CN104135135B - 一种用于抽油机的高效大推力圆筒型永磁直线电机 - Google Patents

Abstract

一种用于抽油机的高效大推力圆筒型永磁直线电机,包括初级和次级，初级细长、内嵌有环形电枢绕组，电枢绕组与初级铁芯对应设置，初级与次级配合面上的耐磨金属环；次级为永磁环与导磁环间隔内嵌设置在次级轴上，与初级相互电磁作用，次级可伸缩地安装在初级内并可往复运动，初级与次级之间设置有气隙，永磁环安装在次级上被交错的导磁环间隔固定。电机次级一端设置有储能机构。本发明具有如下优点：使得压油过程只需要电机中电磁体产生所需能量多一半的能量，其余能量由储能机构用吸油过程中储存的能量来提供，从而使得电机总体功率保持平衡，增加采油量，考虑到机械损耗采油量可以提高百分之十五到四十。

Description

一种用于抽油机的高效大推力圆筒型永磁直线电机

技术领域

本发明涉及电机领域，具体地说是指一种直线电机。

背景技术

目前，有杆抽油是国内外石油工业应用规模最大的机械采油方式。有杆泵结构简单、操作简便、维修方便，且排量适中，适合绝大多数油井的产能要求。

但是，随着油田勘探开发的发展，有杆泵逐渐暴露出一系列问题：井杆管偏磨严重，降低了系统安全性，提高了维护成本，严重影响了经济效益；普遍采用的游梁式四连杆结构存在过多的中间环节，造成系统效率低，不超过0.35；长冲程抽油机体积庞大而且笨重，使用材料多，造价高等等。

目前，国内外解决上述问题的途径主要有:改进完善有杆泵系统。比如抽油杆底部重杆加重或采用玻璃钢抽油杆和碳纤维连续抽油杆等，但此类方法仍避免不了效率低、故障率高、经济效益差等缺点。近年来兴起的直线电机抽油机通过柔性连接件、导向轮直接与抽油杆连接,降低了动力传递过程中的功率损失，提高了系统效率，节能效果显著，但仍未摆脱井杆偏磨问题。另一途径是采用电潜泵、水力活塞泵和水力喷射泵等无杆采油方式，虽然彻底摆脱抽油杆这一薄弱环节，但要么适应性受限，调节参数困难，要么投资高、寿命短、效率低。

一般将利用抽油杆柱上下往复运动进行驱动的抽油设备统称为有杆抽油设备（井数多规模大）；凡是不用抽油杆柱传递能量，而是利用电缆或高压液体传递能量的抽油设备统称为无杆抽油设备。利用抽油杆柱旋转运动的井下螺杆泵装置虽然也有抽油杆，但习惯上将其列入无杆抽油设备。

常用设备有潜油电泵、螺杆泵、水力射流泵和水力活塞泵抽油装置。潜油电泵采油系统，潜油电泵采油系统主要由电机、保护器、气液分离器、多级离心泵、电缆、接线盒、控制屏和变压器等部件组成。除了上述基本部件外，还可选用一些附属部件，如单流阀、泄油阀、扶正器、井下压力测量仪表和变速驱动装置等。该系统的工作原理是地面电源通过变压器、控制屏和电缆将电能输送给井下电机，带动多级离心泵叶轮旋转，将电能转换为机械能，把井液举升到地面。潜油电泵系统部件有：电机、保护器、气液分离器、电缆、控制屏、变压器、接线盒、压力传感器、单流阀和泄油阀、扶正器。螺杆泵是以液体产生的旋转位移为泵送基础的一种新型机械采油装置。螺杆泵采油系统，螺杆泵采油系统按驱动方式可划分为地面驱动和井下驱动两大类，而地面驱动按不同驱动形式又可分为皮带传动和直接传动两种形式，井下驱动也可分为电驱动和液压驱动两种形式。在整个螺杆泵采油系统中，地面驱动发展较早、也较成熟，但是井下驱动避免了地面驱动扭矩的损失、设备也比较少，具有较高的采油效率。

目前的抽油方式存在，耗费动力较大，系统效率低下，井杆管存在偏磨现象，容易造成设备损耗报废，各冲程做功不同，需要电机提供的动力不同，在压油阶段需要的力量大，而在吸油阶段几乎不用做功，需要动力很小，如果此时电机电流大小相同，造成了泵体设备在需要动力小的阶段受冲击比较大，且两个阶段所需时间长短不一，在采用同频率的驱动电流进行控制时，对控制系统要求较高。

冲程、冲次均不可调，排量调节范围窄，不易根据油井产能进行调参。

冲次不可调，不能采用短冲程、高冲次的工作制度，常规电潜泵机长度较长，不适用的大斜度井的曲率半径比电潜泵小。

发明内容

本发明提供一种用于抽油机的高效大推力圆筒型永磁直线电机，解决了现有采油设备效率低下的问题。

进一步的本发明提拱了一种带有蓄能装置的直线电机。

更进一步提供了一种功率波动小的直线电机。

该线性电动机，包括初级和次级，初级细长、内嵌有环形电枢绕组，电枢绕组与初级铁芯对应设置，初级与次级配合面上的耐磨金属环；次级为永磁环与导磁环间隔内嵌设置在次级轴上，与初级相互电磁作用，次级可伸缩地安装在初级内并可往复运动，初级与次级之间设置有气隙。

永磁环安装在次级上被交错的导磁环间隔固定。永磁环表面都涂有一层高韧性材料防止磕碰时受到损伤，例如非磁性不锈钢，有助于降低磁铁的机械故障。非磁性不锈钢超薄套是首选。套管的优选厚度为约0.1毫米至约0.2毫米，而最优选的厚度为约0.15毫米。

电枢铁芯为硅钢片制作而成，中间开有缝隙，降低了制作难度，减少了铁耗，硅钢片上设置有硅钢片固定孔及绕组首末端连接孔。以安装12组电枢绕组为例，安装时相邻连个硅钢片缝隙夹角为30度，保证缝隙的均匀设置从而减小对产生磁场的影响。绕组线圈为圆饼状，绕组末端在圆饼形线圈的同侧。每相的12个线圈一次性绕制，便于安装以及减少焊接点，从而提高电机效率以及初级的安装和固定。12个电枢绕组首末端。在次级顶端与壳体对应处设置有减震弹簧，用于辅助次级变向。次级末端设置有与次级行程长度相当的储能弹簧。

该机构电机次级一端设置有齿条结构，该齿条结构与半齿轮配合，半齿轮分为蓄能齿轮和释能齿轮，蓄能齿轮与凸轮和传动齿轮同轴设置，传动齿轮与蓄能齿轮同向转动，与释能齿轮传动部啮合，带动释能齿轮转动，此时释能齿轮与蓄能齿轮转动方向正好相反，当齿条随电机次级在吸油过程中移动时，通过齿条与蓄能齿轮齿面，带动蓄能齿轮转动继而带动凸轮旋转，当吸油过程完成后，蓄能齿轮齿面正好与齿条完成一个啮合过程，蓄能齿轮转到无齿的光面脱离与齿条的接触，此时释能齿轮的齿条面正好转至与齿条接触，由于蓄能齿轮与释能齿轮转动方向相反，释能齿轮的齿条面会带动齿条进行反向运动，而此时电机已经完成吸油过程进入压油过程，电机开始做功，同时凸轮的惯性运动带动释能齿轮给电机次级以与运动方向同向的外力，帮助其完成压油过程。待压油过程完成后释能齿轮齿条面与齿条脱离接触，换成光面与齿条脱离接触。此时蓄能齿轮齿条面开始与齿条接触，下一个吸油过程开始。上述装置中蓄能齿轮与释能齿轮也可以分别与设置在次级上的两条齿条接触。

本发明还提供了一种双电机组合，即助力型圆筒型直线电机，在连接腔中设置有支撑隔板，将电机分为助力电机与主电机，次级穿过支撑隔板，主电机为正常工作，助力电机在压油过程中启动。该助力电动机，也包括初级和次级，初级细长、内嵌有环形电枢绕组，电枢绕组与初级铁芯对应设置，初级与次级配合面上的耐磨金属环；次级为永磁环与导磁环间隔内嵌设置在次级轴上，与初级相互电磁作用，次级可伸缩地安装在初级内并可往复运动，初级与次级之间设置有气隙。助力电机的次级与主电机的次级设置于同一轴体上，分别设置永磁体。电枢绕组连接电动机控制器，接受电动机控制器输送过来的电流。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：由于抽油机吸压两个过程做工不同，其需要克服的阻力也不同，本发明提供了一种降低控制难度的电机结构，将吸油冲程中产生的动能储存在凸轮结构中，等待压油冲程时释放，如此一来，可以将两个过程中产生的能量进行转化，使得压油过程只需要电机中电磁体产生所需能量多一半的能量，其余能量由储能机构用吸油过程中储存的能量来提供，从而使得电机总体功率保持平衡，减小了对电机最大功率的需求，在现有电机发展水平的限制的前提下，可以用相同功率的电机均衡输出来，增加采油量，考虑到机械损耗采油量可以提高百分之十五到四十。电机次级运动过程中受力相对均匀，利于电机稳定功率输出。

附图说明

图1 圆筒型直线电机示意图；

图2 电枢铁芯示意图；

图3 圆饼形线圈；

图4 电枢绕组连接图；

图5弹簧蓄能圆筒型直线电机；

图6凸轮蓄能圆筒型直线电机；

图7 凸轮传动结构示意图；

图8 蓄能齿轮与释能齿轮示意图；

图9助力型圆筒型直线电机示意图；

图10可分离式助力型圆筒型直线电机示意图。

1、减震弹簧 ；2、电枢绕组；3、初级铁芯；4、永磁环；5、导磁环；6、次级；7、耐磨金属环；8、气隙；9、初级；

2-1、蓄能弹簧；

3-1、凸轮；3-2蓄能齿轮；3-21、蓄能齿轮齿条面；3-22、蓄能齿轮光面；

3-3传动齿轮；3-4释能齿轮；3-41、释能齿轮齿条面；3-42、释能齿轮光面；

3-5、释能齿轮传动部；3-6、传动齿条；

5-1、减震弹簧；5-2、助力电机电枢绕组；5-3、助力电机初级铁芯；5-4、助力电机永磁环；5-5、助力电机导磁环；5-6、助力电机次级；5-7、助力电机耐磨金属环；5-8、助力电机气隙；5-9、助力电机初级；5-11、支撑隔板；5-12、卡合控制机构；5-13、卡合结构。

具体实施方式

该线性电动机，包括初级和次级，初级细长、内嵌有环形电枢绕组，电枢绕组与初级铁芯对应设置，初级与次级配合面上的耐磨金属环；次级为永磁环与导磁环间隔内嵌设置在次级轴上，与初级相互电磁作用，次级可伸缩地安装在初级内并可往复运动，初级与次级之间设置有气隙。

电枢绕组连接电动机控制器，接受电动机控制器输送过来的电流。

永磁环安装在次级上被交错的导磁环间隔固定。永磁环表面都涂有一层高韧性材料防止磕碰时受到损伤，例如非磁性不锈钢，有助于降低磁铁的机械故障。非磁性不锈钢超薄套是首选。套管的优选厚度为约0.1毫米至约0.2毫米，而最优选的厚度为约0.15毫米。

电枢铁芯为硅钢片制作而成，中间开有缝隙，降低了制作难度，减少了铁耗，硅钢片上设置有硅钢片固定孔及绕组首末端连接孔。以安装12组电枢绕组为例，安装时相邻连个硅钢片缝隙夹角为30度，保证缝隙的均匀设置从而减小对产生磁场的影响。绕组线圈为圆饼状，绕组末端在圆饼形线圈的同侧。每相的12个线圈一次性绕制，便于安装以及减少焊接点，从而提高电机效率以及初级的安装和固定。12个电枢绕组首末端。在次级顶端与壳体对应处设置有减震弹簧，用于辅助次级变向。

进一步的，由于抽油机吸压两个过程做工不同，其需要克服的阻力也不同，本发明提供了一种降低控制难度的电机结构，将吸油冲程中产生的动能储存在凸轮结构中，等待压油冲程时释放，如此一来，可以将两个过程中产生的能量进行转化，使得压油过程只需要电机中电磁体产生所需能量多一半的能量，其余能量由储能机构用吸油过程中储存的能量来提供，从而使得电机总体功率保持平衡，减小了对电机最大功率的需求，在现有电机发展水平的限制的前提下，可以用相同功率的电机均衡输出来，增加采油量，考虑到机械损耗采油量可以提高百分之十五到四十。

实施例一：次级末端设置有与次级行程长度相当的储能弹簧，在次级的吸油过程中，电机次级负载小，此时可以压缩弹簧储存能量，弹簧的设置，使得吸油过程一开始弹簧便开始被压缩，直到吸油过程结束。在次级的压油过程中，储存在弹簧中的能量释放，转化为线性电机次级的动能，进而完成压油过程，至压油过程完成弹簧正好恢复到正常状态。

上述实施方式虽然可以完成本发明的目的，但缺点在于弹簧作为弹性装置随着电机次级的运动，弹性阻力呈非线性增加，导致电机次级在运动过程中需要克服的阻力不均匀，电机输出功率越来越大，不利于电机功率稳定的输出。

为了解决上述缺陷，本发明还设计了另一种凸轮齿条机构，该机构的优点在于，电机次级运动过程中受力相对均匀，利于电机稳定功率输出。

实施例二：该机构电机次级一端设置有齿条结构，该齿条结构与半齿轮配合，半齿轮分为蓄能齿轮和释能齿轮，蓄能齿轮与凸轮和传动齿轮同轴设置，传动齿轮与蓄能齿轮同向转动，与释能齿轮传动部啮合，带动释能齿轮转动，此时释能齿轮与蓄能齿轮转动方向正好相反，当齿条随电机次级在吸油过程中移动时，通过齿条与蓄能齿轮齿面，带动蓄能齿轮转动继而带动凸轮旋转，当吸油过程完成后，蓄能齿轮齿面正好与齿条完成一个啮合过程，蓄能齿轮转到无齿的光面脱离与齿条的接触，此时释能齿轮的齿条面正好转至与齿条接触，由于蓄能齿轮与释能齿轮转动方向相反，释能齿轮的齿条面会带动齿条进行反向运动，而此时电机已经完成吸油过程进入压油过程，电机开始做功，同时凸轮的惯性运动带动释能齿轮给电机次级以与运动方向同向的外力，帮助其完成压油过程。待压油过程完成后释能齿轮齿条面与齿条脱离接触，换成光面与齿条脱离接触。此时蓄能齿轮齿条面开始与齿条接触，下一个吸油过程开始。上述装置中蓄能齿轮与释能齿轮也可以分别与设置在次级上的两条齿条接触。

实施例三：本发明还提供了一种双电机组合，如图9所示，即助力型圆筒型直线电机，在连接腔中设置有支撑隔板，将电机分为助力电机与主电机，次级穿过支撑隔板，主电机为正常工作，助力电机在压油过程中启动。该助力电动机，也包括初级和次级，初级细长、内嵌有环形电枢绕组，电枢绕组与初级铁芯对应设置，初级与次级配合面上的耐磨金属环；次级为永磁环与导磁环间隔内嵌设置在次级轴上，与初级相互电磁作用，次级可伸缩地安装在初级内并可往复运动，初级与次级之间设置有气隙。助力电机的次级与主电机的次级设置于同一轴体上，分别设置永磁体。电枢绕组连接电动机控制器，接受电动机控制器输送过来的电流。

实施例四：如图10所示，在实施例三的结构基础上，助力电机的次级可脱离设置于主电机次级相应的延长杆上，助力电机次级与主电机次级通过可控卡合结构实现卡合连接，本实施例中，助力电机次级为可套在主电机次级杆上的结构，卡合结构设置在助力电机次级与主电机次级的共同末端，在共同末端外侧设置有卡合控制机构，卡合控制机构设于助力电机次级外侧，具体一种方式为通过卡合控制机构将卡合结构插入或拔出位于配合位置时的助力电机次级与主电机次级上对应的卡接口内，卡合控制机构为液压控制或电动原件控制。在电机壳体上对应主电机次级末端的位置设置减震弹簧，该减震弹簧可套置于助力电机次级内，主电机与辅助电机之间设置的隔板中间设置的通孔直径略大于助力电机次级直径。

该电机工作时，主电机可以单独工作，此时主电机次级与辅助电机次级是分离的，卡合控制机构将卡合结构拔出助力电机次级与主电机次级上对应的卡接口，将卡合结构单独卡接在辅助电机次级上，将辅助电机次级固定住，此时辅助电机也不接通电源，不进行工作。主电机次级通过辅助电机次级内孔单独运动，完成正常直线电机功能。

当需要辅助电机工作时，卡合控制机构将卡合结构插入助力电机次级与主电机次级上对应的卡接口，将二者固定在一起，此时辅助电机接通电源，实现助力功能，即助力型圆筒型直线电机，主电机为正常工作，助力电机在压油过程中启动。该助力电动机，也包括初级和次级，初级细长、内嵌有环形电枢绕组，电枢绕组与初级铁芯对应设置，初级与次级配合面上的耐磨金属环；次级为永磁环与导磁环间隔内嵌设置在次级轴上，与初级相互电磁作用，次级可伸缩地安装在初级内并可往复运动，初级与次级之间设置有气隙。助力电机的次级与主电机的次级设置于同一轴体上，分别设置永磁体。电枢绕组连接电动机控制器，接受电动机控制器输送过来的电流。

Claims (4)

1.一种用于抽油机的高效大推力圆筒型永磁直线电机，包括初级和次级，其特征在于：初级细长、内嵌有环形电枢绕组，电枢绕组与初级铁芯对应设置，初级与次级配合面上的耐磨金属环；次级为永磁环与导磁环间隔内嵌设置在次级轴上，与初级相互电磁作用，次级伸缩式地安装在初级内并往复运动，初级与次级之间设置有气隙，永磁环安装在次级上被交错的导磁环间隔固定，永磁环表面套有非磁性不锈钢超薄套，套管的厚度为约0.1毫米至约0.2毫米，电枢铁芯为硅钢片制作而成，中间开有缝隙，硅钢片上设置有硅钢片固定孔及绕组首末端连接孔，在次级顶端与壳体对应处设置有减震弹簧，用于辅助次级变向，电机次级一端设置有储能机构，储能机构为电机次级一端设置的齿条凸轮结构，该齿条凸轮结构与半齿轮配合，半齿轮分为蓄能齿轮和释能齿轮，蓄能齿轮与凸轮和传动齿轮同轴设置，传动齿轮与蓄能齿轮同向转动，与释能齿轮传动部啮合，带动释能齿轮转动，释能齿轮与蓄能齿轮转动方向正好相反，蓄能齿轮和释能齿轮均由齿条面与光面组成，当齿条随电机次级在吸油过程中移动时，通过齿条与蓄能齿轮齿面，带动蓄能齿轮转动继而带动凸轮旋转，当吸油过程完成后，蓄能齿轮齿面正好与齿条完成一个啮合过程，蓄能齿轮转到无齿的光面脱离与齿条的接触，此时释能齿轮的齿条面正好转至与齿条接触，由于蓄能齿轮与释能齿轮转动方向相反，释能齿轮的齿条面会带动齿条进行反向运动，而此时电机已经完成吸油过程进入压油过程，电机开始做功，同时凸轮的惯性运动带动释能齿轮给电机次级以与运动方向同向的外力，帮助其完成压油过程，待压油过程完成后释能齿轮齿条面与齿条脱离接触，换成光面与齿条脱离接触，此时蓄能齿轮齿条面开始与齿条接触，下一个吸油过程开始，蓄能齿轮与释能齿轮分别与设置在次级上的两条齿条接触。

2.根据权利要求1所述的一种用于抽油机的高效大推力圆筒型永磁直线电机，其特征在于，直线电机一端还设置有助力电机，在两电机连接腔中设置有支撑隔板，将电机分为助力电机与主电机，次级穿过支撑隔板，主电机为正常工作，助力电机在压油过程中启动。

3.根据权利要求2所述的一种用于抽油机的高效大推力圆筒型永磁直线电机，其特征在于，助力电机的次级脱离设置于主电机次级相应的延长杆上，助力电机次级与主电机次级通过卡合结构实现卡合连接，卡合结构设置在助力电机次级与主电机次级的共同末端，在共同末端外侧设置有卡合控制机构，卡合控制机构设于助力电机次级外侧，在电机壳体上对应主电机次级末端的位置设置减震弹簧，该减震弹簧套置于助力电机次级内，主电机与辅助电机之间设置的隔板中间设置的通孔直径略大于助力电机次级直径。

4.根据权利要求3所述的一种用于抽油机的高效大推力圆筒型永磁直线电机，其特征在于，助力电机次套在主电机次级杆上的结构，通过卡合控制机构将卡合结构插入或拔出位于配合位置时的助力电机次级与主电机次级上对应的卡接口内，卡合控制机构为液压控制或电动原件控制。