【正文】 大學(xué)與青海某公司開展合作，共同研發(fā)出性能和功能較為齊全的直線電機驅(qū)動抽油機，大慶采油九廠在此領(lǐng)域也有成果，已有產(chǎn)品在井上使用。其優(yōu)點是： (1)90％的沖程長度是勻速運動，只有換向期間才有短時間的加速度，因而動載比較?。?(2)總機重量小，為常規(guī)游梁抽油機的1／31／2； (3)結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小； (4)特別適合作為長沖程抽油機，加大沖程只需要加大塔架高度。平衡箱和電機動子在一起，抽油桿用扁鋼絲繩直接與電機動子連接，通過頂部轉(zhuǎn)向輪之后，構(gòu)成天平式平衡。1995年美國宣布電磁炮試制成功。隨后，美國利用直線電機制成的、用作抽汲鉀、鈉等液態(tài)金屬的電磁泵，滿足了核動力工作的需要。到1965年以后，隨著控制技術(shù)和材料性能的顯著提高，應(yīng)用直線電機的實用設(shè)備被逐步開發(fā)出來。主要成果有：直線電機驅(qū)動遙控(電動)窗簾機、直線電機驅(qū)動門、炒茶機、工廠行車、電磁錘、沖壓機、摩擦壓力機、磁分選機、玻璃攪拌、拉伸機、送料機、粒子加速器、郵政分揀機、礦山運輸機系統(tǒng)以及計算機磁盤定位系統(tǒng)、自動繪圖儀等。前面提到的直線電機抽油機大部分是地上的型式，潛油式的直線電機抽油機還是比較少見的， 是一種新型的節(jié)能抽油機。2．1 直線驅(qū)動裝置與直線系統(tǒng)概述直線運動與旋轉(zhuǎn)運動是世界上最主要的兩種運動方式。(4)旋轉(zhuǎn)電機通過鋼繩、齒條、皮帶等轉(zhuǎn)換機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動，這些轉(zhuǎn)換機構(gòu)在運行中，其噪聲是不可避免的，而直線電機是靠電磁推力驅(qū)動裝置運行的，故整個裝置或系統(tǒng)噪聲很小或無噪聲，運行環(huán)境好。在直線電機制造時，既可以是初級短、次級長，也可以是初級長、次級短，前者稱作短初級長次級，后者稱為長初級短次級。通常，我們評價一臺旋轉(zhuǎn)電機，只滿足于它有高效率和高功率因素，當(dāng)然還有別的依據(jù)來衡量這類電機。下表是直線電機與旋轉(zhuǎn)電機參數(shù)的比較。該抽油機具有全新的工作原理和在控制方面采用多項高新技術(shù)，使得直線電機抽油機具有更加完善的運動性能、動力性能和平衡性能。井下電機通常潛浸在上千米以下深井的井液中，除大量的水、鹵水、油、泥砂、石蠟等以外，往往還有大量的硫化氫、天然氣類腐蝕性物質(zhì)，有的電機還會經(jīng)常遇到強烈的機械震動和沖擊、高速流體的沖刷。因而其過載能力比相應(yīng)的異步電動機大。167。伴隨著永磁材料性能的不斷提高和應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，電動機領(lǐng)域也發(fā)生了巨大的變化。3．與燒結(jié)鈷基永磁體相似，其退磁曲線呈線性，回復(fù)線與退磁曲線相一致。圖中2為稀土永磁材料的曲線；4為鋁鎳鈷永磁材料的曲線；5為鐵氧體永磁材料的曲線。“直線電機驅(qū)動的提升系統(tǒng)”完全不同于傳統(tǒng)的提升模式，有許多重大的優(yōu)點?，F(xiàn)代永磁電動機一般都采用鐵氧體或稀土永磁材料，它們的退磁曲線在正常工作段具有很好的線性，其最大磁能積處磁通密度為 Bd = Br / 2 (31) 167。動子外徑過小，則發(fā)生舉升力不足、機械強度及剛度不夠等問題，本設(shè)計中，動子外徑取定子外徑的41％。由永磁材料和導(dǎo)磁材料構(gòu)成，每節(jié)永磁體軸向長度為1cm，每節(jié)導(dǎo)磁材料長度為2cm。2．銅重 (340) 3．槽漏磁導(dǎo)系數(shù) (341) 4．齒端漏磁導(dǎo)系數(shù) (342) 5．諧波漏磁導(dǎo)系數(shù)： (343) 6．初級繞組漏抗 (344)7．空載反電勢 (345) 8．直軸電流假定值 (346) 9．直軸電樞反應(yīng)電動勢 (347) lO．中間數(shù)據(jù) (348) (349) (350) 。3．3．4 參數(shù)計算永磁直線同步電動機可以用一等效電路表示，等效電路中各元件參數(shù)就是主要的電磁參數(shù)，通過等效電路，還可以計算分析電機的穩(wěn)態(tài)性能。12．初級軛高 (36) 13．繞組型式：單層餅式繞組14．每槽導(dǎo)體根數(shù)：z=28根15．每相串聯(lián)匝數(shù)：16．初級繞組線徑及并繞根數(shù)：d= cm；= cm；=1。1．定子外徑：定子的外徑由井下的使用條件所決定，井下抽油管的直徑為12 cm，周邊留出一定的余量， cm。資源優(yōu)勢與先進技術(shù)相結(jié)合，必將促進我國稀土永磁直線電機的發(fā)展。90年代初，國外提出了“直線電機驅(qū)動的提升系統(tǒng)”的構(gòu)思，其動力源就是采用永磁式直線同步電動機。各種永磁材料的性能比較如下表所示： 表32各永磁材料性能比較表Table 32 Performance parison of various permanent magnet釹鐵硼磁鋼還具有線性去磁曲線，其去磁曲線與回復(fù)曲線基本重合，內(nèi)稟矯頑力高，內(nèi)稟特性硬，抗去磁能力強，熱穩(wěn)定性能好。釹鐵硼永磁材料是1983年研制出來的高性能永磁材料，是稀土永磁體的第三代。3．1．6 圓筒型永磁直線同步電機圓筒型直線電機具有體積小、易于進行機泵一體化設(shè)計的優(yōu)點，并且由于其外型是圓柱形，適合在油井中起下。3．1．3 直線感應(yīng)電機直線感應(yīng)電動機由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低和所驅(qū)動的機械裝置的配合性強， 故而得到了廣泛的應(yīng)用。3．1．2 潛油電機時同步與異步電機的比較1．性能的比較(1)功率因數(shù)可以是超前的。3．1 直線電機的設(shè)計167。因此，采用圓筒型直線電機作為井下動力系統(tǒng)是最佳選擇。若次級移動速度用v表示，轉(zhuǎn)差率用S表示，則有: (22)在電動機運行狀態(tài)下，s在0和l之間。 圖25旋轉(zhuǎn)電機演變成圓筒直線電機的過程Fig．25 Evolution process ofrotary motor to tubular linear motor 圖26弧形直線電機Fig．26 Arched linear motor167。這樣就得到了由旋轉(zhuǎn)電機演變而來的最原始的直線電機。采用直線電機驅(qū)動的新型直線驅(qū)動裝置與系統(tǒng)和其它非直線電機驅(qū)動的裝置與系統(tǒng)相比，具有如下一些優(yōu)點：(1)采用直線電機驅(qū)動的傳動裝置，不需要任何傳動裝置而直接產(chǎn)生推力， 因此，它可以省去中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)，簡化了整個裝置或系統(tǒng)，保證了運行的可靠性，提高傳遞效率，降低制造成本，易于維護。(5)避免其它有桿抽油系統(tǒng)軟連接壽命短的問題。要求采油設(shè)備不僅能滿足“深抽、大排量”提液的工藝要求， 而且能耗低、可靠性高，即需要選用高效節(jié)能的抽油機。167。此外，在這期間需值得一提的是，以英國萊斯韋特餌(Laithwaite)教授為首的一些專家在強調(diào)直線電動機基礎(chǔ)研究的情況下，取得了不少研究成果。在這個階段，科研人員獲得了大量的實驗數(shù)據(jù)，從而對己有理論有了更深一層的認識，奠定了直線電機在今后的應(yīng)用基礎(chǔ)。顯然這個想法激勵了許多科學(xué)家的熱情，以至于在此以后的相當(dāng)一段時間，一些科學(xué)家為此付出了許多的努力。1．2．3 直線電機抽油機直線電機抽油機現(xiàn)階段大多數(shù)是地面形式，這種抽油機和傳統(tǒng)游梁式抽油機相比，在效率和節(jié)能方面有了很大的進步，其簡化了機械傳動過程。鏈條抽油機的主要特點是采用了軌跡鏈條的換向機構(gòu)，軌跡鏈條上有一個特殊的鏈節(jié)，其上裝有主軸銷和滑塊。實驗證實其理論及結(jié)構(gòu)設(shè)計還不完善，并存在一定的使用局限性。(3)游梁式抽油機的四連桿機構(gòu)使得驢頭懸點的運動規(guī)律類似簡諧運動，其最高速度和最低速度較勻速運動的速度差得多，所以加速度較勻速運動也大得多，造成慣性載荷大，使抽油機承受載荷過大，縮短了抽油機的使用壽命。(1)傳動效率低①皮帶傳動的功率損失。3．2．1 稀土永磁直線電機的特點 42167。1．3．3 實用商品時代 14167。1．3 直線電機的應(yīng)用及發(fā)展概況 10167。3．1．5 直線直流電機 36167。常規(guī)型游梁式抽油機更是以其結(jié)構(gòu)簡單、易損件少、堅實耐用、可靠性強、操作簡單、維修方便、維護費用低等特點，一直占據(jù)有桿采油地面設(shè)備的主導(dǎo)地位。③四連桿結(jié)構(gòu)軸承損失，鋼絲繩變形損失一般統(tǒng)計約為3％。經(jīng)國家油氣井口設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心性能檢測，2001年8月應(yīng)用于華北油田采油現(xiàn)場。1．2 主要的無游梁式抽油機167。液壓抽油機從結(jié)構(gòu)原理方面打破了游梁式抽油機將電能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動，再利用機械方法將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)直線運動的模式，利用液壓換向?qū)崿F(xiàn)直線往復(fù)運動，傳動效率高，一個沖程內(nèi)90％以上的時間均處于勻速狀態(tài)， 慣性載荷小，運動性能好。1．3．1 探索實驗時代從1840年到1955年，直線電機從設(shè)想到實驗再到部分實驗性應(yīng)用經(jīng)歷了一個不斷探索、屢遭失敗的過程。這個階段，雖然人們有好多的設(shè)想，從理論上也做了很多探討，但由于沒有從實驗上去論證這一理論，以至于有不少直線電機方面的機理尚沒有真正搞清楚，許多好的設(shè)想?yún)s沒能付諸實現(xiàn)。在這段時期中，直線電機專利的增長率超過了所有其它技術(shù)領(lǐng)域的平均增一長率。隨著直線電機的迅速發(fā)展，國外也越來越重視直線電機人才的培養(yǎng)，在德國、法國、英國甚至瑞士、瑞典的大學(xué)里，都設(shè)有直線電機專業(yè)課，直線電機研究室。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，在一些旋轉(zhuǎn)電機或其它驅(qū)動裝置無能為力或勉強應(yīng)付的地方，尋找直線電機能充分發(fā)揮優(yōu)勢的位置，在滿足人類需求和完善人類美好愿望的進程中求得自身的發(fā)展，前景是廣闊的，但選擇是要謹慎的。(4)可自動控制，實現(xiàn)抽油系統(tǒng)智能化：雖然該系統(tǒng)采用變頻技術(shù)，但因沒有復(fù)雜的設(shè)備，總成本不會比常規(guī)抽油系統(tǒng)高。在工業(yè)上，各種鍛壓設(shè)備的驅(qū)動部分，如沖壓機、壓力機、電磁錘等：金屬加工設(shè)備中的車床進刀機構(gòu)，插床、送料機構(gòu)、工作臺運動等：在紡織機械、冶金機械以及電工設(shè)備方面的部分、空壓機，包括未來的電梯(現(xiàn)在已有少量生產(chǎn))等；在信息與自動化方面，從計算機的磁盤讀取到繪圖儀、掃描儀、復(fù)印機、照相機等。它所具有的特殊優(yōu)勢，己越來越引起人們的重視，不久的將來，它將像微電子技術(shù)和計算機技術(shù)一樣，在人類的各個領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。所謂弧形結(jié)構(gòu)，就是將平板型直線電機的初級沿運動方向改成弧形，并安放于圓柱形次級的柱面外側(cè)，如圖26所示。假定次級為柵形次級，圖27中僅畫出其中的一根導(dǎo)條。 (5)采用直線電機和泵的一體化設(shè)計，可以更加方便地實施油層分采工藝，達到一層一泵精確分采的目的?？梢韵嘈牛S著該技術(shù)的不斷發(fā)展完善及成本的不斷降低，潛油直線電機抽油泵必將替代抽油機有桿泵的采油方式，成為今后采油舉升技術(shù)發(fā)展的主流。電機連續(xù)運行直至必需的停機檢修的期間長短，是機組的結(jié)構(gòu)、性能、材料、加工、操作、維護諸因素的綜合體現(xiàn)。％％之間。這時電樞長度應(yīng)足夠大，以保證在行程范圍內(nèi)勵磁與電樞側(cè)有正常的耦合； (6)由于它的電樞鐵心相對于磁場的運動速度較低，其渦流效應(yīng)可忽略，因此可用整塊鐵心制成，不存在周向疊片的問題。我們可以看出，圓筒型永磁直線同步電機的特點很適合作為井下式抽油機的動力系統(tǒng)。 T， T，約是鐵氧體永磁的35倍，約是鋁鎳鈷永磁的12倍。(3)釹鐵硼永磁的去磁曲線為直線，可改善直線同步電動機的起動性能，并使電機有較高的穩(wěn)定工作點。 我國是稀土大國，占世界稀土資源總儲量的80％，在開發(fā)釹鐵硼永磁方面具有得天獨厚的條件。167。8．初級每極每相槽數(shù)： 9．初級槽數(shù) （33）10．初級齒距 （34） 11．初級齒寬 （35） 下圖為槽型的示意圖，極距確定，則槽寬便確定了。32．按初級齒寬距氣隙1／3處算齒距 (333) 33．初級軛重 (334) 34．初級鐵損 (335) 因為查不到15赫茲硅鋼的損耗數(shù)據(jù)。3．3．5 性能計算1．功率角：從開始湊試，直到湊出輸出功率等于額定功率。 圖3一10初、次級合成三維圖Fig．310 Threedimension graph ofsynthesis下圖是電機的剖面圖，中間中空。但考慮到定動子之間的機械特性、氣流問題、防接觸等因素，還是要留有足夠的長度。3．3．1 設(shè)計要求直線電機設(shè)計時通常要給出以下數(shù)據(jù)： 1．額定推力：2．額定功率：額定功率由電機的額定推力及舉升速度決定，實際上指輸出功率，其值等于舉升速度與額定推力的乘積。在直線脈沖電機中采用釹鐵硼永磁材料代替鐵氧體永磁，利用釹鐵硼永磁的高性能，可使直線電機體積更小，推力更大， 并使整個系統(tǒng)變得十分簡單。作為永磁電