CN104806206B - 一种圆筒形直线电机驱动的抽油机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种直线电机直接驱动抽油杆的抽油机，该直线电机抽油机包括机架以及设置在机架上的直线电机驱动装置、单级或多级可伸缩式机械或气体弹簧储能器、直线电机动子设置抽油杆连接器等，本发明取消了原有抽油机如毛辫子、钢丝绳、皮带等弹性件或桡性件连接、采用直接平衡的方式从而取消了现有无游梁式抽油机的换向装置（天轮），进一步提高了抽油机的效率，降低了抽油机的高度和重量，提高了抽油机的寿命、可靠性及安全性。
Description
技术领域
本发明属于石油、天然气、煤层气抽取设备领域，具体为使用单级和多级可伸缩弹簧储能器的圆筒形直线电机驱动的抽油机。
背景技术
抽油机是石油、天然气、煤层气开采的重要设备，要求其能在各种环境和气候条件下长期高效稳定运行。目前常用的抽油机有两种类型，可分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机。游梁式抽油机是当前应用的主力机型，但其存在速度不均匀程度大、启动转矩大、平衡效果差、冲程和冲次难以调节、中间环节多、系统效率低下等问题。针对这些问题，围绕高效节能的主题，出现了诸如链条式抽油机、立式滚筒抽油机、皮带抽油机、直线电机抽油机等无游梁抽油机机型，虽在一定程度上得以应用，但并未从根本上解决问题，效果欠佳；其中现有的直线电机抽油机，其动子仍然由钢丝绳绕过滑轮即天轮驱动抽油杆，且采用天平配重平衡的方式，结构复杂，整机寿命短于游梁式抽油机、效率较低及安全性较差，未能根本上发挥直线电机驱动的潜力。申请号为201410229797.2的发明专利公开了一种直线电机直驱抽油机，主要以平板型直线电机为驱动源，储能弹簧位于直线电机动子的外部，储能弹簧和动子的配置关系有待改进。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中不足提供一种通过设置单级或多级可伸缩式机械或气体弹簧储能器来降低抽油机重量和高度且提供抽油效率的圆筒形直线电机驱动的抽油机。
本发明的技术方案是这样实现的：一种圆筒形直线电机驱动的抽油机，包括机架以及设置在机架上的圆筒形直线电机驱动装置和动子定位导向装置，所述的圆筒形直线电机驱动装置包括圆筒形直线电机定子及圆筒形直线电机动子，所述圆筒形直线电机动子内部同轴设置分级弹簧储能器和抽油杆连接器，圆筒形直线电机动子与分级弹簧储能器和抽油杆连接器为相互嵌套配置。
所述圆筒形直线电机定子沿机架竖直固定，所述圆筒形直线电机动子同轴嵌套在圆筒形直线电机定子内部，圆筒形直线电机定子与圆筒形直线电机动子表面平行，并由动子定位导向装置保持固定气隙，使圆筒形直线电机动子与圆筒形直线电机定子之间能够无接触的相对运动；
所述圆筒型直线电机动子为中空的圆环柱状体，所述分级弹簧储能器在圆环的内空间沿轴向同轴放置，在分级弹簧储能器的内空间，沿轴向同轴设置抽油杆连接器；圆筒形直线电机动子与一动子基座固定，分级弹簧储能器和抽油杆连接器设置在动子基座上。
所述的动子定位导向装置包括直线导槽和导轮，所述导轮沿直线导槽运动，保证直线电机动子与直线电机定子之间的运动气隙。
所述的动子定位导向装置包括滑块和直线导轨，所述滑块沿直线导轨运动，保证圆筒形直线电机动子与圆筒形直线电机定子之间的运动气隙。
所述机架与直线电机动子之间设置制动装置。
所述制动装置，为机架的顶端设置一个水平放置的可伸缩的挡杆制动器，所述机架的最上端设置限位开关，所述挡杆制动器包括电磁铁、弹簧及挡杆，所述挡杆与圆筒形直线电机动子上端安装的制动挡杆配合，挡杆可在电磁铁和弹簧的作用下伸出和缩进，拦阻制动挡杆通过。
所述圆筒形直线电机动子与分级弹簧储能器连接，分级弹簧储能器的底部安装在机架基座上，分级弹簧储能器的顶部与动子基座球铰连接。
所述分级弹簧储能器为分级螺旋分级弹簧储能器或者分级气压分级弹簧储能器。
本发明的技术方案产生的积极效果如下：该抽油机采用直线电机直接驱动，配合分级弹簧储能器，取消了传统抽油机的中间传动和机械换向环节、弹/桡性件及配重，提高了悬点精度，减小了整机重量，整机结构简单，可靠性、寿命和整机效率大幅提升；同时，通过增加直线电机和多级伸缩弹簧储能器的级数，当单级弹簧的长度达到一定量值后，受到弹簧材料限制，弹簧稳定性变差，表现为弹簧向四周偏斜，在实际应用中，考虑将单级长弹簧及套筒分为若干段，各段弹簧分别与各段套筒配合，形成若干个短弹簧，这些短弹簧设计成外径不同可以相互嵌套的结构形式，将这若干短弹簧按照嵌套关系依次串联连接，就构成了多级伸缩弹簧。多级伸缩弹簧的级数没有限制，根据实际工程设计需要选用合适的级数。方便实现更大的冲程和提升力；冲程、冲次调节方便，移植性好，便于实现整机模块化设计、制造、安装、调试等。此外，可通过对多级伸缩弹簧储能器的预紧，增加弹簧储存的能量，减小无配重工况下直线电机的功率。与传统带配重抽油机和无配重直线电机抽油机相比，本发明的带多级可伸缩弹簧储能器的带有弹簧储能器的圆筒形直驱抽油机还有一个显著优点：无钢丝绳皮带断裂、动子意外坠落带来的严重冲击和危险，安全性显著提高，能量转化利用率更高。储能弹簧、抽油杆与动子内空间嵌套配置，合理利用了圆筒电机中心空间，使得弹簧配置更灵活，整机结构更为紧凑，机架高度大为减低，节省成本。
附图说明
图1为本发明实施例一中长动子、短定子的轴向剖面结构示意图。
图2为本发明实施例一中图1的俯视截面图。
图3为本发明实施例一的导轮和直线导槽构成的导向定位装置示意图。
图4为本发明实施例一的滑块和直线导轨构成的导向定位装置示意图。
图5为本发明实施例一的凹型导轮和T型导轨构成的导向定位装置示意图。
图6为本发明实施例二的短动子、长定子的轴向剖面结构示意图。
图7为本发明实施例三的短动子、长定子的轴向剖面结构示意图。
图8为本发明实施例三中图5的截面结构示意图。
图9为本发明实施例三中图5的截面结构示意图。
图10为本发明实施例四的轴向剖面结构示意图。
图11为本发明实施例一的多级弹簧储能器结构示意图。
图12为图11的剖视图。
图13为本发明所述挡杆制动器示意图。
图中标注为：1. 机架基座，2. 机架，3. 动子基座，4. 分级伸缩弹簧储能器，4a.固定套筒，4b. 分级可伸缩套筒，4c. 弹簧，5. 直线电机动子，6. 直线电机定子，7. 直线导轨，8. 滑块，9. 挡杆制动器，9a.电磁铁，9b.弹簧，9c.挡杆，10. 制动挡杆，11. 限位开关，12. 抽油杆连接器，13. 抽油杆；44.上延长套管，45.下延长套管，65.定子槽，导轮66，77.直线导槽，771.T型导轨，772.凹型导轮。
具体实施方式
实施例一
一种圆筒形直线电机驱动的抽油机，如图1、2、3、4、5、6、7、11、12所示，主要包括机架基座1、机架2、动子基座3、分级弹簧储能器4、圆筒形直线电机驱动装置、定位导向装置、制动装置、抽油杆连接器12及抽油杆13。
对于大家公知的直线电机，一般定义：有电枢绕组的一侧称为直线电机初级，有磁体或者感应板的一侧称为直线电机次级，还定义：运动部分为直线电机动子，固定部分为直线电机定子。根据动子、定子的长度不同，可分为长动子、短定子和短动子、长定子两大类。直线电机的工作原理为：直线电机初级绕组中通入电流，产生一个可以相对磁体或者感应板运动的行波磁场，该行波磁场与次级同步运动，进而带动直线电机动子做直线运动。另外，圆筒形直线电机可由平板型直线电机沿横向弯曲成圆柱变换而来，无横向端部漏磁场，密封和定位方便。
如图1、13中，机架基座1固定在地面上，机架2沿竖直方向安装在机架基座1上，机架2为圆筒型钢管或者为圆形桁架结构，机架2上安装直线电机驱动装置的直线电机定子6和直线导槽77。分级弹簧储能器4的底部安装在机架基座1上，分级弹簧储能器4的顶部与动子基座3相连。机架2的最上部设置限位开关11，用于限位，防止过冲。机架2的顶端设置一个水平放置的可伸缩的挡杆制动器9，如图9中，制动挡杆10的末端为直角弯头结构，挡杆制动器9包括电磁铁9a、弹簧9b及挡杆9c组成，挡杆制动器9的挡杆9c与直线电机动子5上端安装的制动挡杆10配合，实现制动功能。挡杆9c的端部为下斜面结构，挡杆9c可在电磁铁9a和弹簧9b的作用下伸出和缩进，拦阻制动挡杆10通过。制动原理：当直线电机动子5上行到挡杆制动器9的位置时，挡杆制动器9上的电磁铁9a动作，带动挡杆9c内缩，直线电机动子5上的制动挡杆10越过挡杆9c，然后电磁铁9a断电，挡杆9c在弹簧9b的作用下回复到原来伸长状态，使得制动挡杆10的直角弯头正好挂住挡杆9c，防止直线电机动子5掉落，达到制动目的。当挡杆制动器9上的电磁铁9a故障失效时，可利用挡杆9c端部设置的下斜面，实现制动：当直线电机动子5上行到挡杆制动器9的位置时，直线电机动子5上的制动挡杆10压缩挡杆制动器9的挡杆9c的下斜面，使得挡杆9c被迫缩进，直线电机动子5继续上行时，制动挡杆10的直角弯头超过挡杆9c时，挡杆9c在内部弹簧9b的作用下，回复原来的伸长状态，使得制动挡杆10的直角弯头正好挂住挡杆9c，防止直线电机动子5掉落，从而实现制动功能。
所述的直线电机驱动装置，包括直线电机定子6、直线电机动子5及安装在直线电机动子上的滑块8。直线电机定子6由电枢绕组构成，产生行波磁场，驱动由永磁体或反应板构成的直线电机动子5沿竖直方向运行。直线电机定子6沿机架2竖直敷设固定；直线电机动子5与直线电机定子6表面平行并保持固定气隙，使直线电机动子5与直线电机定子6之间能够无接触的相对运动。
如图3所示，所述的直线电机动子5的定位导向装置由导轮66和直线导槽77完成，直线导槽77固定在机架2上，导轮66固定在直线电机动子5的上下端部，导轮66沿直线导槽77运动，保证直线电机动子5与直线电机定子6之间的运动气隙。一般沿圆周对称设置4组定位导向装置。所述定位导向装置也可以是直线导轨7和滑块8导向定位方式，如图4，即直线导轨7固定在机架2上，滑块8固定在直线电机动子5的上下端部。所述定位导向装置还可以是T型导轨771和凹型导轮772导向定位方式，如图5，即T型导轨771固定在机架2上，凹型导轮772固定在直线电机动子5的上下端部，凹型导轮772与T型导轨771咬合，实现直线电机动子5的导向和定位。
本实施例的圆筒形直线电机驱动的抽油机，所述的直线电机驱动装置采用直线电机次级运动、初级固定的布置方式，而且动子较长，定子较短（也称为长动子、短定子结构）。根据抽油机的工作动力需求，动子长度应不小于定子长度与行程长度之和。
本实施例的圆筒形直线电机驱动的抽油机的运动部分主要包括动子基座3、分级弹簧储能器4及圆筒形直线电机动子5。
所述圆筒形直线电机动子为中空的圆环柱状体，在动子圆环的内空间沿轴向同轴放置分级弹簧储能器，在分级弹簧储能器的内空间，沿轴向同轴设置抽油杆连接器12。分级弹簧储能器4、抽油杆连接器12与圆筒形直线电机动子5为同轴嵌套配置，相互之间无干涉。动子基座3安装在圆筒形直线电机动子5的顶端，分级弹簧储能器4和抽油杆连接器12铰接在动子基座3上。这种嵌套配置可以充分利用圆筒形电机的动子空间，缩短机架总体高度，使得整机结构更加紧凑。
所述的分级弹簧储能器4为单级或多级结构，如图11、12所示，主要由固定套筒4a、分级可伸缩套筒4b、弹簧4c以及导向定位段4d构成，固定套筒4a固定在动子基座3上，位于最底部的分级可伸缩套筒4b与定子基座1的底部相连，固定套筒4a、分级可伸缩套筒4b内部均安装弹簧4c。抽油杆连接器12与动子基座3的底部相连，抽油杆13接在抽油杆连接器12上。所述的分级弹簧储能器4的伸缩套筒4b内部为中空态，抽油杆连接器12可在伸缩套筒4b内部无障碍竖直往复运动。
所述分级弹簧储能器4不局限于机械弹簧，也可以是气体、永磁等其它种类的弹簧。
本实施例的一种圆筒形直线电机驱动的抽油机，通过固定在机架2上的供电电缆、供电轨接触方式或者供电轨无接触方式提供直线电机、动子基座3所需的电源。
实施例二
如图4所示，一种圆筒形直线电机驱动的抽油机，所述的直线电机驱动装置也可以采用直线电机初级运动、次级固定的布置方式，动子电枢绕组部分较短，定子永磁体或反应板较长（也称为短动子、长定子结构）。定子长度应不小于动子长度与行程长度之和。直线电机动子5的上端和下端分别设置与直线电机动子外径相同的上延长套管44和下延长套管45，在上延长套管44的上端和下延长套管45的下端分别设置多组导向定位装置，保证直线电机动子5与直线电机定子间的机械气隙，使二者能够相互运动。设置上下延长套管可以把导向定位装置转移到直线电机初级之外的区域，方便维护，同时不损伤直线电机定子的完整性。
其余的，诸如直线电机动子5、直线电机定子6、分级弹簧储能器4、抽油杆连接器12的嵌套配置和连接关系，以及制动器设置，同实施例一。
实施例三
如图5所示，在圆筒形直线电机动子5的上端和下端分别对称设置四组导向定位装置，在直线电机定子6的圆周上沿轴向开设四个定子槽65，直线电机定子6被等分为四个圆弧段，在四个定子槽内容纳导向定位装置的部件，即导向定位装置需穿过直线电机定子6，本实施例所述的直线电机动子5的定位导向装置，如图8所示，可以由导轮和直线导槽完成，也可以如图9由直线导轨和滑块完成，还可以由T型导轨771和凹型导轮772完成，具体定位如实施例一。
其余的，诸如直线电机动子5、直线电机定子6、分级弹簧储能器4、抽油杆连接器12的嵌套配置和连接关系，以及制动器设置，同实施例1。此种实施方式下，不需要延长套筒导向定位，机架高度较低，是优选方案之一。
实施例四
如图10所示，一种圆筒形直线电机驱动的抽油机，所述的直线电机驱动装置采用直线电机次级运动、初级固定的布置方式，动子永磁体或反应板较短，定子电枢绕组部分较长（也称为短动子、长定子结构）。定子长度应不小于动子长度与行程长度之和。为了不破坏定子绕组的连续性，直线电机动子5的定位不能在直线电机定子6的内部区域进行，需在动子上下两端设置延长套筒，其动子定位方式同实施例二。其余的，诸如直线电机动子5、直线电机定子6、分级弹簧储能器4、抽油杆连接器12的嵌套配置和连接关系，以及制动器设置，同实施例一。
上述实施例的技术方案，对于弹簧储能器来说，优选分级弹簧储能器，其中分级伸缩弹簧储能器更耐用。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种圆筒形直线电机驱动的抽油机，包括机架（2）以及设置在机架（2）上的圆筒形直线电机驱动装置和动子定位导向装置，其特征在于：所述的圆筒形直线电机驱动装置包括圆筒形直线电机定子（6）及圆筒形直线电机动子（5），所述圆筒形直线电机动子（5）内部同轴设置分级弹簧储能器（4）和抽油杆连接器（12），圆筒形直线电机动子（5）与分级弹簧储能器（4）和抽油杆连接器（12）为相互嵌套配置；所述机架（2）与直线电机动子（5）之间设置制动装置所述制动装置，为机架（2）的顶端设置一个水平放置的可伸缩的挡杆制动器（9），所述机架（2）的最上端设置限位开关（11），所述挡杆制动器（9）包括电磁铁（9a）、弹簧(9b)及挡杆（9c），所述挡杆（9c）与圆筒形直线电机动子上端安装的制动挡杆（10）配合，挡杆（9c）可在电磁铁（9a）和弹簧(9b)的作用下伸出和缩进，拦阻制动挡杆（10）通过。
2.根据权利要求1所述的一种圆筒形直线电机驱动的抽油机，其特征在于：所述圆筒形直线电机定子（6）沿机架（2）竖直固定，所述圆筒形直线电机动子（5）同轴嵌套在圆筒形直线电机定子（6）内部，圆筒形直线电机定子（6）与圆筒形直线电机动子（5）表面平行，并由动子定位导向装置保持固定气隙，使圆筒形直线电机动子（5）与圆筒形直线电机定子（6）之间能够无接触的相对运动。
3.根据权利要求1所述的一种圆筒形直线电机驱动的抽油机，其特征在于：所述圆筒型直线电机动子（5）为中空的圆环柱状体，所述分级弹簧储能器（4）在圆环的内空间沿轴向同轴放置，在分级弹簧储能器（4）的内空间，沿轴向同轴设置抽油杆连接器（12）；圆筒形直线电机动子（5）与一动子基座（3）固定，分级弹簧储能器（4）和抽油杆连接器（12）设置在动子基座（3）上。
4.根据权利要求1所述的一种圆筒形直线电机驱动的抽油机，其特征在于：所述的动子定位导向装置包括直线导槽（77）和导轮（66），所述导轮（66）沿直线导槽（77）运动，保证直线电机动子（5）与直线电机定子（6）之间的运动气隙。
5.根据权利要求1所述的一种圆筒形直线电机驱动的抽油机，其特征在于：所述的动子定位导向装置包括滑块（8）和直线导轨（7），所述滑块（8）沿直线导轨（7）运动，保证圆筒形直线电机动子（5）与圆筒形直线电机定子（6）之间的运动气隙。
6.根据权利要求3所述的一种圆筒形直线电机驱动的抽油机，其特征在于：所述圆筒形直线电机动子（5）与分级弹簧储能器（4）连接，分级弹簧储能器（4）的底部安装在机架基座（1）上，分级弹簧储能器(4)的顶部与动子基座(3)球铰连接。
7.根据权利要求1所述的一种圆筒形直线电机驱动的抽油机，其特征在于：所述分级弹簧储能器（4）为分级螺旋分级弹簧储能器或者分级气压分级弹簧储能器。
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