（电机与电器专业论文）新型潜油式直线抽油机电机的设计及分析.pdf

哈尔滨理工大学1 = 学硕十学位论文 t h e d e s i g na n da n a l y s i so fm o t o ri ns u b m e r s i b l e l i n e a rm o t o rp u m p i n gu n i t a b s t r a c t w h i l et h em o s to i l f i e l d so fo u rc o u n t r ye n t e rt h es t a g eo fh i g hw a t e rc u t ，t h e r e q u i r e m e n to fe x p l o r e i n ge q u i p m e n tf o rg a sb e c o m e sh i g h e ra n dh i g h e r b u tf o r m a n yy e a r s ，t h ep o w e ro fp u m p i n gu n i ti sa l lr o t a r ym o t o rw h a t e v e rt h eb e a m p u m p i n gu n i to rt h en ob e a mp u m p i n gu n i t i tm u s tt h r o u g hc o m p l e xe n e g y t r a n s f o r m a t i o na n dt r a n s p o r t a t i o nt or e a l i z es t r a i g h tr e c i p r o c a t i n gm o t i o n s ot h e p r o b l e m ss u c ha sl o we f f i c i e n c y , b i gh o r s ed r a g ss m a l lc a r a n du n s t a b l ea r e i n e v i t a b l e i no r d e rt or e s o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h es u b m e r s i b l el i n e a rm o t o r p u m p i n gu n i te m e r g e d t h es u b m e r s i b l el i n e a rm o t o rp u m p i n gu n i tc h a n g e st h em o t i o nm e c h a n i s m o ft r a d i t i o n a lp u m p i n gu n i t i tu s e st h es t r a i g h tr e c i p r o c a t i n gm o t i o no ft h el i n e a r m o t o rd i r e c t l yt od r i v et h em o v e m e n to fp u m p i n gr o da n da c h i e v et h eg o a lo f l i f t i n gt h el i q u i do fo i lw e l l s t h el i n e a rm o t o r ，w h i c hi st h ei m p o r t a n tp a r to ft h e s u b m e r s i b l el i n e a rm o t o rp u m p i n gu n i t ，i st h em a i nr e s e a r c ho b j e c to ft h i s d i s s e r t a t i o n f i r s t l y , s i m p l yi n t r o d u c e st h et y p e s ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ep u m p i n gu n i t a n dt h em a i np r o b l e m sw h i c he x i s ti no u rc o u n t r ya n da b r o a d t h eb a s i cs t r u c t u r e ， o p e r a t i o n a lp r i n c i p l e ，d e v e l o p m e n tt r e n da n dc u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n so fl i n e a r m o t o ra r ei n t r o d u c e dt o o t h e n ，o nt h eb a s i so fc o n t r a s t i n ga l lk i n d so fl i n e a r m o t o r ，i tc h o o s e st u b u l a rp e r m a n e n tm a g n e tl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o ra st h e p u m p i n g u n i tf o rp o w e rs y s t e r m t h r o u g ht h er e s e a r c ho nt h es e p e c i a l c o n s t r u c t i o na n dt h ee q u a lc i r c u i t ，i ts u g g e s t st h em a i nd e s i g np a r a m e t e r so f p u m p i n gu n i ta n dt u b u l a rp e r m a n e n tm a g n e tl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o rw h i c hi s w o r k i n gi na c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n s t o ，d e t e r m i n e st h es i z ea n di n s t r u c t i o n ，a l s o c a l c u l a t st h ee l e c t r o m a g n e t i ca n dt h ec a p a b i l i t y t h e nu s i n gt h es o f to fa n s y st o d ot h ee l e c t r o m a g n e t i ca n a l y s i so ft h em o t o r , a n a l y s ei t sm a g n e t i cf i e l d sa n d c a l c u l a ti t se l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ，t h e nv e r i f i c a t et h er e s u l t so ff o r c e a tl a s t c o m p a r e dw i t ht h em e a s u r e dd a t ao f n o r m a lp u m p i n gu n i t ，i tp r o v e st h a tt h i sn e w - u 哈尔滨理工大学工学硕卜学位论文 s u b m e r s i b l el i n e a rm o t o rp u m p i n gu n i th a sh i g h e rs y s t e me f f i c i e n c yt h a nn o r m a l 0 n e s t h i sd i s s e r t a t i o ni sv a l u a b l ei na p p l i c a t i o na n ds t u d yo fs c i e n c ei nt h i sk i n d o fm o o ra n dp u m p i n gu n i t k e y w o r d sl i n e a rm o t o r , s u b m e r s i b l e ，p e r m a n e n tm a g n e t ，f i n i t ee l e m e n t - i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文新型潜油式直线抽油机中电 机的设计及分析，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期 间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 耕 日期：2 0 0 8 年3 月乍同 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 新型潜油式直线抽油机中电机的设计及分析系本人在哈尔滨理工大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈 尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全 了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内 容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密囹 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：1 酾 导师签名： 同娟 日期：2 0 0 8 年3 月 7 - 日期：2 0 0 8 年3 月峰日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 国内外无游梁式抽油机的发展现状 随着采油设备的深入研究，抽油机在最初的雏形上有了长足的发展。传统 的游梁式抽油机以适应野外恶劣工作环境等明显优势，区别于其它众多类型的 抽油机，而且以其结构简单、易损件少、坚实耐用、可靠性强、操作简便、维 修方便、维护费用低等特点，一直占据有杆泵采油地面设备的主导地位n 1 。 游梁式抽油机是最古老、应用最广泛的一种型式，工作可靠、坚实，使用 和维修方便，并且在常规型基础上发展了多种型式。 常规型游梁式抽油机其工作过程为：用电机带动减速机，减速机带动皮带 轮，皮带轮带动曲柄连杆将旋转运动变成驴头悬点的往复运动，依靠抽油杆和 光杆传递运动，带动井下抽油泵柱塞提上放下，而将油带出地面进入输油管道 中或储油罐中，完成抽油过程。 抽油机工作时，在上、下冲程中，电动机所承受的载荷相差很大。上冲程 时，驴头悬点静载荷主要是抽油泵柱塞以上的液柱重量与抽油杆重量之和，提 起这部分重量电机需要作很大的功；而下冲程时，液柱重量转移到固定阀和油 管上，驴头仅承受抽油杆柱的重量，电机不仅无需做功，反而由于抽油杆自重 下落，使电机处于发电机状态。因此，在上、下冲程中，电机的负载极不均 匀，加上悬点运动速度和加速度的变化，更加剧了这种不均匀性。结果使抽油 机振动加剧，电机、减速箱、抽油泵等效率降低，寿命缩短，抽油杆断裂现象 增加，能耗过多。 游梁式抽油机以其特别能适应野外恶劣的工作环境等明显优势，区别于其 它众多类型的抽油机。常规型游梁式抽油机更是以其结构简单、易损件少、坚 实耐用、可靠性强、操作简单、维修方便、维护费用低等特点，一直占据有杆 采油地面设备的主导地位。但是，游梁式抽油机还是存在许多需解决的问题。 由于游梁式抽油机自身结构的原因，它仍存在着一些问题。 ( 1 ) 传动效率低 皮带传动的功率损失。一般以弯曲功率损失和滑动损失为主，可以用以 下公式计算担1 纰= 等署1 0 。( 1 - 1 ) 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 鹋= 嚣1 0 3 ( 1 - 2 ) 式中：a 为皮带面积，i x i i i l 2 ：口为皮带包角，t a d ：最为皮带纵向弯曲弹性模 量，m p a ；e 为皮带拉伸弹性模量，m p a ：f 为皮带拉力，n ；，为皮带截面 惯性矩，i l l i l l 4 ：力为转速，r m i n ；凹为皮带绕轮弯曲损失功率，k w ；必为 皮带弹性滑动损失功率，k w ：，为皮带轮半径，r l l r f l i i ，为皮带轮转速，r i g s 。 由公式( 1 1 ) 和公式( 1 2 ) 可以看出为减少皮带轮损失，应减小皮带的纵向弯 曲模量和截面惯性矩，并增加皮带的拉伸弹性模量。上个世纪7 0 年代以来， 对皮带做了大量改进，创造出窄v 带、多楔带、同步带等，传动效率由8 3 提高到9 4 。据资料，由于管理等方面的原因，大量抽油机皮带传动效率在 8 5 左右。 减速箱传动功率损失。轴承传动损失加上齿轮的损失，减速箱总传动损 失约为9 左右。 四连杆结构轴承损失，钢丝绳变形损失一般统计约为3 。 以上三个方面的能量损失造成游梁式抽油机能量损失达3 0 左右。 ( 2 ) 游梁式抽油机增大冲程，减速箱扭矩成比例增大，需要更换更大更重的 减速箱；又因受游梁摆角限制四连杆尺寸必然增大，引起抽油机外形尺寸和总 机重量大幅度增加。 ( 3 ) 游梁式抽油机的四连杆机构使得驴头悬点的运动规律类似简谐运动，其 最高速度和最低速度较匀速运动的速度差得多，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，缩短了抽油机的使用寿命。 随着井深和产量的不断增加，同时随着油井开采复杂条件的经常出现( 如 高粘、多蜡、多砂、多气、水淹和强腐蚀性等条件) ，传统游梁式抽油机的许 多问题明显地显现出来。主要是抽油机的能耗高、重量大和难以实现长冲程、 低冲次抽油，在生产中抽油杆的事故增多、抽油泵的排量降低等。为了克服这 些缺点，国内外各厂家先后研制出了前置式抽油机、异相曲柄抽油机，空气平 衡抽油机等，虽然克服了常规抽油机的一些缺点，但是没有脱离传统抽油机利 用四连杆机构将旋转运动转变为往复直线运动的传动方式。 上个世纪7 0 年代以来，各种形式的无游梁抽油机应运而生，它的优点是 不用四连杆机构将旋转运动转变为往复直线运动，其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。无游梁抽油机容易实现长冲程，而长冲程抽油机冲次较 低，大大降低了运动系统的加速度，惯性载荷小，如：链条抽油机、皮带抽油 一2 一 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 机等。它们同样存在一些问题，如结构复杂、运动件多、成本高，特别是大多 数采用软连接，摆动轮直径不能过大、使钢丝绳( 链条) 使用寿命短b 1 。 上个世纪8 0 年代以后，各采油设备生产厂家相继研制开发了数十种新一 代节能型抽油机，改进了上述机型的一些缺点。各种无游梁抽油机相继制成并 投入使用，标志着我国有杆抽油机技术的发展有了较大的提高。 上个世纪9 0 年代以来，各抽油机生产厂家，相继研制成功了新一代节能 高效抽油机。智能化节能型抽油机是今后抽油机发展的趋势和方向。抽油机发 展的最高阶段是智能化，其性能基本满足设计规范要求h 1 。2 0 0 1 年3 月华北石 油大卡热能技术开发有限公司率先研制出直线电机驱动抽油机，并获得国家实 用新型专利。经国家油气井口设备质量监督检验中心性能检测，2 0 0 1 年8 月应 用于华北油田采油现场。试验表明嵋1 ：直线电机驱动抽油机增加冲程方便，具 有明显的节能作用，与游梁式抽油机相比一般节能3 5 ，甚至可达5 0 ，体积 小，在大冲程时可明显节省制造材料。该型产品也在江汉油田和大庆油田做过 现场试验。实验证实其理论及结构设计还不完善，并存在一定的使用局限性。 2 0 0 3 年1 2 月1 6 日，由大港油田集团钻采工艺研究院饰1 承担的“直线电机驱动 的抽油机开发研制项目，通过中石油集团公司科技发展部组织的科研验收。 该项目在机械系统、直线电机设计系统、智能控制系统和变频电源系统等方面 具有重大突破。但是，该机理论研究及结构设计还不十分成熟，到目前为止， 仅做了厂内实验，还未在现场试验。为了深入了解直线电机驱动抽油机的工作 原理，克服现有产品存在的问题，北京化工大学与青海某公司开展合作，共同 研发出性能和功能较为齐全的直线电机驱动抽油机，大庆采油九厂在此领域也 有成果，已有产品在井上使用。 近2 0 年来，国内外出现了多种无游梁抽油机，这些立式抽油机初步显示 了其优越性。直线电机抽油机就是其中最主要的一种。它解决了直线电机大推 力的技术关键，悬点载荷最大可达到1 6 0k n ( 还可加大) ，电机推力可达到1 5 3 0k n ( 预计可达6 0k n ) 1 7 o 直线电机抽油机将电能直接转变为往复直线运动的 机械能，不但提高了效率，而且能实现抽汲参数无级调整，进而能根据油田需 要调整悬点运动规律，为智能化创造很好的条件。 近年来飞速发展的直线电机为设计新型抽油机奠定了基础。直线电机将电 能直接转换成直线运动的机械能，取消了齿轮、链条、齿条丝杠和蜗轮蜗杆等 传动系统，从根本上消除了传统机械转换机构的传动链长、体积大、效率低、 精度差等缺陷。直线电机抽油机以其结构简单、节能效果好，系统效率高、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、 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 稠油、抽空控制等油井使用，是一种值得重视的新型抽油机哺1 。 1 2 主要的无游梁式抽油机 1 2 1 链条抽油机 链条抽油机是我国科技人员独创的一种无游梁抽油机，具有惯性载荷小、 冲程长度大、重量轻、节省电能等优点，己在许多油田使用。由传动部分( 动 力机，皮带、皮带轮、减速器、刹车和联轴器等) 、换向部分( 主动链轮、被动 链轮、往返架和轨迹链条等) 、平衡部分( 平衡缸、平衡链轮、空气包、油包、 平衡链条和压缩机等) 、悬吊部分( 天车、钢丝绳、悬绳器等) 和机架等五部分 组成。 链条抽油机的主要特点是采用了轨迹链条的换向机构，轨迹链条上有一个 特殊的链节，其上装有主轴销和滑块i 主轴销可在滑块的铜套中转动，滑块与 往返架相连，并可在其中作水平滑动。工作时，电动机通过三角皮带和减速箱 驱动主动链轮旋转，使得垂直布置的环形轨迹链条在主、被动链轮( 主、被动 链轮齿数相等，垂直布置) 之间运转；轨迹链条则通过特殊链节上的主轴销和 滑块带动往返架顺着机架上的轨道作往复匀速直线运动；若特殊链节自链轮右 边向下运动，往返架被拉向下，达极限位置时，特殊链节作复合运动，井绕过 链轮，到达链轮的左边，进而带动往返架一起向上运动；达上极限位置后，特 殊链节又绕过上链轮到达右边，再带动往返架向下；往返架的上横梁连接着绕 过天车轮的钢丝绳，通过悬绳器与光杆带动抽油泵抽油。 此类抽油机虽取消了四连杆结构，但其传动效率与游梁式抽油机区别不 大。其优点是： ( 1 ) 9 0 的冲程长度是匀速运动，只有换向期间才有短时间的加速度，因而 动载比较小； ( 2 ) 总机重量小，为常规游梁抽油机的1 3 1 2 1 ( 3 ) 结构紧凑，占地面积小； ( 4 ) 特别适合作为长冲程抽油机，加大冲程只需要加大塔架高度。 其缺点是： 。 ( 1 ) 钢丝绳承受交变载荷，而且天轮直径小，钢丝绳通过天轮时反向弯曲， 寿命较短； ( 2 ) 轨迹链条和主轴销是链条传动的薄弱件，容易发生折断事故，而且往往 造成机箱内部件损坏； 哈尔滨理工大学- t 学硕士学位论文 ( 3 ) 往返架上部两个导轮不能得到良好的润滑，易发生干磨造成部件松动、 冲击而损坏零部件。 1 2 2 液压抽油机 液压抽油机的研制，美、苏等国始于上个世纪4 0 年代，上世纪5 0 年代末 期我国也曾进行过研制和试验。但由于制造工艺比较复杂，液压元件可靠性差 和效率不高等原因，发展比较缓慢。近年来，由于制造工艺及液压元件质量不 断提高，特别是采油工艺的需要，又引起人们的重视。 液压抽油机具有无级调节冲程长度、冲次，悬点振动载荷小，控制灵活、 方便等优点，可以适应不同的油井状态。 液压抽油机主要由液压驱动系统、平衡系统等组成。液压驱动系统主要用 于驱动抽油杆，带动抽油泵作上、下往复运动；平衡系统主要用于控制和调节 工作行程换向和抽油杆柱运动的平衡，使电动机的负载均匀，达到节省能源的 目的。液压抽油机从结构原理方面打破了游梁式抽油机将电能转换成旋转运 动，再利用机械方法将旋转运动转变为往复直线运动的模式，利用液压换向实 现直线往复运动，传动效率高，一个冲程内9 0 以上的时间均处于匀速状态， 惯性载荷小，运动性能好。但是，其可靠性差，适应性差，所以工业应用仍不 多。 1 2 3 直线电机抽油机 直线电机抽油机现阶段大多数是地面形式，这种抽油机和传统游梁式抽油 机相比，在效率和节能方面有了很大的进步，其简化了机械传动过程。这种抽 油机主要由往复直线运动的直线电机，电机控制系统，承受载荷的桁架和顶部 转向轮，刹车制动系统和拖动抽油杆的扁钢丝绳组成。直线电机通过扁钢丝绳 直接与抽油杆连接( 经顶部转向轮转向) ，在通入变频控制器输出的低频电流 后，进行直线往复运动，并带动抽油杆达到往复抽油目的。采用天平平衡方 式，平衡效果好。平衡箱和电机动子在一起，抽油杆用扁钢丝绳直接与电机动 子连接，通过顶部转向轮之后，构成天平式平衡。平衡重等于抽油杆质量加上 半个液柱载荷；当抽油机电机拖动抽油杆上行时，抽油杆的质量大部分靠平衡 重拖动，电机拖动被平衡重平衡之后剩余的半个液柱载荷；当抽油杆下行时， 抽油杆靠自身质量下行，电机拖动平衡箱上行，此时动子上行的拉力仍然是半 个液柱的载荷。 地下式的直线电机的抽油机，也就是潜油式直线电机抽油机目前还是一个 新的领域，相关产品已经出现，但是大都是应用方面的研究，对于其特殊电机 哈尔滨理t 大学- t 学硕士学位论文 的设计及分析方面的理论研究几乎没有，毕业设计期间没有找到相关文献及书 籍。潜油直线电机抽油机省去了地面上各种笨重的装置，大大简化了系统结 构，减小了损耗，提高了系统效率，节能效果好，并且能适应恶劣工作环境， 特别适合深井、稠油等油井使用，为新型节能抽油机的制造开辟了一条新的道 路，是一种值得研究与开发的的新型抽油机。 l - 3 直线电机的应用及发展概况 据有关文献报道旧1 ，直线电机的历史，最早可追溯到1 8 4 0 年，惠斯登 ( w h e a t s t o n e ) 开始提出和制作了略具雏形但试验成功的直线电机，从那时到现 在，己有近1 6 0 年的历史了。在这个历史过程当中，直线电机经历了探索实 验、开发应用和实用商品化三个时代。当然，对不同类型的直线电机或不同的 国家和地区，这三个时代的年代和年限又是不相同的。 1 3 1 探索实验时代 从1 8 4 0 年到1 9 5 5 年，直线电机从设想到实验再到部分实验性应用经历了 一个不断探索、屡遭失败的过程。自从惠斯登提出和试制了直线电机以后， 1 8 9 0 年美国匹兹堡市的市长在他所写的一篇文章中，首先明确地提到了直线电 机以及它的专利。这个专利是想把直线电机用在织布机的梭子上。显然这个想 法激励了许多科学家的热情，以至于在此以后的相当一段时间，一些科学家为 此付出了许多的努力。然而，由于受到当时的制造技术、工程材料以及控制技 术的限制，在经过断断续续二十多年的顽强努力后，最终未能获得成功。不 过，科学家为了获得电梭子应用而巧妙构思的许多各种形式的直线电机，却为 后来将它们应用到其它场合奠定了基础n 0 1 。例如，将大推力、高速度的织梭直 线电机经过重新设计，摇身一变向着电炮和电弹射器方向发展下去，二战期间 日本海军就曾在横须贺开始过无烟、无声电炮的制造。1 9 9 5 年美国宣布电磁炮 试制成功。 1 9 0 5 年，曾有两人分别建议将直线电机作为火车的推进机构n ，种建议 是将初级放在轨道上，另一种建议是将初级放在车辆底部。这些建议无疑是给 当时直线电机研究领域的科研人员的一剂兴奋剂，以致许多国家的科研人员都 投入了这些研究工作。不过，在当时，其机车所需要的速度、加速度和可靠性 等方面由非直线电机来推进己经足够满足，而利用直线电机来推进的话，在其 经济性、可靠性等方面尚没有竞争力，但是，直线电机在该领域的应用课题却 一直深深地吸引着科研人员的浓厚兴趣。近十年来，高于火车速度几倍的直线 一6 一 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 电机驱动的高速试验列车终于在日、德、法、英、美等国建立起了试验和试运 行线路，获得了实验性的应用和成功。我国也在这方面做了一些尝试性的工 作。 1 9 1 7 年出现了第一台圆筒形直线电动机n 羽，事实上那是一种具有换接初级 线圈的直流磁阻电机，人们试图把它作为导弹发射装置，但其发展并没有超出 模型阶段。1 9 2 3 年，有人提出用扁平感应直线电动机去驱动一种连续运行的站 台系统n 3 1 ，打算把它敷设在街道上，当时建设了试验轨道，然而没获得成功。 从1 8 4 0 年到1 9 3 0 年，这一时期的直线电机研究就像正处于孕育阶段。这 个阶段，虽然人们有好多的设想，从理论上也做了很多探讨，但由于没有从实 验上去论证这一理论，以至于有不少直线电机方面的机理尚没有真正搞清楚， 许多好的设想却没能付诸实现。鉴于这些情况，它迫使各国的科研人员暂时放 下了理论，埋头致力于将直线电机理论及各种设想模型予以证实的工作，即实 验研究工作。 从1 9 3 0 年到1 9 4 0 年，直线电机进入了实验研究阶段。在这个阶段，科研 人员获得了大量的实验数据，从而对己有理论有了更深一层的认识，奠定了直 线电机在今后的应用基础。 从1 9 4 0 年到1 9 5 5 年，世界一些发达国家的科研人员，在实验的基础上， 又进行了一些实验应用工作。1 9 4 5 年美国西屋电气公司首先研制成功的电力牵 引飞机弹射器u 引，它以7 4 0 0k w 的直线电机为动力，成功地用4 1 s 时间将一架 重4 5 3 5k g 的喷气式飞机在1 6 5m 行程内由静止加速到1 8 8k m h 的速度。它的 试验成功，使直线电动机可靠性好等优点受到了应有的重视。随后，美国利用 直线电机制成的、用作抽汲钾、钠等液态金属的电磁泵，满足了核动力工作的 需要。1 9 5 4 年，英国皇家飞机制造公司利用双边扁平形直线电机制成了发射导 弹的装置，其速度可达1 6 0 0k m h n 钔。在这个阶段中，尤需值得一提的是，直 线电机作为高速列车的驱动装置得到了各国的高度重视并计划予以实施。 1 8 4 0 年至1 9 5 5 年是直线电机探索实验和部分实验应用时代。直线电机与 旋转电机在相互竞争中，由于直线电机的成本和效率方面没有能够战胜旋转电 机，或者说，直线电机还没能找到唯独它能解决问题的领域，以及直线电机在 设计方面也没有突破性的成功，所以，直线电机在这一时代始终未能得到真正 的应用。 1 3 2 工业应用时代 自1 9 5 5 年以来，直线电机进入了全面的开发阶段。这个时期，它可以说 一7 一 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 是直线电机的“文艺复兴时期 。特别是该时期的控制技术和材料的惊人发 展，更加助长了这种势头。在这段时期中，直线电机专利的增长率超过了所有 其它技术领域的平均增一长率。这种增长，一方面固然是控制技术和材料促进 了这种势头；另一方面，在此之前的理论探讨和实验研究工作作为多年的技术 贮备起到了重要作用。例如，电磁铁型、动圈型等直线电机的成功给开发应用 提供了有利的条件。此外，在这期间需值得一提的是，以英国莱斯韦特饵 l a i t h w a i t e ) 教授为首的一些专家在强调直线电动机基础研究的情况下，取得了 不少研究成果。1 9 5 6 年莱斯韦特开始公开发表直线电机理论分析的文章；1 9 6 6 年莱斯韦特出版了比较系统地介绍直线电机的专著i n d u c t i o nm a c h i n e sf o r s p e c i a lp u r p o s e s ) ) ，对直线电机领域起到了一个推动作用，这也使直线电机再 一次受到了各国的重视。在此期间，另一类不用外部转换装置而能产生振荡运 动的直线振荡电机也产生了。1 9 6 2 年w e s t 和j a y a w a n t 设计了作为铁磁谐振器 的单相直线电动机。 到1 9 6 5 年以后，随着控制技术和材料性能的显著提高，应用直线电机的 实用设备被逐步开发出来。例如，采用直线电机的自动绘图仪、磁头定位驱动 装置、电唱机、缝纫机、空气压缩机、输送装置等。 1 3 3 实用商品时代 从1 9 7 1 年开始到目前，直线电机终于进入了独立的应用时代。在这个时 代，各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实用价值的装置 和产品，例如，直线电机驱动的钢管输送机、运煤机、起重机、空压机、冲压 机、拉伸机、各种电动门、电动窗、电动编织机等等。特别可喜的是利用直线 电机驱动的磁悬浮列车，其速度己经超过5 0 0k m h ，接近了航空器的飞行速 度，且运行行程已达数十万公里n 引。 在这个时期，直线电机领域的研究人员通过对直线电机在历史发展中多次 起落的分析，终于选择了一条适合直线电机自身发展的独特思路，它不再与旋 转电机直接对抗，不以单机的形式与旋转电机竞争，而以直线电机系统与旋转 电机系统相比，从而找到适合于自己的位置。例如，直线电机应用于磁悬浮列 车，液态金属的输送和搅拌，电子缝纫机和磁头定位装置，直线电机冲压机等 等。直线电机走自己的道路，在满足人类需求的过程中求得自身的发展。 随着直线电机的迅速发展，国外也越来越重视直线电机人才的培养，在德 国、法国、英国甚至瑞士、瑞典的大学里，都设有直线电机专业课，直线电机 研究室。目前，在世界上一些发达国家，许多人和不少著名电气企业均在研究 一8 一 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 和开发直线电机产品，例如美国的西屋( w e s t i n g - h o u s e ) 公司、德国的西门子 ( s i e m e n s ) 公司，还有英国、法国、瑞典。特别是日本，其从事此项的研究人 员之多和范围之广是世界首屈一指的。 1 3 4 中国直线电机的研制历史与发展 我国直线电机的研究和应用发展是从上世纪7 0 年代初开始的。1 9 7 2 年， 浙江大学在国内首先翻译了一本直线感应电动机译文集，后由科学出版社 出版发行，这是在国内惟一见到的有关直线电机的中文出版书籍“刀。国内开展 直线电机应用研究的单位主要有：中国科学院电工研究所、西安交通大学、浙 江大学、上海大学、太原工业大学、焦作矿业大学等。主要成果有：直线电机 驱动遥控( 电动) 窗帘机、直线电机驱动门、炒茶机、工厂行车、电磁锤、冲压 机、摩擦压力机、磁分选机、玻璃搅拌、拉伸机、送料机、粒子加速器、邮政 分拣机、矿山运输机系统以及计算机磁盘定位系统、自动绘图仪等。我国直线 电机研究虽然也己经取得了一些成绩，但与国外相比，其推广应用方面尚存在 很大差距。目前，国内不少研究单位己越来越注意到这点。就浙江大学来说， 己专门成立了全国首家直线电机研究所，并已经取得了很多成果，其中不少己 在社会上推广应用，取得了可喜的经济效益和社会效益。 国内外直线电机在近几年的发展趋势主要表现在以下几个方面： 、 ( 1 ) 在各种输送系统中的应用，例如前面所述的各种物流输送。 ( 2 ) 各种机床加工业中的应用和开发，这几年特别是欧洲和日本，有一股 “直线电机热”。国内这方面的研究也越来越多。 ( 3 ) 各种微特直线电机的应用与开发，例如在自动化、信息业以及微系统中 尤为明显。 直线电机技术的发展，经历了不短的历史和几起几落的波浪式发展，采用 直线电机驱动的新型装置与非直线电机驱动相比，它所具有的结构简单、无接 触、无磨损、噪声低、速度快、精度高、组合灵活等优点是明显的，但由于直 线电机本身所具有的磁路开断所引起的边端效应及安装气隙较大等问题，故在 一些直线运动的装置或系统中，是否采用新型的直线电机来驱动，要权衡利弊 得失，选择能充分发挥直线电机自身优势的直线运动装置或系统中发展应用。 在科学技术飞速发展的今天，在一些旋转电机或其它驱动装置无能为力或勉强 应付的地方，寻找直线电机能充分发挥优势的位置，在满足人类需求和完善人 类美好愿望的进程中求得自身的发展，前景是广阔的，但选择是要谨慎的n 引。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 4 本课题研究的意义及目标 我国油田大多数进入中后期开发阶段，随着原油含水率的不断上升，油层 压力和油井动液面的逐渐下降，为了保持原油稳产，必须增加采液量，采油成 本也相应提高。要求采油设备不仅能满足“深抽、大排量”提液的工艺要求， 而且能耗低、可靠性高，即需要选用高效节能的抽油机。然而，油田大量在用 的抽油机的主流品种仍然是常规抽油机和偏置抽油机，这些数以万计的游梁式 抽油机完成了我国8 0 以上的采油量，但它们由于结构原因，冲程长度往往较 小，难以满足某些生产要求，如果将这些抽油机进行改造，将会给油田带来可 观的经济效益。 根据有关部门的统计，我国每年将新增机械采油井5 0 0 0 - 1 0 0 0 0 口，加上 老油井的更新，采油装置有着巨大的用量，而目前的采油系统，效率较低。提 高装置与系统的效率和可靠性，是进行采油系统研究的关键。前面提到的直线 电机抽油机大部分是地上的型式，潜油式的直线电机抽油机还是比较少见的， 是一种新型的节能抽油机。 直线电机驱动潜油式抽油机将电能直接转换为直线往复运动的机械能，不 但简化了机械传动过程，也有效地提高了效率，经测试节能可达5 4 ，而且加 大冲程时整机外形尺寸和重量都增加得很少，特别是抽汲参数可无级调整，为 实现自动控制及满足采油工艺要求提供了条件，是一种很有发展前途的新型抽 油机。为此，本文选择它进行研究。 本文研究的抽油系统有如下特点： ( 1 ) 适用于长冲程。直线电机采油装置由于不使用四连杆机构，克服了游梁 式抽油机加大冲程时减速箱扭矩增加的缺点，因此，较容易实现长冲程。 ( 2 ) 动载小，运行平稳。此系统在每个冲程中9 0 时间都是匀速运动，不像 游梁式抽油机运动速度有极大值，所以在平均速度相等的情况下，匀速运动抽 油机的运动速度最大值要小的多，因此加速度也小的多。 ( 3 ) 传动效率高。此抽油系统通过直线电机直接转换为抽油杆的直线往复运 动，减少了机械转换环节，提高了传动效率，节能效果非常明显。 ( 4 ) 可自动控制，实现抽油系统智能化：虽然该系统采用变频技术，但因没 有复杂的设备，总成本不会比常规抽油系统高。种程采用无触点限位控制器， 实现抽汲参数无级可调，为就地自动控制提供条件。另外，可自动控制抽空， 随时监测示功图充满程度，当充满程度低于设定数值时，则自动降低冲次，确 保泵的充满程度，减轻设备的磨损和进一步节能。 哈尔滨理下大学工学硕士学位论文 ( 5 ) 避免其它有杆抽油系统软连接寿命短的问题。 ( 6 ) 适应范围广，操作维修方便，安全保护功能齐全。 可见，进行该系统的研究、开发具有重要的意义和良好的推广前景。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章直线电机驱动的基本原理 2 1 直线驱动装置与直线系统概述 直线运动与旋转运动是世界上最主要的两种运动方式。目前，许许多多的 直线运动往往都是通过旋转运动转换而成的。例如，火车的直线运动是通过蒸 汽机带动轮子的转换，空中飞机的直线运动通过发动机转动螺旋桨进行转换， 海上的轮船、陆上的汽车都是如此。许多直线驱动装置或系统都是采用旋转电 动机通过中间转换装置，如链条、钢丝绳、皮带、齿条或丝杠等机构转换为直 线运动。由于这些装置或系统有中间转换传动机构，所以整机存在着体积大、 效率低、精度差等问题。随着直线电机技术的出现和不断完善，用直线电机驱 动一些直线运动装置和系统，可以不需要中间转换机构，通电后直接产生直线 驱动力，从而使整个装置或系统的结构显得非常简单，运行可靠，性能更好， 控制更方便。在许多场合，其装置和系统的成本比原来的机构更低，且在运行 中有节能效果。 利用直线电机驱动的装置或系统是一种新型的直线驱动装置与系统。目前 在世界上，这种新型的直线驱动装置与系统得到越来越广泛的应用n 引，例如在 交通运输方面的磁悬浮列车，磁浮船，地铁车，公路高速车；在物流输送方面 的各种流水生产线，各种推挂输送线，各种邮政分拣线：港口、车站、机场的 各种搬运线，物料输送系统等等。在工业上，各种锻压设备的驱动部分，如冲 压机、压力机、电磁锤等：金属加工设备中的车床进刀机构，插床、送料机 构、工作台运动等：在纺织机械、冶金机械以及电工设备方面的部分、空压 机，包括未来的电梯( 现在已有少量生产) 等；在信息与自动化方面，从计算机 的磁盘读取到绘图仪、扫描仪、复印机、照相机等。此外，在民用和军事方面 亦有许多应用，如民用自动门、自动窗帘机、洗衣机、自动床、电子缝纫机、 制茶机以及军用导弹、电磁炮、鱼雷、潜艇等装置。直线电机驱动装置在天 文、医疗许多领域亦有不少应用。 采用直线电机驱动的新型直线驱动装置与系统和其它非直线电机驱动的装 置与系统相比，具有如下一些优点啪1 ： ( 1 ) 采用直线电机驱动的传动装置，不需要任何传动装置而直接产生推力， 因此，它可以省去中间转换机构，简化了整个装置或系统，保证了运行的可靠 性，提高传递效率，降低制造成本，易于维护。据国外资料报道，曾经有台直 线电机驱动的洗衣机，每天2 4 小时连续不停地工作了7 年，而没有作任何的 哈尔滨理t 大学1 = 学硕士学位论文 维修。 ( 2 ) 普通旋转电机由于受到离心力的作用，其圆周速度受到限制，而直线电 机运行时，它的零部件和传动装置不像旋转电机那样会受到离心力的作用，因 而它的直线速度可以不受限制。 ( 3 ) 直线电机是通过电能直接产生直线电磁推力的，它在驱动装置当中，其 运动时可以无机械接触，使传动零部件无磨损，从而大大减少机械损耗，例如 直线电机驱动的磁悬浮列车就是如此。 ( 4 ) 旋转电机通过钢绳、齿条、皮带等转换机构将旋转运动转换成直线运 动，这些转换机构在运行中，其噪声是不可避免的，而直线电机是靠电磁推力 驱动装置运行的，故整个装置或系统噪声很小或无噪声，运行环境好。 ( 5 ) 由于直线电机结构简单，且它的初级铁心在嵌线后可以用环氧树脂等密 封成整体，所以可以在一些特殊场合中应用，例如可在潮湿甚至水中使用；可 以在腐蚀性气体或有毒、有害气体中应用，亦可在几千度的高温下或几百度的 低温下使用。 ( 6 ) 由于直线电机结构简单，直线电机的散热效果也较好，特别是常用的扁 平形短初级直线电机，初级的铁心和绕线端部，直接暴露在空气中，同时次级 很长，具有很大的散热面，热量很容易散发掉，所以这一类直线电机的热负荷 可以取得较高，并且不需要附加冷却装置。 直线电机驱动的新型直线驱动装置与系统从总体上来说，应优于通过旋转 变换的直线驱动装置与系统。但是，由于驱动用直线电机本身磁路开断所具有 的特点，在一些场合的使用中，由于其功率因数和效率与同容量旋转电机相比 要低，故在一些直线运动的装置或系统中，是否采用新型的直线驱动装置或系 统，要权衡利弊得失幢。总之，新型的直线驱动装置与系统在一些合适的场合 上具有很大的优势，有广阔的应用前途。 2 2 直线电机的基本结构 直线电机主要是直线电动机，它是一种将电能直接转换成直线运动机械 能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它是2 0 世纪下半叶电工领域中 具有新原理、新理论的新技术，如图2 一l 所示。它所具有的特殊优势，己越来 越引起人们的重视，不久的将来，它将像微电子技术和计算机技术一样，在人 类的各个领域中得到广泛的应用t z 2 。 直线电机的结构可以根据需要制成扁平形、圆筒形或盘形等各种形式，它 可以采用交流电源，直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作。 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 图2 - 12 0 世纪下半叶电工新技术的发展概况 f i g 2 - 1d e v e l o p m e n to f n e we l e c t r o t e c l m i c si nt h el a t e rh a l f o f 2 0 s t 直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可以看作是将一 台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线，如图2 - 2 所示。这样就 得到了由旋转电机演变而来的最原始的直线电机。由定子演变而来的一侧称为 初级或原边，由转子演变而来的一侧称为次级或副边乜引。 黼产气 i o l 、 ) c | 困l 5 。a0 0 o00 0 0 o0d d 糙缀 o 圄塌笼型嘲獭 图2 - 2 由旋转电机演变直线电机过程 f i g 2 - 2e v o l u t i o np r o c e s so f r o t a r ym o t o rt ol i n e a rm o t o r 图2 2 中演变而来的直线电机，其初级和次级的长度是相等的，由于在运 行时初级和次级之间要作相对运动，如果在运动开始时，初级和次级正好对 齐，那么在运动中，初级和次级之间相互耦合的部分越来越少，而不能正常运 动。为了保证在所需的行程范围内，初级和次级之间的耦合能保持不变，因此 实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度。在直线电机制造时，既可以是 初级短、次级长，也可以是初级长、次级短，前者称作短初级长次级，后者称 为长初级短次级。但是由于短初级在制造成本上、运行的费用上均比长初级低 得多，因此，目前除特殊场合外，一般均采用短初级，如图2 - 3 所示。 图2 - 3 图所示的直线电机仅在一边安放初级，对于这样的结构形式称为单 边型直线电机。这种结构的直线电机，一个最大的特点是在初级和次级之间存 在着一个很大的法向吸力。一般这个法向吸力，在钢次级时为推力的1 0 倍左 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 a ) 短初级直线电机 匕= = j 次级 图2 - 3 单边型直线电机 f i g 2 - 3s i n g l e - s i d e dl i n e a rm o t o r 右，在大多数场合下，这种法向吸力是不希望存在的，如果在次级的两边都装 上初级，那么这个法向吸力可以相互抵消，这种结构形式称为双边型，如图2 4 所示。 a ) 双边短次级直线电机 级 初级 次级 b ) 双边短初级直线电机 图2 - 4 双边型直线电机 f i g 2