CN104033131A - 三维四向直驱电机拖动立式抽油机 - Google Patents

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本发明为一种三维四向直驱电机拖动立式抽油机，属于机电一体化应用新领域。该机包括置于机架底座中央或顶平台上的三维四向直驱电机，置于机架顶平台上的卸载挂抽辅助装置和前导向轮、后导向轮以及置于机架底座四周的电动移机装置，置于机架下部外接位置传感器的智能控制器，其中三维四向直驱电机外转子壳体表面披复驱动绳，驱动绳一端悬挂油井载荷或经前导向轮通过前动滑轮悬挂油井载荷，另一端悬挂平衡重或经后导向轮通过后动滑轮悬挂平衡重。该机具有同体积电机扭矩倍增、节能增效、安全环保、智能调参、作业让位和卸载挂抽方便的明显技术优势，是天平平衡立式抽油机理想的方向性换代机型。

Description

三维四向直驱电机拖动立式抽油机
技术领域
本发明为一种三维四向直驱电机拖动立式抽油机，属机电一体化应用新领域。
背景技术
国内外机械采油的主要手段是传统四连杆游梁式抽油机和各类天平平衡立式抽油机。据不完全统计，全世界目前有油井约200万口，其中抽油机机械采油约占95％以上。
传统四连杆游梁式抽油机已逾120多年应用历史，具有疲实可靠、经久耐用、作业让位简单、卸载挂抽方便、失载保护可靠的的优点。该机型虽不断改进，不断创新，但其结构和原理万变不离其宗，至今仍占机械采油的90％左右，成为机械采油的主导机型。
随着人类对低碳、环保的需求越来越迫切，各类节能高效、不停机智能调参的电机直驱天平平衡立式抽油机相继诞生。与传统四连杆游梁式抽油机相比，电机直驱天平平衡立式抽油机具有节能30-70％，省材30-60％，不停机智能调参提高工效大于1000倍，适于长冲程、低冲次的工作制度，维护工作量减少60％以上的明显技术优势。但是，电机直驱天平平衡立式抽油机由于简化了90％以上的传动环节，传动效率的提高也随之带来诸多不便：
1.依靠电机自身动力难以提升平衡重，卸载挂抽往往借助吊车，给现场造成不必要的麻烦；
2.失载保护成为制约其发展的难题；
3.单靠电机扭矩难以解决非额定工况的超载难题，提高电机扭矩又加大了电机的成本，限制了其规模化推广应用。
如何在相同体积或更少用料的情况下使电机出力成倍翻番，解决上述诸多难题，是发明研究的主要目的。
发明内容
针对上述立式抽油机直驱电机存在的技术难题，本发明在兼顾短链传动、作业让位、卸载挂抽、失载保护等技术环节优化的同时，从机械传动互相啮合的齿轮突发灵感，设计出三维四向直驱电机，不但使定、转子铁心轴向里外两个配合面多组齿极同时做功，而且定、转子铁心径向左右两个配合面多组扇面齿极同时更大出力地做功，实现了低速大扭矩电机设计的重大突破，为天平平衡立式抽油机规模化应用提供了理想的换代机型。
本发明的技术解决方案是：
所述的三维四向直驱电机拖动立式抽油机包括置于机架(6)底座中央或顶平台上的三维四向直驱电机(2)，置于机架(6)顶平台上的卸载挂抽辅助装置(13)和前导向轮(7)、后导向轮(8)以及置于机架(6)底座四周的电动移机装置(1)，置于机架(6)下部外接位置传感器(11)的智能控制器(3)，其中三维四向直驱电机(2)外转子壳体表面披复驱动绳(5)，驱动绳(5)一端悬挂油井载荷或经前导向轮(7)通过前动滑轮(4)悬挂油井载荷，另一端悬挂平衡重(10)或经后导向轮(8)通过后动滑轮(9)悬挂平衡重(10)。
所述的三维四向直驱电机(2)外转子壳体兼做驱动轮，其驱动绳(5)为钢丝绳或强力纤维带，与驱动轮的悬挂驱动方式为以下四种类型之一：
第一种为外转子壳体披复强力纤维带，强力纤维带一端悬挂油井载荷，另一端悬挂平衡重(10)的一级减载摩擦传动；
第二种为外转子壳体镶嵌耐磨填料的绕绳槽内披复钢丝绳，钢丝绳一端通过前动滑轮(4)悬挂油井载荷，另一端通过后动滑轮(9)悬挂平衡重(10)的二级减载摩擦传动；
第三种为外转子壳体镶嵌耐磨填料的绕绳槽内披复钢丝绳，钢丝绳一端经前导向轮(7)通过前动滑轮(4)悬挂油井载荷，另一端经后导向轮(8)通过后动滑轮(9)悬挂平衡重(10)的二级减载摩擦传动；
第四种为两组钢丝绳或两组强力纤维带各一端呈相反方向固定在三维四向直驱电机(2)外转子壳体上，另一端分别悬挂油井载荷和平衡重(10)的一级减载同步传动；或者一组钢丝绳另一端通过前动滑轮(4)悬挂油井载荷，第二组钢丝绳另一端通过后动滑轮(9)悬挂平衡重(10)的二级减载同步传动。
所述的三维四向直驱电机(2)的外转子(14)和内定子(15)铁心凸凹极对应嵌套，其通电相为双面闭合超短磁路(16)定、转子铁心齿圆周面和扇面四向重合，非通电相定子铁心齿与转子铁心齿为双齿交错四向微重合，相绕组为嵌套式内定子(15)铁心凹槽内三相环式绕组(17)，其中嵌套式内定子(15)通过空心轴、键、轴承、密封端盖固定于嵌套式外转子(14)空腔内，其铁心镶嵌套外圆面圆周上均布偶数条轴向外键槽，台阶凹型嵌套式内定子(15)铁心分三段错齿1-6°嵌入外键槽内；嵌套式外转子(14)内圆面圆周上均布与嵌套式内定子(15)对应的轴向内键槽，条型嵌套式外转子(14)铁心凸极嵌套入三组嵌套式内定子(15)铁心间隔槽内，其条型平面嵌套入轴向内键槽内，并用螺栓紧固；空心轴轴头和密封端盖上设置检测转速和外转子(14)齿相对位置的磁性霍尔电机内置传感器(18)或无线遥感传感器。
所述的电动移机装置(1)包括固定在机架(6)底座四周骑在基础预埋轨道上的设有螺杆或千斤顶微升降机构的限位滚轮、电动减速装置，其中限位主动滚轮由万向轴连接电动减速装置，并预设断电棘轮或螺杆手动牵引装置。
所述的卸载挂抽辅助装置(13)包括置于机架(6)顶平台上的卸载挂抽支架和悬挂于该支架上的微型电动提升装置。
所述的防坠落紧急制动装置(12)包括基础平衡重与其上部的吊耳，以及用吊耳销轴固定的带长销孔和活动刹车块的对称刹车臂，该对称刹车臂与基础平衡重内设置的预紧弹簧三线汇于一点与驱动绳(5)悬挂，并与电磁刹车互相联动构成双保险保护装置。
采用以上技术方案，本发明不但比传统四连杆游梁机具有节能增效、安全环保、智能调参的明显技术优势，而且比其它电机直驱立式抽油机电机出力倍增，同时克服了立式抽油机作业让位、卸载挂抽、失载保护诸多制约瓶颈，是总结百多年管式泵机械采油理论和经验发明创新的更理想的方向性换代机型。
附图说明
图1为三维四向直驱电机拖动立式抽油机结构示意图；
图2为图1的三维四向直驱电机拖动立式抽油机顶驱结构示意图；
图3为图1的三维四向直驱电机四向直驱结构示意图；
图4为图1的三维四向直驱电机铁心绕组结构示意图。
图中：1.电动移机装置；2.三维四向直驱电机；3.智能控制器；4.前动滑轮；5.驱动绳；6.机架；7.前导向轮；8.后导向轮；9.后动滑轮；10.平衡重；11.位置传感器；12.防坠落紧急制动装置；13.卸载挂抽辅助装置；14.外转子；15.内定子；16.双向闭合超短磁路；17.环式绕组；18.电机内置传感器；19.转子镶嵌齿铁心；20.径向剖面绕组；21.定子镶嵌齿铁心。
具体实施方式：
实施例1：
如图1所示：本发明三维四向直驱电机拖动立式抽油机包括置于机架(6)底座中央的三维四向直驱电机(2)，置于机架(6)顶平台上的前导向轮(7)、后导向轮(8)以及置于机架(6)底座四周的电动移机装置(1)，置于机架(6)下部外接位置传感器(11)的智能控制器(3)，其中三维四向直驱电机(2)外转子壳体表面披复驱动绳(5)，驱动绳(5)一端经前导向轮(7)通过前动滑轮(4)悬挂油井载荷，另一端经后导向轮(8)通过后动滑轮(9)悬挂平衡重(10)。
所述的三维四向直驱电机(2)外转子壳体兼做驱动轮，其驱动绳(5)为钢丝绳，与驱动轮的悬挂驱动方式为外转子壳体镶嵌耐磨填料的绕绳槽内披复钢丝绳，钢丝绳一端经前导向轮(7)通过前动滑轮(4)悬挂油井载荷，另一端经后导向轮(8)通过后动滑轮(9)悬挂平衡重(10)的二级减载摩擦传动。
所述的三维四向直驱电机(2)的外转子(14)和内定子(15)铁心凸凹极对应嵌套，其通电相为双面闭合超短磁路(16)定、转子铁心齿圆周面和扇面四向重合，非通电相定子铁心齿与转子铁心齿为双齿交错四向微重合，相绕组为嵌套式内定子(15)铁心凹槽内三相环式绕组(17)，其中嵌套式内定子(15)通过空心轴、键、轴承、密封端盖固定于嵌套式外转子(14)空腔内，其铁心镶嵌套外圆面圆周上均布偶数条轴向外键槽，台阶凹型嵌套式内定子(15)铁心分三段错齿1-6°嵌入外键槽内；嵌套式外转子(14)内圆面圆周上均布与嵌套式内定子(15)对应的轴向内键槽，条型嵌套式外转子(14)铁心凸极嵌套入三组嵌套式内定子(15)铁心间隔槽内，其条型平面嵌套入轴向内键槽内，并用螺栓紧固；空心轴轴头和密封端盖上设置检测转速和外转子(14)齿相对位置的磁性霍尔电机内置传感器(18)或无线遥感传感器。
所述的电动移机装置(1)包括固定在机架(6)底座四周骑在基础预埋轨道上的设有螺杆或千斤顶微升降机构的限位滚轮、电动减速装置，其中限位主动滚轮由万向轴连接电动减速装置，并预设断电棘轮或螺杆手动牵引装置。
所述的三维四向直驱电机拖动立式抽油机设计参数为：
最大提升载荷：80kn；电动机功率：15kw；
冲程：1-3m无级调节；冲次：0-5r/min无级调节；
整机重量：5000kg；外型尺寸：2.0×1.2×6(m)。
实施例2：
如图2所示：本发明三维四向直驱电机拖动立式抽油机包括置于机架(6)顶平台上的三维四向直驱电机(2)、卸载挂抽辅助装置(13)以及置于机架(6)底座四周的电动移机装置(1)，置于机架(6)下部外接位置传感器(11)的智能控制器(3)，其中三维四向直驱电机(2)外转子壳体表面披复驱动绳(5)，驱动绳(5)一端通过前动滑轮(4)悬挂油井载荷，另一端通过后动滑轮(9)悬挂平衡重(10)。
所述的三维四向直驱电机(2)外转子壳体兼做驱动轮，其驱动绳(5)为钢丝绳，与驱动轮的悬挂驱动方式为两组钢丝绳各一端呈相反方向固定在三维四向直驱电机(2)外转子壳体上，其中一组钢丝绳另一端通过前动滑轮(4)悬挂油井载荷，第二组钢丝绳另一端通过后动滑轮(9)悬挂平衡重(10)的二级减载同步传动。
所述的三维四向直驱电机(2)的外转子(14)和内定子(15)铁心凸凹极对应嵌套，其通电相为双面闭合超短磁路(16)定、转子铁心齿圆周面和扇面四向重合，非通电相定子铁心齿与转子铁心齿为双齿交错四向微重合，相绕组为嵌套式内定子(15)铁心凹槽内三相环式绕组(17)，其中嵌套式内定子(15)通过空心轴、键、轴承、密封端盖固定于嵌套式外转子(14)空腔内，其铁心镶嵌套外圆面圆周上均布偶数条轴向外键槽，台阶凹型嵌套式内定子(15)铁心分三段错齿1-6°嵌入外键槽内；嵌套式外转子(14)内圆面圆周上均布与嵌套式内定子(15)对应的轴向内键槽，条型嵌套式外转子(14)铁心凸极嵌套入三组嵌套式内定子(15)铁心间隔槽内，其条型平面嵌套入轴向内键槽内，并用螺栓紧固；空心轴轴头和密封端盖上设置检测转速和外转子(14)齿相对位置的磁性霍尔电机内置传感器(18)或无线遥感传感器。
所述的电动移机装置(1)包括固定在机架(6)底座四周骑在基础预埋轨道上的设有螺杆或千斤顶微升降机构的限位滚轮、电动减速装置，其中限位主动滚轮由万向轴连接电动减速装置，并预设断电棘轮或螺杆手动牵引装置。
所述的卸载挂抽辅助装置(13)包括置于机架(6)顶平台上的卸载挂抽支架和悬挂于该支架上的微型电动提升装置。
所述的防坠落紧急制动装置(12)包括基础平衡重与其上部的吊耳，以及用吊耳销轴固定的带长销孔和活动刹车块的对称刹车臂，该对称刹车臂与基础平衡重内设置的预紧弹簧三线汇于一点与驱动绳(5)悬挂，并与电磁刹车互相联动构成双保险保护装置。
所述的三维四向直驱电机拖动立式抽油机设计参数为：
最大提升载荷：140kn；电动机功率：45kw；
冲程：1-6m无级调节；冲次：0-5r/min无级调节；
整机重量：12000kg；外型尺寸：2.5×1.4×9(m)。
采用以上技术方案，本发明不但比传统四连杆游梁机具有节能增效、安全环保、智能调参的明显技术优势，而且比其它电机直驱立式抽油机电机出力倍增，同时克服了立式抽油机作业让位、卸载挂抽、失载保护诸多制约瓶颈，是总结百多年管式泵机械采油理论和经验发明创新的更理想的方向性换代机型。

Claims (6)

1.一种三维四向直驱电机拖动立式抽油机，其特征在于：该机包括置于机架(6)底座中央或顶平台上的三维四向直驱电机(2)，置于机架(6)顶平台上的卸载挂抽辅助装置(13)和前导向轮(7)、后导向轮(8)以及置于机架(6)底座四周的电动移机装置(1)，置于机架(6)下部外接位置传感器(11)的智能控制器(3)，其中三维四向直驱电机(2)外转子壳体表面披复驱动绳(5)，驱动绳(5)一端悬挂油井载荷或经前导向轮(7)通过前动滑轮(4)悬挂油井载荷，另一端悬挂平衡重(10)或经后导向轮(8)通过后动滑轮(9)悬挂平衡重(10)。
2.根据权利要求1所述的三维四向直驱电机拖动立式抽油机，其特征在于：所述的三维四向直驱电机(2)外转子壳体兼做驱动轮，其驱动绳(5)为钢丝绳或强力纤维带，与驱动轮的悬挂驱动方式为以下四种类型之一：
第一种为外转子壳体披复强力纤维带，强力纤维带一端悬挂油井载荷，另一端悬挂平衡重(10)的一级减载摩擦传动；
第二种为外转子壳体镶嵌耐磨填料的绕绳槽内披复钢丝绳，钢丝绳一端通过前动滑轮(4)悬挂油井载荷，另一端通过后动滑轮(9)悬挂平衡重(10)的二级减载摩擦传动；
第三种为外转子壳体镶嵌耐磨填料的绕绳槽内披复钢丝绳，钢丝绳一端经前导向轮(7)通过前动滑轮(4)悬挂油井载荷，另一端经后导向轮(8)通过后动滑轮(9)悬挂平衡重(10)的二级减载摩擦传动；
第四种为两组钢丝绳或两组强力纤维带各一端呈相反方向固定在三维四向直驱电机(2)外转子壳体上，另一端分别悬挂油井载荷和平衡重(10)的一级减载同步传动；或者一组钢丝绳另一端通过前动滑轮(4)悬挂油井载荷，第二组钢丝绳另一端通过后动滑轮(9)悬挂平衡重(10)的二级减载同步传动。
3.根据权利要求1所述的三维四向直驱电机拖动立式抽油机，其特征在于：所述的三维四向直驱电机(2)的外转子(14）和内定子(15)铁心凸凹极对应嵌套，其通电相为双面闭合超短磁路(16)定、转子铁心齿圆周面和扇面四向重合，非通电相定子铁心齿与转子铁心齿为双齿交错四向微重合，相绕组为嵌套式内定子(15)铁心凹槽内三相环式绕组(17)，其中嵌套式内定子(15)通过空心轴、键、轴承、密封端盖固定于嵌套式外转子(14)空腔内，其铁心镶嵌套外圆面圆周上均布偶数条轴向外键槽，台阶凹型嵌套式内定子(15)铁心分三段错齿1-6°嵌入外键槽内；嵌套式外转子(14)内圆面圆周上均布与嵌套式内定子(15)对应的轴向内键槽，条型嵌套式外转子(14)铁心凸极嵌套入三组嵌套式内定子(15)铁心间隔槽内，其条型平面嵌套入轴向内键槽内，并用螺栓紧固；空心轴轴头和密封端盖上设置检测转速和外转子(14)齿相对位置的磁性霍尔电机内置传感器(18)或无线遥感传感器。
4.根据权利要求1所述的三维四向直驱电机拖动立式抽油机，其特征在于：所述的电动移机装置(1)包括固定在机架(6)底座四周骑在基础预埋轨道上的设有螺杆或千斤顶微升降机构的限位滚轮、电动减速装置，其中限位主动滚轮由万向轴连接电动减速装置，并预设断电棘轮或螺杆手动牵引装置。
5.根据权利要求1所述的三维四向直驱电机拖动立式抽油机，其特征在于：所述的卸载挂抽辅助装置(13)包括置于机架(6)顶平台上的卸载挂抽支架和悬挂于该支架上的微型电动提升装置。
6.根据权利要求1所述的三维四向直驱电机拖动立式抽油机，其特征在于：所述的防坠落紧急制动装置(12)包括基础平衡重与其上部的吊耳，以及用吊耳销轴固定的带长销孔和活动刹车块的对称刹车臂，该对称刹车臂与基础平衡重内设置的预紧弹簧三线汇于一点与驱动绳(5)悬挂，并与电磁刹车互相联动构成双保险保护装置。
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