NO325266B1 - Elektrisk maskin - Google Patents

Abstract

Metode for å transformere energi i en lineær frem og tilbake gående elektrisk maskin, særlig brukt som motor eller generator, som inneholder et elektrisk operert fritt lineært bevegelig stempel som svinger mellom et system av to gassfjærer. Energien i stempel-fjær-systemet er minst fem ganger større en den energien som blir overført mellom stempelet og det elektriske systemet i en syklus til maskinen. Energien i stempel-fjær-systemet er summen av energi lagret som trykkdifferanse mellom gassfjærene og bevegelsesenergien til stempelet. En frem- og tilbakegående elektrisk maskin omfattende et lineært bevegelig stempel 15 som er plassert i en rørformet sylinder 11 for å operere som arbeidselement i en motor eller generator, hvor stempelet er utstyrt med magnetiske elementer som gir et radielt rettet elektrisk kraftfelt som vekselvirker med ei omliggende rad av rørformede spoler 22. Ved hver ende av sylinderen 11 er anordnet ei fjær som danner en resonansaktiv anordning. Veksel-virkningen mellom spolenes 22 magnetfelt, henholdsvis de magnetiske elementene 16, gir energioverføring mellom den elektriske energien i spolene og den mekaniske energien til stempelets 15 bevegelse i sylinderen 11. Energien lagret i systemet fjærsystem er minst fem ganger større enn energien som blir overført mellom stempelet 15 og det elektriske systemet i en enkelt syklus til maskinen.

Description

Elektrisk lineærmaskin

Denne oppfinnelsen er en videreutvikling av en elektrisk lineærmaskin beskrevet i innledningen til patentkrav 1, spesielt utformet for boring i mark og sjøbunn og for brønnintervensjoner.

Bakgrunn

Industrien etterspør en lineær, frem- og tilbakegående elektrisk maskin, spesielt for å drive utstyr i oljebrønner og andre trange steder. Det kan være hammere for boring eller komprimering, kompressorer og pumper.

Et ytterligere bruksområde for elektriske lineærmaskiner er for oscillerende generering av elektrisk kraft.

Felles for disse applikasjonene er begrenset tilført energi i én svingning til det frem- og tilbakegående elementet.

Motorer som fungerer som vibratorer brukt til å drive boreutstyr, både på land og til sjøs, er kjent.

US patent 5,060,737 (Mohn, 1991) beskriver et bore system hvor en lineærmotor driver et frem- og tilbakegående elementet for aksialt å belaste en borekrone. Metoden for å overføre energi fra motoren til borekronen tillot ikke tilstrekkelig effektomforming.

I tysk patentpublikasjon, 39 10 266 (Bihler 1990), er det beskrevet et system hvor en lineærmotor virker som en hammer mot en meisel.

Formål

Hovedformålet for oppfinnelsen er et konsept for en elektrisk lineærmaskin med forbedret effekt i forhold til vekt og volum. Virkningsgraden bør være sammenlignbar med andre elektriske maskiner.

Et spesielt formål er å lage en lineærvibrator med forbedret virkningsgrad, som kan brukes som hammer for boring og komprimering i trange borehull.

Oppfinnelsen

Metoden i henhold til oppfinnelsen, for å omforme elektrisk energi til bevegelsesenergi i en elektrisk lineærmaskin, omfatter et elektrisk drevet, lineært bevegelig stempel som oscillerer mellom et system med to gassfjærer, idet energien i fjærsystemet er minst fem ganger større enn energien som overføres mellom stemplet og det elektriske systemet for hver syklus av maskinen, idet energien i fjærsystemet er summen av trykkforskjellen mellom fjærene og den kinetiske energien i stempelet. På grunn av dette vil maskinen ha unike resonans oppførsel. Dette er vesentlig forskjellig fra tidligere maskiner, som eksempelvis virker som vibratorer eller hammere, hvor en gassfjær blir trykksatt før energien i fjæra blir overført til bevegelsesenergi i stemplet når en mekanisme blir utløst. Stempelet gir så fra seg all energien sin i en kollisjon før det blir tatt til bake til sin opprinnelige posisjon, hvor gassfjæra blir trykksatt på nytt.

Bevegelsesenergien til stempelet er gitt ved formelen Vi mv2, hvor m er stempelets masse og v stempelets hastighet. Når trykket i gassfjærene er lik, er all energien i masse/fjær systemet bevegelsesenergi. På grunn av dette vil den nye maskina ha et stempel som er relativt tungt sammenlignet med huset til maskinen. Dette er nødvendig for å lagre energien, siden energien er proporsjonal med massen og fordi det er en begrensning på maks hastighet som opplagringene tåler. Fordi stempelet er tungt og beveger seg med stor hastighet, er det behov for en meget stiv fjær for å lagre bevegelsesenergien til stempelet når det bremses, og for å gi energien tilbake til stempelet når det akselereres andre veien. Denne fjæra blir dannet ved at det er et lukket rom på begge sider av stempelet fylt med gass under trykk. Denne type fjærer blir kalt gassfjærer, og deres stivhet, maksimal slaglengde og evne til å lagre energi er mye større en tilsvarende mekaniske fjærer av samme størrelse. Stor hastighet på stempelet er nødvendig siden effekt (P) siden P = Fv, hvor F er elektrisk kraft og v er hastighet.

Flere detaljer ved metoden er beskrevet i patentkrav 2 og 3. Denne metoden kan ha et sylindrisk stempel som glir i et rundt rør som arbeidselement i en elektrisk motor eller generator, og det kan være forsynt med magnetiske elementer som oppretter et utoverrettet elektrisk kraftfelt, som kan vekselvirke med ei rad av ringformede spoler, hvor det ved hver ende av sylinderen, og hvor vekselvirkningen mellom magnetfeltene til spolene, og de magnetiske elementene skaper energioverføring mellom den elektriske energien i spolene og den mekaniske energien til stempelets aksialbevegelse i sylinderen. Maskinen drives fortrinnsvis med en oscilleringsfrekvens på 8 - 500 Hz. Oppfinnelsen er basert på teknologi beskrevet i PCT søknad NO05/00035. Denne publikasjonen beskriver en maskin med en elektromekanisk omformer med et stempel som beveger seg lineært og som er plassert i et rør for å være arbeidselementet i en motor. Stempelet inneholder magnetelementer som oppretter et utoverrettet elektrisk kraftfelt, som kan vekselvirke med rørformete spoler i rørveggen. Ved hver ende av dette stempelet er det gas fjærer som gir et system som kan operere i resonans. Vekselvirkningen det magnetiske feltene fra henholdsvis spolene og de magetiske elementene oppnår energioverføring mellom den elektriske energien i spolene og den mekaniske energien til stempelets aksialbevegelse i sylinderen. Sylinderen er lukket slik at det dannes lukkete endekammer. Ved hver ende av stempelet er det dannet er det dannet ei gassfjær med høyt trykk. Stempelet bærer ei rekke sentralt plasserte rørformete permanentmagneter eller alternative spoler. Sylinderen omfatter ei rekke koordinerte spoler eller alternative permanentmagneter for å øke maskinens stempelareal og/eller stempelets slaglengde (P = F v ~ Ffl hvor F er elektromagnetisk kraft, v er stempelets hastighet relativt til huset, f er stempelets frekvens, I er slaglengde og ~ betyr proporsjonal.)

Vibratoren består av et stempel som glir inne i et hus, (et rør som er lukket i begge ender). Rommet inne i huset som ikke er fylt med stempelet er fylt med trykkgass. Stempelets tetninger hindrer gass i å lekke fra en side av stempelet til den andre. Gassen vil på denne måten fungere som en stiv fjær som kobler stempelet og huset sammen. Gass fjærene er så stive at egenfrekvensen til stempelet vil bli høy tross stempelets relativt store masse. Gassfjærene vil være vesentlig stivere enn stål fjærer med samme dimensjoner. Utformingen av gassfjæra vil også tillate stempelet ei lang slaglengde. Dette er unikt for maskinen og er essensielt for at maskinen skal være i stand til å gi stor effekt.

Ei skruefjær eller magnetfjær kan være anordnet ved hver ende av sylinderen som et supplement til gassfjærene, for å holde stempelet i posisjon når maskinen er koblet av.

Stempelet består av jern og magneter. Spolene er en integrert del av rørveggen. Når det sendes strøm gjennom spolene, vil det virke en elektromagnetisk kraft mellom røret og stempelet. Ved å styre strømmen slik at den elektriske kraften til enhver tid har samme retning som hastigheten til stempelet, vil den elektriske kraften være i tvungen resonans med masse-gassfjær-systemet.

På grunn av resonansen vil ei relativt liten elektrisk kraft etter noe tid, gi lang slaglengde ved høy frekvens på grunn av de stive gassfjærene. Dette tilsvarer høy hastighet på stempelet. Dette er viktig fordi effekten til denne type maskiner er proporsjonal med elektromagnetisk kraft på stempelet multiplisert med stempelets hastighet.

Det beskrives en ny teknisk utvikling primært mot applikasjonene hammerborog wire line jar. En "wire line jar" er en hammer i enden av en wire brukt for å slå løs, flytte eller feste objekter. Det er et verktøy brukt i oljeindustrien for å hente ut eller skifte objekter, foreksempel ventiler i oljebrønner.

Energien lagret i masse-fjær-systemet må være større en den energien som tilføres maskinen i løp aven syklus. Dette skiller oppfinnelsen fra hammere hvor ei gass fjær blir ladet hydraulisk eller elektrisk før all energien blir overført til et stempel når en mekanisme blir utløst. Stempelet avgir da all energien den fikk i en kollisjon, før det blir flyttet tilbake til sin opprinelige posisjon og gassfjæra blir ladet på nytt.

Eksempel

Oppfinnelsen vil bli beskrevet mer detaljert med referanse til tegningene, hvor

figur 1 viser et tverrsnitt langs symmetriaksen til en lineær elektrisk vibrator i henhold på oppfinnelsen,

figur 2 viser et forstørret utsnitt av figur 1,

figur 3 viser et skjematisk sideriss av hvordan vibratoren i Figur 1 kan brukes, mens

figur 4 viser et skjematisk sideriss av en ytterligere bruk av vibratoren i Figur 1.

Utførelsesformen av oppfinnelsen i Figur 1 og 2 omfatter et ytre rørformet hus 11 med en nedre endeplugg12 og en øvre endeplugg 13. "Nedre" og "øvre" henviser til posisjoner på huset 11 i figurene. Maskinen i figurene kan roteres til en hvilke som helst anden posisjon. Det rørformede huset 11 danner en innvendig sylinder 14 som inneholder vibratorens aktive element, som er et stempel 15 som kan bevege seg langsetter huset 11 som beskrevet nedenfor.

Stempelet 15 er satt sammen av ringer av permanentmagnetisk materiale 16 som er alternerende magnetisert i aksial retning, og mellomliggende ringer 17 av bløtjem på ei sentral stålstang 18 med tetningsringer 19 og 20 ved endene. Hensikten med denne utformingen er å skape et magnetfelt med vekslende retning, som står vinkelrett på stempelets bevegelsesretning. Det kan brukes andre utforminger som gir et slikt vekslende magnetfelt.

Ringene 16,17,19,20 holdes sammen på stålstanga 18 av to endemuttere 21. Glide/tetningsringene 19,20 er av et materiale som glir tettende langs sylinderveggen 14. Magnetringene 16 og mykjemsringene 17 danner et luftgap mot sylinderveggen 14 for å redusere friksjonen. Diameteren på disse ringene kan derfor være uten ekstrem nøyaktighet.

Antallet tetningsringer må tilpasses lengden av det rørformete huset, idet flere enn to ringer kan være nødvendig. Ekstra tetningsringer kan erstatte mykjemsringer eller anordnes i tillegg.

En viktig del av huset 11 er ei rekke rørformete spoler 22 av koppertråd koblet til en elektrisk kraftkilde. Spolene 22 er dekket av ei kappe 23 satt sammen av tråder orientert i aksial retning og forbundet med spolene 22 med lim. Kappa 22 strekker seg utenfor enden av spolene 22, idet den er sammenføyet med et rørformet avstandsstykke 24 av ikke-metall, for eksempel plast, nærmest endespolene 22, fulgt av en ring 25 av jern og ei rørformet endehylse 26 som danner foring i det rørformete huset 11. De rørformete endehylsene 26 kan tilvirkes av armert plast, keramer, eller et annet ikke-ledende materiale, hvor forbindelsene til de rørformete spolene 22 er integrert. Et formål med endehylsene 26 er å ta opp trykkreftene når endekamrene 28 i endene av det rørformete huset 11 fungerer som ei gassfjær. Disse gassfjærene kan ikke erstattes med en annen type fjærer, da slike fjærer vil bli uøkonomisk store med dagens materialteknologi.

En maskin med mekaniske, magnetiske etc. fjærer i tillegg til gass fjærer, vil være den samme maskinen som er beskrevet her da tilleggsfjærene ikke vil signifikant endre maskinens karakteristikk under drift. Jernringen 25 er i virkeligheten ei magnetisk fjær, men funksjonen til denne "fjæra" er å holde stempelet i senterposisjon når maskinen er avslått. Ei spiralfjær inne i gassfjæra kan ha lignende funksjon. Det er også mulig å tenke seg at en slik fjær kan bli brukt som posisjonssensor for styringsformål.

Den indre veggen av spolene 22 og de rørformete delene 24-26 er dekket med en tynn foring 27 av et materiale som gir gode glideegenskaper, som for eksempel PEEK (PolyEtherEtherKetone) eller Teflon (trademark). Dette laget kan være fiberarmert for ekstra styrke.

Det rørformete huset 11 er dekket av et ytre stål rør 29 som strekker seg slik at det dekker endestykkene 12 og 13. Kappa 23 kan være omgitt av fiberarmert plast 30 for å holde det på plass. Delene 22-28 og 30 ligger innenfor stålrøret 29. Rommet mellom den fiberarmerte plasten 30 og stålrøret 29 kan fylles med lim eller olje, for å forbedre varmetransport ut av maskinen i radial retning.

Endestykkene 12 og 13 er metallplugger med en indre boring 31 for å fungere som en forlengelse av endekamrene 28. Endestykkene tetter mot glide mate ria let inne i røret 27 ved hjelp av egnede tettingselementer.

Det ytre stål røret 29 er festet til endestykkene med bolter 32. Et alternativ er gjenger på delene 12,13 og 29.

Endekamrene 28 kan fylles med gass gjennom en ventil 33 og tilsvarende ved den andre enden. Ventilene vil være lukket under drift, slik at gassen da vil fungere som gassfjær.

Produksjon

Foringa 27 kan lages som et frittstående element, hvorpå spolene 22 er innleiret i et sjikt eller en matrise 34 av plast med et ikke-ledende fibermateriale, foreksempel glassfibre. Endehylsene 26 blir så tilvirket ved å tilføye fibre og matrisemateriale. For å gi en tett pasning for den tynne foringa 27, er den et rør med mindre indre diameter som kan tåle deformasjon. Matrisen av plast, spoler etc. (delene 22 - 26, 34, 30) blir deretter klebet utvendig på røret. Foringsrøret blir deretter bearbeidet innvendig til riktig diameter. De øvrige delene gir tilstrekkelig styrke, slik at foringen 27 beholder sin tette pasning.

Funksjon og bruk

Det er grunnleggende for oppfinnelsen, at energien i fjærsystemet er minst fem ganger større enn energien som overføres mellom stempelet og det elektriske systemet for hver syklus av maskinen. Energien i fjærsystemet er summen av forskjellen mellom fjærkreftene og den kinetiske energien i stempelet.

I figur 3 vises et hammersystem basert på vibratoren 34 i henhold til oppfinnelsen i tre driftsfaser. Vibratoren 34 er en del av et boreverktøy 35, for eksempel for offshore boring, idet bunnen av brønnen har henvisningstall 36. Boreverktøyet 35 er forbundet til en betydelig større masse 37 med ei skruefjær 38. Denne fjæra kan også bli plassert inne i boreverktøyet 35, slik at det virker mot enden av vibratoren 34.

Når stempelet er akselerert nedover, vil motkraften på huset være sterk nok til å løfte huset fra objektet 36 som det arbeides mot. Når stempelet 15 akselereres opp igjen, vil huset støte ned mot objektet 36 igjen. Nesten ingen energi vil gå gjennom fjæra 38 til den større massen 37.

Figur 4 viser systemet i Figur 3 brukt for løfting. I dette tilfellet er fjæra 40 forlenget med vibratoren 34. Objektet 41 kan være et objekt nede i en oljebrønn som skal byttes ut, men som sitter fast i veggen i brønnen. Fjæra 40 kan være hele wiren i en wireline operasjon. Dette systemet kan være basis for eksempelvis en wireline-jar.

Ringer av jern kan bli brukt lede magnetfeltet fra magnetene gjennom spolene til ankerjemet 23. Spesielle hensyn tas for å unngå sirkulerende strømmer gjennom parallelle ledninger. Veggene i kammer 28 må være av ikke-ledende materiale for å unngå strømhvirvler (eddy currents).

Den elektriske vibratoren i henhold til oppfinnelsen kan brukes i forskjellige landbaserte og offshore applikasjoner, som for eksempel trekke verktøy, kilde for seismikk, hammer, jar, som spunteutstyrog som kompressor. For disse anvendelsene vil et av endestykkene 12, 13 være koblet til et element for å overføre effekt, særlig en hammer.

Ei skruefjær eller magnetiske fjær kan være anrodnet ved hve ende av sylinderen, i det øvre endekammer 28, som et tillegg til gassfjærene, for å holde stemplet i posisjon nå maskinen er slått av. Ytterligere fjæralternativ kan være magnetiske fjærer basert på magneter plassert slik at de avstøter hverandre, eller fjærer basert på tiltrekningen mellom magneter og jern.

Claims (11)

1. Metode for å transformere energi i en lineær frem- og tilbake-gående elektrisk maskin, særlig brukt som motor eller generator, som inneholder et elektrisk operert fritt lineært bevegelig stempel som svinger mellom et system av to gassfjærer, karakterisert ved at energien i stempel-fjær-systemet er minst fem ganger større en den energien som blir overført mellom stempelet og det elektriske systemet i en syklus til maskinen, idet energien i stempel-fjær-systemet er summen av energi lagret som trykkdifferanse mellom gassfjærene og bevegelsesenergien til stempelet.

2. Metode i henhold til krav 1, karakterisert ved at stempelet (15) beveger seg i en rørformet sylinder (11) som arbeidselement i en motor eller generator og er utstyrt med magnetiske elementer som gir en radielt rettet magnetfelt, som vekselvirker med ei omliggende rekke rørformede spoler (22), hvor det ved hver ende av sylinderen (11), og hvor vekselvirkningen mellom henholdsvis magnetfeltene til spolene (22) og de magnetiske elementene (16) gir energi overføring mellom elektrisk energi i spolene og mekanisk energi i den aksiale bevegelsen av stempelet (15) i sylinderen (11).

3. Metode i henhold til krav 1, karakterisert ved at maskinen opererer med en oscillasjonsfrekvens på 8-500Hz.

4. Frem- og tilbakegående elektrisk maskin, særlig motor eller generator, omfattende et lineært bevegelig stempel (15) som er plassert i en rørformet sylinder (11) for å operere som arbeidselement i en motor eller generator, hvor stempelet er utstyrt med magnetiske elementer som gir et radielt rettet elektrisk kraftfelt som vekselvirker med ei omliggende rad av rørformede spoler (22), hvor det ved hver ende av sylinderen (11) er anordnet ei fjær som danner en resonansaktiv anordning, og hvor vekselvirkningen mellom spolenes (22) magnetfelt, henholdsvis de magnetiske elementene (16), gir energioverføring mellom den elektriske energien i spolene og den mekaniske energien til stempelets (15) bevegelse i sylinderen (11), karakterisert ved at energien lagret i systemet fjærsystem er minst fem ganger større enn energien som blir overført mellom stempelet (15) og det elektriske systemet i en enkelt syklus til maskinen.

5. Frem- og tilbakegående elektrisk maskin i henhold til krav 4, karakterisert ved at fjærene i hver ende av sylinderen er gassfjærer.

6. Frem- og tilbakegående elektrisk maskin i henhold til krav 4 eller 5, karakterisert ved at ei skruefjær eller magnetiske fjær er anordnet ved hver ende av sylinderen som tillegg til gassfjærene, for å holde stempelet i stilling når maskinen er slått av.

7. Frem- og tilbakegående elektrisk maskin i henhold til et av kravene 4 til 6, forbruk som vibrator eller komprimerer, karakterisert ved at sylinderens (11) fri ender har endeelementer (12, 13) for kraftoverføring, av hvilke den ene (12) erfor overføring av kraft mellom den elektriske maskinen og et operativt element og den andre (13) er mellom vibratoren og et fjærorgan (38).

8. Frem- og tilbakegående elektrisk maskin i henhold til et av kravene 4 til 7, karakterisert ved at ei sentral stang (18) holder delene (16,17,20) av stempelet (15) sammen.

9. Frem- og tilbakegående elektrisk maskin i henhold til et av kravene 4 til 8, karakterisert ved at endestykkene (12,13) for kraftoverføring erholdt på plass av et ytre rørformet hus (29).

10. Frem- og tilbakegående elektrisk maskin i henhold til krav 9, karakterisert ved at endene til det rørformete huset (29) er foret med et ikke-ledende materiale (26) som har ei indre glidehylse (27) som danne den indre veggen (14) av sylinderen for stempelet (15).

11. Frem- og tilbakegående elektrisk maskin i henhold til krav 10, karakterisert ved at spolene (22) som er anordnet på glidehylsa (27) har utvendig jern kappe for å forhindre virvelstrømmer i det rørformete huset (29)