CN101243600B - 无电刷电动机换向及控制 - Google Patents
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Abstract
一种用于无电刷电动机的换向装置，具有配备多个线圈的定子和配备永久磁体组件的转子。该换向装置包括：可旋转的换向器轴，离散地安装在轴周围的两个或多个导电环，和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，用于将电源可旋转地跨接在成对导电环上。另外设置多个电负载触点，用于将导电段顺序地、可旋转地连接至无电刷电动机的离散线圈上。在换向装置的特定实施例中，使用磁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，且设置经受压力的容器以可旋转地支撑其中的换向器轴和耦合器。
Description
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。
电触点的数目不受无电刷电动机的电极数目的限制。在特定实施例中，无电刷电动机可以是具有带有两个导电段的换向装置的两极电动机。根据本发明，本领域技术人员可以理解，其他构型也适合于建立想要的旋转电触点。因此，根据变量，例如工具或系统中可允许的空间，本发明的换向装置可以配有不同数目的导电段。例如，尽管对于四极电动机有利地可以采用四个导电段，但特定的实施例对于四极电动机可采用十二个导电段，因为只不过是尺寸的限制而已。
换向装置可包括离散地安装在换向轴周围的两个导电环，和围绕换向器轴离散地安装在沿着或靠近与换向器轴垂直相交的平面的交错位置处的两个导电段。每一个导电段电连接到一个导电环。采用两个电源触点以将电源可旋转地跨接在导电环上。采用六个电负载触点以将两个导电段顺序地、可旋转地连接到无电刷电动机的两个离散的线圈。
除其它实施例以外，通过进一步的实例，换向装置可使用安装在换向器轴周围的五个导电环，和四组围绕换向器轴安装在沿着或靠近与换向器轴垂直相交的相应平面的交错位置处的四个导电段。每一个导电段电连接到一个导电环。可采用十二个电源触点以将电源可旋转地跨接在成对导电环上，且可采用十二个电负载触点以顺序地、可旋转地连接成对导电段到无电刷电动机的两个或多个离散的线圈。
在另一方面，本发明提供一种换向DC电动机组件，包括具有配备多个线圈的定子和配备永久磁体组件的转子的无电刷电动机。换向器轴与转子轴向对准地可旋转地安装。两个或多个导电环离散地安装在换向器轴周围，且两个或多个导电段围绕换向器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处。每一个导电段电连接到一个导电环。采用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。采用多个电负载触点以顺序地、可旋转地连接导电段到无电刷电动机的离散线圈。还采用组件以将无电刷电动机的转子可旋转地耦合到换向器轴上。耦合组件可包括分别由换向器轴和无电刷电动机承载的互补磁耦合元件。
换向DC电动机组件的特定实施例还包括容器，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。电源触点可以包括围绕换向器轴安装在容器以内的弹簧加载电刷，用于建立与各个导电环的连续导电连接。类似地，电负载触点可以包括围绕换向器轴安装在容器以内的弹簧加载电刷，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。
在另一方面，本发明提供一种用于使无电刷电动机换向的方法，该无电刷电动机具有配备多个线圈的定子和配备永久磁体组件的转子。该方法包括以下步骤：横跨可旋转换向器轴的离散地安装的两个或多个导电环施加电流源，其中导电环具有电连接到其上的两个或多个导电段。换向器轴可旋转地耦合到无电刷电动机的转子。导电段通过换向器轴的旋转顺序地连接到无电刷电动机的离散线圈，以便顺序地给定子的线圈通电。换向器轴可以通过互补磁耦合元件可旋转地耦合到无电刷电动机的转子。导电段可以通过将换向器轴可旋转地支撑在容器内而顺序地连接到无电刷电动机的离散线圈，该容器具有电连接到定子的线圈的电负载触点的外围布置。
附图说明
为了使本发明的以上叙述的特征和优点能够更详细地被理解，可以参考其实施例更具体的说明以上简要地概括的本发明，这些实施例图解于附图中。不过，需要指出的是，附图仅描绘了本发明的典型实施例，因此不应被认为是对其范围的限定，因为本发明可以允许其他等同的有效实施例。
图1是常规的有刷DC电动机的示意图。
图2A-2B示意性地表示图1所示的有刷DC电动机的工作原理。
图3A-3B示意性地表示简单电路中的交流电的产生。
图3C-3D表示对于对应的3A-3B的等效电路图。
图4A-4F是通过无电刷电动机的定子的线圈绕组(“线圈”)的顺序电流流程图。
图5是使用反相器的常规电子换向装置的示意图。
图6是采用霍耳(Hall)传感器来补充类似于图5所示的电子换向装置的常规无电刷电动机的示意图。
图7是根据本发明采用换向器轴的机械换向器的一个实施例的示意图。
图8是图7所示换向器的导电环和导电段的详细透视图。
图9是其中图7所示的换向器利用磁耦合器可旋转地耦合到无电刷电动机的组件的示意图。
图10是图9所示的换向器-电动机组件的示意图，其中导电环和导电段表示成从换向器轴“展开”。
图11是与图7和9中使用的换向器轴相比较的可选换向器轴的透视图。
图12是补充图11所示的换向器轴的换向器外壳的透视图。
图13是沿图12的剖面线13-13剖开的换向器外壳的横截面图。
图14是图11所示的换向轴的导电环和导电段的示意图，表示成从轴“展开”，并且示出图12所示的换向器外壳的电源电刷和电负载(定子线圈)电刷的重叠位置。
具体实施方式
为了理解本发明，概括有刷DC电动机的工作理论是有益的。图1表示描绘有刷DC电动机的工组原理和它的组成部分的主要功能的简化图。该简化图表示两个固定的电触点，比如电刷b1和b2，连接到供应电流ia的电流源。电刷b1，b2紧靠着相应的半圆柱形换向器段s1和s2。图1还描绘了线圈绕组(“线圈”)，标注为1-1b-1’，连接到段s1和s2并置于由简单标注为N，S的永久磁体产生的磁场φf中。
图2A-2B以顺序端面图表示图1所示的电动机，以表明电动机的运行。在图2A所示的位置中，电流将从电流源ia通入电刷b1和段s1进入线圈的侧1，然后返回通过侧1’和段s2以及电刷b2。由于在置于磁场(场φf)中的导体(即，线圈)中通过电流的原因，线圈上将会产生力。线圈的每一侧，1和1’，然后将具有所产生的在方向上与另一侧的力相反的力。两个反向力的存在将会产生转矩Tem，其继而导致转子R如ωm所示地旋转。
图2B表示转子R旋转到新的状态，这是由在左边(参见图2A)的侧1中流动的正电流和施加到转子上的对应转矩产生的。于是，侧1’(在图2A中的右边)现在在图2B中的左边并运送着正电流。从而，电刷b1和b2用作在适当的绕组(即，线圈侧1，1’)中翻转电流的装置。
图3A一3B表示应用电刷以在简单的R-L负载中产生交流电的例子。这些图补充了无电刷电动机的运作的以上概括，以使读者完全理解本发明。图3A表示两个半圆形段10，12，在它们之间具有小的绝缘层11。每一个段10，12的顶部(外表面)是导电的。固定电刷14，16，18，20以特定的格局置于这些段周围。图3A所示的系统的等效电路表示在图3C中，其中R-L负载和电源以特定的构型连接，因为电刷以及它们与段的导电表面接触的缘故。如果半圆形段10，12如图3B所示地旋转90°，将会产生另一种等效电路(参见图3D)。电刷的几何形状结合段的旋转，成为了电路的切换装置。在这种情况下的段的旋转手段没有充分解释。因为这是简单的R-L负载，旋转需要利用外部装置来施加。
图4A-4F表示常规的无电刷DC电动机中产生连续转矩所需的电流流程，以定子线圈绕组(“线圈”)A，B，C表示。可见在每一时刻电流将在两个端子之间或两个相(线圈)之间流动，跟随着一系列电流切换事件，以便给不同的端子/相对加电。这样，进行图4A至4F所示的切换顺序，以便给如下的定子线圈对通电：AC，AB，CB，CA，BA，BC。如果电流以这些模式顺序地流动，那么转矩将会在电动机中连续地产生，且电动机的转子将会发生连续的旋转。
该选择性的电流切换常规地利用图5中示意性地表示的电子反相器完成，其中使用霍耳传感器Hall A，Hall B，Hall C来指示图4A-4F所示的六个电流路线的每一个的开始和结束。控制器发送恰当的信号至IGBT驱动器，以将适当的定子相A，B，C连接到DC轨道，从而推动电流进入想要的相。
图6是常规的无电刷电动机M的示意图，该电动机具有分布在可旋转的转子R周围的三个定子线圈SC。转子驱动霍耳传感器磁体HSM进入/通过被类似图5所示的电子换向器的霍耳传感器(A，B，C)检测的位置。
本发明的目的是消除对于这种电子三相转换的需要。在应用中可能需要恒定的速度或者其中速度能够仅仅通过改变输入DC电压来改变。
图7是根据本发明的机械换向器710的一个实施例的示意图，也称为换向装置。该换向装置710包括所安装的换向器轴712，其用来在适于经受井底应用的压力和温度的外壳或容器714内旋转。这种容器可以充气(与油相反，例如)作为利用无电刷电动机的井底工具的一部分。轴712由以716表示的轴承组件支撑，其包括径向和/或止推轴承，如本领域所公知的那样。
耦合元件，尤其是磁耦合组件的元件740，由换向器轴712承载，以将换向器轴可旋转地耦合到从动无电刷电动机(图7中未示出)的转子。于是，磁耦合元件740可用来以下面说明的方式补充由无电刷电动机的转子承载的对应磁耦合元件。可以理解的是，元件740可以类似或相同于先前为霍耳感测(参见图6中的霍耳磁体HSM)所使用的那种。
现在参考图7和8，两个或多个导电条或环718离散地安装在轴712周围，从而在导电环718之间没有电接触。这样，可以在环718之间设置绝缘材料(参见图8中的材料部分719)，或轴712的外表面可以是不导电的，如本领域公知的那样。可以理解的是，导电环可以以不同的数量和按照不同的导电图案来实施(其他条构型在下文说明)，以为根据本发明的无电刷电动机的机械换向而被提供。
两个导电段720围绕轴712离散地安装在沿着或靠近与轴712垂直相交的平面(参见图7的平面P)相隔180°的交错位置处。每一个导电段720电连接到一个导电环718。
两个或多个电源触点，尤其是电刷722，设置用来将电源PS(例如，电池组或其他电源)跨接在成对导电环720上。导线726从电源延伸到安装在容器714的外表面上的拾取器724。导线727从拾取器724延伸到电刷722，该电刷由弹簧728弹簧加载、以确保在电刷722和导电环718之间的接触。
现在参考图7和10，还设置多个电负载触点，尤其是六个电刷730(在图7中仅表示出两个)，以将导电段720顺序地、可旋转地连接到从动无电刷电动机900的离散的定子线圈SC(在图10中分别由A，B，C表示)。导线732从安装在容器714的外表面上的拾取器734延伸到定子线圈SC。导线736从拾取器734延伸到电刷730，这些电刷由弹簧738弹簧加载、以确保在电刷730和导电段720之间的接触。在该方式中，每一个导电段720通过容器714和导线、拾取器以及电刷系统连接到电源PS的对应端子(+或-)。容器714提供用于定位电源和负载电刷722，730的装置。因此，通过参考图10(以下进一步说明)，在任何时刻两个负载电刷730连接到两个导电段720上，从而选择性地将电源端子连接到从动无电刷电动机的特定定子线圈SC上。
图9是其中图7所示的换向器710利用磁耦合组件902可旋转地耦合到无电刷电动机900的组件的示意图。在一个实施例中，换向器710采用在容器714内的空气中绝缘的旋转环/段和电刷组件，如上所述。无电刷电动机900具有配备多个线圈SC的定子910和配备永久磁体组件(以磁极N，S表示)的转子912。换向器轴712通过容器714与转子912和连接到转子的轴920轴向对准地可旋转地被承载。磁耦合组件902将无电刷电动机的转子轴920可旋转地耦合到换向器轴712。耦合组件902可包括分别由换向器轴712和转子轴920承载的互补的磁耦合元件740，940(参见相反的磁极N，S)。不过，可以理解的是，换向器710的电刷和旋转环/段组件可与此不同地和电动机900位于共用容器中，在这种情况下换向器轴712可以机械地连接到转子轴920而不需要磁耦合。
在上面简要说明过的图10是图9所示的换向器-电动机组件的配线图，其中导电环718和导电段720表示为从换向器轴712“展开”。在所示的位置中，电源PS的正端子经由特定的拾取器724a连接到特定的导电环718a。从环718a延伸的导电段720a连接到导线c-c，因为弧段720a与负载电刷730e在导线c-c的一个端部处对准。导线c-c是延伸穿过容器714的在换向装置710和电动机900之间的壁的三个导线中的一个(其他的为导线a-a和b-b)。导线以这样的方式(例如，封装密封)延伸穿过容器壁：所述方式确保容器714的压力承受特性，如本领域所公知的那样。导线c-c电连接到定子线圈C，该线圈还连接到定子910内的线圈A和B。定子线圈A还连接到导线a-a，该导线终止在电刷730b中的一个端部处。电刷730b与导电段720b对准，该导电段连接到导电条718b。条718b继而通过拾取器724b连接到电源PS的负端子。在该方式下，当换向器段720如图10所示地定位时，来自电源PS的电流将流过定子线圈C和A。
这种不平衡的电流(线圈B没有通电)在通电线圈C和A与转子912之间产生了转矩，导致转子912和所连接的轴920旋转。轴920具有连接到磁耦合元件940的第一端920a，该元件邻近换向器的磁耦合元件740设置。施加到转子912的转矩从而引起了电动机轴920和换向器轴712的等效旋转。在转矩从电动机轴920传输到换向器轴712的过程中损失很小，因为损失的部分限于轴承损耗、由于电刷摩擦导电段产生的摩擦、以及电刷中的电力损耗。
换向器轴712的耦合感应旋转致使导电段720a，720b与另一对负载电刷730接合，由此给线圈C和B通电，并产生另外的转矩和轴920，712的旋转。在将换向器导电环718跨接在电源PS上的同时，给成对定子线圈通电、产生转矩以及使输出轴旋转的这种循环连续地重复。因此，在换向器710与转子912磁(或机械)接合以完成换向功能的同时，该换向器与定子910电接合。据此，定子线圈将根据以下顺序被激励：CA，CB，AB，AC，BC，BA(其中第一线圈连接到电源PS的正端子而第二线圈连接到电源PS的负端子)。
图11是与图7和9中采用的换向器轴相比可选的换向器轴1112的透视图。图12-13是补充图11所示的换向器轴1112的圆柱形换向器外壳1114的透视图和横截面图。换向器轴1112安装成在容器1114内旋转，该容器优选地适于经受井底应用的压力和温度。如在上述容器714的情况下一样，容器1114能够充气(与油相对地，例如)作为利用无电刷电动机的井底工具的一部分。轴1112由包括如本领域所公知的径向和/或止推轴承的轴承组件(未示出)支撑。该轴也可以以类似于上述磁耦合元件740的方式配备有磁耦合元件(未示出)。
容器1114还在轴1112周围被配备用于支撑多个电源和负载触点，尤其是电刷(当轴位于容器内时)。现在参考图13，十二个电刷载体1301-1302分布在容器1114的内圆柱形边界1 320周围，以便使所承载的电刷与换向器轴1112物理接触。电刷载体1301-1312这样分布：使得三个一组的四组电刷载体中的每一组至少部分地与四个相应绝缘环1119对准(下面所述)。电刷载体1303，1307，1311在图13中表示成基本上通过相应的承载臂13 13，13 17，1321被承载在共同的平面内，尽管一个臂1317和其电刷载体1307稍微凹进通道1330中，这样布置的原因会通过后面的说明而变得清楚。
图14是图11所示的换向轴的导电环和导电段的示意图，示出为从轴“展开”，并且表示出图12-13的换向器外壳的电源电刷和电负载(定子线圈)电刷的重叠位置。五个导电条或环1118a-e离散地安装在轴1112周围。导电环通过绝缘环1119这样分离：使得导电环之间没有电接触。可以理解的是，导电环可以以不同于本文所述的不同数目和不同导电图案来实施，以实现无电刷电动机的机械换向。
十六个导电段1120a1-2，1120b1-4，1120c1-4，1120d1-4和1120e1-2离散地安装在轴1112的周围并布置在沿着或靠近与轴1112垂直相交的四个相应平面(参见图14中的平面P1-P4)相隔90°的交错位置。每一个导电段电连接到一个导电环。
设置十二个电源触点，尤其是电刷，以将电源(未示出)可旋转地跨接在成对导电环上。另外设置十二个电负载触点，尤其是电刷，以将导电段顺序地、可旋转地连接到从动无电刷电动机900(参见10)的离散的定子线圈A，B，C。为了便利和效率，电源电刷和负载电刷在容器1114内安装在十二个离散的电刷载体1301-1312中，如上所述。于是，例如，如图14特别地表示，一个电源电刷1305d与负载电刷1305a安装在电刷载体1305中，尽管这两个电刷彼此电绝缘(在载体内没有交叉导电)。
图11-14所示的换向器-电动机组件还以类似于上述参考图7-10的实施例的方式采用导线、拾取器等，从而使十二个负载电刷的每一个都电连接到电动机900(参见图10)的三个定子线圈A，B，C中的一个。在任何时刻，导电环1118x的导电段1120x中的一个与负载电刷中的一个相接触，从而将电源端子选择性地连接到从动无电刷电动机900的两个特定的定子线圈。
更具体地，在图14所示的换向器位置中，导电环1118a，1118c和1118e每一个都连接到电源(未示出)的正端子，而导电环1118b和1118d每一个都连接到电源的负端子。连接到导电环1118a的导电段(1120a1-2)中任一个都不与一个负载电刷相接触，从而在这个时刻不使用环1118a来给任何定子线圈通电。导电环1118b具有连接到其上的四个导电段(1120b1-4)，且这些段中的一个，段1120b1，与负载电刷1309c相接触。负载电刷1309c(连同另一个“c”负载电刷)连接到电动机900的定子线圈C，从而使电源的负端子与定子线圈C电连接。导电环1118c具有连接到其上的四个导电段(1120c1-4)，并且这些段中的一个，段1120c3，与负载电刷1312a相接触。负载电刷1312a(连同另一个“a”负载电刷)连接到电动机900的定子线圈A，从而使电源的正端子与定子线圈A电连接。由此，定子线圈C和A被通电，使得转矩经由磁耦合组件(未示出)以类似于上述方式施加到转子912和换向器轴1112上。
导电环1118d具有连接到其上的四个导电段(1120d1-4)，且这些段中的一个，弧段1120d3，与负载电刷1303c相接触。负载电刷1303c(如另一个“c”负载电刷)连接到电动机900的定子线圈C，从而(也)使电源的负端子与定子线圈C电连接。导电环1118e具有连接到其上的两个导电段(1120e1-2)，并且这些段中的一个，段1120e1，与负载电刷1306a相接触。负载电刷1306a(如另一个“a”负载电刷)连接到电动机900的定子线圈A，从而(也)使电源的正端子与定子线圈A电连接。由此，定子线圈C和A被进一步通电，主要是为了冗余。
本领域技术人员可以理解的是，在任一种情况下五个导电环1118a-e中的四个将会每一个都与一个或多个电源电刷相接触，以便将两个环连接到电源的正端子，以及两个环连接到电源的负端子。附着在四个通电导电环上的导电段将会(冗余地)与对应于电动机900的三个定子线圈中的两个的负载电刷相接触。线圈将会根据以下顺序通电：AC(如上所述)，BC，BA，CA，CB，AB(其中第一线圈连接到电源PS的正端子而第二线圈连接到负端子)。
电触点的数量不被无电刷电动机的极数所限制。一个实施例包括具有换向装置的两极无电刷电动机(如电动机900)，该换向装置具有两个导电段。不过，根据变量(比如工具或系统中可获得的空间)，本发明的换向装置可配备不同数目的导电段。例如，尽管有利地对于四极电动机可使用四个导电段，但特定实施例可以针对四极电动机采用十二个段，只不过受到尺寸的限制而已。其他合适的从动电动机构型对于本领域技术人员而言是显而易见的。此外，可操作地连接多个换向器来驱动单个电动机。
进一步可以理解的是，本文所述的换向器和换向器-电动机组件对于需要无电刷电动机的各种井底应用(包括高温和高压条件)是实用的。
通过前面的描述可以理解的是，可以对本发明的优选和可选实施例做不同的其他修改和变更，而不会脱离本发明的真正范围。因此，例如，虽然本文所述的电刷用作电源和负载触点，但本发明不限于此。其他电触点方案对于本领域技术人员而言是显而易见的。
本说明书仅用于解释说明的目的而不应认为是限定性的。本发明的范围应该仅由随后的权利要求的语言来确定。权利要求中的术语“包含”意为“至少包括”，从而权利要求中的要素列表是开放式的组。类似地，术语“包含”，“具有”和“包括”意为要素开放式的组。“一”和其他单数的术语意为包括其复数形式，除非特别排除以外。
Claims (17)
1.一种用于无电刷电动机的换向装置，所述无电刷电动机具有配备多个离散线圈的定子和配备永久磁体组件的转子，该换向装置包括：
可旋转的换向器轴；
离散地安装在轴周围的五个导电环；
围绕该轴离散地安装并且分别安装在沿着或靠近与该轴垂直相交的四个相应平面内的四组导电段，每组导电段包括四个导电段且四个导电段设置在相应平面内的交错位置处，每一个导电段电连接到一个导电环；
十二个电源触点，用于将电源可旋转地跨接在成对导电环上；和
十二个电负载触点，用于将导电段顺序地、可旋转地连接至无电刷电动机的两个或多个离散线圈上。
2.根据权利要求1的换向装置，还包括至少部分地由换向器轴支撑的耦合器，用于将换向器轴可旋转地耦合到无电刷电动机的转子上。
3.根据权利要求2的换向装置，其中耦合器包括由换向器轴承载的磁耦合元件，该磁耦合元件与由无电刷电动机的转子承载的磁耦合元件互补。
4.根据权利要求2的换向装置，还包括用于可旋转地支撑其中的换向器轴和耦合器的容器。
5.根据权利要求4的换向装置，其中容器适于经受穿透地下地层的井孔中的井底流体压力。
6.根据权利要求4的换向装置，其中电源触点包括在容器内围绕换向器轴安装的弹簧加载电刷，用于建立与相应的导电环的连续电连接。
7.根据权利要求4的换向装置，其中电负载触点包括在容器内围绕换向器轴安装的弹簧加载电刷，用于建立与沿着或靠近所述平面的分别与弹簧加载电刷对应的导电段之间的交错电连接。
8.根据权利要求1的换向装置，其中无电刷电动机是两极电动机。
9.根据权利要求1的换向装置，其中无电刷电动机是四极电动机。
10.一种换向的DC电动机组件，包括：
无电刷电动机，其具有配备多个离散线圈的定子和配备永久磁体组件的转子；
与转子轴向对准地、可旋转地安装的换向器轴；
离散地安装在换向器轴周围的五个导电环；
围绕该换向器轴离散地安装并且分别安装在沿着或靠近与该轴垂直相交的四个相应平面内的四组导电段，每组导电段包括四个导电段且四个导电段设置在相应平面内的交错位置处，每一个导电段电连接到一个导电环；
十二个电源触点，用以将电源可旋转地跨接在成对导电环上；
十二个电负载触点，以将导电段顺序地、可旋转地连接至无电刷电动机的两个或多个离散线圈上；以及
用于将无电刷电动机的转子可旋转地耦合到换向器轴的耦合器。
11.根据权利要求10的组件，其中所述用于将无电刷电动机的转子可旋转地耦合到换向器轴的耦合器包括分别由换向器轴和无电刷电动机的转子承载的互补磁耦合元件。
12.根据权利要求10的组件，还包括用于可旋转地支撑其中的换向器轴和耦合器的容器。
13.根据权利要求12的组件，其中容器适用于经受穿透地下地层的井孔内的井底流体压力。
14.根据权利要求12的组件，其中电源触点包括在容器内安装在换向器轴周围的弹簧加载电刷，用于建立与相应导电环的连续电连接。
15.根据权利要求12的组件，其中电负载触点包括在容器内围绕换向器轴安装的弹簧加载电刷，用于建立与沿着或靠近所述平面的分别与弹簧加载电刷对应的导电段之间的交错电连接。
16.根据权利要求10的组件，其中无电刷电动机是两极电动机。
17.根据权利要求10的组件，其中无电刷电动机是四极电动机。
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