CN108757374B - 双边永磁直线电机驱动式柱塞泵 - Google Patents

双边永磁直线电机驱动式柱塞泵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双边永磁直线电机驱动式柱塞泵，包括：一台双边永磁直线电机、连接杆和四台柱塞泵，所述双边永磁直线电机包括：定子、第一动子和第二动子；所述定子包括：定子铁芯、第一电枢绕组和第二电枢绕组，第一电枢绕组和第二电枢绕组对称分布于定子铁芯两侧的定子槽中；所述第一动子包括动子铁芯和永磁体，所述永磁体位于动子铁芯上，第一动子和第二动子结构相同；所述第一动子和第二动子的动子铁芯两端分别与一台柱塞泵的柱塞通过连接杆进行连接，四台柱塞泵的结构相同。本发明采用直线电机直接驱动柱塞泵，省去了曲轴连杆、减速齿轮箱等机械结构，提高了整体的运行可靠性和效率，降低了噪声。

Description

双边永磁直线电机驱动式柱塞泵
技术领域
本发明属于泵类领域，更具体地，涉及一种双边永磁直线电机驱动式柱塞泵。
背景技术
随着当今社会的高速发展，人类对能源的需求越来越大。而煤、石油、天然气等化石能源的储备逐渐枯竭，页岩气作为一种新型能源，其资源储备量较大，可供人类长期使用。水力压裂技术在页岩气的开采上起着至关重要的作用，该技术主要通过高压压裂泵组往井内注入高压压裂液，导致岩石产生裂缝，使得气体能够更流畅的进入井内，从而加快开发的进程。压裂泵作为整个压裂工作的核心，如何提高压裂泵的性能值得进一步研究。
当前，页岩气开采作业中所用压裂泵为往复柱塞泵结构，该柱塞泵动力端通过曲轴连杆结构将曲轴旋转运动转变为柱塞的往复运动。由于柱塞泵动力端为曲轴连杆结构，导致排出液体压力波动大，流量不均匀。同时因为曲轴连杆、减速齿轮箱等机械结构的存在，降低了泵的效率和可靠性，运行时也会产生很大的噪声。
发明专利CN102305203A公开了一种直线电机驱动柱塞泵，其技术特征为：整体结构由四台平板直线电机、八台柱塞泵组成。每台平板式直线电机连接一根柱塞杆，柱塞杆的两端分别接有一台柱塞泵的柱塞，即一台直线电机驱动两台泵工作。直线电机动子来回运动时，一台柱塞泵吸水，另一台柱塞泵压水，为了实现系统恒流量输出，控制四台直线电机有相位差运动。该发明省去了曲轴连杆、减速齿轮等机械环节，提高了系统可靠性。
该技术存在的缺陷为：一台直线电机只能驱动两台柱塞泵，为了实现恒流量输出，至少需要两套这样的结构，多直线电机的结构会导致系统材料利用率不高，同时会导致整体体积过大、重量过重，不适合安装和运输。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双边永磁直线电机驱动式柱塞泵，由此解决现有压裂用柱塞泵输出流量不均匀、压力波动大，以及因曲轴连杆和减速齿轮箱等机械结构带来的可靠性差、效率低和噪声大等一系列问题，同时能够解决因采用多台直线电机而导致的系统整体体积过大、重量过重、材料利用率低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种双边永磁直线电机驱动式柱塞泵，包括：一台双边永磁直线电机、连接杆和四台柱塞泵，
所述双边永磁直线电机包括：定子、第一动子和第二动子；所述定子包括：定子铁芯、第一电枢绕组和第二电枢绕组，第一电枢绕组和第二电枢绕组对称分布于定子铁芯两侧的定子槽中；所述第一动子包括动子铁芯和永磁体，所述永磁体位于动子铁芯上，第一动子和第二动子结构相同；
所述第一动子和第二动子的动子铁芯两端分别与一台柱塞泵的柱塞通过连接杆进行连接，四台柱塞泵的结构相同。
进一步地，四台柱塞泵的排出管道连通成排出管汇。
进一步地，四台柱塞泵的吸入管道连通成吸入管汇。
进一步地，第一电枢绕组和第二电枢绕组为单层绕组或双层绕组。
进一步地，永磁体在动子铁芯上的安装方式为表贴式、内嵌式或交替极式。
进一步地，第一动子和第二动子之间存在相位差。
进一步地，第一动子和第二动子以三角波或梯形波的速度规划曲线运动。
进一步地，动子铁芯和定子铁芯的材料为导磁材料。
进一步地，永磁体的材料为钕铁硼、钐钴、钕镍钴或铁氧体。
进一步地，双边永磁直线电机驱动式柱塞泵在工作时，还包括两台变频器，两台变频器分别用于给第一电枢绕组和第二电枢绕组供电，使得第一电枢绕组和第二电枢绕组分别产生一个行波磁场，永磁体之间产生电磁推力，利用行波磁场和电磁推力带动第一动子和第二动子运动。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明采用直线电机直接驱动柱塞泵，省去了曲轴连杆、减速齿轮箱等机械结构，提高了整体的运行可靠性和效率，降低了噪声。本发明所用直线电机动子为铁芯加永磁体结构，结构简单，便于设计和安装；绕组放置在定子上，便于接入电缆和冷却。本发明采用一台直线电机直接驱动四台柱塞泵，能够提高系统的材料利用率，减小整体体积和重量。
(2)本发明的直线电机采用永磁体来励磁，能够提高电机功率因数和效率，电机功率因数的提高能够减小变频器的容量，效率的提高能够节约用电。同时永磁直线电机能够提高电机功率密度，减小电机体积，更适合于车载运输。
(3)现有柱塞泵通过曲轴连杆结构进行传动，导致输出流量不均匀、压力波动大。而本发明通过直线电机直驱，瞬时输出流量正比于动子的速度，因此通过控制两个动子的移动速度可以实现恒流量输出，输出液体的压力则可以通过控制直线电机的推力来实现，因此能够实现恒流、恒压输出。
附图说明
图1为本发明实施例提供的双边永磁直线电机驱动式柱塞泵的俯视图；
图2为本发明实施例提供的双边永磁直线电机驱动式柱塞泵的主视图；
图3为本发明实施例提供的双边永磁直线电机驱动式柱塞泵中柱塞泵主视方向剖切视图；
图4为本发明实施例提供的双边永磁直线电机驱动式柱塞泵中柱塞泵左视方向剖切视图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1为双边永磁直线电机，2为第一柱塞泵，3为第二柱塞泵，4为第三柱塞泵，5为第四柱塞泵，6为定子，7为定子铁芯，8为第一电枢绕组，9为第二电枢绕组，10为第一动子，11为第二动子，12为动子铁芯，13为永磁体，14为连接杆，15为柱塞，16为泵体，17为排出阀，18为排出管道，19为吸入阀，20为吸入管道。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提出了一种双边永磁直线电机驱动式柱塞泵，将动子铁芯通过连接杆与柱塞泵的柱塞相连接，直线电机直接驱动柱塞泵，省去了曲轴连杆、减速齿轮等机械结构，能够提高效率和可靠性，降低噪声。所用直线电机采用永磁结构，能够提高电机功率密度，缩小电机体积。该电机采用双边结构，可同时驱动四台柱塞泵，通过控制两个动子的运动方式可以实现恒流量、恒压输出。因此本发明非常适合用于车载压裂作业。
如图1所示，本发明提出的一种双边永磁直线电机驱动式柱塞泵，包括一台双边永磁直线电机1、四台柱塞泵(第一柱塞泵2，第二柱塞泵3，第三柱塞泵4，第四柱塞泵5)、连接杆14；
所述双边永磁直线电机1包括：定子6、第一动子10和第二动子11；所述定子6包括：定子铁芯7、第一电枢绕组8和第二电枢绕组9，第一电枢绕组8和第二电枢绕组9对称分布于定子铁芯7两侧的定子槽中；所述第一动子10包括动子铁芯12和永磁体13，所述永磁体13位于动子铁芯12上，第一动子10和第二动子11结构相同；所述第一动子10和第二动子11的动子铁芯两端分别与一台柱塞泵的柱塞通过连接杆进行连接，四台柱塞泵的结构相同。如图2所示，第二动子11的动子铁芯通过连接杆14与柱塞泵的柱塞15连接。
第一电枢绕组和第二电枢绕组为单层绕组或双层绕组。永磁体在动子铁芯上的安装方式为表贴式、内嵌式或交替极式。电机结构为平板型。动子铁芯和定子铁芯的材料为导磁材料如硅钢片、实心钢等。永磁体的材料为钕铁硼、钐钴、钕镍钴或铁氧体。第一动子和第二动子以三角波或梯形波的速度规划曲线运动。第一动子和第二动子之间存在相位差，可以实现系统恒流量输出。
如图3和图4所示，第三柱塞泵4包括柱塞15、泵体16、排出阀17、排出管道18、吸入阀19和吸入管道20，四台柱塞泵的排出管道连通成排出管汇，四台柱塞泵的吸入管道连通成吸入管汇。
双边永磁直线电机驱动式柱塞泵在工作时，还包括两台变频器，两台变频器分别用于给第一电枢绕组和第二电枢绕组供电，使得第一电枢绕组和第二电枢绕组分别产生一个行波磁场，两行波磁场之间互不影响，由于电机动子上放有永磁体，永磁体之间产生电磁推力，利用行波磁场和电磁推力带动第一动子和第二动子运动。两套电枢绕组分别控制一个动子，第一电枢绕组8控制第一动子10的运动方式，而第二电枢绕组9则控制第二动子11的运动方式，两个动子之间的运动互不干扰。
本发明中通过使用变频器对直线电机进行控制，通过变频器的变频调速可以改变通入定子绕组上的电流频率，从而该变行波磁场的移动速度来调节动子的移动速度。通过变频器可以改变定子绕组输入电流的大小，进而可以改变电磁推力的大小。由于四台柱塞泵的排出管道连通成排出管汇，因此整个系统排出流量为四台柱塞泵的流量叠加。为了实现流量恒定，可以通过变频器调节每个动子的移动速度，使每个动子以三角波或梯形波的速度规划曲线运动。以三角波运动规划曲线为例，开始运行时，第一动子10位于最左端，动子向右先做匀加速运动再做匀减速运动直至速度变为零，此时动子位于最右端，第一柱塞泵2完成一次吸入，第二柱塞泵3完成一次排出。然后动子向左先做匀加速运动再做匀减速运动直至速度变为零，此时动子位于最左端，第一柱塞泵2完成一次排出，第二柱塞泵3完成一次吸入，如此循环下去。第一动子和第二动子的运动方式相同，不过需要滞后1/4第二动子的运动周期时间才开始运行。通过改变电机的电磁推力可以改变输出液体的压力，控制动子的最大运行速度可以控制输出流量。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双边永磁直线电机驱动式柱塞泵，其特征在于，包括：一台双边永磁直线电机(1)、连接杆和四台柱塞泵，
所述双边永磁直线电机(1)包括：定子(6)、第一动子(10)和第二动子(11)；所述定子(6)包括：定子铁芯(7)、第一电枢绕组(8)和第二电枢绕组(9)，第一电枢绕组(8)和第二电枢绕组(9)对称分布于定子铁芯(7)两侧的定子槽中；所述第一动子(10)包括动子铁芯(12)和永磁体(13)，所述永磁体(13)位于动子铁芯(12)上，第一动子(10)和第二动子(11)结构相同；
所述第一动子(10)和第二动子(11)的动子铁芯两端分别与一台柱塞泵的柱塞通过连接杆进行连接，四台柱塞泵的结构相同；
所述四台柱塞泵的排出管道连通成排出管汇，所述四台柱塞泵的吸入管道连通成吸入管汇；
所述第一动子(10)和第二动子(11)之间存在相位差，所述第一动子(10)和第二动子(11)以三角波或梯形波的速度规划曲线运动；
所述双边永磁直线电机驱动式柱塞泵在工作时，还包括两台变频器，两台变频器分别用于给第一电枢绕组(8)和第二电枢绕组(9)供电，使得第一电枢绕组(8)和第二电枢绕组(9)分别产生一个行波磁场，永磁体之间产生电磁推力，利用行波磁场和电磁推力带动第一动子(10)和第二动子(11)运动。
2.如权利要求1所述的一种双边永磁直线电机驱动式柱塞泵，其特征在于，所述第一电枢绕组(8)和第二电枢绕组(9)为单层绕组或双层绕组。
3.如权利要求1或2所述的一种双边永磁直线电机驱动式柱塞泵，其特征在于，所述永磁体(13)在动子铁芯(12)上的安装方式为表贴式、内嵌式或交替极式。
4.如权利要求1或2所述的一种双边永磁直线电机驱动式柱塞泵，其特征在于，所述动子铁芯和定子铁芯的材料为导磁材料。
5.如权利要求1或2所述的一种双边永磁直线电机驱动式柱塞泵，其特征在于，所述永磁体(13)的材料为钕铁硼、钐钴、钕镍钴或铁氧体。
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