CN103427587B - 一种大推力圆筒型直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大推力圆筒形直线电机，包括定子壳、定子及动子，在定子壳内同轴固装定子，在定子内腔同轴滑动安装动子，所述定子包括硅钢片及绕组，硅钢片与绕组间隔排列并固装在定子壳上；所述动子包括动子轴、永磁体及导磁环，永磁体与导磁环均布间隔排列在动子轴上，其特征在于：所述动子轴采用中空的软磁材料制作，动子外同轴套有一铜管；所述定子由绕组与硅钢片间隔固装而成，绕组及硅钢片与动子的永磁体及导磁环相对应设置。本发明设计巧妙、结构合理、启动力大、密封性好、运行可靠。

Description

一种大推力圆筒型直线电机

技术领域

本发明属于电机领域，涉及直线电机，尤其是一种大推力圆筒形直线电机。

技术背景

目前，在我国的大部分油田，采油设备的能耗已占油田总能耗的1/3左右，出现了高能耗、低产出的现象，电费支出惊人。原因是油田抽油机负载是独具特点的时变负载，有动静负载特性之分。抽油机运行的启动初始状态包括抽油机光杆运动克服的各接触面的静摩擦力、平衡快的储能等，这要求拖动电机的启动力矩是抽油机实际负载力矩的3-4倍，甚至更大，而启动力矩是抽油机选配电机的重要依据。

目前油田用电动机的节能方法主要有两个：一是通过改变电源或进行结构设计上的改进来改变油田用电机的外机械特性，从而改变电机与抽油机的系统配合，提高系统效率，达到节能的目的；二是通过提高电动机的负荷率、功率因数提高电机本身的效率来实现节能。此外，通过对抽油机加装超越离合器、为游梁式抽油机配置弹簧等方法实现节能。目前主要采用高转差(或超高转差)电动机、可控硅调压、变频调速电动机、永磁同步电机、大起动力矩多速电动机等。此外，在采用绕线式异步电机、Ｙ/Δ转换电动机、节能蓄能器等实现节能方面也做了大量的研究工作。

实测结果表明，在我国超高转差电机节电只在轻载30%以下负载时有节电效果，因为超高转差电机的节电，首先对象必须是振动载荷比较大的井（在美国超高转差电机节电率20%，因为其油井的振动载荷惯性载荷都较大），其次，电机的转差率要适度，不可过高。而近些年采油工艺的发展日趋大冲程、低冲次，这种工艺本身就最大限度的减少惯性载荷和振动载荷。现在油井的冲次已降到4-6次，超高转差电机的应用范围大大减少。可控硅调压减少了铁损耗和无功电流损耗，但由此而产生的高次谐波不仅给电网带来污染，而且降低了电机的使用寿命。

我国常用的机械采油系统有杆式泵系统、潜油电泵系统、水力活塞泵系统、螺杆泵系统及气举系统，而应用最广泛的是杆式泵系统。世界上80%以上都是杆式抽油泵系统，而又以游梁式居多，因其以结构简单、制造容易、价格低廉为优势。但游梁式抽油机由于传动部件多、机械损耗大而降低了系统效率。

以上提到的努力都是在原有的游梁式抽油机的基础上实施的改良。因而，这些方法不能摆脱其固有的缺点。这些损耗都是由电机的转动变成上下往复运动造成的。而近年来飞速发展的直线式电机正是克服这一缺点的重要动力设备，这是一种直接将电能转换成直线运动的电机，中间无需转换机构。

现有的直线电磁抽油机的总体结构由机架、横梁、平衡重物、滚轮、钢丝绳、大推力直线电机及其驱动控制系统等几部分组成，在该系统中仍然利用平衡重物的升降来改变位能在系统内部的分配以实现平衡，从而使直线电机在上、下冲程里的推力幅值的变化幅度减小，也就是通过选择适当的平衡重使抽油杆自重升降所消耗的能量减少到最小值，这样就提高了系统的稳定性和效率。此外，针对目前世界上大量使用的游梁式抽油机，也可以在原有的基础上进行改造，即采用直线电机进行驱动，而保留原来的旋转平衡方式和游梁、驴头等机构。用电磁力直线驱动抽油杆柱上下往复运动的电磁抽油机，不需旋转电机、减速器和四连杆机构等。这种电磁抽油机具有结构更简单、效率较高、成本更低等优良特性，其仍在井上安装。

此外，稀土永磁直线同步电动机起动较为困难，在工作中将被置于井下，其工作环境较为恶劣，其密封和防爆等需要解决；另外，井下的工作环境温度大约100℃，所以设计的电机必须符合这样的工作环境，以保证系统的可靠运行；井下空间非常有限，在设计中电机本身的尺寸要小，有效提高电机单位体积的功率密度，将使得从而使其用于井下工作成为可能。

通过检索，尚未发现与本发明申请相同或者相近的的公开专利文献。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种设计巧妙、结构合理、启动力大、密封性好、运行可靠的大推力圆筒形直线电机。

本发明实现目的的技术方案是：

一种大推力圆筒形直线电机，包括定子壳、定子及动子，在定子壳内同轴固装定子，在定子内腔同轴滑动安装动子，所述定子包括硅钢片及绕组，硅钢片与绕组间隔排列并固装在定子壳上；所述动子包括动子轴、永磁体及导磁环，永磁体与导磁环均布间隔排列在动子轴上，其特征在于：所述动子轴采用中空的软磁材料制作，动子外同轴套有一铜管；所述定子由绕组与硅钢片间隔固装而成，绕组及硅钢片与动子的永磁体及导磁环相对应设置。

而且，所述动子轴上均布间隔固装的永磁体及导磁环采用分数槽动磁式结构，三个导磁环为一导磁组，每三组导磁环形成一导磁节，每个导磁节之间的导磁环之间在动子轴上同轴套装一非导磁过渡环，在每一非导磁过渡环与相邻的导磁环之间根据需要安装调整环，七个导磁节相互串联构成整个动子的导磁部分。

而且，所述定子的三个绕组构成一节电枢，三个单节电枢构成一电机组，每个电机组的硅钢片之间同轴安装有一轴承座，该轴承座的两侧固装有绝缘垫板，轴承座同轴内套有一直线轴承，七个电机组相互串联组成42个绕组，由此构成整个直线电机的电枢部分。

而且，所述定子的每一绕组与定子壳之间均外套有一外绝缘，每一绕组内套有一内绝缘，相邻的绕组之间通过绝缘层固装硅钢片。

而且，所述铜管的外缘表面及直线轴承的内缘表面均相应镀有金刚石或者其他硬质涂料。

而且，在动子轴的后部制有一进油孔，以使动子及与定子之间构成冷却循环油路。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明采用分数槽结构（9槽10极）即与定子槽配合的动磁式结构，导磁环与永磁体之间间隔安装，稀土永磁体的退磁曲线呈线性,无须进行稳定处理,抗去磁能力强,适于在具有较强去磁的动态条件下工作。

2、本发明的定子由绕组与硅钢片间隔固装而成，与动子的动磁式结构相对应，三个单节电枢构成一电机组，定子的每节电枢之间采用钢带进行轴向固定，使得硅钢片之间的间隙固定、定子轭磁密减小，减少发热，同时有利于电机轴向尺寸的稳定。

3、本发明的动子与定子相对应准确设置，以电机组为一节点，并与动子的永磁体相对应，如在轴向上有偏差，则用动子的调整环予以补偿。

4、本发明的七组电机串联为一节，共六节，为42个电机组，每节之间安装有直线轴承；定子的相邻硅钢片之间的绕组上内壁安装有绝缘层，可有效保持密封隔离，轴向定位。

5、本发明的动子轴采用中空的软磁材料制作，动子永磁体外同轴套有铜管，单位体积的出力较大，同时也提高了启动力；通过改变直线电机定子与动子相对长度的方法来调整直线电磁抽油机的最大冲程，符合抽油机向长冲程、低冲次方向发展的趋势。

6、本发明在动子及与定子之间构成冷却循环油路，有利于减小动定子之间的摩擦力，有利于发散电机产生的热量；动子表面以特殊硬质工艺镀层，可有效提高动子的耐磨性能和寿命；直线电机无专用励磁绕组,结构简单,节省了用铜量,降低了能耗,提高了效率和可靠性。

附图说明

图1为本发明的结构剖视主视图；

图2为图1的定子的结构剖视图；

图3为图1的动子的结构剖视图；

图4为图2的A部结构放大示意图；

图5为图3的B部结构放大示意图。

具体实施例

下面结合附图、通过具体实施例对本发明进行进一步详述。需要说明的是，本实施例是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种大推力圆筒形直线电机，包括定子壳3、底端堵1、橡胶顶头2、定子及动子，在定子壳一端同轴固装底端堵，在定子壳内的底端堵上同轴固装橡胶顶头，在定子壳内同轴固装定子，在定子内腔同轴滑动安装动子。所述定子包括硅钢片6及绕组5，硅钢片与绕组间隔排列并通过上端环4、下端环10固装在定子壳上；所述动子包括动子轴8、永磁体12及导磁环13，永磁体与导磁环均布间隔排列在动子轴上。

本发明的创新点在于：

1、关于动子：

动子轴采用中空的软磁材料制作，见图3、5，动子外同轴套有一铜管7，该铜管的外缘表面镀有金刚石或者其他硬质涂料。

在动子轴的后部制有一进油孔11，以使动子及与定子之间构成冷却油路，见图1中的箭头所指。

动子轴上均布间隔固装的永磁体及导磁环采用分数槽动磁式结构，三个导磁环为一导磁组，每三组导磁环形成一导磁节，每个导磁节之间的导磁环之间在动子轴上同轴套装一非导磁过渡环20，在每一非导磁过渡环与相邻的导磁环之间根据需要安装调整环19，以使导磁节与定子的电枢节相对应，充磁方式采用轴向充磁及径向充磁均可。

七个导磁节相互串联构成整个动子的导磁部分。

2、关于定子：

定子由绕组与硅钢片间隔固装而成，参见图2、4，绕组及硅钢片与动子的永磁体及导磁环相对应设置，三个绕组构成一节电枢，三个单节电枢构成一电机组，定子的每节电枢之间采用钢带（图中没有标号）进行轴向固定。

每个电机组的硅钢片之间同轴安装有一轴承座9，该轴承座的两侧固装有绝缘垫板15；轴承座同轴内套有一直线轴承18，直线轴承的内缘表面镀有与动子的铜管相应的金刚石或者其他硬质涂料。

每一绕组与定子壳之间均外套有一外绝缘16，每一绕组内套有一内绝缘17，相邻的绕组之间通过绝缘层14固装硅钢片。

七个电机组相互串联组成42个绕组，由此构成整个直线电机的电枢部分。

通过本发明所设计的直线电机，可完美实现直线运动。

试验结果表明，直线电机在1100V电压下，行程1.3m，推力约为2t。通过简单的PLC控制实现每分钟6～10次冲程。。

本发明与现有产品的可行性优势比较:

Claims (5)

1.一种大推力圆筒形直线电机，包括定子壳、定子及动子，在定子壳内同轴固装定子，在定子内腔同轴滑动安装动子，所述定子包括硅钢片及绕组，硅钢片与绕组间隔排列并固装在定子壳上；所述动子包括动子轴、永磁体及导磁环，永磁体与导磁环均布间隔排列在动子轴上，其特征在于：所述动子轴采用中空的软磁材料制作，动子外同轴套有一铜管；所述定子由绕组与硅钢片间隔固装而成，绕组及硅钢片与动子的永磁体及导磁环相对应设置；

所述动子轴上均布间隔固装的永磁体及导磁环采用分数槽动磁式结构，三个导磁环为一导磁组，每三组导磁环形成一导磁节，每个导磁节之间的导磁环之间在动子轴上同轴套装一非导磁过渡环，在每一非导磁过渡环与相邻的导磁环之间根据需要安装调整环，七个导磁节相互串联构成整个动子的导磁部分。

2.根据权利要求1所述的大推力圆筒形直线电机，其特征在于：所述定子的三个绕组构成一节电枢，三个单节电枢构成一电机组，每个电机组的硅钢片之间同轴安装有一轴承座，该轴承座的两侧固装有绝缘垫板，轴承座同轴内套有一直线轴承，七个电机组相互串联组成63个绕组，由此构成整个直线电机的电枢部分。

3.根据权利要求2所述的大推力圆筒形直线电机，其特征在于：所述定子的每一绕组与定子壳之间均外套有一外绝缘，每一绕组内套有一内绝缘，相邻的绕组之间通过绝缘层固装硅钢片。

4.根据权利要求1所述的大推力圆筒形直线电机，其特征在于：所述铜管的外缘表面及直线轴承的内缘表面均相应镀有金刚石或者其他硬质涂料。

5.根据权利要求1所述的大推力圆筒形直线电机，其特征在于：在动子轴的后部制有一进油孔，以使动子及与定子之间构成冷却循环油路。