CN1847611A - 直线电磁抽油机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线电机驱动的抽油机。直线电磁抽油机包括直线电机、机架2、复合导向轮3、两根钢丝绳、悬绳器5、平衡导向轮6、平衡重物7、底座9，3和6分别设置在“T”形的2的上横梁的两端上，3和6的旋转轴都是水平方向，第一钢丝绳4－1的一端连接第二钢丝绳4－2的一端并固定在5上，4－1的另一端绕过3的外圆轮体并固定在直线电机的动子上，4－2的另一端绕过6的外圆轮体并固定在7上，2的下端固定在9上，直线电机的定子固定在机架2的立柱上，定子的中心线为铅垂方向。5固定在抽油杆的上端，直线电机的动子上下往复运动时，完成抽油工作。它克服了传统抽油机能耗高、“大马拉小车”、难以改变冲程和惯性载荷大的缺陷。

Description

直线电磁抽油机

技术领域：

本发明涉及一种直线电机驱动的抽油机。

背景技术：

目前，抽油机的能耗在采油成本中占有相当大的比重。因此，抽油机采油系统的节能降耗是石油开采过程节能的重点。目前应用最广泛的常规游梁式抽油机采油系统的组成如图1所示，采油系统主要由三部分组成：地面部分——游梁式抽油机，由电动机11、减速箱12和四连杆机构13(包括曲柄、连杆、横梁、游梁)、驴头和悬绳器等组成；地下部分——抽油泵17悬挂在套管16中油管15的下端；联系地面和地下部分的中间部分——抽油杆14，由一种或几种直径的抽油杆和接箍组成。游梁式抽油机的基本工作原理是把电能转换为电机的旋转运动，经减速器减速后再利用四连杆机构转变为悬点的直线往复运动。由于其本身的结构特征，决定它存在平衡效果差、曲柄轴净扭矩脉动大、存在负扭矩、负载率低、工作效率低、“大马拉小车”和能耗高等缺点，主要表现为以下四个方面的缺点：一、能耗高：电动机功率和传动损失大：一般情况下，旋转电动机在输出功率为(60％--100％)额定功率条件下工作时，其效率接近于额定效率，然而，由于抽油机电动机的负荷变化十分剧烈而频繁，在抽油机的每一冲程中，电动机的输出功率都将出现两次瞬时功率极大值和两次瞬时功率极小值，其瞬时功率极大值可能超过额定功率，而极小值一般为负功率，即电动机不仅不输出功率，反而由抽油机拖动而发电，因此电动机输出功率的变化远远超出了(60％--100％)额定功率的范围。二、大马拉小车：为了适应负载变化大、运动惯性大的工作条件，实际生产中的游梁式抽油机常年工作在低功率因数、低效率、高能耗的“大马拉小车”状态。三、难以改变冲程。常规游梁式抽油机冲程增大后，其外形尺寸和总重量将大幅度增加，这是由于游梁式抽油机自身的结构特点所决定的。四、惯性载荷过大：常规游梁式抽油机的四连杆机构使得驴头运动规律为类似简谐运动，其最高速度和最低速度与匀速运动时的速度相差较大，所以加速度较匀速运动也大得多，造成惯性载荷大，使抽油机承受载荷过大，缩短了抽油机使用寿命。

发明内容：

本发明提供一种直线电磁抽油机，以克服传统抽油机能耗高、“大马拉小车”、难以改变冲程和惯性载荷大的缺陷。本发明的技术方案是：它包括直线电机、机架2、复合导向轮3、两根钢丝绳、悬绳器5、平衡导向轮6、平衡重物7和底座9，复合导向轮3和平衡导向轮6分别设置在“T”形的机架2的上横梁2-1的两端上，复合导向轮3和平衡导向轮6的旋转轴都是水平方向设置，第一钢丝绳4-1的一端连接第二钢丝绳4-2的一端并固定在悬绳器5上，第一钢丝绳4-1的另一端绕过复合导向轮3的外圆轮体并固定在直线电机的动子1-1上，第二钢丝绳4-2的另一端绕过平衡导向轮6的外圆轮体并固定在平衡重物7上，机架2的下端固定在底座9上，直线电机的定子1-2固定在机架2的立柱上，定子1-2的中心线为铅垂方向。本发明的抽油机工作时，悬绳器5固定在抽油杆10的上端，直线电机的电磁力推动动子1-1上下往复运动时，完成抽油工作。抽油杆10为上冲程时，载荷为抽油杆10重量加上液柱载荷，而总平衡重量(平衡重物7加动子1-1的重量，总重量可以设置为抽油杆10重量加上二分之一液柱载荷)呈自由落体下行做功，此时直线电机动子1-1下行拉力只有二分之一液柱载荷；抽油杆10为下冲程时，抽油杆重量呈自由落体下行做功，此时直线电机动子上行推力仍为二分之一液柱载荷。从而使电机上、下行程中的出力基本相等。本发明的抽油机是采用大推力直线电机直接驱动抽油杆做上下往复运动的抽油机，与常规游梁式抽油机相比具有结构简单、平衡效果好、运行平稳、系统效率高、节能效果好、能满足采油工艺自动控制的要求和适应恶劣的工作环境等特点，特别适合深井、稠油井、抽空控制油井等使用，为重型抽油机的制造开辟了新途径。本发明的优点是：(1)结构简单：采用直线电机直接驱动抽油杆，无需游梁式抽油机的减速器和四连杆机构。(2)效率高、耗能低：直线电机将电能直接转换为直线往复运动，传动链短，减少了机械传动过程中的能量损失，提高了传动效率。(3)长冲程：由于不使用四连杆机构，克服了游梁式抽油机增加冲程时减速箱扭矩增加的缺点，只需加高机架即可，抽油机外形尺寸和总重量增加值不大，因此，适用于长冲程。(4)惯性小：直线电磁抽油机的运动规律除上下死点有短时间加减速运动外，大部分时间是匀速运动，使惯性载荷大幅度下降，抽油机性能得到较大改善。(5)过载能力强：由于直流直线电机具有很高的过载能力，可以解决启动时对大推力的要求，因此无需“大马拉小车”。(6)柔性好：由于采用直线电机驱动，传动环节少，使系统具有易于控制的特点。抽油机的冲程和冲次可以实时改变，并能根据具体工况，调整抽油杆的运动规律。

附图说明：

图1是已有的游梁式抽油机采油系统结构示意图，图2是本发明的结构示意图，图3是实施方式三的结构示意图，图4是图2的A向视图，图5是实施方式五的结构示意图。

具体实施方式：

具体实施方式一：下面结合图2具体说明本实施方式。本实施方式由直线电机、机架2、复合导向轮3、两根钢丝绳、悬绳器5、平衡导向轮6、平衡重物7、底座9组成，复合导向轮3和平衡导向轮6分别设置在“T”形的机架2的上横梁2-1的两端上，复合导向轮3和平衡导向轮6的旋转轴都是水平方向设置，第一钢丝绳4-1的一端连接第二钢丝绳4-2的一端并固定在悬绳器5上，第一钢丝绳4-1的另一端绕过复合导向轮3的外圆轮体并固定在直线电机的动子1-1上，第二钢丝绳4-2的另一端绕过平衡导向轮6的外圆轮体并固定在平衡重物7上，机架2的下端固定在底座9上，直线电机的定子1-2固定在机架2的立柱上，定子1-2的中心线为铅垂方向。直线电机的推力小于直线电机的动子1-1的重量。由于可以借助平衡重物7使直线电机的动子向上和向下运动时电磁推力均匀，从而可以选用推力较小的直线电机，节省电能和电磁材料。

具体实施方式二：下面结合图2具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：直线电机选用多相永磁同步直线电机、多相感应直线电机、多相开关磁阻直线电机或多相感应子式直线电机。

具体实施方式三：下面结合图3具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：它还包括控制电路21、开关电路23、永磁体26和若干个霍尔传感器22，所有的霍尔传感器22沿直线电机的定子1-2的高度方向均匀排列在定子1-2的内表面上，永磁体26设置在动子1-1的外圆表面上与霍尔传感器22相对应的位置，所有的霍尔传感器22的信号输出端分别连接在控制电路21的输入端上，控制电路21的输出端连接在开关电路23的控制端上，开关电路23的输入端连接直线电机的电源1-3的输出端，开关电路23的输出端连接在直线电机的定子1-2的电源接线端1-4上。控制电路21以DSP或微处理器为核心，它能够接收来自各个位置的霍尔传感器22的信号，通过微处理器中的程序决定直线电机的动子1-1的行程和动子的往复运动次数，进而控制油井抽油杆柱的冲程和工作时间长短。如此设置的优点是可以根据油井供油能力的大小决定动子1-1的行程和抽油机工作时间长短。

具体实施方式四：下面结合图4具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：它还包括平移底座8和导轨24，导轨24固定在底座9的上表面上，平移底座8的上表面固定在机架2的下端部，平移底座8的下表面设置在导轨24上并能沿着导轨24的长度方向移动。如此设置，能够很方便地调整机架2的位置，从而调整悬绳器5悬点位置与井口对中。

具体实施方式五：下面结合图5具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是它还包括直线电机动子速度设定单元30-1、速度比较器30-2、速度调节器30-3、电流比较器30-4、电流调节器30-5、电力变换器30-6、电流反馈处理电路30-7和直线电机动子运动速度反馈处理电路30-8组成，直线电机动子速度设定单元30-1的输出端连接速度比较器30-2的正输入端，速度比较器30-2的输出端连接速度调节器30-3的输入端，速度调节器30-3的输出端连接电流比较器30-4的正输入端，电流比较器30-4的输出端连接电流调节器30-5的输入端，电流调节器30-5的输出端连接电力变换器30-6的输入端，电力变换器30-6的输出端连接直线电机绕组1-3，电流反馈处理电路30-7采集电力变换器30-6输出的电流并反馈到电流比较器30-4的负输入端与速度调节器输出的电流值进行减法运算，直线电机动子运动速度反馈处理电路30-8采集直线电机动子1-1的运动速度并输入到速度比较器30-2的负输入端与直线电机动子速度设定单元30-1输出的设定速度相减。如此设置，能直接输入速度给定，通过闭环控制电路调节直线电机绕组上的电流，调节直线电机工作时的电磁力和动子的运动速度。

具体实施方式六：本实施方式与实施方式一的不同点是直线电机选用双面平板型直线电机或圆筒型直线电机。其它的组成和连接方式与实施方式一相同。

Claims (7)

1、直线电磁抽油机，其特征在于它包括直线电机、机架(2)、复合导向轮(3)、两根钢丝绳、悬绳器(5)、平衡导向轮(6)、平衡重物(7)和底座(9)，复合导向轮(3)和平衡导向轮(6)分别设置在“T”形的机架(2)的上横梁(2-1)的两端上，复合导向轮(3)和平衡导向轮(6)的旋转轴都是水平方向设置，第一钢丝绳(4-1)的一端连接第二钢丝绳(4-2)的一端并固定在悬绳器(5)上，第一钢丝绳(4-1)的另一端绕过复合导向轮(3)的外圆轮体并固定在直线电机的动子(1-1)上，第二钢丝绳(4-2)的另一端绕过平衡导向轮(6)的外圆轮体并固定在平衡重物(7)上，机架(2)的下端固定在底座(9)上，直线电机的定子(1-2)固定在机架(2)的立柱上，定子(1-2)的中心线为铅垂方向。

2、根据权利要求1所述的直线电磁抽油机，其特征在于直线电机的推力小于直线电机的动子(1-1)的重量。

3、根据权利要求1所述的直线电磁抽油机，其特征在于直线电机选用多相永磁同步直线电机、多相感应直线电机、多相开关磁阻直线电机或多相感应子式直线电机。

4、根据权利要求1所述的直线电磁抽油机，其特征在于它还包括控制电路(21)、开关电路(23)、永磁体(26)和若干个霍尔传感器(22)，所有的霍尔传感器(22)沿直线电机的定子(1-2)的高度方向均匀排列在定子(1-2)的内表面上，永磁体(26)设置在动子(1-1)的外圆表面上与霍尔传感器(22)相对应的位置，所有的霍尔传感器(22)的信号输出端分别连接在控制电路(21)的输入端上，控制电路(21)的输出端连接在开关电路(23)的控制端上，开关电路(23)的输入端连接直线电机的电源(1-3)的输出端，开关电路(23)的输出端连接在直线电机的定子(1-2)的电源接线端(1-4)上。

5、根据权利要求1所述的直线电磁抽油机，其特征在于它还包括平移底座(8)和导轨(24)，导轨(24)固定在底座(9)的上表面上，平移底座(8)的上表面固定在机架(2)的下端部，平移底座(8)的下表面设置在导轨(24)上。

6、根据权利要求1所述的直线电磁抽油机，其特征在于它还包括直线电机动子速度设定单元(30-1)、速度比较器(30-2)、速度调节器(30-3)、电流比较器(30-4)、电流调节器(30-5)、电力变换器(30-6)、电流反馈处理电路(30-7)和直线电机动子运动速度反馈处理电路(30-8)组成，直线电机动子速度设定单元(30-1)的输出端连接速度比较器(30-2)的正输入端，速度比较器(30-2)的输出端连接速度调节器(30-3)的输入端，速度调节器(30-3)的输出端连接电流比较器(30-4)的正输入端，电流比较器(30-4)的输出端连接电流调节器(30-5)的输入端，电流调节器(30-5)的输出端连接电力变换器(30-6)的输入端，电力变换器(30-6)的输出端连接直线电机绕组(1-3)，电流反馈处理电路(30-7)采集电力变换器(30-6)输出的电流并反馈到电流比较器(30-4)的负输入端与速度调节器输出的电流值进行减法运算，直线电机动子运动速度反馈处理电路(30-8)采集直线电机动子的运动速度并输入到速度比较器(30-2)的负输入端与直线电机动子速度设定单元(30-1)输出的设定速度相减。

7、根据权利要求1所述的直线电磁抽油机，其特征在于直线电机选用双面平板型直线电机或圆筒型直线电机。

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