直线电机井下驱动采油装置设计毕业设计.doc

直线电机井下驱动采油装置设计毕业设计目 录第1章 前 言111 国内外无游梁式抽油机的发展现状112 主要的无游梁式抽油机6121 链条抽油机6122 液压抽油机8123 直线电机抽油机813 直线电机的应用及发展概况10131 探索实验时代10132 工业应用时代13133 实用商品时代14134 中国直线电机的研制历史与发展15第2章 直线电机驱动的基本原理1921 直线驱动装置与直线系统概述1922 直线电机的基本结构2223 直线电机的基本工作原理2624 直线电机作为井下动力系统的优势2825 潜油式直线电机抽油机的原理2926 本章小结31第3章直线电机的设计3231 直线电机的设计32311 井下电机的特殊性32312 潜油电机时同步与异步电机的比较33313 直线感应电机34314 直线同步电机35315 直线直流电机36316 圆筒型永磁直线同步电机3732 永磁材料主要性能参数39321 稀土永磁直线电机的特点42322 稀土永磁在直线电机中的应用43334 参数计算58335 性能计算61结 论69参 考 文 献71致 谢76第1章 前 言11 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。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 （1-1） (1-2)式中：A为皮带面积，;为皮带包角，rad;为皮带纵向弯曲弹性模量，MPa；为皮带拉伸弹性模量，Mpa;F为皮带拉力，N；I为皮带截面惯性矩，;n为转速，rmin；为皮带绕轮弯曲损失功率，kW；为皮带弹性滑动损失功率，kW;r为皮带轮半径，mm;v为皮带轮转速，m/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70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83提高到94。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85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30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70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。上个世纪80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90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。2001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，2001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35，甚至可达50，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。2003年12月16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20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160 kN(还可加大)，电机推力可达到15-30 kN(预计可达60 kN)。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、稠油、抽空控制等油井使用，是一种值得重视的新型抽油机。12 主要的无游梁式抽油机121 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;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)90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13-12； (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；(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。122 液压抽油机液压抽油机的研制，美、苏等国始于上个世纪40年代，上世纪50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90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。123 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。13 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1840年，惠斯登(Wheatstone)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160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。131 探索实验时代从1840年到1955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， 1890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。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。1995年美国宣布电磁炮试制成功。1905年，曾有两人分别建议将直线电机作为火车的推进机构，一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。1917年出现了第一台圆筒形直线电动机，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。1923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，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1840年到1930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1930年到1940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1940年到1955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。1945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，它以7400 kW的直线电机为动力，成功地用41s时间将一架重4535 kg的喷气式飞机在165 m行程内由静止加速到188 kmh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。1954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1600 kmh。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。1840年至1955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。132 工业应用时代自1955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(Laithwaite)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。1956年莱斯韦特开始公开发表直线电机理论分析的文章；1966 年莱斯韦特出版了比较系统地介绍直线电机的专著，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。1962年West和Jayawant设计了作为铁磁谐振器的单相直线电动机。到1965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。133 实用商品时代从1971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500 kmh，接近了航空器的飞行速度，且运行行程已达数十万公里。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和开发直线电机产品，例如美国的西屋(Westing-house)公司、德国的西门子(SIEMENS)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。134 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70年代初开始的。1972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。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。14 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80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5000-10000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54，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90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。(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。第2章 直线电机驱动的基本原理21 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，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：(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24小时连续不停地工作了7年，而没有作任何的维修。(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。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。22 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20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。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。 图2-1 20世纪下半叶电工新技术的发展概况Fig2-1 Development ofnew electroteclmics in the later halfof20st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。图2-2由旋转电机演变直线电机过程Fig2-2 Evolution process ofrotary motor tO linear motOr图22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单边型直线电机Fig2-3 Single-sided linear motor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10倍左 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。 图2-4双边型直线电机Fig2-4 Doublesided linear motor上述直线电机称为扁平形直线电机，是目前应用最广泛的。除了上述扁平形的直线电机结构形式外，直线电机还可以做成圆筒形(也称管形)结构，它也可以看作是由旋转电机演变过来的，其演变过程如图2-5所示。图2-5a)表示一台旋转式电机以及定子绕组所构成的磁场极性分布情况： 图2-5b)表示转变为扁平形直线电机后，初级绕组所构成的磁场极性分布情况；将扁平形直线电机以直线运动相为轴线卷接成筒形，这样就构成图25c) 所示的圆筒型直线电机。此外，直线电机还有弧形和盘形结构。所谓弧形结构，就是将平板型直线电机的初级沿运动方向改成弧形，并安放于圆柱形次级的柱面外侧，如图2-6所示。盘形直线电机把次级做成一片圆盘(铜或铝，或铜、铝与铁复合)，将初级放在次级圆盘靠近外缘的平面上，盘形直线电机的初级可以是双面的，也可以是单面的。弧形和盘形直线电机的运动实际上是一个圆周运动，如图中的箭头所示，然而由于它们的运行原理和设计方法与扁平形直线电机结构相似，故仍归入直线电机的范畴。 图2-5旋转电机演变成圆筒直线电机的过程Fig2-5 Evolution process ofrotary motor to tubular linear motor 图2-6弧形直线电机Fig2-6 Arched linear motor23 直线电机的基本工作原理直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的，而且其工作原理也与旋转电机相似。但是值得注意的是，初级的长度是有限的，它有一个始端和一个终端。这两个端部的存在，引起了端部效应(边缘效应)，这种现象只在直线电机里才有，而在常规的旋转电机里根本不存在，端部效应的大小取决于直线电机的速度(这只是其中的一个因素)，这种速度依赖关系，在相应的旋转电机里是没有的。通常，我们评价一台旋转电机，只满足于它有高效率和高功率因素，当然还有别的依据来衡量这类电机。然而，由于有端部效应，不能再以同样方式把这些指标用来衡量直线电机了。这使得直线电机的设计规范要做些改变。直线电机是一种利用电能产生直线运动的电机，它可以直接驱动机械负载作直线运动。其最大优点是取消了从电机到工作驴头之间的一切中间环节，把工作驴头上下运动传动链的长度缩短为零，即“零传动或“直接传动。 1-电机初级；2一电机次级；3一行波磁场图2-7直线电机的基本工作原理Fig27 Basic principles of linear motor上图中所示的直线电机，其三相绕组中通入三相对称正弦电流后，会产生气隙磁场。当不考虑纵向边端效应时，这个气隙磁场的分布情况与旋转电机相似，当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A，B，C相序沿直线移动。这个磁场是平移的，而不是旋转的，因此被称为行波磁场。行波磁场的移动速度与旋转磁场定子内圆表面上的线速度是一样的，即为同步速度Vs，且 （2-1）式中：f为电流频率，Hz：为极距，m；为同步速度，ms。假定次级为栅形次级，图2-7中仅画出其中的一根导条。次级在行波磁场切割下，将感应电动势并产生电流。所有导条的电流和气隙磁场相互作用便产生电磁推力，在其作用下，如果初级固定不动，那么次级将顺着行波磁场运动的方向作直线运动。若次级移动速度用v表示，转差率用S表示，则有: (2-2)在电动机运行状态下，s在0和l之间。应该指出直线电机的次级大多采用金属板或复合金属板，因此并不存在明显的导条。我们知道，旋转电机通过对换任意两相的电源线，可实现反向旋转。同样，直线电机对换任意两相电源后，运动也会反过来，这样可使直线电机往复运动位引。下表是直线电机与旋转电机参数的比较。24 直线电机作为井下动力系统的优势与旋转电机相比，直线电机是一种利用电能产生直线运动的电机，它可以直接驱动机械负载作直线运动。其最大优点是取消了从电机到工作驴头之间的中间环节，把驴头上下运动传动链的长度缩短为零，即零传动或直接传动。(1)直线电机可将电能直接转换成举升原油的动力，中间转换环节少，而游梁式抽油机则须通过皮带、连杆机构、减速箱及游梁等转换环节，因而具有较少的能耗和较高的系统效率。(2)直线电机作为井下泵动力系统，易进行机泵一体化设计，可简化井下工具结构，降低施工难度。(3)由于去掉了抽油杆，可彻底解决杆管摩擦及油管偏磨问题，使油管寿命大大增加。并且由于消除了杆管摩擦及油管偏磨造成的系统失效问题，检泵周期也将增加。(4)由直线电机构成的采油系统易于控制，可以随油井的实际情况动态调节泵的冲程、冲次，使整个系统处于一个协调的开采状态，更加充分地利用地层的能量，提高原油采收率。 (5)采用直线电机和泵的一体化设计，可以更加方便地实施油层分采工艺，达到一层一泵精确分采的目的。(6)可以充分利用电机运转过程中产生的热量来提高原油的温度，有效地防止原油中蜡的析出。我们可以选用圆筒型直线电机来驱动泵柱塞，圆筒型直线电机具有体积小、易于进行机泵一体化设计的优点，并且由于其外型是圆柱形，适合在油井中起下。因此，采用圆筒型直线电机作为井下动力系统是最佳选择。25 潜油式直线电机抽油机的原理潜油直线电机抽油机有结构简单、节能效果好、系统效率高、满足采油工艺自动控制的要求和适应恶劣工作环境等特点，特别适合深井、稠油等油井使用，为重型抽油机的制造开辟了新途径，是一种值得重视的新型抽油机。潜油直线电机抽油泵改变了传统抽油机的运动机理，直接利用直线电机的直线往复运动带动抽油杆上下运动，从而达到举升油井内液体的目的。该抽油机具有全新的工作原理和在控制方面采用多项高新技术，使得直线电机抽油机具有更加完善的运动性能、动力性能和平衡性能。该机改变了过去抽油机由旋转运动转变为直线运动的方法，由电能直接转化为直线往复运动。与相同规格的常规抽油机相比，其质量和占地面积都小得多，特别是该抽油机系统效率高，上下冲程速度可以单独无级调整。潜油直线电机抽油泵的原理如下图所示，把直线电机与柱塞式抽油泵结合为一体，直线电机的动子可以直接或通过接杆与抽油泵的柱塞相接，驱动推杆上下运动，从而带动抽油泵的柱塞在泵筒内上下运动，完成抽吸。 图2-8柱塞往复式潜油采油原理Fig2-8 Principles of plunger reciprocating submersible直线电机抽油机将电能直接转换为往复直线运动，减少了机械转换环节， 提高了传动效率，加上采用天平式平衡和运动规律的改善，节能效果非常明显，同时由于运转平稳也可以延长设备使用寿命。26 本章小结本章阐述了直线电机的结构、类型以及它的基本工作原理，并结合直线电机的特点，介绍了潜油式直线电机抽油机的运行原理和特点，潜油直线电机抽油机有结构简单、节能效果好、系统效率高、满足采油工艺自动控制的要求和适应恶劣工作环境等特点，具有很好的发展前景。由此得出结论，潜油直线电机抽油泵在技术上是可行的，它可以有效地解决有杆泵举升方式存在管杆偏磨严重、系统效率低、能耗高的问题，有效地解决低产直井、斜井的举升工艺的问题，为油田降投资、节成本、增效益提供了一条途径。同时也是对目前抽油机采油举升方式的一场革命，具有广阔的推广前景。可以相信，随着该技术的不断发展完善及成本的不断降低，潜油直线电机抽油泵必将替代抽油机有杆泵的采油方式，成为今后采油举升技术发展的主流。本章内容为下面电机的设计提供了理论依据。第3章直线电机的设计31 直线电机的设计311 井下电机的特殊性从适应井下严酷的环境条件及生产的实际需要出发，井下特殊电机的选型、结构、材料、工艺、配套等都有独特之处： (1)细长型结构。用在井下的电机外径要受井径限制，因此电机呈细长型， 其长度对外径之比高达20-50，甚至更大。(2)严酷的环境条件。井下电机通常潜浸在上千米以下深井的井液中，除大量的水、卤水、油、泥砂、石蜡等以外，往往还有大量的硫化氢、天然气类腐蚀性物质，有的电机还会经常遇到强烈的机械震动和冲击、高速流体的冲刷。另一个令人关注的问题是井下的环境温度，深井的实际温度可高达80-100。(3)可靠的密封装置。潜浸式电机大都采用机械密封装置，以保证电机正常的绝缘性能。某些井下特殊电机，在泵与电机之间装置液体保护器，用以平衡电机内外压力、防止外界介质泄入电机内部。(4)成套性。井下特殊电机与专用的工作机械组合，除了要求电机的结构和性能满足专业生产的工艺要求外，还要求配备专用的变压器、电缆以及电控、保护、监测装置与之配套，完善的配套设备对井下电机可靠的运行极为重要。(5)可靠性被置于一切技术经济指标的首位。由于井下电机工作于操作人员不能直接接触的严酷环境之中，而且又多是用于生产流程的重要环节，因此其长期安全运行有突出的意义。电机连续运行直至必需的停机检修的期间长短，是机组的结构、性能、材料、加工、操作、维护诸因素的综合体现。选择合适的电机具有突出的意义， 下面我们就常用的几种电机的性能进行比较，找出用于井下抽油效率较高、控制较简单的电机。312 潜油电机时同步与异步电机的比较1性能的比较(1)功率因数可以是超前的。同步潜油电动机转子永磁体结构，决定了其功率因数可以超前，因此，同步电动机有利于改善电网的功率因数。(2)转速不随负载而变化，运行稳定性高。在运行过程中，只要电源频率一定，同步电动机的转速不随负载的大小而改变。因而其过载能力比相应的异步电动机大。(3)运行效率高。异步电动机的功率因数较低，效率也较低，而同步电动机则效率较高。(4)同步电动机的体积和重量比同容量、同极数的异步电动机小。(5)自启动性能差。一般永磁同步电动机均不能自起动，需采用变频电源低频起动，逐步提高电源频率，直至达到电网额定频率，电动机实现同步转速。2技术指标对比 利用一台12 kW的异步潜油电动机，重新设计永磁转子后，组装完成一台永磁同步电动机。样机试验后，与相同规格的异步电动机分析对比，主要指标如表3-1所示。 表3-1技术指标对比Table 3-1 Technical specification comparative analysis通过对四台同步潜油电动机样机的空载、负载及高温负载测试，其各项参数稳定。实测电动机效率在84.8一88.8之间，功率因数在O.89一O.94之间。与异步潜油电动机相比，以上指标证明了其技术性能的优越性。313 直线感应电机直线感应电动机由于结构简单、成本低和所驱动的机械装置的配合性强， 故而得到了广泛的应用。但直线感应电动机最大的缺点是效率和功率因数低。目前，圆筒型直线感应电动机广泛应用在往复运动的机构中。直线感应电机作为线性驱动装置，具有以下特点： (1)通过电能直接产生电磁推力形成直线运动，不需要从旋转运动到直线运动的机械结构转换； (2)速度不受离心力或电机直径的影响： (3)直线电机的特殊结构决定了其散热能力好，但相对传统旋转电机也有许