可浸没电机及方法 |
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| 申请号 | CN201480051857.4 | 申请日 | 2014-07-11 | 公开(公告)号 | CN105556053A | 公开(公告)日 | 2016-05-04 |
| 申请人 | 普拉德研究及开发股份有限公司; | 发明人 | J·迈尔斯; S·达尔格伦; C·博斯维尔; S·沃尔斯顿; J·奥尔班; D·马德森; | ||||
| 摘要 | 一种可浸没 电机 包括与第二磁封装体轴向间隔开的第一磁封装体、与所述第一磁封装体轴向间隔开第一空隙的第一 定子 、与所述第二磁封装体轴向间隔开第二空隙的第二定子。所述电机可以作为发电机或者 电动机 操作。当作为发电机操作时， 涡轮 能够响应于 流体 轴向流经所述电机而相对于所述定子旋转所述磁封装体。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种可浸没电机，所述电机包括： |
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| 说明书全文 | 可浸没电机及方法背景技术[0004] 根据一个或多个实施例，一种可浸没电机包括与第二磁封装体轴向间隔开的第一磁封装体、与所述第一磁封装体轴向间隔开第一空隙的第一定子、与所述第二磁封装体轴向间隔开第二空隙的第二定子。方法的一个非限制性实施例包括响应于流体轴向流经所述电机或者向所述定子施加电能而旋转所述磁封装体。一种井系统可以进一步包括设置在井眼中的操作装置和电机，所述电机被连接到所述操作装置以响应于流体轴向流经所述电机而驱动所述操作装置。 [0005] 上述内容已经对某些特征和技术优点进行了描述以便更好地理解后面对所述可浸没电机进行的详细描述。所述可浸没电机的附加特征和优点将在下文中描述，其构成了本发明的权利要求的主题。本概述不是用于确定所要求保护的主题的关键或本质特征，也不是被用于帮助限定要求保护的主题的范围。附图说明 [0006] 参照附图对可浸没电机及方法的实施例进行描述。在全部的图中，相同的附图标记被用于指代同样的特征和构件。需要强调的是，根据工业实施标准，各种结构不必按比例绘制。事实上，为了清晰起见，各个结构的尺寸可以任意地被放大或缩小。 [0007] 图1示出可利用可浸没电机及方法的多个实施例的井系统。 [0008] 图2示出根据一个或多个实施例的可浸没电机。 [0010] 图4示出根据一个或多个实施例的可浸没电机的磁组件。 [0011] 图5示出根据一个或多个实施例的可浸没电机的磁封装体。 [0012] 图6示出根据一个或多个实施例的可浸没电机的定子芯。 [0013] 图7示出根据一个或多个实施例的可浸没电机的定子。 [0014] 图8-11示出根据一个或多个实施例的例如与将液压动力转换成电能或者将电能转换成机械或液压动力的动态液压机械相关的可浸没电机。 [0015] 图12示出根据一个或多个实施例的具有电动机部分的可浸没电机。 [0016] 图13示出根据一个或多个实施例的包括与操作装置耦合的堆叠的多个电动机部分的可浸没电机。 [0017] 图14示出根据一个或多个实施例的具有连接到操作装置的多个堆叠的电动机部分的可浸没电机。 具体实施方式[0018] 可以理解的是，后面公开的内容提供了多个不同的实施例或者用于实施各个实施例的不同特征的实例。下面描述的构件和布置的具体实例用于使本公开简化。当然，这些仅仅是实例而并不是限制性的。此外，在各个实例中本公开的附图标记可以重复使用。这种重复的目的在于简化和清晰目的，本身并不是规定了各个实施例和/或描述的结构之间的关系。 [0019] 如这里使用的，用词“连接”、“被连接”、“与…连接”以及“连接到”用于表示“与…直接连接”或者“通过一个或多个元件与…连接”。此外，用词“耦接”，“耦接到”，“被耦接”，“被耦接到一起”以及“与…耦接”用于表示“直接地与…耦接到一起”或者“通过一个或多个构件耦接到一起”。如这里使用的，用词“上”和“下”，“上方”和“下方”，“顶部”和“底部”以及其它类似的用词表示为了更清晰地描述某些元件而相对于给定点或元件的相对位置。通常，这些用词的参考点将开始钻井作业时的地面作为顶点，将总深度或者测量深度作为最低点，其中，所述井(例如，井眼，井孔)为垂直的，水平的或者相对于地面倾斜的。 [0020] 公开的电机的实施例，即电动机和发电机，可以浸没在提供与装置(例如，阀，叶轮)直接连接的周围井流体中。根据实施例，所述电机可不采用分离器(例如，旋转密封件)来将所述电机与所述井流体分隔开。所述电机可以被构造成在脏的流体中运行，例如可在具有颗粒和/或具有化学侵蚀性的井流体中运行。 [0021] 所述可浸没电机，系统及方法可以应用于多种应用中，包括但不限于钻井，完井，测井电缆工具，以及诸如机械采油系统的开采系统。享有本公开的益处的本领域技术人员可以理解的是，所述可浸没电机并不限于井眼应用。 [0022] 根据一个或多个实施例，可浸没电机包括与第二转子磁极轴向间隔开并且固定连接到其上的第一转子磁极，通过第一空隙与所述第一磁极轴向间隔开布置的第一定子面，通过第二空隙与所述第二磁极轴向间隔开布置的第二定子面，以及支撑所述旋转元件并且能够在周围流体(即使周围流体是化学侵蚀性流体或者承载有颗粒物的流体)中运行的轴承组件。在某些发电机类型的电机实施例中，所述转子元件可以被耦接到叶轮以响应于流体轴向流经所述电机而相对于定子旋转所述转子。方法的一个非限制性实施例包括响应于流体轴向流经所述电机而旋转所述电机。在某些电动机类型的电机实施例中，所述转子被连接到电动机输出轴以通过例如减速器驱动操作装置，操作装置例如但不限于，阀，限流器，取芯筒，以及小钻头。 [0023] 根据一个或多个实施例的井系统包括操作装置和设置在井眼中的电机，所述电机功能性地连接到操作装置以驱动所述操作装置。例如，发电机类型的电机可以沿基本上平行于所述电机的方向响应于流体轴向流经所述电机。根据一个或多个实施例，所述电机包括两个定子，所述两个定子彼此串联或并联连接以允许在所述两个定子中具有相似的电流。这可以在所述转子上产生适当的轴向力平衡。所述两个定子之间的连接可以通过电开关实现，能够将相互连接从串联改变为并联，同时维持所述两个定子之间具有相同的电流对称性。能够将所述定子从串联变换成并联的能力允许输出电压在高RPM(流率)下被降低一半以消除电子设备上的过压，以及在许多情况下允许流动工具包，例如两个分离工具能够处理宽泛的流率范围。可以通过允许宽泛的操作范围(电压与RPM的关系)的旋转速度和系统负载之间的逻辑来控制所述切换。所述“从串联到并联”和“从并联到串联”的切换之间的典型滞后现象采用某些滞后现象来执行以避免在切换电压输出时的不稳定性。也可以添加切换之间的延迟以限制多个切换之间的不稳定性。 [0024] 由所述定子提供的功率输出的加法可以在AC域或在对每个定子或每组相位进行整流后在DC域中执行。在所述DC整流后，整流后的信号可能具有一些纹波。当在单独的DC整流后运行时，可能有利的是，在所述被独立地整流后的信号之间具有物理相移。这种相移能够在汇总所述整流后的信号之后降低所述纹波的水平。当独立整流后要汇总的所述绕组电信号之间的相移为60度时，能够获取纹波最小化的条件。所述绕组之间的相移可以通过所述两个定子或两个转子之间的机械相移获取。所述机械相移取决于通过所述磁极数量校正过的电信号的期望的相移。 [0025] 作为从串联切换到并联的一个替代性方法，所述切换可以被修改以拆开一半的绕组来代替重新并联连接。这样简化了切换系统，但是例如由于两个定子中电流的不对称性可能造成某些较小程度噪音的升高并且对止推轴承产生一定的轴向负载。从串联切换到并联的类似切换以及反向切换也可应用于电机应用场合，以便增加电机操作范围而在低RPM下具有更高的扭矩，同时保持相对较高的反EMF(反电动势)。 [0026] 电性能(功率或扭矩)主要受到电机直径的限制。为了保证钻管或任何井硬件中的正确安装，电机的总体直径受到限制。为了提高电性能，可以采用轴向堆叠(或者轴向级联)。例如，在电动机的情况下，多个转子可以被连接到相同的电动机输出轴。 [0027] 图1示出了井系统10的一个实例，其中，可以使用总体上由附图标记12标记的可浸没电机的实施例。可浸没电机12可以被用在生产和注入井系统以及非井眼系统中。电机12例如可以被用作发电机(交流发电机)或者提供动力(例如，电力，水力，机械力)以驱动操作装置的电动机。根据一个或多个实施例，可浸没电机12为轴向磁通装置。 [0028] 图1示出了作为钻井系统的井系统10(特别是定向钻井系统)。描绘的井系统10包括设置在地面16上的钻井架14和悬挂在钻井架14上的管柱18(例如，钻柱)。钻头20设置在井底钻具组件(“BHA”)22上并且被布置在管柱18上以钻探深入到地下地层26中的井眼24。所述井底钻具组件包括测量，处理，并且存储信息以及与地面通讯的能力。图1所示的电机 12的位置仅仅用于标识并且描述电机12相对于井系统的位置关系并且所描绘的位置并不起到任何限制作用。享有本公开的益处的本领域技术人员可以理解的是，电机12可以设置在多个位置，包括位于所述井系统的各种工具内，例如但不局限于连接到管柱中的钻铤内，随钻测量和/或测井工具中，以及旋转导向系统中。 [0029] 描绘的BHA 22包括稳定器28，随钻测量工具(“MWD”)30，随钻测井工具(“LWD”)32，以及导向装置34。姿态保持控制器36随BHA 22设置并且操作地与旋转导向装置(RSS)34连接以使钻头20和BHA 22维持期望的钻井姿态从而沿着期望的轨迹扩展井眼24。RSS 34可以包括一个或多个操作装置，例如阀以及类似物，来驱动极板33和导向BHA 22。所描绘的姿态保持控制器36包括井下处理器38和传感器40，传感器40例如为方向和倾角传感器。图示的电源35，例如电池，随BHA 22设置。电源35可以与一个或多个所述操作装置以及电机12连接。电源35可以被连接到电机12，例如用于向一个或多个定子提供电力，从而使电机12作为电动机被操作以便为可操作，即被操作的装置提供机械动力或液压动力。电源35可与电机12的输出端相连接以接收并且储存由电机12产生的电能。对于由电源35给电机12提供电能的情况来说，电源35可以设置在地面上。 [0030] 电机12可以被功能性地连接到一个或多个操作装置30,32,34,38和40用于提供可以被完全或部分地采用来操作(即驱动)所连接的操作装置的电能。可以被功能性地连接到并且由电机12供电的所述操作装置并不局限于图1所描绘并且描述的操作装置。所描绘的操作装置代表包括但不限于例如电子系统，传感器，传送器，接收器，致动器，阀，遥测系统，电池，液压泵，轴向泵，以及离心泵等工具和系统。 [0031] 电机12可以被用作电动机以致动或驱动例如操作装置30,32,34的元件。例如，对于导向系统34来说，电机12可以被用于旋转例如RSS 34的阀160(图14)。所述阀例如可以引导钻井泥浆42推动导向装置34的极板33抵靠井眼的壁并且沿着所期望的方向定向所述钻头和井眼轨迹。泥浆供给可以与钻柱18和BHA 22的旋转同步以使得所述井的偏斜走向稳定地跟随所期望的方向。所述同步可以由位于导向系统34内部用于控制电机12的旋转的控制器36完成。 [0032] 电机12例如可以被用作MWD工具30内部的电动机以例如致动泥浆脉冲调制器。对于LWD工具32来说，电机12例如可以被用作驱动例如LWD压力测量工具内部的致动器以启动井眼内部的钻铤的径向锁止，抽取(即，抽吸)进入所述LWD工具用于压力测量和取样的地层流体，并且控制用于LWD取样过程的阀设置的电动机。 [0033] 参照图1，流体42，例如钻井流体或泥浆，通过地面泵44从地面16循环通过管柱18的轴向孔并且通过管柱18和地层26之间的环状区域返回地面16。根据一个或多个实施例，电机12浸没在流体42中。根据一个或多个实施例，流动的流体42驱动电机12产生电能。 [0034] 图2为根据一个或多个实施例的电机12的分解视图。电机12包括在旋转方面连接到伸长件或轴48并且设置在定子50,150之间的磁性转子46。轴48，例如主轴或轴杆，可以是旋转件或固定件。轴48的每一端52包括用于在合适方位连接相应定子50,150的对齐槽54。例如，定子50,150包括与对齐槽54配合的对齐销56。每个轴端52被描绘成具有第一连接器 58(例如凹座)，其与定子50,150的第二连接器60(例如销)协作以操作地将相应定子连接到所述轴的端部上。这种键槽连接式系统例如能够使定子50,150对齐并保持在不变的角相位。所述定子可以被安装在相同的角位置上，或者，例如为了使所述定子的信号输出之间具有期望的相位而被安装在不同角位置上。在所描绘的实施例中，轴48为非旋转件。转子46例如通过径向轴承62和止推轴承64安装在轴48上。在图2的实施例中，转子46设置有涡轮66以响应于流体(例如钻井流体)越过涡轮66的流动而导致转子46相对于定子50,150转动。 [0035] 图3示出了固定地连接在配置有朝向相反方向的一对转子面的转子46中的一对磁封装体。转子46包括两个磁封装体68,168以在相应的定子50,150(图2)中产生磁力。磁封装体68,168形成为环形并且设置在外套筒72和内套筒74之间。磁封装体68,168通过连接件，例如外套筒72，彼此固定连接。在该实施例中，涡轮66被装载在套筒72的外部，以使得轴向流过所述电机的流体作用在涡轮66上从而引发旋转。轴承76，例如轴颈轴承可设置在内套筒74中，以例如与轴承62,64配合(图2)。轴承76的末端抵靠着轴承64(图2)，这可以确保转子46相对于定子50,150具有正确的轴向定位。在使用中，电机12浸没在浸入到轴承62和76周围的空间中的井流体中。所述轴承可以由耐磨材料构成，例如但不限于多晶金刚石(”PCD”)。 [0036] 每个磁封装体68,168包括在相应的定子中产生磁力的多个磁极78。根据一个或多个实施例，磁封装体68,168包括形成密封转子的密封板82和保持器84。密封板82可通过连接部120，图示的为焊缝120，与保持器82连接，或者采用密封磁极78使其与所述浸没流体隔离的方式紧固。在图3中，磁封装体68通过螺纹86与外套筒72连接由此使磁封装体68,168与内套筒74和外套筒72锁定。图3是将转子磁封装体按照选取的对正状态固定地连接到一起的一个实例。所述转子可以被密封，例如与定子壳类似，或者不被密封以允许流体渗透通过壳。 [0037] 图4示出了根据一个或多个实施例的磁组件88。磁极78按照交替的磁方位并排布置以形成圆环77。每个磁极78可以是单独的磁体79。磁极78的环77被保持抵靠在由具有高的磁饱和的高磁导金属构成的磁路板80上。磁组件88在具有或不具有磁路板时都可包括用于将磁极78定位并定向在磁封装体中(图5)并且使一个转子磁封装体的磁极78与一个或多个其它协作转子磁封装体的磁极定向(例如，参见图3,8,12)的定位器90(例如，槽口)。磁体79例如可以是永磁体，用于将电机作为发电机，DC无刷电动机，或者同步电动机进行操作。 [0038] 根据一个或多个实施例，磁组件88可以构造为单个环状磁环77，其已经采用如图4所示的磁极配置进行了极化。因此，磁体79代表磁极78，其在图4中按照北极，南极交替的方式布置。 [0039] 图5为根据一个或多个实施例的磁封装体68,168的分解视图。磁极78设置在具有面94(即转子面)的保持器84中。在该实施例中，磁组件88设置在保持器84中且被密封。定位器90与保持器84的键92接合。保持器84可具有使磁极与其它协作并且固定连接的磁封装体的磁极对准的对准特征。例如，保持器84包括用于接合协作的键95(图3)以正确地对准所述被固定连接的转子磁封装体68,168的磁极78的保持器键93。 [0040] 描绘的保持器84由具有低磁导率的非磁性材料、例如不锈钢制成。在某些实施例中，所述磁导率大约为1。非磁性材料可以用在或者不可以用在转子壳上。所述非磁性保持器84(例如，壳)允许磁通量透过所述定子以引导所述磁通量进入所述定子绕组。密封板82被安装在磁组件88的背侧。所述磁组件的背侧通过磁路板80进行描绘，并且定向成面对所述相关定子的前侧由磁极78标示。密封板82通过焊接部120被连接到保持器84(图3)或者以密封磁组件88使其与可能具有侵蚀性的浸没流体隔离的方式固定。例如，所述浸没流体为钻井流体，其可能具有侵蚀性的pH值。磁封装体68,168(图3,5)可以被构造成当设置在高压环境中时能够减少或消除任何可能发生坍塌的空隙。 [0041] 保持器84可以采用耐磨材料构成。特别地，保持器84的转子面94可以由耐磨材料形成或者被形成为沉积在保持器84的面上的一个材料层。在图1的井系统中，转子面94暴露于浸没流体(例如，钻井流体42)中。耐磨材料的例子例如包括但不限于碳化钨，陶瓷和硼化材料。耐磨材料的涂层或层91可以沉积在转子面94上。例如，可以通过爆燃枪工艺(Detonation-gun process)沉积薄碳化钨层91或者陶瓷层91。各个磁封装体68,168的转子面94还可以由柔性材料形成以允许在高压环境下进行移动。例如，电机12可以暴露于例如 25,000psi的高压下，这将导致保持器84并且尤其是转子面94发生变形。各个磁封装体68, 168的前面形成转子46的相对的转子面94。 [0042] 图6为包括磁芯98和绕组100的定子或定子芯96的分解视图。磁芯98由支持高通量密度(即，高饱和度)的高磁导率材料，或者金属构造而成。描绘的磁芯98由缠绕的、薄的被绝缘化处理的金属带构成。当所述转子转动并且产生交变通量时，具有层间绝缘的螺旋或圆形层压结构166使定子芯96内的涡流最小化。一些缠绕的材料被去除，以产生定子磁极102和连续环97。磁芯98材料可利用例如放电机加工(“EDM”)工艺被切除以形成定子磁极 102。 [0043] 绕组100通过在形成每个磁极绕组106的绝缘体支撑结构104上包裹电线形成(图7)。绕组100和所述绝缘体支撑结构接着被安装到磁芯98上以形成定子芯96。几个定子磁极 102可被串联地连接以形成一个相。为了限制相互连接的数量并且提高稳定性，所述相绕组可以采用连续的电线进行缠绕。 [0044] 图7示出根据一个或多个实施例的被密封的定子，例如定子50。定子芯96(图6)与定子体108安装到一起。相线110从所述定子相绕组开始延伸穿过通道绝缘体112到达布线互连结构114，布线互连结构144例如是印刷电路板(“PCB”)。布线互连结构114连接到定子体108并且通过定向对齐销56的布置被定向。布线互连结构114被正确定向便于通过第二连接器60直接连接到轴48的第一连接器58(图2)。定子绕组100和磁芯98采用灌封材料进行灌封，灌封材料例如是但不限于环氧树脂胶，灌封用于使围绕磁芯98和绕组100的任何空隙最小化。定子盖118安装在定子芯96上方并且例如通过焊接部120被固定在适当的位置，从而与定子体108一起密封定子绕组100和磁芯98并且避免可能发生的短路和所述浸没流体造成的化学侵蚀。当在加压流体中运行时，定子灌封物116可支撑由所述流体压力引起并且通过所述定子盖将其传递到所述定子的内部的应力。 [0045] 如果定子盖118是金属的，例如是导体，当所述磁转子转动时，其可能是形成涡流的来源。采用高电阻率金属(例如，INCONEL 718)构造定子盖118能够使涡流最小化。根据一个或多个实施例，定子盖118，尤其是定子面壁119由低磁导率材料构成并且尽可能薄，以确保来自于转子(即，磁封装体)的大多数磁通量透入到定子磁极102中。在使用中，定子面壁119被定向成朝向转子面94(图5)。 [0046] 图8示出了根据一个或多个实施例的组装好的电机12。成对的磁封装体68,168固定地连接成为转子46。转子46可旋转地设置在左定子50和右定子150之间。定子磁极102相对于轴48平行布置，也可以参照电机12的纵向轴线115布置。左定子50的定子磁极102与磁封装体68的磁极78轴向间隔开空隙122布置并且第二，或者图8右边的定子磁极102与磁封装体168的磁极78轴向间隔开空隙122。磁极78的环定向成垂直于轴线115。定子磁极102轴向并且垂直于磁极78的环77(图4)的平面延伸。 [0047] 参照图4、6和8，响应于转子46围绕轴线115的旋转，磁通量从磁封装体68的磁极78传递到定子50的定子磁极102中并且磁通量从第二磁封装体168的磁极78传递到定子150的定子磁极102中。例如，对于定子50和磁封装体68来说，磁通量从磁封装体68的一个磁极78传递到定子50的第一定子磁极102中并且到达定子芯的连续环97，然后所述磁通量通过定子50的相邻磁极102返回到第一磁封装体68。所述两个磁封装体68,168成角度布置。根据实施例，所述磁封装体的角度位置确保两个定子50,150的信号输出是同相的。在某些实施例中，希望在定子输出之间具有特定的相差。例如参照图4和5，所述特定的相差可能是由图示的键系统所施加的。定子50,150例如可以采用前面参照图2所描述的键控系统被布置和保持在期望的角相位。由于磁力仅仅越过转子面94和定子面119的薄的、高电阻率的壁，因此由于涡流引发的损失被最小化。涡流会导致磁耦合系统发生损失。 [0048] 如上面所述，电机12可被用作发电机或电动机。例如，当磁体79(图4)为永磁体时，电机12对应于同步电动机。在一个实例中，所述电机被用作DC无刷电动机。转子磁极的位置被追踪并且电流被控制进入三相绕组以确保在所述三相中的电流的合成磁通量与转子磁通量相差90度。凭借所述90度的磁通量定向，电机12输出高扭矩并且使感应效应最小化。 [0049] 图9示出了根据一个或多个实施例的可浸没电机12的一个实施例的横截面视图。将图1-8作为辅助参考，图中示出设置在管壳或钻铤126的轴向孔124中的包括两个转子、两个定子和两个空隙的机械部分5(例如，发电机或电动机部分)。在图示的实施例中，所述两个转子(即磁组件或封装体)被固定连接在转子结构46中。在运行中，钻铤126可以被连接在井系统10的管柱18内(图1)。在该实施例中，本体构件或扶正器128,228分别与定子50,150连接以使电机5在钻铤126和/或护套138中位于中心。布线互连结构114，例如电路板，可通过密封件146和本体构件与定子的连接实现与所述浸没流体密封隔离。例如，在定子50和本体构件128之间的左侧布线互连结构114处形成有大气腔148。当被操作的装置(例如MWD模块30)与右侧本体构件228连接时，右侧布线互连结构114处形成大气腔148。 [0050] 本体构件128,228包括连接或者接合壳126并且将电机12定位在轴向孔124中的连接器130。电机12可位于壳126的中心，例如使轴48与壳126的纵向轴线132同轴布置。电机12的纵向轴线115(图8)可以参照轴48的轴线进行描述。电输出，例如DC电压，可以沿着输出箭头142的方向从本体构件228输出到电操作装置，电力操作装置例如但不限于图1的MWD 30。 [0051] 机械部分5被连接在轴向孔124内，以形成驱动流体流动路径134(例如是一个环形通道)，流体42通过所述流动路径被引导流过涡轮66，驱动转子46中的磁封装体旋转。沿着驱动流体流动路径134流动的流体42由箭头136表示。根据一个或多个实施例，驱动流体流动路径134可以是仅仅流经机械部分5的流体流动路径。 [0052] 电机12可包括例如图9中所示的护套138。机械部分5设置在护套138的内部，从而形成介于护套138和机械部分5之间的驱动流体流动路径134，同时形成介于壳126和护套138的外直径之间的旁通通道140。一部分的流动流体42能够流动通过旁通通道140。在旁通通道140中的流动例如可以通过设置在旁通通道140中的限流器进行控制。 [0053] 图10示出了根据一个或多个实施例的电机12的一个实例的横截面视图。在该实施例中，多个机械部分5被轴向堆叠，相对于单个机械部分5的输出来说，提高了动力输出。在该实施例中，对每个机械部分的电力输出进行整流并且在整流后将多个机械部分5的输出加到一起。在所描绘的实施例中，布线互连结构114(例如印刷电路板)包括整流器144。在这种结构中，在多个机械部分5之间可能不需要机械对准。当机械部分5作为发电机运行时，每个部分5都可以使用将AC转换成DC的整流器144并且所述被整流的电力输出被汇总以产生单个更高的电能输出。当电机12被用作例如驱动独立的叶轮66的电动机时，机械部分5可以由电源35驱动(例如，参见图1,12-14)。 [0054] 图11示出了根据一个或多个实施例的电机的一个实例。在该实施例中，多个机械部分5被堆叠。每个机械部分5包括设置在转子46中的一对转子磁组件，转子46位于一对定子50,150之间。机械部分5的转子46通过轴48被相互连接，固定地附接以确保每个转子46被几何对正并且机械部分5的输出同相，从而允许将对应相的输出组合。在所描绘的实施例中，涡轮66(叶轮)被连接到轴48以响应于流体42流动通过驱动流体流动路径134而引发轴48和固定附接的转子46的旋转。参照图3，转子46包括两个固定附接的磁封装体68,168。在图11的实施例中，涡轮并没有被附接到转子组件的外部。 [0055] 图11所示的电机12例如通过从电源35(图1,12-14)向定子50,150提供电能而被作为电动机操作。在该实例中，机械部分5带动轴48旋转，这样能够使连接的操作装置，例如但不限于泵，进行旋转从而在管中产生流动。操作装置的其它非限制实例包括导向装置34(图1,14)的阀(例如，控制阀)或者MWD工具30的泥浆脉冲发电机。 [0056] 图12示出了根据一个或多个实施例的被用作电动机的电机12。电机12包括总体上用数字5标记的单个机械或电动机部分。电动机部分5包括通过轴48(例如，非旋转轴)支撑在所述装置中心上并且被包含在两个可旋转磁封装体68,168(即，转子)之间的定子250。所述转子磁封装体通过在图中被标示为管或套筒72的连接件被耦合到一起或者固定附连以同步旋转。径向轴承62支撑所述旋转元件。定子250可包括具有朝向第一转子磁封装体68的定子面的第一定子50和具有朝向第二转子磁封装体168的第二定子面的第二定子150。所描绘的电机12具有两个平面空隙122。 [0057] 在图12中，磁封装体68,168被连接到可旋转电动机输出轴154。输出轴154被连接到总体上由数字156标记的操作装置。操作装置156包括图1所示的井下工具，包括但不限于MWD工具30，LWD工具32，以及RSS 34。图中所示的轴48在大气腔148上被连接到电源(例如电源35)，由此将定子250连接到所述电源。所述转子和连接的输出轴154响应于施加给定子250的电能而旋转，由此操作操作装置156。所述电动机可以与转子位置传感器一起被操作。 例如，所描绘的传感器或探测器158被安装在所述定子的中心附近用于探测所述转子中的磁体(磁极)，例如磁封装体68。 [0058] 图13示出了根据一个或多个实施例的具有堆叠的电动机部分5的电机。每个电动机部分5包括具有设置在转子磁封装体68和转子磁封装体168之间的两个相反的定子面的定子250。所述电动机部分的每个转子通过连接件72相互连接以同步旋转并且所述转子被连接到输出轴154。通过堆叠电动机部分5，能够将更多的扭矩传递给输出轴154以驱动操作装置156。 [0059] 图14描绘出图13所示的电机12被连接到具有旋转阀160的操作装置156。参照图1作为辅助，操作装置156可以是旋转导向系统34。旋转阀160位于过滤器162内部并且被连接到输出轴154。例如由电源35提供给电动机部分5的定子的电能引发转子和连接的输出轴154的旋转，由此操作阀160使阀到达打开位置(例如致动图1所示的极板33)。流体42可以流动通过过滤器162并且流动通过打开的旋转阀160进入通道164用于致动例如RSS 34的极板 33(即，致动器)。 [0060] 参照图1-14，电机12被配置成浸没在可渗透或浸入例如位于所述转子和定子之间的间隙122(即，空隙)的区域以及例如围绕内部套筒74的区域(图3,8)的浸没流体12中。密封在定子体108中的定子绕组100和密封在保持器84中的磁组件88与浸没流体42不发生直接接触，仅仅通过压力接触。电机12提高了在侵蚀性流体，例如酸性和碱性流体和高颗粒流体，例如钻井和地层流体中运行的易维护性。例如，浸没流体中的颗粒可以通过离心力从空隙122中被排出。由于所述颗粒垂直于流体流动方向136，因此对空隙122中的磁性颗粒产生有限的磁引力。 [0061] 可浸没电机12的一个实例包括与第二转子磁封装体168轴向间隔开的第一转子磁封装体68，与第一磁封装体轴向间隔开第一空隙122的第一定子50和与第二磁封装体轴向间隔开第二间隙122的第二定子150。每个磁封装体68,168均可以形成被密封的转子。所述转子可以被固定地连接到一起。根据某些实施例，两个磁封装体被固定连接使得相应的磁极朝向相反方向以形成单个转子46。涡轮66，例如叶轮，与所述转子连接以响应于流体流经电机12而使所述转子相对于所述第一和第二定子旋转。例如，流体42沿着基本上平行于电机12的纵向轴线115的方向流经所述电机。根据一个或多个实施例，涡轮66与所述转子连接以响应于流体流动而促使所述转子相对于所述固定的定子发生旋转。根据一个或多个实施例，涡轮66通过到可旋转轴的连接被连接到所述转子上，从而促使所述轴和所述转子相对于所述固定的定子旋转。 [0062] 根据一个或多个实施例，所述磁组件包括设置或密封在保持器84中的多个磁极。所述保持器可形成转子面94。每个定子都可以是具有例如设置并且随具有定子面119的定子体108密封的定子芯96的被密封的定子。所述被密封的定子可以被灌封，例如被完全灌封，用于支撑或抵抗由于外部流体42的压力而施加于被密封的定子50,150,250的应力。空隙122位于相邻的转子面和定子面之间。根据一个或多个实施例，所述空隙定向成垂直于轴 48的轴线和所述电机的轴线。根据某些实施例，电机12包括成对的空隙122以确保由所述磁封装体产生的作用于所述定子的轴向力的轴向平衡。这样可以保证施加于止推轴承64上的轴向负载最小并且减小摩擦扭矩。 [0063] 根据一个或多个实施例的方法，包括：使用具有与第二磁组件88轴向间隔开的第一磁组件88、与所述第一磁组件轴向间隔开第一空隙122的第一定子50以及与所述第二磁组件轴向间隔开第二空隙的第二定子150的电机12，以及响应于流体轴向流经所述电机而相对于所述定子旋转所述磁组件。响应于所述磁组件的旋转，可产生电能并且所述电能被传导给操作装置，所述操作装置例如是但不限于操作装置156,30,32,34,38和40。通过为所述定子提供电能并且旋转与所述磁组件耦合的输出轴154，电机12作为电动机被驱动。输出轴的旋转可以操作旋转机械负载，例如旋转阀160(图14)，MWD工具30调节器，或者其它操作装置156，例如叶轮，用于在管(例如，钻铤，钻柱)中或者致动装置内产生流体移动。 [0064] 根据一个或多个实施例，井系统10包括位于井眼24中的操作装置和部署在所述井眼中并且功能性地连接到所述操作装置的电机12。根据一个或多个实施例，电机12包括与第二磁封装体轴向间隔开的第一磁封装体，其中，第一和第二磁封装体中的每一个均包括布置在垂直于所述电机的纵向轴线的圆环中的磁极。第一定子50与所述第一磁封装体轴向间隔开第一空隙122，所述第一定子包括设置在具有第一定子面119的定子体108中的定子芯96。第二定子或定子部分150与第二磁封装体轴向间隔开第二空隙，所述第二定子具有设置在具有第二定子面的定子体中的定子芯。所述第一和第二磁封装体(即转子)例如通过诸如套筒72或轴48的连接件被固定连接。涡轮或叶轮可被连接到所述磁封装体以响应于流体42沿着平行于所述纵向轴线的方向流经所述电机而引发所述磁封装体相对于所述定子的旋转。所述磁封装体可响应于施加给所述定子的电能而被旋转。 [0065] 根据一个或多个实施例的电机12允许定子50,150的三相从外部绕线并且分别允许串联/并联连接。所述定子之间的连接可以被切换以使得所述定子可以串联或并联供电。所述定子之间的连接可以被切换以使得所述定子可以串联地供电或者采用单个定子而另一个定子没有被连接到所述输出负载进行供电。当从串联切换到并联以及从并联切换到串联时会产生滞后现象。定子输出的组合可以在对每个定子执行DC整流之后进行。定子间的对应相的输出可以以预定相移相以减少整流后的纹波。例如，定子之间的相差为60度。所述定子间的机械对准或相可以通过轴端部上的轴向键系统被强加。第一和第二磁组件可以通过所述磁组件之间的内部键系统被对齐或者以特定的机械相组装。 [0066] 上述内容描述出可浸没电机和方法的几种实施例的特征以使得本领域技术人员能够更好地理解本公开的各个方面。本领域技术人员应该意识到他们/她们可以容易地使用本公开作为设计或修正其它用于执行相同目的和/或获得这里提出的实施例的相同优点的工艺和结构。本领域技术人员还应该意识到这些等同结构并没有脱离本公开的精神和范围，并且他们/她们在这里可以做出各种修改，替代和变化而不会脱离本公开的精神和范围。本发明的范围应该仅由后面的权利要求的用语限定。权利要求中的用词“包括”被用于表示“至少包含”以使得在权利要求中所列出的元件清单为一个开放的组。用词“一个”以及其它单数用词用语包含其复数形式，除非特别地排除在外。 |
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