一种高频冲击直线永磁电机系统的制作方法

本发明涉及石油辅助冲击钻井及破岩领域，所发明的一种高频冲击直线永磁电机系统，耐高温、高压，效率高，冲击频率和运动幅值连续可调，可作为地下石油钻井辅助冲击设备及隧道冲击破岩、机场及水泥路面共振破碎等应用场合。

背景技术

绝大部分电机为旋转电机，输出的是旋转运动，当需要直线运动时需要运动变换机构把旋转运动变为直线移动，这样存在效率不高，频率低的问题。直线电机无需变换能直接实现直线的往复运动，结构简单，能提高系统的效率和往复运动的频率。石油钻井现在采用的是旋转破岩，在旋转的运动上若能叠加上往复的冲击运动能大大提高破岩的效率，实现往复的冲击直线运动，对于几千米的钻杆而言若整体冲击运动是不可能的，因此只能把冲击运动机构安装在井下钻头处，同时由于钻井空间的限制，对机构的直径有严格的要求，由于在井下深处，存在着高温、高压等难题，故急需一种体积小，能高频率工作，且工作频率连续可调的机构。一般的直线电机是在地面工作，结构上不能承受高温高压的环境；常规的用于往复运动电机采用的是机械弹簧结构，存在固有频率低、易腐蚀破坏、弹簧系数蠕变等问题，中国专利102013783a中公开了一种轻型直流直线电机，但不适合高温高压工作环境。由于该技术属于新技术，故市场上还没有能满足工况要求的直线电机系统。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种功率密度高，运动频率高，寿命长，能在高温高压下使用也能在地面应用，同时运动频率与运动幅值可调的高效率直线电机系统。

本发明的技术解决方案为：一种高频冲击直线永磁电机系统，主要由定子系统、动子系统及机械系统组成；定子系统包括：外筒、内筒、定子铁心、绕组；动子系统包括：动子轴、多组halbach排列的永磁体，每组永磁体包括n极、磁场向外中间极、s极、磁场向内中间极、磁钢压环、动子上端头；机械系统包括：保护器活塞、多功能后支撑盖、回程储能胶囊、胶囊受力盖、直线轴承、位移传感器本体、传感器动环、动环安装座、动环压盖、防撞橡胶块、前轴承压盖、前直线轴承、前固定座、前移动密封、冲锤，外筒上端和前固定座过盈配合，下端和多功能后支撑盖过盈配合，内筒上端通过螺钉安装在前固定座的配合面上，中间有两道o型密封圈密封，下端通过螺钉安装在多功能后支撑盖的配合面上，中间有两道o型密封圈密封，定子铁心有多组，每组由左、右两块组成，外径和内筒的内径配合，绕组放在定子铁心的左、右两块之间，外部出线，由内筒的槽内引出，动子轴下端通过直线轴承安装在芯轴上，上端安装在动子上端头上，halbach排列的永磁体有多组，每组由n极、磁场向外中间极、s极、磁场向内中间极组成，上端紧靠动子上端头的端面上，下端由磁钢压环通过内螺纹压紧，保护器活塞上装两个相对安装的密封环，整体安装于多功能后支撑盖的缸体内，回程储能胶囊一端靠紧在多功能后支撑盖的端面上，另一端靠紧在胶囊受力盖上，动子组件通过磁钢压环紧靠在胶囊受力盖上，位移传感器本体通过过盈配合固定安装在多功能后支撑盖芯轴端部，传感器动环通过滑动配合安装在动环安装座，由动环压盖通过螺钉压紧，防撞橡胶块通过螺钉安装在前固定座上，前直线轴承安装在前固定座的内孔，另一端靠前轴承压盖压紧，前移动密封有两个，安装在前固定座的密封槽内，冲锤通过螺纹安装在动子上端头端部；所述的电机动子上磁钢四个为一组，每组中n极为环形，径向充磁，磁场方向由内部指向外部，磁场向外中间极为环形，轴向充磁，磁场从右指向左，s极为环形，径向充磁，磁场方向由外部指向内部，磁场向内中间极为环形，轴向充磁，磁场方向由左指向右；所述的动子轴为中空薄壁结构，材料为导磁材料，磁钢压环和动子上端头材质为不导磁不锈钢，回程储能胶囊内部充氮气，材质为氟橡胶，并通过胶囊受力盖吸收储存动子组件向上的动能，向下运动时释放动能；所述的防撞橡胶块材质为硅橡胶；所述的前直线轴承材质为锡青铜；所述的定子铁心为左右对开式结构，其材质为铁基非晶；所述的绕组为环形，每组外部出现后并联，采用耐电晕的高频线；所述的位移传感器本体为高频超磁致伸缩位移传感器，安装在芯轴端部，传感器动环安装在移动的动子轴内部；所述的保护器活塞为锡青铜，上面装两个相对安装的u型密封环，所有的静密封采用双o型圈，前移动密封(25)有两个，最外采用耐磨的铜粉加四氟乙烯材料，另一采用四氟乙烯材料；所述的电机内部充满20到30号的变压器油。

上述方案的原理是：电机动子的n极、磁场向外中间极、s极和磁场向内中间极形成一个封闭的磁场，该磁场在动子和定子的气隙磁场很强，而在动子磁轭部分磁场很弱，这样可以减小定子轭部的厚度，降低动子质量，提高动子的运动频率，根据需要出力的大小，采用多组磁钢，各组之间是并联关系，最后通过磁钢压环在端部压紧，形成一个动子系统，和动子相对应，定子系统有和动子系统相对应并联，每组由左、右两片铁芯，由于磁路的形状，故铁心采用磁导率大，矫顽力小和电阻率大的铁基非晶材料来降低损耗，线圈为饼状，放置于左右铁芯中间形成一个定子组件，每组动子磁钢对应于一个定子组件，定子组件通过外径和内筒的内径配合，由压力机压装，出线口在内筒的槽内，最后并联。内筒和外筒之间的缝隙过钻屑泥浆，也对电机的定子起冷却作用，需要向前运动时，给定子绕组通正向的电流，绕组产生磁场，该磁场和动子组件的磁场相互作用，推动动子轴向前移动，由于动子轴自身的质量加上冲锤的质量，对负载产生冲击作用，由于传感器动环安装在动子轴上，动子轴的移动信号通过位移传感器传输到控制系统，控制系统根据位移由相应的控制算法来确定电流的大小和方向，电机内充满20号到30号变压器油，该油液通过保护器活塞和外界压力平衡，使得变压器内部油液和外界的压力一致，延长密封件的寿命，当温度升高或降低时，变压器内油液体积变化，这些变化可以通过保护器活塞移动来来补偿，活塞上的两个u型密封相对安装，保证在低压下外部的井液不能渗到电机内部，同样电机内部的油液不能渗到外面；当动子轴向上回程移动时，通过磁钢压环和胶囊压盖，压缩回程储能胶囊，储能胶囊内充氮气受压，体积减小，动能储存在储能胶囊里，直到动子轴速度为零，当进行冲击运动时，电机正向通电这时定子系统对动子系统产生向下的推力，胶囊内压缩的气体膨胀释放能量，共同推动动子系统向前运动，产生冲击能量，冲锤撞击到钻头，产生破岩效果，若钻头距离冲锤太远，则动子系统冲到防撞橡胶块上，避免系统损坏。

本发明与现有类似系统的优点是：结构紧凑，动子组件质量轻，固有频率高，磁钢采用halbach布置形式，动子功率密度高；采用储能胶囊的作为回复弹力，固有频率高，能达到更高的冲击频率，同时氟橡胶有耐高温耐腐蚀的优点；采用活塞式保护器，内部充满变压器油，平衡电机内外压差，延长密封寿命，同时能补偿温度变化引起的变压器油液体积变化，同时利于散热，可作为石油钻井辅助破岩，也可用于水泥公路、机场的共振破岩。

附图说明

图1为本发明技术解决方案的一种高频冲击直线永磁电机系统的整体三维剖示图；

图2为本发明技术解决方案的一种高频冲击直线永磁电机系统的铁芯3示意图；

图3为本发明技术解决方案的一种高频冲击直线永磁电机系统的内筒2示意图；

图4为本发明技术解决方案的一种高频冲击直线永磁电机系统的内筒2和多功能后支撑盖13、前固定座24组成的内筒装配体示意图；

图5为本发明技术解决方案的一种高频冲击直线永磁电机系统的永磁体组件示意图；

图6为本发明技术解决方案的一种高频冲击直线永磁电机系统的动子组件示意图；

图7为本发明技术解决方案的一种高频冲击直线永磁电机系统的多功能后支撑盖13、回程储能胶囊14、位移传感器本体、保护器装配示意图；

图8为本发明技术解决方案的一种高频冲击直线永磁电机系统的前固定座24等装配图示意图；

具体实施方式

如图1所示，主要由定子系统、动子系统及机械系统组成，定子系统包括：外筒1、内筒2、定子铁芯3、绕组4；动子系统包括：动子轴5、多组排列的永磁体，每组永磁体包括n极6、磁场向外中间极7、s极8、磁场向内中间极9、磁钢压环10、动子上端头11；机械系统包括：保护器活塞12、多功能后支撑盖13、回程储能胶囊14、胶囊受力盖15、直线轴承16、位移传感器本体17、传感器动环18、动环安装座19、动环压盖20、防撞橡胶块21、前轴承压盖22、前直线轴承23、前固定座24、前移动密封25、冲锤26，外筒1上端和前固定座24过盈配合，下端和多功能后支撑盖13有0.06毫米到0.1毫米的过盈配合，内筒2上端通过螺钉安装在前固定座24的配合面上，中间有两道o型密封圈密封，下端通过螺钉安装在多功能后支撑盖13的配合面上，中间有两道o型密封圈密封，定子铁芯3有两种，一种是端部铁芯，一种是中间铁芯，铁芯的外径和内筒2的内径配合，为方便下线，绕组4放在定子铁心3的左、右两块之间，外部出线，出线口对内筒2的槽内并联引出，动子轴5下端通过直线轴承16安装在多功能后支撑盖13的芯轴上，上端安装在动子上端头11上，halbach排列的永磁体有多组，每组由n极6、磁场向外中间极7、s极8、磁场向内中间极9按顺序排列组成，上端紧靠动子上端头11的端面上，下端由磁钢压环10通过螺纹压紧，保护器活塞12上安装两个相对安装的u型密封环，整体安装于多功能后支撑盖13的缸体内，回程储能胶囊14安装在多功能支撑盖13的前腔，回程储能胶囊14一端靠紧在多功能后支撑盖13的端面上，另一端靠紧在胶囊受力盖15，动子组件就通过磁钢压环10压在胶囊受力盖15面上，位移传感器本体17通过过盈配合固定安装在多功能后支撑盖13的芯轴端部，传感器动环18通过滑动配合安装在动环安装座19，由动环压盖20通过螺钉压紧，防撞橡胶块21通过螺钉安装在前固定座24上，前直线轴承23安装在前固定座24的内孔，另一端靠前轴承压盖22压紧，前移动密封25有两个，其材料不同，安装在前固定座24的密封槽内，冲锤26通过螺纹安装在动子上端头10端部。

图2为本发明中定子铁芯3的结构示意图，定子铁芯3由端部铁芯31和中间铁芯32构成，图2a是端部铁芯31的剖面示意图，图2b是端部铁芯的三维示意图，图2c是中间铁芯32的剖面图，图2d是中间铁芯32的三维示意图，端部铁芯31安放的铁芯3的两端，中间铁芯32有多组，依次排列，排列后三维图如图2e所示，剖面图如图2f所示，定子绕组4安放在铁芯3的剖面图2f的302处，在301处出线，出线孔301在一条直线上，然后整体装入内筒2中，内筒2内径和铁芯3外径要磨削加工，过盈配合，可以用加热内筒2或用压力机把铁芯3压入。

图3为本发明中内筒2的示意图，图上201和203处为销钉安装孔，分别安装在前固定座24和多功能后支撑盖13的对应销孔内筒2的202出为绕组4出线地方，绕组4进出线在这里并联焊接，然后由多功能后支撑盖13的出线孔引出。

图4为本发明中外筒1和内筒2装配体示意图，内筒2通过201处的8个销钉与前固定座24和多功能支撑盖13连接，外筒1和内筒2中间的缝隙流过钻井液，是钻井液的流通通道，同时对电机的定子进行冷却。

图5是本发明动子永磁体组件，图5a为主视图，图5b为三维图，图5a中n极6、磁场向外中间极7、s极8(磁极都是分ns的，没有说一个圆环都是n极或s极的)、磁场向内中间极9都为环形，其充磁方向如图5a所示，按照图示中n极6、磁场向外中间极7、s极8、磁场向内中间极9从右向左排列，四个为一组，各组间同向排列，采用该方式形成的磁场在电机气隙处磁场强，而在磁轭部分磁场弱，可以减轻电机的动子重量，提高电机的振动频率。

图6为本发明动子装配图，如图所示，动子轴5采用导磁率高的材料，一端和动子上端头11的圆柱面大过盈配合，动子上端头11采用不导磁的不锈钢材料，图5所示的永磁体组件在动子轴上排列，一端定在动子上端头11的端面，另一端通过磁钢压环10压紧，磁钢压环10的内螺纹和动子轴5的端部外螺纹配合，实现压紧防松功能。图中501处靠紧直线轴承的端面，503处安放直线轴承，504处安放位移传感器的动环安装座19，505处安放前直线轴承23，506处通过外螺纹安装冲锤26。

图7为本发明的多功能后支撑盖13、位移传感器本体14、回程储能胶囊14、保护器装配示意图，图7a为二维剖面图，图7b为三维图，位移传感器本体17安装在多功能后端盖的芯轴端部，由压盖28通过螺钉压紧，中孔1401过传感器的线缆，1302处的孔是电机定子线通道，1301处过钻井液，1303处安装o型密封圈，保护器活塞11上安装两个密封10，密封10为u型密封，背靠背安装，确保低压下无泄漏，回程储能胶囊14安装在多功能后支撑盖13的前腔内，依靠气体的压缩来吸收动子轴的动能，为使回程储能胶囊14受力均匀，在胶囊前安装胶囊受力盖15，动子的回程动能依靠胶囊受力盖15传到回程储能胶囊14，胶囊采用氟橡胶材料。

图8为本发明的防撞橡胶块21、前轴承压盖22、前直线轴承23、前固定座24、前移动密封25装配体示意图，其中图8a为剖面示意图，图8b为三维示意图，防撞橡胶块21采用耐高温、弹性好的硅橡胶，上面有6个沉孔，通过螺钉安装在前固定座24的端面，前直线轴承23采用锡青铜，为滑动轴承，一方面起导向作用，一方面为支承作用，其内圆比轴的外径大0.01-0.02mm，该件通过配合安装在前固定座24的内孔，由前轴承压盖22通过6个沉头螺钉固定压紧在固定座24的端面，前移动密封25采用不同材料的移动密封件，外面的采用混合铜粉的聚四氟乙烯材料，另一采用四氟乙烯材料，安装在固定座24的密封槽内。

总之，本发明的一种高频冲击直线永磁电机系统，提供一种功率密度高，运动频率高，效率高，能在高温、高压下高频冲击使用，同时运动频率与运动幅值可调的高效率直线电机系统。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。