机换向及控制的装置和方法，尤其涉及井底环境中的这种换向和控制。

背景技术

电动机是电能转变成机械能的主要手段。在工业应用中，电动机的大小和额定功率在一定范围内变化。目前在工业应用中有几种不同类型的电动机。不过，它们可以分成两个主要的类别，即电刷型和无电刷型。无电刷电动机一般由具有定子绕组的定子和转子构成。转子可以仅由叠层结构组成，如关于交换磁阻和同步磁阻电动机的情形。它可以由具有以不同构型安装的磁体的轴构成，如可以在无电刷电动机或永久磁体同步电动机中使用的那样。或者，在一般的情况下，转子可以是所有以上技术的组合。

所有这些技术中具有的共同点是需要具有可变幅度和频率的输入电压来控制它们。通常，三相反相器用于这个任务，且DC电压的电子换向用于提供可变电压和频率。在理想的情况下，有刷DC电动机的使用可以消除在任何应用中对使用三相反相器的需要，尤其是已经具有可变DC电压的那些应用。在速度控制应用中，使用有刷DC电动机也可以消除对于复杂的位置感测的需要。在其他情况下，可能仅需要可变DC电压来控制电动机，其可以减少电子装置的数量，从而提高效率和降低成本。

不过，在向下钻井的应用中，有刷DC电动机的使用完全不可能，因为将电动机放置在空气中并加上能够抵抗全部压差和电动机扭矩的旋转密封很困难。磁耦合有刷DC电动机的轴扭矩是有可能的，但这基本上效率很低。将电动机放在油中也不可能，因为电刷和转子上的换向器片需要接触以便传导电流。这两者的接触之间存在油膜会妨碍电流的适当传导，从而抑制了转矩的产生。

不过，无电刷电动机的使用具有某些局限。在井底应用无电刷电动机的特殊困难涉及用于这种电动机的换向和控制的电子电动机驱动器的常规使用。设备的开发费用中的一个主要花费是这种电动机驱动器的开发。在向下钻井工具的开发上尤其如此，因为其中苛刻的环境条件限制了商业上可购得的电子装置的应用。因此，希望——至少对于某些应用而言——降低或消除对于无电刷电动机换向和控制中的能量转换电子装置的需要。

属于McGughey的美国专利No.6239531和属于Tanh M.Bui等的美国专利No.6667564都提出了可应用于无电刷电动机的机械换向器解决方案。’564号专利涉及依靠特殊的定时凸轮和导电端子的集成的电动机/换向器系统。’531号专利涉及另一种集成的电动机/换向器系统，其特征在于柔性的导电环。属于Pengov的专利公开No.WO 01/50578 A1也描述了一种机械换向器，但其限于驱动交换磁阻电动机。

因此需要一种适用于井底钻井应用的用于无电刷电动机的机械换向器系统。例如，需要利用磁耦合允许换向器从被驱动的电动机物理分离的这种换向器系统，以便换向器和电动机能够在分立的腔室或条件下操作。

发明内容

本领域中的上述需求、问题和不足以及其他，通过本发明的不同方面和实施例得以解决。一个方面，本发明提供一种用于无电刷电动机的换向装置，该电动机具有配备有多个线圈的定子和配备有永久磁体组件的转子。换向装置包括可旋转的换向器轴、离散地安装在该轴周围的两个或多个导电环、以及围绕该轴离散地安装在沿着或靠近与该轴垂直相交的平面的交错位置上的两个或多个导电段。每一个导电段电连接到一个导电环。设置两个或多个电源触点以将电源可旋转地跨接在成对导电环上。还设置多个电负载触点以将导电段顺序地、可旋转地连接至无电刷电动机的离散线圈上。将会了解，本发明的换向装置有利地适用于任何无电刷电动机，比如电感型、同步磁阻型，等等。

在换向装置的特定实施例中，使用耦合器来将换向器轴可旋转地耦合到无电刷电动机的转子上。耦合器可包括由换向器轴承载的磁耦合元件，其互补由无电刷电动机承载的磁耦合元件。

在换向装置的特定实施例中，设置容器以可旋转地支撑其中的换向器轴和耦合器。容器可适合于经受穿透地表下的地层的井眼中的井底流体压力。此外，容器可提供用于定位电源和负载触点的装置。因此，电源触点可以围绕换向器轴安装在容器以内，用于与各个导电环建立连续的电连接。类似地，电负载触点可以围绕换向器轴安装在容器以内，用于建立与相应导电段的沿着或靠近该平面的交错电连接。电源触点和电负载触点都可以包括弹簧加载电刷。