CN107302285A - 一种基于磁制冷技术的采油电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于磁制冷技术的采油电机，属于石油机械技术领域。石油开采时，安装在热管之间的永磁体将热管中的磁流体磁化，使得磁流体中的金属颗粒按照永磁体磁力线的方向分化成N极和S极，此时通过驱动器为励磁线圈通以三相的交变电流，使得励磁线圈感应出按照正弦曲线变化的交变磁场，在此磁场的作用下，热管中的磁流体开始流动，当磁流体进入磁场时向外界放出热量，当磁流体周围磁场消失时，磁流体从外界吸收热量，同时在直线电机的密封腔体内设计了自力式的气泵，电机在运行的过程中能够带动气泵进行往复的活塞运动，使得电机的工作腔体和冷室能够充分的进行热量的对流，保证了电机能够持续稳定的带动抽油杆完成石油开采作业。

Description

一种基于磁制冷技术的采油电机

技术领域

本发明涉及石油机械技术领域，具体地说是一种基于磁制冷技术的采油电机。

背景技术

随着我国石油工业的不断发展，采油设备一直处于不断的更新换代过程中，传统的采油设备主要包括采油机、抽油泵装置，整套设备由地面、井下和控制部分组成，传统的机械采油机普遍采用旋转电机作为动力，通过曲柄滑块机构将电机的旋转运动变为采油杆的垂直往复运动，由于传动链较长，在运行的过程中能量损耗严重，电机功率因数较低，加之驱动几吨重的抽油杆，杆的变形会非常的严重，甚至会发生抽油杆被磨断或者抽油筒磨破的现象。同时，由于电机多至于几百至几千米的地下，地壳温度每下降1000米要比地面高十几度，这样会大大的加重电机的热负荷，对于电机的选材好工艺提出更高的要求，而且，随着电机下潜深度的增加，电机所要承受的油压也会增加，这又对电机的密封性提出了更高的要求。

发明内容

本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种基于磁制冷技术的采油电机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本设计的核心思想是，设计一种基于磁制冷技术的采油电机，通过磁流体制冷技术为埋藏在地下的直线电机制冷。而所谓磁流体制冷，即指借助磁致冷材料(磁工质)的磁热效应，在等温磁化时向外界排放热量，退磁时从外界吸取热量，从而达到制冷目的。其磁制冷工作原理为：磁性物质（磁工质）是由具有磁矩的原子或离子组成的结晶体，自身有一定的热运动或热振动。在没有外加磁场时，磁工质内部磁矩的取向是随意的，此时磁熵较大。当等温磁化时，磁矩将沿外磁场方向排列，使磁熵降低，此时磁工质向外界排出热量；绝热去磁时，由于磁性原子或离子的热运动，磁工质内部的磁矩又趋于无序状态，磁熵增加，此时磁工质从外界吸热，实现制冷的目的。

一种基于磁制冷技术的采油电机，包括底座，底座的背面有凹槽，凹槽内有第一冷管、第二冷管、第三冷管、第四冷管和第五冷管，第一冷管、第二冷管、第三冷管、第四冷管和第五冷管为圆管，通过半圆形卡箍安装在凹槽内，第一冷管、第二冷管、第三冷管、第四冷管和第五冷管一端合并成热流管，另一端合并成冷流管，热流管和冷流管分别于外机联通；热流管和冷流管内有磁流体；磁流体是利用反向共沉淀法制备出水基的纳米级GdO2，底座背面凹槽有第一热气口和第二热气口，第一热气口和第二热气口与底座上部的传动室联通。

优选的，热流管和冷流管采用金属管路，两根管路分别从电机两端的驱动端盖输出，管路上包覆绝热棉。

外机由上之下分别安装线圈铁芯、热管和散热风扇，线圈铁芯安装在铁芯底座上，线圈铁芯先采用硅钢片冲压成型，再通过焊接的方式叠片成铁芯，铁芯上缠绕励磁线圈，励磁线圈采用漆包线绕制，线圈通三相电，外机还包括第一热管，第二热管，第三热管，第四热管和第五热管，第一热管，第二热管，第三热管，第四热管和第五热管为矩形管，每一根热管的两侧分别有磁石N和磁石S极，热管两端分别连接热流管和冷流管。

优选的，第一热管，第二热管，第三热管，第四热管和第五热管的上表面与励磁线圈下表面的距离为0.8-1mm。

气泵包括活塞，活塞的两侧有推杆，推杆与气泵的壳体之间有第一复位弹簧和第二复位弹簧，第一复位弹簧和第二复位弹簧为压缩型弹簧，气泵的壳体上有第一消音器和第二消音器，第一消音器和第二消音器的气流喷口对准动子，气泵的壳体上还有第一冷气口和第二冷气进口，第一冷气口和第二冷气进口与底座背面的凹槽联通。

底座顶部安装定子，定子为永磁体通过专用工装等间距的黏贴在底座的表面，底座顶部还安装第一导轨和第二导轨,第一导轨和第二导轨分别安装第一滑块和第二滑块，第一滑块和第二滑块内部有滚珠，第一滑块和第二滑块上表面有螺纹孔，并通过螺钉安装驱动端盖，驱动端盖为U型，端盖的上表面通过螺栓安装采油机的活塞杆，端盖的下表面安装动子，底座的两侧有左端盖和右端盖，底座前后面为电机端盖，电机端盖安装电机密封盖，电机密封盖与左端盖和右端盖之间有槽口，槽口中有驱动端盖，驱动端盖的前后两面与电机端盖之间有波纹套，第二滑块上连接气泵。

优选的，定子采用漆包线在定子铁芯上绕制而成，经过专用工装灌胶后，整个定子表面形成胶块，定子的下表面与动子磁铁的上表面之间的间隙为0.8mm。

第一滑块上安装第一撞块和第二撞块，第一撞块和第二撞块为滑块，安装在撞块导轨上，撞块导轨通过螺钉安装在底座上。

外机安装在地面上，外机的外壳上有第一排风口、第二排风口和进风口，进风口上安装空气滤清器。

本发明的一种基于磁制冷技术的采油电机，现有技术相比所产生的有益效果是：

1）使用直线电机取代传统的旋转电机和曲柄滑块机构，能够有效的避免因为采油杆磨损而带来的问题，同时电机输出的功率能够更多的应用在采油杆上，提高了能量的利用效率。

2）直线电机体积小，能够直接安装在采油杆的底端，这样就缩短采油杆的长度，提高了采油杆的刚性，同时为采油杆的加工制造提供了方便。

3）由于采用深埋的安装方式，电机处于地下几十米的一个密闭的空间内，在这样的环境中普通的风扇散热方式无法运行，而通过磁热效应设计的散热机构能够将电机运行过程中产生的热量通过磁流体运送到地面，这样就能够很好的解决电机散热的问题。

4）相比于传统的制冷方式而言，采用磁流体作为热量传导的工质，能够解决长距离热量传导的问题，保证了热量的传导效率。

5）采用电磁技术为磁流体的流动提供动力，相比于传统的热泵推进方式，电磁推动在运行的过程中能够提供更大的推力，运行噪声更小，维护更加方便。

6）在直线电机的密封腔体内设计了自力式的气泵，电机在运行的过程中能够带动气泵进行往复的活塞运动，使得电机的工作腔体和冷室能够充分的进行热量的对流，这样就提高了换热的效率，保证了电机的稳定运行。

附图说明

图1是本发明结构直线电机主视图；

图2是本发明结构散热系统原理图；

图3是本发明结构外机主视图；

图4是本发明结构气泵主视图；

图5是本发明结构直线电机三维图；

图6是本发明结构直线电机左视图；

图中各标号表示：

101、第一冷管，102、第二冷管，103、第三冷管，104、第四冷管，105、第五冷管，2、底座，301、左端盖，302、右端盖，401、第一导轨，402、第二导轨，501、第一滑块，502、第二滑块，6、驱动端盖，7、动子，8、电机密封盖，9、定子，10、波纹套，11、气泵，111、第一复位弹簧，112、第二复位弹簧，113、第一消音器，114、第二消音器，115、第一冷气口，116、第二冷气进口，117、活塞，121、第一撞块，122、第二撞块，13、缓冲垫，14、推杆，15、冷室密封盖，16、冷管，171、第一热管，172、第二热管，173、第三热管，174、第四热管，175、第五热管，18、磁石N极，19、磁石S极，20、热流管，21、冷流管，22、励磁线圈，231、第一排风口，232、第二排风口，24、进风口，25、散热风扇，26、外机，27、线圈铁芯，281、第一热气口，282、第二热气口，29、磁流体，30、电机端盖，31、铁芯底座，32、撞块导轨。

具体实施方式

结合附图对本发明的实施例进行说明。

一种基于磁制冷技术的采油电机，包括底座2，底座2的背面有凹槽，凹槽内有第一冷管101、第二冷管102、第三冷管103、第四冷管104和第五冷管105，第一冷管101、第二冷管102、第三冷管103、第四冷管104和第五冷管105为圆管，通过半圆形卡箍安装在凹槽内，第一冷管101、第二冷管102、第三冷管103、第四冷管104和第五冷管105一端合并成热流管20，另一端合并成冷流管21，热流管20和冷流管21分别于外机26联通；热流管20和冷流管21内有磁流体29；磁流体29是利用反向共沉淀法制备出水基的纳米级GdO2，底座2背面凹槽有第一热气口281和第二热气口282，第一热气口281和第二热气口282与底座2上部的传动室联通。

作为本发明的第一实施例，热流管20和冷流管21采用金属管路，两根管路分别从电机两端的驱动端盖输出，管路上包覆绝热棉。

作为本发明的第二实施例，热流管20和冷流管21采用橡胶软管，两根管路分别从电机一端的驱动端盖输出，管路上包覆绝热棉。

作为本发明的第一实施例，磁流体29采用反向共沉淀法制备出水基的纳米级GdO2。

作为本发明的第二实施例，磁流体29采用反向共沉淀法制备出水基的纳米级Fe3O4。

作为本发明的第三实施例，磁流体29采用重稀土金属Gd。

作为本发明的第一实施例，第一热气口281和第二热气口282上安装过滤器。

作为本发明的第二实施例，第一热气口281和第二热气口282上安装单向阀，保证气流只能够从电机的工作室向冷室流动，而不能够倒流。

外机26由上之下分别安装线圈铁芯27、热管和散热风扇25，线圈铁芯27安装在铁芯底座31，线圈铁芯先采用硅钢片冲压成型，再通过焊接的方式叠片成铁芯，铁芯上缠绕励磁线圈22，励磁线圈22采用漆包线绕制，线圈通三相电，外机26还包括第一热管171，第二热管172，第三热管173，第四热管174和第五热管175，第一热管171，第二热管172，第三热管173，第四热管174和第五热管175为矩形管，每一根热管的两侧分别有磁石N极和磁石S极，热管两端分别连接热流管20和冷流管21。

作为本发明的第一实施例，安装时，第一热管171，第二热管172，第三热管173，第四热管174和第五热管175的方管与方管之间黏贴整块磁石，应保证每一根热管两侧的磁石极性相反。

进一步，方管的高度等于磁石的高度。

作为本发明的第一实施例，第一热管171，第二热管172，第三热管173，第四热管174和第五热管175的上表面与励磁线圈22下表面的距离为0.8-1mm。

作为本发明的第一实施例，励磁线圈22与外部的驱动器连接，在工作的过程中，线圈内通过不断换向的三相电流。

气泵11包括活塞117，活塞117的两侧有推杆14，推杆14与气泵11的壳体之间有第一复位弹簧111和第二复位弹簧112，第一复位弹簧111和第二复位弹簧112为压缩型弹簧，气泵11的壳体上有第一消音器113和第二消音器114，第一消音器113和第二消音器114的气流喷口对准动子7，气泵11的壳体上还有第一冷气口115和第二冷气进口116，第一冷气口115和第二冷气进口116与底座2背面得凹槽联通。

作为本发明的第一实施例，第一冷气口115和第二冷气进口116安装单向阀，保证气流只能从制冷室流向电机的工作空间内而不能够倒流。

作为本发明的第一实施例，活塞117与气泵的壳体之间安装O型密封圈。

作为本发明的第一实施例，气泵11为柱形，通过法兰安装在底座2上。

底座2顶部安装定子9，定子9为永磁体通过专用工装等间距的黏贴在底座2的表面，底座2顶部还安装第一导轨401和第二导轨402,第一导轨401和第二导轨402分别安装第一滑块501和第二滑块502，第一滑块501和第二滑块502内部有滚珠，第一滑块501和第二滑块502上表面有螺纹孔，并通过螺钉安装驱动端盖6，驱动端盖6为U型，端盖的上表面通过螺栓安装采油机的活塞杆，端盖的下表面安装动子7，底座2的两侧有左端盖301和右端盖302，底座2前后面为电机端盖30，电机端盖30安装电机密封盖8，电机密封盖8与左端盖301和右端盖302之间有槽口，槽口中有驱动端盖6，驱动端盖的前后两面与电机端盖30之间有波纹套10，第二滑块502上连接气泵11。

作为本发明的第一实施例，定子9采用漆包线在定子铁芯上绕制而成，经过专用工装灌胶后，整个定子表面形成胶块，定子的下表面与动子磁铁的上表面之间的间隙为0.8mm。

作为本发明的第一实施例，动子7的四个角上安装四个滑块，位于动子7一侧的两个滑块上分别安装第一撞块121和第二撞块122。

作为本发明的第二实施例，动子7的四个角上安装四个滑块，位于动子7两的四个滑块上分别安装撞块。

第一滑块501上安装第一撞块121和第二撞块122，第一撞块121和第二撞块122为滑块，安装在撞块导轨32上，撞块导轨32通过螺钉安装在底座2上。

外机26安装在地面上，外机的外壳上有第一排风口231、第二排风口232和进风口24，进风口24上安装空气滤清器。

把磁致冷工质的绝热去磁引起的吸热过程和绝热磁化引起的放热过程用一个循环连接起来，从而可使磁性材料在不断地从一端吸热，在另一端放热，就可以达到制冷的目的。室温磁致冷采用的主要是埃里克森循环，

埃里克森循环磁制冷机原理为：

1)等温磁化过程，将外磁场从B1增大到B2，这时磁性材料产生的热量向蓄冷器排出，上部的蓄冷流体温度上升。

2)等磁场过程，外加的磁场B2维持不变，磁性材料和电磁体一起向下移动，磁性材料在下移过程中不断地向蓄冷流体排放热量，温度从T1变化到T2。

3)等温去磁过程，保持磁性材料和电磁体静止不动，将磁场从B2减小到B1，磁性材料从下部的蓄冷流体吸收热童量。

4)等磁场过程，维持磁场B1不变，将磁性材料和电磁体一起向上移动，这时磁性材料从蓄冷流体吸收热量，温度升高到T1，到此完成整个循环。

在工作的过程中，首先安装在第一热管171，第二热管172，第三热管173，第四热管174和第五热管175之间的永磁体将热管中的磁流体磁化，使得磁流体中的金属颗粒按照永磁体磁力线的方向分化成N极和S极，此时通过驱动器为励磁线圈22通以三相的交变电流，此时励磁线圈感应出按照正弦曲线变化的交变磁场，在此磁场的作用下，热管中的磁流体开始流动。

根据埃里克森循环效应，在磁流体磁化的过程中会向外界放出热量，这部分热能会被散热风扇吹到外界，而磁流体放出热量后自身温度降低，在电磁力的推动下沿着冷流管21流入到直线电机内的第一冷管101、第二冷管102、第三冷管103、第四冷管104和第五冷管105中。

当温度较低的磁流体到达冷管时，由于冷室里没有磁力，磁流体内的阴阳离子会逐渐消磁，并在此过程中从环境中吸收热量，使得自身温度升高，这样冷室内的温度降低。

同时，直线电机在运行的过程中，动子7带动第一撞块121和第二撞块122进行往复运动，使得第一撞块121和第二撞块122不断地碰撞压缩推杆14，当推杆14被向左压缩时，左侧腔体从冷室中吸气，右侧腔体向动子7喷射冷气；当推杆14被向右压缩时，右侧腔体从冷室中吸气，左侧腔体向动子7喷射冷气；当气泵向电机喷射冷气时，电机内部的热空气通过第一热气口281和第一热气口282向冷室内喷射热风，这样就完成了空气的对流循环。

应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管该具体实施方式部分对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种基于磁制冷技术的采油电机，其特征在于，包括底座（2），所述底座（2）的背面有凹槽，凹槽内有第一冷管（101）、第二冷管（102）、第三冷管（103）、第四冷管（104）和第五冷管（105），所述第一冷管（101）、第二冷管（102）、第三冷管（103）、第四冷管（104）和第五冷管（105）为圆管，通过半圆形卡箍安装在所述凹槽内，所述第一冷管（101）、第二冷管（102）、第三冷管（103）、第四冷管（104）和第五冷管（105）一端合并成热流管（20），另一端合并成冷流管（21），所述热流管（20）和冷流管（21）分别于外机（26）联通；所述热流管（20）和冷流管（21）内有磁流体（29）；所述磁流体（29）是利用反向共沉淀法制备出水基的纳米级GdO2，所述底座（2）背面凹槽有第一热气口（281）和第二热气口（282），所述第一热气口（281）和第二热气口（282）与所述底座（2）上部的传动室联通。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁制冷技术的采油电机，其特征在于，所述外机（26）由上至下分别安装线圈铁芯（27）、热管和散热风扇（25），所述线圈铁芯（27）安装在铁芯底座（31）上，线圈铁芯先采用硅钢片冲压成型，再通过焊接的方式叠片成铁芯，所述铁芯上缠绕励磁线圈（22），所述励磁线圈（22）采用漆包线绕制，，所述外机（26）还包括第一热管（171），第二热管（172），第三热管（173），第四热管（174）和第五热管（175），所述第一热管（171），第二热管（172），第三热管（173），第四热管（174）和第五热管（175）为矩形管，每一根热管的两侧分别有磁石N（18）和磁石S极（19），所述热管两端分别连接所述热流管（20）和冷流管（21）。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁制冷技术的采油电机，其特征在于，包括气泵（11），所述气泵（11）包括活塞（117），所述活塞（117）的两侧有推杆（14），所述推杆（14）与所述气泵（11）的壳体之间有第一复位弹簧（111）和第二复位弹簧（112），所述第一复位弹簧（111）和第二复位弹簧（112）为压缩型弹簧，所述气泵（11）的壳体上有第一消音器（113）和第二消音器（114），所述第一消音器（113）和第二消音器（114）的气流喷口对准权利要求2所述动子（7），所述气泵（11）的壳体上还有第一冷气口（115）和第二冷气进口（116），所述第一冷气口（115）和第二冷气进口（116）与权利要求1所述底座（2）背面的凹槽联通。

4.根据权利要求1所述的一种基于磁制冷技术的采油电机，其特征在于，所述底座（2）顶部安装定子（9），所述定子（9）为永磁体并通过专用工装等间距的黏贴在底座的表面，所述底座（2）顶部还安装第一导轨（401）和第二导轨（402）,所述第一导轨（401）和第二导轨（402）分别安装第一滑块（501）和第二滑块（502），所述第一滑块（501）和第二滑块（502）内部有滚珠，所述第一滑块（501）和第二滑块（502）上表面有螺纹孔，并通过螺钉安装驱动端盖（6），所述驱动端盖（6）为U型，端盖的上表面通过螺栓安装采油机的采油杆，端盖的下表面安装动子（7），所述底座（2）的两侧有左端盖（301）和右端盖（302），所述底座（2）前后面为电机端盖（30），所述电机端盖（30）上安装电机密封盖（8），所述电机密封盖（8）与所述左端盖（301）和右端盖（302）之间有槽口，所述槽口中有所述驱动端盖（6），驱动端盖的前后面与所述电机端盖（30）之间有波纹套（10），所述第二滑块（502）上连接所述气泵（11）。

5.根据权利要求1所述的一种基于磁制冷技术的采油电机，其特征在于，所述第一滑块（501）上安装第一撞块（121）和第二撞块（122），所述第一撞块（121）和第二撞块（122）为滑块，安装在撞块导轨（32）上，所述撞块导轨（32）通过螺钉安装在所述底座（2）上。

6.根据权利要求1所述的一种基于磁制冷技术的采油电机，其特征在于，所述外机（26）安装在地面上，外机的外壳上有第一排风口（231）、第二排风口（232）和进风口（24），所述进风口（24）上安装空气滤清器。