CN1840904B - 超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机 - Google Patents

Abstract

一种低速大扭矩异型电机拖动塔架式抽油机，其特征在于：该机由固定在水泥基础上的塔筒、数字智能控制柜和塔筒顶平台上的异型电机及异型电机滚筒上绕的载荷提升带和载荷提升带连接的平衡箱组成，所述的载荷提升带一端固定悬绳或悬带器，另一端连接平衡箱，通过异型电机驱动载荷提升带正反向传递扭矩，并通过数字智能控制柜适时调控异型电机的转速、转向、转矩；将异型电机的正反向转动转换为抽油杆的往复直线运动，实现抽油机的抽油循环。结构简单，智能控制器设有全自动、手动、遥控三种控制方式，实现了高度智能与傻瓜操作完美结合。该机只有两个润滑点，而且可长年不润滑，全机无易损件，拉运、安装、使用、维护省时省力。

Description

超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机

技术领域：

本发明为一种超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机，在本专利权人《高效、低耗、智能式抽油机》(ZL00246414.4)和《低速大扭矩异型电机拖动高效低耗智能抽油机》(ZL 02 2 57259.7)的基础上改进创新而成，是对经典四连杆游梁式抽油机及改进的无梁式抽油机采油工艺的革命性突破，属机电一体化应用新领域。

背景技术：

人类原始的采油活动为“汲油”，进而发明了木制抽油机，随着油田开发年限的延长，油井最终都要转入机械采油方式，原始的采油工艺已远远不能满足人类对石油能源的需求，自拉夫金(Lufkin)第一台四连杆游梁式抽油机诞生，开始了真正意义上的大工业采油，迄今已有120年历史，据国内外资料统计，在全球100多万口各类油井中，机采井占95％左右，而抽油机管式泵采油占机采井的85％以上，目前，管式泵采油多采用经典四连杆游梁式抽油机或由此演变而来的类似机型，上百年来，机械工程师和采油工程师绞尽脑汁，企图发明更先进的抽油机取代四连杆机构的游梁机，诸如双驴头异型抽油机、曲游梁抽油机、杠铃平衡式抽油机等数十种不同类型的抽油机也先后应用于矿场实践，但游梁式抽油机的原理和结构没有实质性突破，继而改进的无梁式抽油机如链条机、宽皮带机等也因结构较复杂，体积庞大影响了大面积推广，甚至具有重大突破的电机换向抽油机、直线电机抽油机也因机械和制造方面的原因而孤军奋战，结构简单、可靠耐用、操作维护方便是四连杆游梁式抽油机百年经久不衰的根本原因，随着高新技术的发展和采油工艺的需要，对大载荷、长冲程、低冲次机型的要求越来越迫切，能源短缺和投资紧张对高能耗、低效率的机型限制越来越苛刻，但受游梁机结构的限制，冲程长度与减速箱扭矩成正比例增加，难以实现高效低耗的要求，在确定的工作制度下，游梁机无法随机改变工作参数、停机调整又费时费力，使工作制度难以与地层供液能力动态协调，导致游梁机系统效率低、冲击负荷大、机杆泵故障多，亟待开发一种优于目前各类机型的全新抽油机取代现有机型。

对于管式泵抽油机机械采油，其关键技术主要有三项：

1.巧妙地用毋须消耗动力的方法解决上下行程载荷不平衡问题；

2.用最方便省力的机构将拖动系统的旋转运动变为抽油杆上下往复直线运动；

3.用现代微电子技术解决抽汲参数的随机智能调定。

发明内容：

本发明的目的是探索一种毋须消耗动力的物体作平衡载体，巧妙地设计一种全新的传动方式代替减速箱和四连杆机构，利用微电子技术进行自动化控制，为管式泵采油开发一种突破性的机电一体化采油设备。

为实现上述目的，本发明从根本上突破了上百年来传统的经典四连杆游梁式抽油机和其它各类抽油机的设计模式，巧妙地设计出一种超低速大扭矩异型转子电动机，用别具一格的一机八用传动方式取代减速箱和四连杆机构；利用重力和弹力带复合式天平柔性平衡，解决了上下载荷不平衡的技术难题；用数字智能控制技术解决了超低速大扭矩异型转子电动机的调速、换向和抽汲参数的随机调控，为管式泵采油发明了一种突破性的机电一体化机械采油设备，打破了大负载机械设备不用减速箱和传动机构就无法运行的定论，开创了机电一体化和机械采油工艺的新领域。

本发明超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机的技术解决方案是：

1.工作原理构思

本发明超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机工作原理独辟蹊径，简化了所有中间环节，直接由固定在塔筒顶平台(15)上的异型电机(20)的对称轮轴式双端驱动异型变矩滚筒以摩擦方式驱动载荷提升带(12)正反向传递扭矩，实现驱动、摩擦传动、无级变速、换向、平衡、制动、保护、发电一机八用的功能，通过数字智能控制柜(7)将电机的正反向转动转换为抽油杆的垂直往复运动；重力与弹力平衡带(6)复合天平柔性平衡方式可实现最佳平衡；数字智能控制柜(7)还可根据油井供液情况适时智能无级调整电机的转速、转向、转矩，以冲程、冲次等工作制度的最佳配合实现与地层供液能力的动态协调，高效、低耗、智能地实现抽油机的抽汲循环。

2.整机结构设计

整机结构有别于目前国内外已有的所有机型，其整机由固定在水泥基础上的塔筒(9)、数字智能控制柜(7)、塔筒顶平台(15)、异型电机(20)组成，各部连接关系为移机导轨(2)用螺栓固定于水泥基础上，其上固定移机螺杆(1)，与塔筒(9)焊为一体的塔筒底座(3)用螺栓与移机导轨(2)或水泥基础紧固，塔筒底内部装有防撞胶垫(4)，塔筒底外部开有平衡调节门(图上未标出)，塔筒(9)上依次装有爬梯(10)、爬梯护栏(14)、上、下死点传感器(24)、(26)、塔筒顶平台(15)，塔筒顶平台(15)上依次装有移机螺杆(16)、维修支架(17)、无动力排风扇(18)、护栏(19)、异型电机(20)、摩擦式发电机(22)，异型电机底座(23)用螺栓与塔筒顶平台(15)紧固，异型定子(33)外(内)轮缘上设置散热片(36)，轮辐孔处设置的散热片(21)为太阳、齿轮、宝石花造型，兼具励磁绕组和机体散热、异型定子支撑负重、机体密封保护、艺术装饰多种功能，维修支架(17)上的无动力排风扇(18)为地球仪造型，兼具排风散热、无线发射、避雷减灾、艺术装饰多种功能，异型电机(20)的对称轮轴式双端驱动异型变矩滚筒悬绳(带)槽(40)绕载荷提升带(12)，其一端固定悬绳(带)器(25)，另一端连接塔筒(9)内的平衡箱(8)，该箱体上设置卸载紧急制动装置，上部连接保护绳(11)，下部连接弹力平衡带(6)和保险绳(5)，两侧用平衡箱扶正绳(13)扶正，整机悬点载荷30-200KN，冲程0-8M(或更长)无级调定，冲次0-6次无级调定，通过数字智能控制柜(7)适时调控异型电机(20)的转速、转向、转矩，从而实现抽油循环和高效低耗节能的目的。

3.钢结构支撑系统设计

整机钢结构支撑系统由移机导轨(2)、塔筒底座(3)、塔筒(9)、塔筒顶平台(15)、异型电机底座(23)组成，塔筒(9)或者为圆柱形塔筒；或者为圆台形塔筒；或者为棱柱形塔筒；或者为棱台形塔筒；或者为桁架式塔架，塔筒(9)通径800-2000mm，壁厚10-30mm，高度5-30m，塔筒内外上下两端与塔筒顶平台(15)和塔筒底座(3)焊接处各焊若干加强板，塔筒外表面轴向视强度焊3-12条空心加强筋，兼顾筒体加固和放置上、下死点传感器(24)、(26)或作为电源电缆和控制电缆穿线管之用，支撑系统各连接部位用双面焊焊牢，或用强力螺栓紧固，整个钢结构支撑系统承载为机型最大悬点载荷的2-3倍。

4.驱动系统设计

整机驱动系统异型电机(20)由支座(27)、接线盒(28)、主轴(29)、轴承(30)、键(31)、轴承端盖(32)、异型定子(33)、异型转子(34)、定子铁芯(35)、散热片(36)、转子铁芯(37)、密封环(38)、保护绳槽和保护绳孔(39)、悬绳(带)槽(40)、刹车盘(41)、角度齿盘(42)、传感器(43)、锁定销(44)等部件组成，其中：

异型转子(34)的外观型式为对称轮轴式双端驱动内转子变矩滚筒(图2)；或者为对称轮轴式双端驱动硅钢片铁芯外转子变矩滚筒(图4)；或者为对称轮轴式双端驱动高导磁率型钢铁芯外转子变矩滚筒；或者为筒状异型外转子滚筒；或者为单端驱动外(内)转子变矩滚筒，异型转子(34)的构造为中空轮辐式结构，其径向对称中心开轴孔，各受力部位用加强筋加固；其轴向对称中心设悬绳(带)槽(40)，槽外表面为铸造糙面，或固定或硫化耐磨橡胶，悬绳(带)槽(40)两侧为刹车盘(41)，刹车盘(41)外侧为保护绳槽和保护绳孔(39)，保护绳槽和保护绳孔(39)用刹车盘(41)和密封环(38)遮挡，密封环(38)外端对称设置转子铁芯(37)，该铁芯为硅钢片叠片成型或者为高导磁率的钢材成型，异型转子(34)支撑方式为定子与支座连体式(图2)；或者为定子与支座分体式(图4)；或者为支座与主轴独立支撑式，轴承(30)装配于转子轴孔内；或者装配于定子轴孔内。

异型定子(33)与异型转子(34)对应为不同的外、内轮辐式结构，两轴端对称设置，各受力部位用加强筋加固，异型定子(33)装配图外侧下部设接线盒(28)，上部设锁定销(44)；装配图内侧上部小于180度的外圆弧面外加厚，钻螺孔，用弧形盖板固定两端定子外壳，内侧下部小于180度的外圆弧面外加厚，钻螺孔，与底座紧固，异型定子(33)内(外)轮缘固定定子铁芯(35)，定子铁芯(35)齿间装有集中励磁绕组(47)，异型定子(33)轴孔开键槽。

异型转子(34)和异型定子(33)的铁芯为双凸极、大小齿或定、转子等齿距或转子等齿距，定子不等齿距短磁路特殊结构，即定子与转子等齿距处磁路闭合，而非通电相的定、转子齿距不等，适时控制导通相时间产生磁阻转矩使电机或电动或发电状态运行，定(转)子大齿上开设两齿、三齿或更多小齿，相应各齿极由紧固条、定位槽、端面台阶、外挡圈固定在定(转)子内(外)轮缘或转子本体上，定子铁芯(35)冲片极间不连续(仅一个相极间连续即可)，且定子相邻齿距不等，定子齿间装有按一定相序构成的集中励磁绕组(47)，励磁绕组(47)引出线由接线板固定，并通过接线盒(28)外接到控制柜的控制电路。

按上述结构形式和机理，装配不同的转子铁芯和定子绕组，可扩展为多种驱动类型的超低速大扭矩异型转子短磁路调速电机，按图2的结构形式装配图3的转子铁芯和定子绕组，其驱动类型为超低速大扭矩异型内转子短磁路开关磁阻调速电机；或者按图4的结构形式装配图5的转子铁芯和定子绕组，其驱动类型为超低速大扭矩异型外转子短磁路开关磁阻调速电机；或者按上述结构形式将转子各齿极与转子本体间用非导磁材料(如非导磁不锈钢)屏蔽，在转子各齿极间按N、S极性依次嵌入磁钢，并配置与其对应的定子绕组，其驱动类型为超低速大扭矩异型转子交流永磁同步调速电机；或者按上述结构形式装配对应的转子鼠笼和定子绕组，其驱动类型为超低速大扭矩异型转子交流异步调速电机；或者按上述结构形式装配对应的转子绕组、定子绕组和碳刷、滑环等，其驱动类型为超低速大扭矩异型转子直流电机；或者按上述结构形式装配对应的转子永磁体、定子绕组、无刷、无滑环，其驱动类型为超低速大扭矩异型转子直流无刷调速电机；或者按上述结构形式装配对应的转子主绕组、调节绕组、定子副绕组，其驱动类型为超低速大扭矩异型转子交流整流子电机；或者按上述结构形式配置电磁滑差离合器，其驱动类型为超低速大扭矩异型转子电磁调速电机；或者按上述结构形式扩展为更多驱动方式，按上述结构形式装配的不同驱动类型的电机，其励磁绕组(47)根据不同工况对转速、转矩的要求，或者为单相绕组；或者为两相绕组；或者为三相绕组；或者为四相绕组；或者为更多相绕组，其配电方式或者为交流供电；或者为直流供电。

异型转子超低速大扭矩短磁路调速电机的主要技术参数依据下列经验公式确定：

$D_a=\sqrt[3]{\frac{W_{M1}{P}_{\mathrm{em}}}{B_{\mathrm{\δ}}\mathrm{An\λ}}}$

Nr＝W_M2f/n

L_Cm(Ns，Nr)＝qNr(＞Ns＞Nr)

式中：Da-电机转子铁芯外径；Pem-电机电磁功率；B_δ-电机计算磁密；A-电机计算线负荷；n-电机转速；λ-硅钢片直径与叠厚之比；Nr-转子齿数；Ns-定子齿数；q-电机相数；f-供电频率；L_Cm-最小公倍数；W_M1-经验修正系数；W_M2-齿极优化系数。

优化后的技术参数为：Mn＞6KNm；n＝0-50r/min；Da≥800mm；定、转子齿极优化的“WM黄金组合”为四相绕组3×16/90或3×32/180，三相绕组3×18/120。

5.控制系统设计

整机控制系统由数字智能控制柜(7)、上、下死点传感器(24)、(26)、角度齿盘(42)、红外光电管元件传感器(43)以及工况模拟器等组成一集微机控制器、变频调速装置、温度传感器、角位移和转速传感器、载荷传感器、换向传感器和异型电机运行、制动系统的协调控制于一体的智能控制器，其控制面板主要有控制键(49)：启动、停止、制动、顺时针点动、逆时针点动、确定等；数字键(50)：0-9、·、▲、▼等；功能键(51)：冲程、冲次、防冲距、示功图等；清除键(52)：C；显示屏(53)，异型定子(33)绕组槽内埋设热敏传感元件，采集温度信号；与转子齿形相同的角度齿盘(42)与其对应定子部位装设的高性能红外光电管元件传感器(43)配合采集角位移和转速信号；工况模拟器采集负载信号；上、下死点传感器(24)、(26)采用无触点电子感应换向开关，采集换向信号，上述信号通过电缆反馈到控制电路，实现自动控制，或者以触摸屏或遥控方式实现智能控制，达到电机保护、适时控制转速、转向和定量分析示功图的目的，参数调整按显示屏(53)提示“傻瓜”操作，参数输出具有液晶显示、纸质打印、语音报警多种方式，并具有计算机接口、数据无线远传、遥测遥控功能。

6.提升、平衡系统设计

整机提升、平衡系统由异型电机(20)、载荷提升带(12)、悬绳(带)器(25)、平衡箱(8)、平衡调节门和弹力平衡带(6)组成，异型电机(20)的对称轮轴式双端驱动异型转子(34)变矩滚筒悬绳(带)槽(40)上绕载荷提升带(12)，其一端通过悬绳(带)器(25)悬挂提升载荷，另一端悬挂平衡箱(8)，形成天平平衡摩擦传动构架，载荷提升带(12)或者为强力纤维胶带；或者为硫化橡胶耐磨保护层的扁钢丝带；或者为钢丝绳，其带宽范围200-1200mm，带厚10-30mm，带长略大于冲程长度加绕带轮周长之半的和，抗拉强度30-100t，悬绳(带)器(25)用高强度钢材制造，其一端用抗剪切铆钉组或螺栓组与载荷提升带(12)铆紧或拴紧；或者用膨胀胶灌注压实，另一端通过卡紧装置悬挂提升载荷，平衡箱(8)用普通灰铁或金属下脚料铸造，或者用钢管焊制，其径向外侧各开一个扶正孔或扶正槽，孔内镶嵌耐磨橡胶环，平衡箱扶正绳(13)为防腐耐磨钢丝绳，穿过平衡箱(8)两侧镶有耐磨橡胶环的扶正孔固定于塔筒(9)内的塔筒底座(3)、塔筒顶平台(15)上，其上下两端固定有调节和紧固装置，弹力平衡带(6)为高强度橡胶弹力带，必要时可连接在塔筒底座(3)和平衡箱(8)之间做柔性平衡微调。

7.移机系统设计

移机系统由移机螺杆(1)、移机导轨(2)、塔筒(9)、塔筒顶平台(15)、移机螺杆(16)、异型电机(20)组成，移机导轨(2)、塔筒顶平台(15)上铣有移机导向槽(或在塔筒底座和异型电机底座上装设滚轮)，移机时，或转动移机螺杆(1)进行整机移动；或转动移机螺杆(16)只移动异型电机(20)，以保证修井作业空间。

8.保护系统设计

整机保护系统由防撞胶垫(4)、保险绳(5)、保护绳(11)、平衡箱扶正绳(13)、塔筒(9)、护栏(14)、(19)、上、下死点传感器(24)、(26)、数字智能控制柜(7)、塔筒顶平台(15)、平衡箱卸载紧急制动装置、异型电机刹车装置和电机自制动装置组成，保险绳(5)和保护绳(11)为耐腐蚀抗拉钢丝绳，其长度略大于冲程长度，正常工作时不受拉力，刹车装置安装于异型转子(34)刹车盘(41)内外侧，兼备手刹和电刹两种功能，用联动机构连接于塔筒底部的控制箱侧，塔筒顶平台(15)外缘和下部爬梯(10)处焊接护栏(19)、(14)，兼具艺术装饰和劳动保护功能，塔筒(9)为高强度钢结构塔筒，所有运动件都置于塔筒内，上述结构和装置确保可预见的任意工况下安全保护万无一失。

9.维护系统设计

整机维护系统由爬梯(10)、爬梯护栏(14)、塔筒顶平台(15)、维修支架(17)和平衡调节门或装卸平衡块人孔组成，爬梯(10)或者为旋梯；或者为直立式或斜立式爬梯，塔筒顶平台(15)开有可锁紧天窗，平衡调节门或装卸平衡块人孔开设于塔筒(9)底部与井口平面垂直的一侧；或者用桁架式结构作平衡调节门，借助上述机构，完成对异型电机(20)的巡检、润滑、移机和平衡箱的悬挂、加、减载等维护作业。

10.散热系统设计

异型电机(20)的散热系统由异型定子(33)外(内)轮缘设置的散热片(36)和轮辐孔上设置的散热片(21)、无动力排风扇(18)、中空主轴(29)和摩擦式发电机(22)组成，定子铁芯(35)、励磁绕组(47)的散热由异型定子(33)外(内)轮缘设置的散热片(36)通过大气自然对流散热；异型转子(34)为无导条和绕组的冷转子，主轴(29)为轴向中部密封的空心轴，轴两端开一至数个进、排气孔，电机内腔的余热既可通过异型定子(33)轮辐孔上设置的散热片(21)大气自然对流散热，又可使自然风由主轴(29)一端的进气孔进入电机内腔，携带内腔余热通过中空轮辐式异型转子(34)进入电机另一内腔，并同时携带另一内腔余热经排气孔排出机外，或者外接无动力排风扇(18)或有动力排风扇或利用摩擦式发电机(22)的自发电力强制排出机外。

超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机高效、低耗、节能机理是：

高效率机理：

由于超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机采用高塔筒(9)和异型电机(20)与载荷提升带(12)摩擦传动结构，可以最大限度地增加冲程长度，减少因冲程损失降低的泵效，根据泵效损失简化计算公式η＝λ/h，在一定的载荷下，其冲程损失λ为常数，因而冲程h越长，泵效损失η越小，即实际泵效越高，与经典四连杆游游机比较，平均泵效可提高3-8％，另外，其数字智能控制柜(7)可随机对转速、转向、转矩、加速度进行全方位适时控制，使地面动力与井下设备运转及供液状况取得最佳动态协调，较经典四连杆游游机提高系统效率10％以上。

低消耗机理：

由于超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机采用异型电机(20)对称轮轴式双端驱动变矩滚筒作驱动系统，一个异型转子(34)实现了原动机、传动装置、变速装置、换向装置、平衡装置、制动装置、保护装置、发电装置一机八用，省去了常规四连杆游梁机的电机小皮带轮、传动皮带、大皮带轮、三轴减速箱、减速箱底座、曲柄销、曲柄、连杆、横椽、尾轴总承、游梁、中轴总承、驴头等近20个部件，较常规四连杆游梁机节省钢材30-50％，在数字智能控制装置(7)随机适时调控下，整机处于慢速优化状态下运行，大大减轻了各种机械转换环节中出现的冲击负荷和不均衡性，改善了设备运转状况，延长各运动部件运转寿命100倍以上，搬运、安装、维护省时、省力、省材，属全天候免维护机型。

节能机理：

1.异型电机的超低速运动特性是超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机高效低耗的节能本质。

2.“理想的平衡效应”W_f/2+W_z抵消掉大部分提升载荷，电动机只需克服W_f/2的不平衡力作功，从而大大减少了电动机的配用功率

在管式泵抽油机采油装置中，其上行程最大载荷等于液柱载荷(W_f)、杆柱载荷(W_r)、动载荷(W_rα)、摩擦力(F_f)之和减去浮力(F_b)，即：

最大载荷＝W_f+W_r(1+α)+F_f-F_b

下行程最小载荷等于杆柱载荷(W_r)减去动载荷(W_rα)和浮力(F_b)及摩擦力(F_f)之和，即：

最小载荷＝W_r(1-α)-(F_b+F_f)

如果没有适当的平衡，则电动机必须在上行程完成全部有效功，而在下行程，由于重力作用，最小载荷拖动电动机滑行，这就必须使用大功率的电动机及减速装置，同时其效率也很差，为了解决上下行程载荷严重不平衡造成的高能耗、高物耗和低效率问题，必须辅之以适当的平衡，上下行程的平均载荷即“理想的平衡效应”为：

(CI)＝1/2(最大载荷+最小载荷)

    ＝1/2[W_f+W_r(1+α)+W_r(1-α)-2F_b]

    ＝W_f/2+W_r-F_b

如果将抽油杆在液中的重量用Wz表示，则“理想的平衡效应”公式可简化为：CI＝W_f/2+W_z，于是在上冲程，在举升有浮力的抽油杆和液体的综合重量时，电动机会得到这种平衡力的帮助，结果只需要一个相当于液重之半的不平衡力，即：(W_z+W_f)-(W_z+W_f/2)＝W_f/2，下冲程时，有浮力的抽油杆下行，会受到平衡力的阻抗，结果还剩下一个相当于液重之半的不平衡力由电动机完成，即：(W_z++W_f/2)-W_z＝W_f/2，经理论计算，W_f/2只相当于最大载荷的17％左右，这就大大减少了电动机的提升负荷，从而减少电动机的配用功率。

3.轮轴驱动方式可获得R/r倍的机械利益，从而大大减少了电动机的提升载荷，又进一步减少了电动机的配用功率

超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机的异型转子是一个对称轮轴式双端驱动大直径变矩滚筒，其轮半径R和轴半径r之比设计大于1.6，根据轮轴原理，其机械利益为P/F＝R/r，由于R总是大于r，因此轮沿切向力F总是小于轴提升载荷P，则电机实际需要驱动的提升载荷只有F＝Pr/R＝W_fr/2R＝W_f/3.2，理论计算W_f/3.2只相当于最大载荷的10％左右，这又进一步减少了电动机的提升载荷。

4.传动链简化86％，大大减少了机械损耗，提高机械效率15％以上

常规四连杆游梁机传动链由电动机输出轴→小皮带轮→皮带→大皮带轮→一级齿轮→二级齿轮→三级齿轮→曲柄(销)→连杆→横椽→尾轴→游梁→中轴→驴头→毛辫子共15个环节，7组轴承摩擦，机械效率低于75％，而超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机传动链只有异型电机→载荷提升带2个环节，1组轴承摩擦，传动链较常规四连杆游梁机减少了86％，轴承摩擦减少了86％，机械效率高于90％，比常规四连杆游梁机提高机械效率15％以上。

5.飞轮慣性效应和电动机换向停机节电20％

由于超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机采用异型转子超低速大扭矩异型调速电机大飞轮驱动，重力与弹力带复合天平平衡方式可实现理想的“平衡效应”，运动状况得到最佳优化，在接近上死点时，由于飞轮的惯性效应，需要提前几秒钟停机，靠飞轮惯性效应使抽油杆上行一段距离，直至到达上死点，而停机后的提升载荷大于平衡效应，因而在上死点飞轮惯性效应消失的瞬间，提升载荷拖动平衡箱和弹力带反向转动，电动机可顺势接近于空载反向启动，当电动机反向运动接近下死点时，又要提前几秒钟停机，抽油杆靠飞轮惯性效应到达下死点，停机后的平衡效应又大于杆柱载荷，于是电动机接近于空载平稳换向，如此往返复始，以冲次为每分钟3次的抽油系统为例，一个完整的冲程循环为20秒，如果接近上死点提前2秒钟停机，接近下死点提前2秒钟停机，则全行程需停机4秒钟，这样，一天需停机4.8小时，即纯停机节电20％。

6.高性能节能电机较常规异步电机节电8-15％

由于超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机采用高性能开关磁阻调速电机或无励磁永磁异型电机或滚切式电机作驱动系统，起动转矩大、起动电流小，最大启动转矩倍数为3.8倍，与普通异步电机相比，其启动力矩和过载能力提高1-2倍，平均运行电流下降50％以上，自然功率因数由0.5左右提高到0.95以上，不但使无功节电率达85％以上，有功节电率达8-15％以上，而且有效降低了电机的装机功率，大大提高了电网的利用率和潜在容量。

7.数字智能控制系统实现了做功和耗能的最佳匹配

超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机采用数字智能控制装置实现随机调控，可根据地层供液能力智能无级调定抽油机的长冲程、低冲次运动特性，油多多抽，油少少抽，无油不抽，使工作制度与地层供液能力动态协调，实现了做功和耗能的最佳匹配，大大减少了不必要的无用功，最大限度地降低了能源消耗。

8.自发电装置提供大量系统电源之外的额外电力

由于超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机采用异型转子驱动，可根据需要在置于高塔筒之上的异型转子轮缘耐磨橡胶轮处配置一定数量的小功率摩擦式发电机，依靠势能的储存和动能的释放摩擦发电，解决照明、散热、保温设备的用电，大大节约系统电源的电力。

本发明超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机与同规格的经典四连杆游梁机及其派生机比较，在电动机拖动、平衡方式、安全保护、数字智能控制、整机结构等方面都有革命性突破，在九个方面具有明显优势。

1.结构简化得几乎达到极致

与常规四连杆游梁式抽油机相比，整体结构简化78％。

2.构思精巧得出乎意料

异型转子一机八用，构思独辟百年抽油机研究蹊径。

3.节能省材成倍突现

较常规四连杆游梁式抽油机节材30-50％，节能60％。

4.高度智能与傻瓜操作完美结合

智能控制器设有全自动、手动、遥控三种控制方式，无须培训借助显示屏提示即可自如完成全部操作，实现了高度智能与傻瓜操作完美结合。

5.调参维护变成了享受

该机型用数字智能控制柜实现全参数智能控制，瞬间全自动完成，冲程、冲次等调参工作较常规四连杆游梁式抽油机效率提高上千倍乃至上万倍；庞大的野外矿场重型机械只有两个润滑点，而且可长年不润滑；全机无易损件，拉运、安装、使用、维护省时省力，真正把繁杂苦脏累的野外劳动变成了一种享受。

6.安全保护万无一失

该机型机械部分设有手刹，运动过程设有防碰、防撞装置，控制部分设有卸载，人为停机或意外故障时的自动制动，并具有过载、过流、过压、欠压、缺相等自动保护，全部运动件均设在坚固防盗的塔筒内或顶平台上，顶平台设置安全天窗和避雷装置，所有可能设想到的机械、控制、人为事故均置于“0”状态，实现了万无一失。

7.工作制度与地层供液能力动态协调，处处体现高效低耗

该机工作制度长冲程、低冲次，调参自动化，工作制度与地层供液能力动态协调；天平构架产生理想的“平衡效应”；电机超低速大扭矩，运行平稳可靠；结构简化、体积小、重量轻、效率高；运输方便、安装简单、调试快捷，省时省力，处处体现高效低耗。

8.造型美观宛如力和美的风景线

该机用塔筒、旋梯和动感太阳、齿轮、宝石花造型，寓意奉献能源，创造和谐的企业精神，运动中象绽开的鲜花与日争辉，沿旋梯拾级而上，登高工作，象力的抒情诗，美的风景画，不由得发出劳动和创造的感叹！

9.全天候免维护

该机型是总结了百多年管式泵机械采油理论和经验发明创新的理想的全天候免维护方向型换代机型。

附图说明：

图1为超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机结构示意图；

其中：1.移机螺杆；2.移机导轨；3.塔筒底座；4.防撞胶垫；5.保险绳；6.弹力平衡带；7.数字智能控制柜；8.平衡箱；9.塔筒；10.爬梯；11.保护绳；12.载荷提升带；13.平衡箱扶正绳；14.护栏；15.塔筒顶平台；16.移机螺杆；17.维护支架；18.无动力排风扇；19.护栏；20.异型电机；21.散热片；22.摩擦式发电机；23.异型电机底座；24.上死点传感器；25.悬绳(带)器；26.下死点传感器。

图2为超低速大扭矩异型内转子连体式支撑短磁路开关磁阻调速电机结构示意图；

其中：27.支座；28.接线盒；29.主轴；30.轴承；31.键；32.轴承端盖；33.异型外定子；34.异型内转子；35.定子铁芯；36.散热片；37.转子铁芯；38.密封环；39.保护绳槽和保护绳孔；40.悬绳(带)槽；41.刹车盘；42.角度齿盘；43.传感器；44.锁定销。

图3为超低速大扭矩异型内转子连体式支撑短磁路开关磁阻调速电机大小齿结构磁路示意图；

其中：45.定子不等距齿极(大小齿)；46.转子等齿距齿极；47.励磁绕组；48.通电相闭合磁路。

图4为超低速大扭矩异型外转子分体式支撑短磁路开关磁阻调速电机结构示意图；

其中：27.支座；28.接线盒；29.主轴；30.轴承；31.键；32.轴承端盖；33.异型内定子；34.异型外转子；35.定子铁芯；36.散热片；37.转子铁芯；38.密封环；39.保护绳槽和保护绳孔；40.悬绳(带)槽；41.刹车盘；42.角度齿盘；43.传感器；44.锁定销。

图5为超低速大扭矩异型外转子分体式支撑短磁路开关磁阻调速电机定转子铁芯磁路示意图；

其中：45.定子不等距齿极；46.转子等齿距齿极；47.励磁绕组；48.通电相闭合磁路。

图6为数字智能控制柜控制面板操作键布置示意图。

其中：49.控制键；50.数字键；51.功能键；52.清除键；53.显示屏。

实施方案1：

本发明超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机的塔筒(9)用1200、壁厚20mm螺纹管焊制；移机导轨(2)、塔筒顶平台(15)用工字钢焊接；异型电机(20)采用超低速大扭矩异型内转子短磁路开关磁阻调速电机，异型内转子、异型外定子用铸钢一次浇铸成型，外定子最大外径∮1600，内转子最大外径∮1380，主轴用空心轴，外定子铁芯采用一大齿三小齿结构，定、转子齿极采用“WM黄金组合”，即四相绕组3×32/180，电机额定转速0-20转/分，额定扭矩大于20kNm，额定输出功率37kW；载荷提升带(12)用强力纤维胶带制作；平衡箱(8)用普通灰铁铸造；保护绳(11)和保险绳(5)用6吩钢丝绳制作；控制系统采用数字智能控制柜(7)；上、下死点传感器(24)、(26)采用无触点电子感应换向开关；其它组件采用市售产品，上述组件单体测试合格后，工厂组装，调试达到设计技术指标。

整机设计参数为：

最大提升载荷：120kN；

电动机功率：  37KW；

最大冲程：    8M；

冲次：        0-6次/分无级调节；

整机质量：    16T；

外型尺寸：    2.5×1.5×11(m)，

实施方案2：

本发明超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机的塔筒(9)用

1000、壁厚20mm螺纹管焊制；移机导轨(2)、塔筒顶平台(15)用工字钢焊接；异型电机(20)采用超低速大扭矩异型外转子短磁路开关磁阻调速电机，异型外转子、异型内定子用铸钢一次浇铸成型，外转子最大直径∮1412，内定子最大外径∮1210，主轴用空心轴，外转子铁芯采用等齿距齿极，定、转子齿极采用“WM黄金组合”，即三相绕组3×18/120，电机额定转速0-50转/分，额定扭矩大于16kNm，额定功率22kW；载荷提升带(12)用扁钢丝带制作；平衡箱(8)用螺纹钢管焊接；保护绳(11)和保险绳(5)用6吩钢丝绳制作；控制系统采用数字智能控制柜(7)；上、下死点传感器(24)、(26)采用无触点电子感应换向开关；其它组件采用市售产品，上述组件单体测试合格后，工厂组装，调试达到设计技术指标。

整机设计参数为：

最大提升载荷：100kN；

电动机功率：  22KW；

最大冲程：    8M；

冲次：        0-6次/分无级调节；

整机质量：    15T；

外型尺寸：    2.5×1.5×11(m)。

Claims (6)

1.一种超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机，整机结构和工作原理有别于国内外已有机型，其特征在于，由固定在水泥基础上的塔筒(9)、数字智能控制柜(7)、塔筒顶平台(15)、异型电机(20)组成；其工作原理是该抽油机做功简化了所有中间环节，直接由固定在塔筒顶平台(15)上的异型电机(20)的对称轮轴式双端驱动异型变矩滚筒以摩擦方式驱动载荷提升带(12)正反向传递扭矩，实现驱动、摩擦传动、无级变速、换向、平衡、制动、保护、发电、一机八用的功能；

各部连接关系为，移机导轨(2)用螺栓固定于水泥基础上，其上固定移机螺杆(1)，与塔筒(9)焊为一体的塔筒底座(3)用螺栓与移机导轨(2)或水泥基础紧固，塔筒底内部装有防撞胶垫(4)，塔筒底外部开有平衡调节门，塔筒(9)上依次装有爬梯(10)、爬梯护栏(14)、上死点传感器(24)、下死点传感器(26)、塔筒顶平台(15)；在塔筒顶平台(15)上依次装有移机螺杆(16)、维修支架(17)、无动力排风扇(18)护栏(19)、异型电机(20)、摩擦式发电机(22)，异型电机底座(23)用螺栓与塔筒顶平台(15)紧固，异型定子(33)外或内轮缘上设置有散热片(36)，轮辐孔处设置的散热片(21)为太阳或齿轮或宝石花造型，兼具励磁绕组和机体散热、异型定子支撑负重、机体密封保护、艺术装饰功能，维修支架(17)上的无动力排风扇(18)为地球仪造型，兼具排风散热、无线发射、避雷减灾、艺术装饰的功能，异型电机(20)的对称轮轴式双端驱动异型变矩滚筒悬绳或带槽(40)绕载荷提升带(12)，一端固定悬绳或带器(25)，另一端连接塔筒(9)内的平衡箱(8)，该箱体上设置卸载紧急制动装置，上部连接保护绳(11)，下部连接弹力平衡带(6)和保险绳(5)，两侧用平衡箱扶正绳(13)扶正，整机悬点载荷30-200KN，冲程0-8M或更长无级调定，冲次0-6次或无级调定，通过数字智能控制柜(7)适时调控异型电机(20)的转速、转向、转矩，从而实现抽油循环和高效低耗节能的目的；

整机钢结构支撑系统：由移机导轨(2)、塔筒底座(3)、塔筒(9)、塔筒顶平台(15)、异型电机底座(23)组成，塔筒(9)或者为圆柱形塔筒；或者为圆台形塔筒；或者为棱柱形塔筒；或者为棱台形塔筒；或者为桁架式塔架，塔筒(9)通径

壁厚10-30mm，高度5-30m，塔筒内外上下两端与塔筒顶平台(15)和塔筒底座(3)焊接处各焊若干加强板，塔筒外表面轴向视强度焊3-12条空心加强筋，兼顾筒体加固和放置上死点传感器(24)、下死点传感器(26)或作为电源电缆和控制电缆穿线管之用，支撑系统各连接部位用双面焊焊牢，或用强力螺栓紧固，整个钢结构支撑系统承载为机型最大悬点载荷的2-3倍；

整机驱动系统异型电机(20)由支座(27)、接线盒(28)、主轴(29)、轴承(30)、键(31)、轴承端盖(32)、异型定子(33)、异型转子(34)、定子铁芯(35)、散热片(36)、转子铁芯(37)、密封环(38)、保护绳槽和保护绳孔(39)、悬绳或带槽(40)、刹车盘(41)、角度齿盘(42)、传感器(43)、锁定销(44)控制和保护部件组成，其中：异型转子(34)的外观型式为对称轮轴式双端驱动内转子变矩滚筒，或者为对称轮轴式双端驱动硅钢片铁芯外转子变矩滚筒，或者为对称轮轴式双端驱动高导磁率型钢铁芯外转子变矩滚筒，或者为筒状异型外转子滚筒，或者为单端驱动外或内转子变矩滚筒，异型转子(34)的构造为中空轮辐式结构，其径向对称中心开轴孔，各受力部位用加强筋加固，其轴向对称中心设悬绳或带槽(40)，槽外表面为铸造糙面，或固定或硫化耐磨橡胶，悬绳或带槽(40)两侧为刹车盘(41)，刹车盘(41)外侧为保护绳槽和保护绳孔(39)，保护绳槽和保护绳孔(39)用刹车盘(41)和密封环(38)遮挡，密封环(38)外端对称设置转子铁芯(37)，该铁芯为硅钢片叠片成型或者为高导磁率的钢材成型，异型转子(34)的支撑方式为定子与支座连体式，或者为定子与支座分体式，或者为支座与主轴独立支撑式，轴承(30)装配于转子轴孔内，或者装配于定子轴孔内；异型定子(33)与异型转子(34)对应为不同的外、内轮辐式结构，两轴端对称设置，各受力部位用加强筋加固，异型定子(33)装配图外侧下部设接线盒(28)，上部设锁定销(44)，装配图内侧上部小于180度的外圆弧面外加厚，钻螺孔，用弧形盖板固定两端定子外壳，内侧下部小于180度的外圆弧面外加厚，钻螺孔，与底座紧固，异型定子(33)内或外轮缘固定定子铁芯(35)，定子铁芯(35)齿间装有集中励磁绕组(47)，异型定子(33)轴孔开键槽，异型转子(34)和异型定子(33)的铁芯为双凸极、大小齿或定、转子齿距；按上述结构形式和机理，装配对应的转子铁芯和定子绕组，可扩展为超低速大扭矩异型内转子短磁路开关磁阻调速电机，或者为超低速大扭矩异型外转子短磁路开关磁阻调速电机，或者为超低速大扭矩异型转子交流永磁同步调速电机，或者为超低速大扭矩异型转子交流异步调速电机，或者为超低速大扭矩异型转子直流电机，或者为超低速大扭矩异型转子直流无刷永磁调速电机，或者为超低速大扭矩异型转子交流整流子电机，或者为超低速大扭矩异型转子电磁调速电机，其励磁绕组(47)根据不同工况对转速、转矩的要求，或者为单相绕组，或者为两相绕组，或者为三相绕组，或者为四相或更多相绕组，其配电方式或者为交流供电，或者为直流供电；

整机控制系统由数字智能控制柜(7)、上死点传感器(24)、下死点传感器(26)、角度齿盘(42)、红外光电管元件传感器(43)、工况模拟器、微机控制器、变频调速装置、温度传感器、角位移、转速传感器、载荷传感器、换向传感器、异型电机、智能控制器组成；其控制面板主要有控制键(49)、功能键(51)、清除键(52)、显示屏(53)；异型定子(33)绕组槽内埋设热敏传感元件，采集温度信号与转子齿形相同的角度齿盘(42)与其对应定子部位装设的高性能红外光电管元件传感器(43)配合采集角位移和转速信号，工况模拟器采集负载信号，上死点传感器(24)、下死点传感器(26)采用无触点电子感应换向开关，采集换向信号，上述信号通过电缆反馈到控制电路，实现自动控制，或者以触摸屏或遥控方式实现智能控制。

2.根据权利要求1所述的超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机，其特征在于，整机提升、平衡系统由异型电机(20)、载荷提升带(12)、悬绳器(25)、平衡箱(8)、平衡调节门和弹力平衡带(6)组成，异型电机(20)的对称轮轴式双端驱动异型转子(34)变矩滚筒悬绳或带槽(40)上绕载荷提升带(12)，一端通过悬绳器(25)悬挂提升载荷，另一端悬挂平衡箱(8)，形成天平平衡摩擦传动构架，载荷提升带(12)或者为强力纤维胶带，或者为硫化橡胶耐磨保护层的扁钢丝带，或者为钢丝绳，悬绳器(25)一端用抗剪切铆钉组或螺栓组与载荷提升带(12)铆紧或拴紧，或者用膨胀胶灌注压实，另一端通过卡紧装置悬挂提升载荷，平衡箱(8)用普通灰铁或金属下脚料铸造，或者用钢管焊制，径向外侧各开一个扶正孔或扶正槽，孔内镶嵌耐磨橡胶环，平衡箱扶正绳(13)为防腐耐磨钢丝绳，穿过平衡箱(8)两侧镶有耐磨橡胶环的扶正孔固定于塔筒(9)内的塔筒底座(3)、塔筒顶平台(15)上。

3.根据权利要求1所述的超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机，其特征在于，移机系统由移机螺杆(1)、移机导轨(2)、塔筒(9)、塔筒顶平台(15)、移机螺杆(16)、异型电机(20)组成，移机导轨(2)、塔筒顶平台(15)上铣有移机导向槽或在塔筒底座和异型电机底座上装设滚轮，移机时，或转动移机螺杆(1)进行整机移动，或转动移机螺杆(16)只移动异型电机(20)，以保证修井作业空间。

4.根据权利要求1所述的超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机，其特征在于，整机保护系统由防撞胶垫(4)、保险绳(5)、保护绳(11)、平衡箱扶正绳(13)、塔筒(9)、护栏(14)、(19)、上死点传感器(24)、下死点传感器(26)、数字智能控制柜(7)、塔筒顶平台(15)、平衡箱卸载紧急制动装置、异型电机刹车装置和电机自制动装置组成，保险绳(5)和保护绳(11)为耐腐蚀抗拉钢丝绳，其长度略大于冲程长度，刹车装置安装于异型转子(34)刹车盘(41)内外侧，用联动机构连接于塔筒底部的控制箱侧，塔筒顶平台(15)外缘和下部爬梯(10)处焊接护栏B(19)和护栏A(14)，所有运动件都置于塔筒(9)内。

5.根据权利要求1所述的超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机，其特征在于，整机维护系统由爬梯(10)、爬梯护栏(14)、塔筒顶平台(15)、维修支架(17)和平衡调节门或装卸平衡块人孔组成，爬梯(10)或者为旋梯，或者为直立式或斜立式爬梯，塔筒顶平台(15)开有可锁紧天窗，平衡调节门或装卸平衡块人孔开设于塔筒(9)底部与井口平面垂直的一侧，或者用桁架式结构作平衡调节门，借助上述机构，完成对异型电机(20)的巡检、润滑、移机和平衡箱的悬挂、加、减载的维护作业。

6.根据权利要求1所述的超低速大扭矩异型电机拖动塔架式高效低耗智能抽油机，其特征在于，异型电机(20)的散热系统由异型定子(33)外轮缘设置的散热片(36)和轮辐孔上设置的散热片(21)、无动力排风扇(18)、中空主轴(29)和摩擦式发电机(22)组成，定子铁芯(35)、励磁绕组(47)的散热由异型定子(33)外轮缘设置的散热片(36)通过大气自然对流散热；异型转子(34)为无导条和绕组的冷转子，主轴(29)为轴向中部密封的空心轴，轴两端开一至数个进、排气孔，电机内腔的余热既可通过异型定子(33)轮辐孔上设置的散热片(21)大气自然对流散热，又可使自然风由主轴(29)一端的进气孔进入电机内腔，携带内腔余热通过中空轮辐式异型转子(34)进入电机另一内腔，并同时携带另一内腔余热经排气孔排出机外，或者外接无动力排风扇(18)或有动力排风扇或利用摩擦式发电机(22)的自发电力强制排出机外。

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