CN111446831A - 一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置，属于油田专用变频调速永磁同步电动机技术领域。本发明中电动机与抽油机通过皮带联接，智能控制系统可本地控制也可以通过无线网络实时远程控制变频调速永磁同步电动机并传输抽油机的检测数据，通过无线网络实现抽油机检测数据的实时远程传输可以实现油田数字化采油工作，机壳、端盖、轴和轴承组成了电动机的支承系统，定子线圈、定子铁心、转子铁心、磁钢组成了电动机的电路、磁路系统，在驱动器给定子线圈三相电流的情况下，使电动机持续输入负载需要的动力。本发明节能、功率因数高、电机电流小、运行无滑差，转速稳定并且温升比异步电机低15～20℃，实现高效节能目的。

Description

一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置

技术领域

本发明涉及一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置，属于油田专用变频调速永磁同步电动机和数字化油田工程技术领域。

背景技术

目前油田使用的拖动装置、电动机、数字化控制箱其构成是独立工作，不足之处是拖动装置和电机都是有转子无功消耗不能更好的实现节能且多是效率很低的异步电机，数字化控制箱也是独立工作且靠各种传感器实现数控，不能有效利用电参数控制，造成各部分烦乱无序且性能不够全面的现象。

在工业飞速发展的同时对电动机也提出了多方位的更高要求。电动机在工业应用中主要是异步电动机和同步电动机两大类，异步电动机在过去的工业应用中最为广泛。主要是异步电动机对电网冲击不大但是系统效率依然没有同步电动机高。人们始终在开发和研究同步电动机的性能。在实践应用中，同步电动机虽然系统效率很高，但是启动电流过大和退磁后性能下降始终困扰者同步电动机的发展。

于是在开发同步电动机的同时也加快了磁钢的生产研制(现在的磁钢可以达到10年不退磁)，电动机已经不再是过去的完全通用时代，现在的电动机开发是在国际通用设计的基础上，最大限度的满足不同行业的具体要求，于是特种电动机应运而生。本发明电动机根据油田行业的发展总结出几个特点研发：1、电动机系统效率高即节电；2、无级转速调参即节能；3、数字化管理。

并且现有技术中未配备智能控制系统，电动机和智能数字化产生脱节现象，并且缺少控制柜通过无线网络实现抽油机检测数据的实时远程传输，客户无法使用PC或手机APP随时随地对服务器联网的各台设备进行状态监测的智能控制系统。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置，包括：变频调速永磁同步电动机和智能控制系统；

其中，变频调速永磁同步电动机与抽油机通过皮带联接，智能控制系统可本地控制也可以通过无线网络实时远程控制变频调速永磁同步电动机并传输抽油机的检测数据；

所述智能控制系统包括网络传输模块、云服务平台、移动终端和智能控制柜，智能控制柜通过网络传输模块与云服务平台连接，云服务平台输出端与移动终端输入端连接，

所述智能控制柜包括电参数监测模块、远程控制模块、存储模块、输出模块和无线网络模块；智能控制柜内各模块之间通讯连接和数据传输通过无线网络模块连接，电参数监测模块、存储模块和输出模块通过无线网络模块分别与远程控制模块连接，电参数监测模块监测采集抽油机的电参数并将电参数发送至远程控制模块，存储模块和输出模块存储和输出参数信息；

所述变频调速永磁同步电动机的组成包括：第一六角头螺栓及弹平垫、普通平键、骨架油封、轴承外盖加碳刷、接地碳刷、电机用钢质波形弹簧、前深沟球轴承、二硫化钼润滑脂、第二六角头螺栓、前轴承内盖、前端盖、直通式压注油杯、机座、定子绕组、轴、转子铁心压圈、端环、磁钢、定子铁心、吊环、紧定螺钉、转子铁心、第三六角头螺栓、后轴承内盖、第四六角头螺栓、大垫圈、第五六角头螺栓、标准型弹簧垫圈、平垫圈、塞、后端盖、后轴承座、后深沟球轴承、第一A型轴用弹性挡圈、后轴承外盖、轴面油封、风扇、第二A型轴用弹性挡圈和风罩；

其中，将定子冲片叠压成定子铁心，把定子绕组嵌入定子铁心中组成定子，将定子压入机座并且安装吊环、紧定螺钉及后端盖组成电机定子主体；

将转子冲片叠压成转子铁心装上轴，同时固定转子铁心压圈，用磁钢装配专用导引工装压入磁钢并装配端环，在轴前端装上前轴承内盖、前深沟球轴承并在前深沟球轴承上注入二硫化钼润滑脂，安装前端盖、轴承外盖加碳刷、接地碳刷、电机用钢质波形弹簧、骨架油封和普通平键，用第一六角头螺栓及弹平垫紧固轴承外盖加碳刷、前深沟球轴承、前轴承内盖于前端盖上，安装第二六角头螺栓和直通式压注油杯，完成电机转子前端装配；在轴后端装上后轴承内盖、后深沟球轴承、后轴承座和后轴承外盖，在后深沟球轴承上注入二硫化钼润滑脂，安装第一A型轴用弹性挡圈，再用第三六角头螺栓将后轴承内盖、后深沟球轴承、后轴承座和后轴承外盖紧固，组成电机转子主体；

用卧式液压装配设备及工装将转子主体装入定子主体中，用第三六角头螺栓联接后轴承座于后端盖上，安装轴面油封和风扇用第二A型轴用弹性挡圈锁紧，安装风罩用第四六角头螺栓和大垫圈紧固，用第五六角头螺栓、标准型弹簧垫圈和平垫圈紧固后端盖于机座上；在风罩上安装塞，安装接线盒装配并安装铭牌。

本发明的有益效果为：

本发明一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置，通过驱动电机优化和控制柜优化，以及利用电参数自动分析，获得了节能、功率因数高、电机电流小、运行无滑差和温升低等优点；

(1)节能：综合节电率(相对于目前的节能电机)14％以上，一般三相异步电动机在60％额定负载以下时，效率下降较快，轻载时效率很低，三相异步电动机效率随转速的下降而下降较快，所以三异步电动机在低速、低负载时，效率很低。本发明一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置中的驱动永磁同步电动机在20％～110％额定负载时均处于高效率区。经多个厂家不同工况现场实测，本发明油田专用变频调速永磁同步电动机的综合节电率(相对普通异步电机)在10％～40％之间。

(2)功率因数高：额定状态实测COSΦ值已接近极限值1.0，均在0.95以上，永磁变频电动机功率因数曲线和效率曲线高而平；功率因数COSΦ高，定子电流小，进而降低定子铜耗，提高效率。

(3)电机电流小：由于该电动机采用转子磁钢内置式结构，具有一定的凸极转矩，再采用最大转矩/电流比控制方式，使电动机在全调速范围内都具有较高的功率因数，电机电流明显下降。经实测，永磁电机和异步电机相比，定子电流值可下降15％～30％，电机电流大幅降低，减少了电缆传输中的损耗，等于扩大了电缆的容量，输电电缆可以安装更多电机。

(4)运行无滑差，转速稳定：永磁电动机是同步电动机，电动机的转速只与电源频率有关，电动机转速与定子旋转磁场转速同步，不受电压波动、负载大小的影响，不丢转、无滑差、无转差功率损耗，从而提高了效率和控制精度。

(5)温升低15～20℃：由于高效永磁变频同步电动机效率高，损耗低，从而温升较低。经实测，在同等条件下，永磁电机的工作温度比异步电机低15～20℃。

本发明一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置中驱动电动机转子装有磁钢，由于转子磁钢的存在，在电动机内部形成气隙磁通，在三相定子绕组中通电的情况下产生三相定子电流，三相定子电流与气隙磁通相互作用产生了电磁转矩，使电动在驱动器的控制下，实现持续的在不同转速下输出转矩使电动机稳定运转。本电动机采用的是无位置传感器矢量控制，驱动器通过控制电动机定子直轴电流与交轴电流便可以控制电动机在不同转速下的转矩，驱动器通过调节输出三相电流的频率调节电动机的转速。

本发明智能控制系统是配套高效永磁变频同步电动机设计的抽油机专用智能化装置，该装置是基于计算机技术、物联网技术、电机控制技术和电力电子技术不断发展的基础上设计研发的高效节能产品。控制柜通过无线网络实现抽油机检测数据的实时远程传输，客户可使用PC或手机APP随时随地对服务器联网的各台设备进行状态监测，改变以往人工巡井的工作模式，大大减轻工人的工作负担。

附图说明

图1为本发明一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置的结构原理图。

图2为本发明一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置的智能控制系统结构原理图。

图3为本发明一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置的智能控制柜结构原理图。

图4为本发明一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置驱动电机的结构示意主视图。

图5为本发明一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置驱动电机的结构示意左视图。

图6为本发明一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置的驱动永磁电机装配工装假转子总成安装结构示意图。

图7为本发明一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置的驱动永磁电机装配工装假转子总成移走结构示意图。

图8为本发明一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置的驱动电机的转子按磁钢导引胎结构示意主视图。

图9为本发明一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置的驱动电机的转子按磁钢导引胎结构示意俯视图。

图10为本发明一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置的驱动电机温升对比图。

图中的附图标记，1为第一六角头螺栓及弹平垫，2为普通平键，3为骨架油封，4为轴承外盖加碳刷，5为接地碳刷，6为电机用钢质波形弹簧，7为前深沟球轴承，8为二硫化钼润滑脂，9为第二六角头螺栓，10为前轴承内盖，11为前端盖，12为直通式压注油杯，13为机座，14为定子绕组，15为轴，16为转子铁心压圈，17为端环，18为磁钢，19为定子铁心，20为吊环，21为紧定螺钉，22为转子铁心，23为第三六角头螺栓，24为后轴承内盖，25为第四六角头螺栓，26为大垫圈，27为第五六角头螺栓，28为标准型弹簧垫圈，29为平垫圈，30为塞，31为后端盖，32为后轴承座，33为后深沟球轴承，34为第一A型轴用弹性挡圈，35为后轴承外盖，36为轴面油封，37为风扇，38为第二A型轴用弹性挡圈，39为碳刷更换标识，40为铭牌，41为铆钉，42为铭牌数据，43为接线盒装配，44为警示标识，45为风罩，46为液压机，47为顶尖，48为假转子总成，49为固定座，50为导引胎底座焊合，51为上垫板，52为转子按磁钢导引胎，53为磁钢导引块，54为转子按磁钢导引胎槽样棒。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明中驱动部分的制造技术做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1至图10所示，本实施例所涉及的一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置，包括：变频调速永磁同步电动机、智能控制系统和抽油机；

其中，变频调速永磁同步电动机与抽油机通过皮带联接，智能控制系统通过无线网络实时远程控制变频调速永磁同步电动机并传输抽油机的检测数据；

所述智能控制系统包括网络传输模块、云服务平台、移动终端和智能控制柜，智能控制柜通过网络传输模块与云服务平台连接，云服务平台输出端与移动终端输入端连接，

所述智能控制柜包括电参数监测模块、远程控制模块、存储模块、输出模块和无线网络模块；智能控制柜内各模块之间通讯连接和数据传输通过无线网络模块连接，电参数监测模块、存储模块、输出模块和无线网络模块分别与远程控制模块连接，电参数监测模块监测采集抽油机的电参数并将电参数发送至远程控制模块，存储模块和输出模块存储和输出参数信息；

实施例1

如图1所示，变频调速永磁同步电动机与抽油机通过皮带联接，智能控制系统通过无线网络实时远程控制变频调速永磁同步电动机并传输抽油机的检测数据；

如图2所示，智能控制系统包括网络传输模块、云服务平台、移动终端和智能控制柜，智能控制柜通过网络传输模块与云服务平台连接，云服务平台输出端与移动终端输入端连接，

如图3所示，智能控制柜包括电参数监测模块、远程控制模块、存储模块、输出模块和无线网络模块；智能控制柜内各模块之间通讯连接和数据传输通过无线网络模块连接，电参数监测模块、存储模块和输出模块通过无线网络模块分别与远程控制模块连接，电参数监测模块监测采集抽油机的电参数并将电参数发送至远程控制模块，存储模块和输出模块存储和输出参数信息；

如图4所示，本电动机包括定子(包括机座13、定子线圈14、定子铁心19)、转子(包括轴15、转子铁心22、磁钢18)、前深沟球轴承7和后深沟球轴承33、前端盖11、后端盖31、前轴承内盖10、后轴承内盖24、轴承外盖35、接线盒装配43、风扇37、后轴承座32等；其中，机座13、前端盖11、后端盖31、轴15、前深沟球轴承7和后深沟球轴承33组成了电动机的支承系统，确保电动机气隙均匀、转动可靠灵活，定子线圈14、定子铁心19、转子铁心22和磁钢18组成了动机机的电路、磁路系统，在驱动器给定子线圈三相电流的的情况下，使电动机持续输出负载需要的动力。

第一步：将定子冲片按照技术要求叠压成定子铁心19，把定子绕组14嵌入定子铁心19中组成定子。将定子压入机座13并且安装吊环20、紧定螺钉21及后端盖31组成电机定子主体；第二步：将转子冲片按照技术要求叠压成转子铁心22装上轴15、同时固定转子铁心压圈16，接着用磁钢装配专用导引工装压入磁钢18并装配端环17，然后在轴15前端装上前轴承内盖10、前深沟球轴承7并在前深沟球轴承7上注入二硫化钼润滑脂8，并且在轴15前端上安装前端盖11、轴承外盖加碳刷4、接地碳刷5、电机用钢质波形弹簧6、骨架油封3、普通平键2，用第一六角头螺栓及弹平垫1紧固轴承外盖加碳刷4、前深沟球轴承7、前轴承内盖10于前端盖11上，安装第二六角头螺栓9、直通式压注油杯12安装，完成电机转子前端装配。在轴15后端装上后轴承内盖24、后深沟球轴承33、后轴承座32、后轴承外盖35在后深沟球轴承33上注入二硫化钼润滑脂8，在轴15后端上安装第一A型轴用弹性挡圈34再用第三六角头螺栓23将后轴承内盖24、后深沟球轴承33、后轴承座32、后轴承外盖35紧固，组成电机转子主体；第三步：用卧式液压装配设备及工装将转子体装入定子体中，用第三六角头螺栓23联接后轴承座32于后端盖31上，安装轴面油封36、风扇37用第二A型轴用弹性挡圈38锁紧，安装风罩45用第四六角头螺栓25、大垫圈26紧固，用第五六角头螺栓27、标准型弹簧垫圈28、平垫圈29紧固后端盖31于机座13上。在风罩45上安装塞30。安装接线盒装配43并安装铭牌40。

如图5所示，其驱动部分，前端盖11上设置有碳刷更换标识39，机座13上装有铭牌40和铭牌数据42通过铆钉41固定在机座13上，机座13外侧设置有接线盒装配43，接线盒装配43上设置有警示标识44。

实施例2

一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置驱动电机的制造方法：

1、机壳“一刀通”加工专用技术：

机壳是电机支承系统的核心部件，对机壳的最基本要求是要有足够的机械强度、尺寸精度和同轴度精度，其中机械强度由机壳的材质、结构与厚度保证，尺寸精度也容易保证，但同轴度精度是非常重要，如果同轴度精度保证不了，轻则会造成电机气隙不匀影响电机性能，重则会造成电机定转子相擦使电机无法正常工作并提前丧失电机功能。

现有技术中机壳加工现通用工艺为先加工机座一端止口与铁心档，再用加工好的止口为基准调头加工另一端止口，调头后采用止口胎定位，由于止口胎与止口间间隙的存在及止口胎本身就有不同轴的存在，不能保证机座同轴度精度；

为解决技术问题采用的专用技术：为保证机壳同轴度精度，采用“一刀通”加工专用技术对机座两端止口、铁心档进行加工，简单的说就是在机座外圆非配合面外圆外先加工一工艺卡头，再以此工艺卡头为基准将机壳装夹的机床上，一次性将两端止口端面、内圆、铁心档内圆加工完成，由于需要保证同轴度精度的加工面为一次装夹加工完成，这样可以百分之百保证机座的同轴度精度；

2、转子外圆免加工专用技术：

电动机的转子由轴、转子冲片、磁钢等组成，是电动机的转动部件。

现有技术中电动机轴、转子冲片加工完成后，将转子冲片装配到轴上，再将磁钢槽支承板插到转子冲片磁钢槽内，对转子铁心外圆进行车屑加工，加工出电动机定转子间的气隙，车屑加工完成后抽出磁钢槽支承板、清理转子铁屑、装配磁钢后进行动平衡，最后对转子表面涂防锈漆。在车屑转子外圆时，由于车屑力的存在，虽然磁钢槽内有磁钢槽支承板，但为了装配磁钢支承板方便，磁钢槽支承板与磁钢槽留有间隙，会造成磁钢槽变形、变小，影响后续磁钢装配，为保证磁钢顺利装配，设计时要将磁钢槽与磁钢间预留较大的装配间隙，较大的间隙不利于保证装磁钢磁场的均匀，增加了电机的振动噪音和效率，也降低的磁钢的利用率。并且虽然车屑加后要清理转子铁屑，但不能保证全部清理干净，如果清理不干净，电动机运转过程中会造成电机绕组烧毁。电动机由于转子铁心外圆的车屑加工，会增加电动机的杂散损耗，降低电动机应有的效率；

为解决技术问题采用的专用技术：为解决以上问题，采用电动机转子外圆免加工专用技术。具体技术方案为：在冲制电动机转子冲片时，根据电动机气隙尺寸，用冷冲模具直接将气隙冲制出来，将冲制好的转子冲片装配到轴上后不用车屑转子外圆，直接装配磁钢。省去了车屑转子外圆的工序。采用这一专用技术，一是保证了磁钢槽不变形，可以大大缩小磁钢与磁钢槽的间隙，二是由于没有车屑转子外圆的铁屑，也避免了电动机内部有未清理干净铁屑的风险，三是大大简化了电动机转子的制作工序，四是降低了电机的振动噪音并提高了电动机的制造效率。

3、定子冲片冲槽与扣片槽变角度冲制专用技术：

为抑制降低电动机电磁噪音，异步电动机采用转子斜槽技术，但由于永磁同步电动机转子要装配磁钢，无法实现转子斜槽，所以永磁同步电动机只能采用定子斜槽设计与制作。

现有技术中电动机定子冲片冲制完成后，将定子冲片迭在芯轴装配子母斜键的定子铁心压紧胎上，斜键的角度根据产品设计图纸定子铁心斜度确定，将定子铁心压紧胎涨紧、压紧后铆接定子铁心外圆处扣片，保证定子铁心强度。由于斜槽的存在，电动机压紧后外圆的扣片槽也为斜的，无法运用压紧设备滚轮将扣片压平，只能采用手工或者机械击打的方式将扣片打平，击打过程无法保证不击打到定子铁心外圆，定子铁心外圆被击打后容易造成定子铁心径向变形，造成电动机气隙不均匀，影响电动机性能甚至造成电动机定转子相擦而使电机提前失效。另外，由于扣片为斜的，在定子铁心周转过程或者电动机运行过程中容易使电动机定子铁心向直槽方向移动，破坏了电动机的斜槽斜度，最终使电动机电磁噪音增大。

为解决技术问题采用的专用技术：

为解决以上问题，在电动机冲片冲制前根据定子铁心槽斜数值及定子铁心长度，提前计算出每片定子冲片需要斜的角度，在冲制定子冲片时每片将定子冲片槽与扣片槽转偏移出这个角度。这样每台定子铁心冲制完成后，以扣片槽为基准进行压紧，压紧时保证扣片槽是垂直的，就能保证定子铁心槽斜度达到预定要求。由于扣片槽是垂直的，可以利用压紧设备滚轮将扣片压平，并且由于这种状态扣片长度最短，可以保证定子铁心槽斜度不会变化，即保证了定子铁心的质量又提高了制造效率。

4、磁钢导引装配专用技术：

现有技术中永磁同步电动机转子装配磁钢时，由于磁钢有较强的磁场，在将磁钢装配到转子铁心磁钢槽过程，由于磁钢与转子铁心间吸引力的作用，使磁钢很难装配到转子铁心磁钢槽中，特别是对于体积较大的磁钢难度更大。装配过程中容易伤到操作的手或者将磁钢碰碎。

为解决技术问题采用的专用技术：为解决以上问题设计制作了永磁同步电动机磁钢装配专用导引工装，此工装采用非导磁材料制作，一般采用铜或者铝。工装上加工出与转子磁钢槽相同角度与位置的槽，槽尺寸较转子冲片磁钢槽小0.1MM。工装设计成端面能与转子铁心紧密接触并且通过与轴的紧固确保在磁钢装配过程中不会移动。这样在转子磁钢装配时，先将磁钢装配到装配工装导引槽内，由于装配工装不导磁，与磁钢间没有磁吸引力，所以能非常容易将磁钢装配到磁钢槽内，再用非导磁推板将磁钢推到转子铁心内。最终达到省力、安全、可靠的将磁钢装配到转子磁钢槽内。

如图8、9所示，永磁同步电动机磁钢装配专用导引工装为转子按磁钢导引胎，导引胎底座焊合50端面与转子铁心22接触，转子按磁钢导引胎槽样棒54竖直设置在转子按磁钢导引胎52的上垫板51和转子铁心22内，通过转轴和转子按磁钢导引胎槽样棒54紧固和定位，转子按磁钢导引胎52装在转子铁心22上，内设置有上垫板51，转子按磁钢导引胎52设有供转子铁心22相匹配的磁钢定位孔，转子磁钢通过磁钢导引块53从转子按磁钢导引胎52中推入转子铁心22中，磁钢压入后移出转子铁心22安装其他部件。

工装设计成导引胎底座焊合50端面能与转子铁心22紧密接触，用转子按磁钢导引胎槽样棒54定位，并且通过与轴的紧固确保在磁钢装配过程中不会移动。这样在转子磁钢装配时，先将磁钢装配到转子按磁钢导引胎52导引槽内，由于装配工装不导磁，且转子按磁钢导引胎52内装有上垫板51不损伤磁钢，与磁钢间没有磁吸引力，所以能非常容易将磁钢装配到磁钢槽内，再用非导磁材质的磁钢导引块53将磁钢推到转子铁心22内。最终达到省力、安全、可靠的将磁钢装配到转子铁心22磁钢槽内。

5、永磁同步电动卧式液压装配专用技术：

随着永磁电机的应用越来越广泛，永磁电机的品种、产量越来越多，特别是大功率、大扭矩永磁电机越来越多，对永磁电机的装配和拆解质量、效率及安全有更高的要求。

现有技术中对于大功率、大扭矩的永磁电机，由于转子上装配了磁钢，使电机在装配过程中定子铁心与转子磁钢产生一定的吸引力而使转子偏向定子一侧。这样一是在转子进入定子过程中当磁钢吸引力产生作用时，定转子会快速吸合到一起。吸合过程会有较大的冲击力影而响磁钢的磁性能，并会对定转子表面会造成很大的摩擦而损伤定转子表面。最严重的是当定转子铁心对齐后，很难将转子与定子分开而将转子保持到气隙均匀的位置，最终无法将电机轴承引导到端盖轴承室内和端盖止口引导到机座止口内，致使电机无法装配。在拆解电机的时候由于吸力的存在，造成转子很难从定子取出来或者即使取出来也会严重损伤定转子表面造成电机定子或者转子损坏。另外由于较大的吸引力及冲击力，也存在很大的安全隐患。

为解决技术问题采用的专用技术：为解决以上问题设计，制作了永磁同步电动卧式液压装配设备及工装，

如图6所示，永磁同步电动卧式液压装配设备为标准液压设备，本设备工装的原理是先将不带磁的假转子总成48装入机座13中，再用液压机46的双顶尖47顶住假转子总成48两端中心孔移动机座13到液压机46一侧靠近非轴伸端位置，再将机座13固定在液压机46工作台上，机座13下设置有固定座49，用液压机46的液压力将松开紧固螺栓的电机轴伸端前端盖11连同假转子总成48一起从机座13中推出，非轴伸端后端盖31保留在机座13上；推出后将假转子总成48及轴伸端前端盖11移走，如图7所示，再将带前端盖11、前深沟球轴承7、转子铁心22等部件的转子装配主体用双顶尖47顶住后利用液压力送入到机座13中的定子铁心19内部并保证定转子铁心位置对齐，再将前端盖11、后轴承座32固定螺栓紧固，最后将顶尖47移开；将电机从装配设备拆下后装配电机其它配件。

如图10所示，使用时，温升相比于Y2电机温度低15～20℃：由于高效永磁变频同步电动机效率高，损耗低，从而温升较低。经实测，在同等条件下，永磁电机的工作温度比异步电机低15～20℃。

实施例3

本实施例中驱动部分是由永磁变频同步电动机和皮带轮组成，永磁同步电动机主要有定子和转子组成。转子主要是由转子铁心、磁钢、转轴组成，转子铁心由转子冲片和磁钢组成，转子铁心里磁钢排布采用径向与切向混合式排布，组合后形成无鼠笼、磁钢内置混合式没有无功消耗的转子。定子是采用常规的定子铁心和定子绕组。由这两部分组成了能变频旋转的电动机驱动部分，结构见图4，工作原理：本电动机转子装有磁钢，由于转子磁钢的存在，在电动机内部形成气隙磁通，在三相定子绕组中通电的情况下产生三相定子电流，三相定子电流与气隙磁通相互作用但产生了电磁转矩，使电动机在驱动器的控制下可实现持续的在不同转速下输出转矩使电动机稳定运转。本电动机采用的是无位置传感器矢量控制，驱动器通过控制电动机定子直轴电流与交轴电流便可以控制电动机在不同转速下的转矩，驱动器通过调节输出三相电流的频率调节电动机的转速。

本实施例中智能控制系统部分是配套高效永磁变频同步电动机设计的抽油机专用智能化装置，该装置是基于计算机技术、物联网技术、电机控制技术和电力电子技术不断发展的基础上设计研发的高效节能产品。控制柜通过无线网络实现抽油机检测数据的实时远程传输，客户可使用PC或手机APP随时随地对服务器联网的各台设备进行状态监测，改变以往人工巡井的工作模式，大大减轻工人的工作负担。主要由控制部分和状态监测部分构成。其中控制部分由手动/自启、调频功能组成，主要构成原件是断路器、交流接触器、矢量控制的变频器、电机综合保护器、仪表及联接件等；状态监测部分由运行故障状态指示、电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、累计电量等电能参数实时监测、电机频率、转速的实时监测、可提供温度监测，实时报警功能、抽油机冲次、平衡率、充满度计算、示功图展示功能，查看载荷、位移等数据、远程功能等功能模块组成。主要构成由电参数监测模块、远程控制模块、存储模块、输出模块、无线网络模块等组成。见如图2所示，工作原理是在配套电机使用时，先对电机进行内部参数的辨识，自学习电机的定子电阻、直轴电感、交轴电感、反电动势、铁心饱和系数等参数，通过正确的参数辨识，结合软件的数学模型进行解析控制，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量Id和产生转矩的转矩电流分量Iq，并使两个分量互相垂直，彼此独立。根据转矩公式可以得到转矩与主磁通和Iq乘积成正比，只要调节电流转矩分量Iq就可以像控制直流电机一样进行永磁电机的精确控制。

以上控制算法能够充分发挥永磁电机高效节能的特点。另外具有电机无级调速，精确控制转矩电流，动态高速响应，低频转矩大。通过外围人机界面、可编程逻辑控制器和传感器等，实现油井工艺参数的实时采集、本地展示、远程监控等功能。

综上所述一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置是智能数字化控制、系统效率高、对电网无冲击、无鼠笼、永磁时间达到10年、虚级同步、无级宽范调速电动机。是目前油田行业应用中专有产品、无同类替代产品。

本实施例中智能控制系统，包括如下功能：

(1)控制功能：启机设置有手动和自启两项功能，采用拨动开关转换。在自启动模式下，电网断电再来电时，智能系统语音提示设备即将自启，在延时时间后设备自启动。同时具有手动停止功能。

(2)调速功能：具备软启动，无级调速功能。

(3)基本保护功能：本装置内置电机保护模块，实现电机过载、过压、欠压、缺相、短路等基本保护功能，当设备因故障停机时，可在显示屏上显示故障状态，便于诊断。

(4)温度检测：实时监控电机绕组温度，避免电机因过热造成电机绕组故障和磁钢退磁现象。

(5)实现电参数监测功能：实现对电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、有功电量、无功电量、功率因数、频率等数据在线监测。

(6)抽油机井平衡比测量：实现电流法判断抽油机井平衡比。在显示界面上显示上冲程最大电流平均值、下冲程最大电流平均值、平衡比。

(7)抽油机冲次显示：通过参数值的预设置，实现抽油机冲次显示。

(8)实现在线监测示功图：根据电参数绘制电参数示功图。

(9)远程功能：所有监测数据可通过网络上传到云平台，用户通过PC机或手机APP在线查看抽油机的运行状态，同时可利用软件灵活组态，实现联网设备的集中监控。

本实施例中智能控制系统，功能描述如下：

(1)、实现电机的基本保护功能

本装置内置电机保护模块，实现电机过载、欠载、过压、欠压、缺相、雷电等基本保护功能。利用数字显示屏可自行设定保护值，如无人时出现皮带断时电机仍在运转等情况下，要求欠载设制按空载电流值采用恒定电流设定，运行时间超过5分钟保护停止。需增加防雷电装置。

(2)、启动和停止功能

启机设置设有手动和自启两项功能，采用波动开关转换，并有蜂鸣提示音，同时具有手动停止功能。具备软启动,无级调速功能.

(3)、监测油井运行时间

监测所安装井的开关动态变化，开关井时间记录要求如：“2017-5-8 12:05，停机原因为停机或按故障代码判断并显示故障原因”,2017-5-9 14:00启机。

(4)、实现电参数监测功能

A、电参数在线监测：实现对电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、有功电量、无功电量、功率因数、频率等数据在线监测，累计电量统计功能.

B、数据显示：数据显示间隔周期为5分钟，电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率为加权平均值，有功电量、无功电量为累计值，用按键显示所有数据。精度等级参照工矿电能表。

C、数据存储：数据存储和读取必须连续，数据存储时间大于15天。数据存储分为数据平稳和数据异常两种方式。

①运行平稳：采样周期为20分钟。数值为电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率为加权平均值，有功电量、无功电量为累计值。

②数据异常时：判断采集数据异常时，自动进入数据加密存储功能，同时超耗指示灯开始报警。数据采样速率大于10kHz，采样时间为5分钟，如果连续运行5分钟内对比数据处于平稳范围内，加密存储数据结束，如果不平稳，继续加密存储，直到平稳或保护停机为止。

a、日耗电量、单耗

报警依据是：连续三天日耗电量超过近30天的生产时间为24小时的耗电量均值。

b、电流

(1)数字化系统电流判定关井界限为2A，电流小于2A时，系统判定抽油机为关井或停井。

(2)电流缺相异常报警。

c、载荷、冲次、功图、电压过低异常报警.

(5)、抽油机井平衡比测量

实现电流法和功率法判断抽油机井平衡比。安装一个角度传感器，固定时间自动开始测量。通过角度传感器的位移，分辨出上、下冲程的界线。电流法在显示界面上显示上冲程最大电流平均值、下冲程最大电流平均值、平衡比；功率法在显示界面显示上冲程平均功率、下冲程平均功率、平衡比。

A、电流法：电流平衡度＝下行最大电流/上行最大电流*100％；标准：85％～100％

B、功率法：功率平衡度＝下行平均功率/上行平均功率；标准：0.5～2

(6)、实现380V、660V电机配套使用

目前机采井供配电有660V、380V两种，为了满足所有机采井的需要，设计了通用前端电路，有380、660等多电压等级供选择。

(7)、实现在线监测示功图

根据电参数绘制电参数示功图，在线功图算产量。

(8)、实现功图计算日产液量

根据电参数绘制的示功图计算出每个时间段的产液量，从而累加生成日产液量。

(9)、实现间抽自动控制功能

根据绘制的示功图实现自动间抽功能，自动根据示功图充满度变化调整间抽周期。同时设有手动间抽和正常选择功能。预留出外接电源出口(0-12V)，管理人员自行选择使用喇叭提示或借用蜂鸣音(30秒)提示启机动作即将执行，从而实现间抽自动控制功能。

(10)现电量异常耗电预警

通过监测和计算的数据，通过内置计算程序，数据异常时开始时报警，超耗指示灯闪烁提示，提示检查人员该井耗电量异常，检查人员发现后手动复位，如果不复位，一直闪烁。

(11)留功能

预留远传数据模块，远传模块通讯接口(如果条件成熟实施数据无线远传功能时，要求提供通讯协议)，并实现远程启停功能、远程调速功能。

(12)存储、查询、回放功能

采用专用存储器的方式进行数据回放，存储时间15天以上(最好一个月)。每个计量配一个专用存储器。

(13)建立数据管理平台

通过移动网络连接监测的机采井，采集的数据涉及到A5报表需要的直接读取。数据存储并上传数据管理平台，完成历史数据的反演、分析，监测数据的查询、统计、报表、打印等功能。

根据以上特点述一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置配备了智能控制系统即解决了电动机的变频控制又满足了数字化管理的电参数采集和传输。

组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置是应用于油田采油工程中，是和抽油机配套使用的专用产品。主要是解决采油工程中节约电能和节约人力成本，同时实现采油工程中数字化管理，获取采油监控的有效数据，以便更精准的控制采油工程的操作管理。主要是驱动电机实现了无功消耗大幅降低，抽油冲次无级调速。同时解决了远程监控和远程操作，以及电参数获取工程数据。

本实施例中组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置解决了如下问题：

1、转子无功消耗过大

组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置的转子在设计制造中采用无鼠笼方式，因此不会在转子中产生感应电流，也就没有无功消耗，最大限度的降低了无功消耗。从而降低了视在功率提高了功率因数。也降低了电动机的温升，减小了风扇的直径降低了因其消耗的电能。提高了电动机的使用寿命。

2、定子调频范围小

以往的调频电动机绝大多数是异步电动机即使有个别同步电动机调频也是宽频调整。只能局限在30HZ-55HZ这个范围。当然变频电动机调频范围很大，但是由于工作时需要变频和工频两个电源，所以现有技术没有应用在抽油机上。

组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置的在定子绕组的设计上加大了节距放开了槽口，虽然制造难度加大但是槽满率有了更大空间的排布。采用双规双绕不同走频的方式解决了因频率过低或者过高而产生的阻热和谐波热。提高了绕组密度释放了散热空间，从而删除了工频电源，简化了供电难度。频率调整范围加大0.5HZ-50HZ大大满足油田调参的需求。

3、因电动机级数的确定限制了调频的设定，

以往电动机都是鼠笼转子，因此对电机级数要求匹配。尤其在控制系统设定时要严格控制，如果技术设定不匹配就会造成电动机“拼命完成任务”的现象。是电动机寿命大大降低，烧毁电动机的现象频频发生而不知原因。组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置在设计时考虑到生产实际问题，在定转子冲片上进行大量的设计验证，采取了限定额定转速虚级对应的方式解决了上述难题。这是专有技术，专利在申请。

4、对电网冲击的问题

过去的永磁电动机是鼠笼工作磁钢助理。在启动时产生3倍以上的电流。如果在同一个线路使用其会给电网造成很大的冲击。特别是电压有±5％时都会对磁钢造成很明显的影响，使电动机产生瞬间的异步现象。转矩下降，退磁加剧。组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置采用内外嵌式结构排布磁钢，互冲互补等专有技术解决了以上的问题。电压波动±10％、软启动不但不冲击电网还斩波回馈补充电能，从而达到节能状态。

5、驱动控制和数字化控制不兼容

现在油井现场多数是电动机控制装置独立、数据采集系统独立、数字化传输独立，造成了控制箱和柜网部。功能各异还造成了很多安全隐患和很多不匹配的疏漏和重复。组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置在设计时候就把这些功能兼容的设置。首先解决了电动机的控制。利用电参数解决了部分数据采集的功能，经过内部处理把数据存储和传输，实现了远程监控和控制，完成了油田数字化的功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置，其特征在于，包括：变频调速永磁同步电动机和智能控制系统；

其中，变频调速永磁同步电动机与抽油机通过皮带联接，智能控制系统现场控制和通过无线网络实时远程控制变频调速永磁同步电动机并传输抽油机的检测数据；

所述智能控制系统包括网络传输模块、云服务平台、移动终端和智能控制柜，智能控制柜通过网络传输模块与云服务平台连接，云服务平台输出端与移动终端输入端连接，

所述智能控制柜包括电参数监测模块、远程控制模块、存储模块、输出模块和无线网络模块；智能控制柜内各模块之间通讯连接和数据传输通过无线网络模块连接，电参数监测模块、存储模块和输出模块通过无线网络模块分别与远程控制模块连接，电参数监测模块监测采集抽油机的电参数并将电参数发送至远程控制模块，存储模块和输出模块存储和输出参数信息；

所述变频调速永磁同步电动机的组成包括：第一六角头螺栓及弹平垫(1)、普通平键(2)、骨架油封(3)、轴承外盖加碳刷(4)、接地碳刷(5)、电机用钢质波形弹簧(6)、前深沟球轴承(7)、二硫化钼润滑脂(8)、第二六角头螺栓(9)、前轴承内盖(10)、前端盖(11)、直通式压注油杯(12)、机座(13)、定子绕组(14)、轴(15)、转子铁心压圈(16)、端环(17)、磁钢(18)、定子铁心(19)、吊环(20)、紧定螺钉(21)、转子铁心(22)、第三六角头螺栓(23)、后轴承内盖(24)、第四六角头螺栓(25)、大垫圈(26)、第五六角头螺栓(27)、标准型弹簧垫圈(28)、平垫圈(29)、塞(30)、后端盖(31)、后轴承座(32)、后深沟球轴承(33)、第一A型轴用弹性挡圈(34)、后轴承外盖(35)、轴面油封(36)、风扇(37)、第二A型轴用弹性挡圈(38)和风罩(45)；

其中，将定子冲片叠压成定子铁心(19)，把定子绕组(14)嵌入定子铁心(19)中组成定子，将定子压入机座(13)并且安装吊环(20)、紧定螺钉(21)及后端盖(31)组成电机定子主体；

将转子冲片叠压成转子铁心(22)装上轴(15)，同时固定转子铁心压圈(16)，用磁钢装配专用导引工装压入磁钢(18)并装配端环(17)，在轴(15)前端装上前轴承内盖(10)、前深沟球轴承(7)并在前深沟球轴承(7)上注入二硫化钼润滑脂(8)，安装前端盖(11)、轴承外盖加碳刷(4)、接地碳刷(5)、电机用钢质波形弹簧(6)、骨架油封(3)和普通平键(2)，用第一六角头螺栓及弹平垫(1)紧固轴承外盖加碳刷(4)、前深沟球轴承(7)、前轴承内盖(10)于前端盖(11)上，安装第二六角头螺栓(9)和直通式压注油杯(12)，完成电机转子前端装配；在轴(15)后端装上后轴承内盖(24)、后深沟球轴承(33)、后轴承座(32)和后轴承外盖(35)，在后深沟球轴承(33)上注入二硫化钼润滑脂(8)，安装第一A型轴用弹性挡圈(34)，再用第三六角头螺栓(23)将后轴承内盖(24)、后深沟球轴承(33)、后轴承座(32)和后轴承外盖(35)紧固，组成电机转子主体；

用卧式液压装配设备及工装将转子主体装入定子主体中，用第三六角头螺栓(23)联接后轴承座(32)于后端盖(31)上，安装轴面油封(36)和风扇(37)用第二A型轴用弹性挡圈(38)锁紧，安装风罩(45)用第四六角头螺栓(25)和大垫圈(26)紧固，用第五六角头螺栓(27)、标准型弹簧垫圈(28)和平垫圈(29)紧固后端盖(31)于机座(13)上；在风罩(45)上安装塞(30)。

2.根据权利要求1所述的一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置，其特征在于，所述前端盖(11)上设置有碳刷更换标识(39)，机座(13)上装有铭牌(40)和铭牌数据(42)通过铆钉(41)固定在机座(13)上，机座(13)外侧设置有接线盒装配(43)，接线盒装配(43)上设置有警示标识(44)。

3.根据权利要求1所述的一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置，其特征在于，所述第二六角头螺栓(9)、第四六角头螺栓(25)和第五六角头螺栓(27)为全螺纹六角头螺栓。

4.根据权利要求1所述的一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置，其特征在于，所述网络传输模块为4G网络传输或5G网络传输，所述移动终端包括PC和手机。

5.根据权利要求1所述的一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：机座加工专用技术

为保证机壳同轴度精度，对机座两端止口、铁心档进行加工，在机座外圆非配合处加工一工艺卡头，再以此工艺卡头为基准将机座装夹在机床上，一次性将两端止口端面、内圆、铁心档内圆加工完成，保证同轴度精度的加工面为一次装夹加工完成；

步骤二：转子外圆免加工专用技术

采用电动机转子外圆免加工专用技术，在冲制电动机转子冲片时，根据电动机气隙尺寸，用冷冲模具直接将气隙冲制出来，将冲制好的转子冲片装配到轴上后不用车屑转子外圆，直接装配磁钢；

步骤三：定子冲片冲槽与扣片槽变角度冲制专用技术

在电动机冲片冲制前根据定子铁心槽斜数值及定子铁心长度，提前计算出每片定子冲片需要斜的角度，在冲制定子冲片时每片将定子冲片槽与扣片槽转偏移出此角度，在每台定子铁心冲制完成后，以扣片槽为基准进行压紧，压紧时保证扣片槽是垂直的以后，即可使定子铁心槽斜度达到预定要求；由于扣片槽是垂直的，利用压紧设备滚轮将扣片压平，并且由于此时状态扣片长度最短，可以保证定子铁心槽斜度不会变化；

步骤四：磁钢导引装配专用技术

制作永磁同步电动机磁钢装配专用导引工装，此工装采用非导磁材料制作，一般采用铜或者铝；工装上加工出与转子磁钢槽相同角度与位置的槽，槽尺寸较转子冲片磁钢槽小0.1MM；工装设计成端面能与转子铁心紧密接触并且通过与轴的紧固确保在磁钢装配过程中不会移动；在转子磁钢装配时，先将磁钢装配到装配工装导引槽内，由于装配工装不导磁，与磁钢间没有磁吸引力，所以能非常容易将磁钢装配到磁钢槽内，再用非导磁磁钢导引块将磁钢推到转子铁心内，最终将磁钢装配到转子磁钢槽内；

步骤五：永磁同步电动卧式液压装配专用技术

制作了永磁同步电动卧式液压装配设备及工装，此工装先用不带磁的假转子将电机装配好，再用设备双顶尖顶住转子两端中心孔移动到设备一侧靠近非轴伸端，再用工装将电机机座固定在设备工作台上，用设备液压力将松开紧固螺栓的电机轴伸端端盖连同转子一起从定子推出，非轴伸端端盖保留在机座上；推出后将假转子及轴伸端端盖移走，再将带前端盖的转子装配主体用双顶尖顶住后利用液压力送入到定子装配主体内部并保证定转子铁心对齐的位置，再将后轴承座、前端盖固定螺栓紧固，最后将此顶尖移开；将电机从装配设备拆下后装配电机其它配件。

6.根据权利要求5所述的一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置的制作方法，其特征在于，所述步骤四中的永磁同步电动机磁钢装配专用导引工装为转子按磁钢导引胎，转子按磁钢导引胎包括：导引胎底座焊合(50)、上垫板(51)、转子按磁钢导引胎(52)、磁钢导引块(53)和转子按磁钢导引胎槽样棒(54)；

其中，导引胎底座焊合(50)端面与转子铁心(22)接触，转子按磁钢导引胎槽样棒(54)竖直设置在转子按磁钢导引胎(52)的上垫板(51)和转子铁心(22)内，通过转轴和转子按磁钢导引胎槽样棒(54)紧固和定位，转子按磁钢导引胎(52)装在转子铁心(22)上，内设置有上垫板(51)，转子按磁钢导引胎(52)设有供转子铁心(22)相匹配的磁钢定位孔，转子磁钢通过磁钢导引块(53)从转子按磁钢导引胎(52)中推入转子铁心(22)中，磁钢压入后移出转子铁心(22)安装其他部件。

7.根据权利要求5所述的一种组合式永磁变频同步抽油机智能控制拖动装置的制造方法，其特征在于，所述步骤五中的永磁同步电动机卧式液压装配设备为标准液压设备液压机(46)，永磁同步电动机卧式液压装配工装包括：顶尖(47)、假转子总成(48)和固定座(49)；

其中，此工装先将不带磁的假转子总成(48)装入机座(13)中，再用液压机(46)的双顶尖(47)顶住假转子总成(48)两端中心孔移动机座(13)到液压机(46)一侧靠近非轴伸端位置，再将机座(13)固定在液压机(46)工作台上，机座(13)下设置有固定座(49)，用液压机(46)的液压力将松开紧固螺栓的电机轴伸端前端盖(11)连同假转子总成(48)一起从机座(13)中推出，非轴伸端后端盖(31)保留在机座(13)上；推出后将假转子总成(48)及轴伸端前端盖(11)移走，再将带前端盖(11)、前深沟球轴承(7)、转子铁心(22)的转子装配主体用双顶尖(47)顶住后利用液压力送入到机座(13)中的定子铁心(19)内部并保证定转子铁心位置对齐，再将前端盖(11)、后轴承座(32)固定螺栓紧固，最后将顶尖(47)移开；将电机从液压机(46)拆下后装配电机其它配件。

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