【文章內(nèi)容簡介】 總體上來說，應優(yōu)于通過旋轉(zhuǎn)變換的直線驅(qū)動裝置與系統(tǒng)。但是，由于驅(qū)動用直線電機本身磁路開斷所具有的特點，在一些場合的使用中，由于其功率因數(shù)和效率與同容量旋轉(zhuǎn)電機相比要低，故在一些直線運動的裝置或系統(tǒng)中，是否采用新型的直線驅(qū)動裝置或系統(tǒng)，要權衡利弊得失。總之，新型的直線驅(qū)動裝置與系統(tǒng)在一些合適的場合上具有很大的優(yōu)勢，有廣闊的應用前途。167。2．2 直線電機的基本結(jié)構(gòu)直線電機主要是直線電動機，它是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的傳動裝置。它是20世紀下半葉電工領域中具有新原理、新理論的新技術，如圖2一l所示。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，它將像微電子技術和計算機技術一樣，在人類的各個領域中得到廣泛的應用。直線電機的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要制成扁平形、圓筒形或盤形等各種形式，它可以采用交流電源，直流電源或脈沖電源等各種電源進行工作。 圖21 20世紀下半葉電工新技術的發(fā)展概況Fig．21 Development ofnew electroteclmics in the later halfof20st直線電機可以認為是旋轉(zhuǎn)電機在結(jié)構(gòu)方面的一種演變，它可以看作是將一臺旋轉(zhuǎn)電機沿徑向剖開，然后將電機的圓周展成直線，如圖22所示。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。由定子演變而來的一側(cè)稱為初級或原邊，由轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為次級或副邊。圖22由旋轉(zhuǎn)電機演變直線電機過程Fig．22 Evolution process ofrotary motor tO linear motOr圖2—2中演變而來的直線電機，其初級和次級的長度是相等的，由于在運行時初級和次級之間要作相對運動，如果在運動開始時，初級和次級正好對齊，那么在運動中，初級和次級之間相互耦合的部分越來越少，而不能正常運動。為了保證在所需的行程范圍內(nèi)，初級和次級之間的耦合能保持不變，因此實際應用時，將初級和次級制造成不同的長度。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。但是由于短初級在制造成本上、運行的費用上均比長初級低得多，因此，目前除特殊場合外，一般均采用短初級，如圖23所示。 圖23單邊型直線電機Fig．23 Singlesided linear motor圖23圖所示的直線電機僅在一邊安放初級，對于這樣的結(jié)構(gòu)形式稱為單邊型直線電機。這種結(jié)構(gòu)的直線電機，一個最大的特點是在初級和次級之間存在著一個很大的法向吸力。一般這個法向吸力，在鋼次級時為推力的10倍左 右，在大多數(shù)場合下，這種法向吸力是不希望存在的，如果在次級的兩邊都裝上初級，那么這個法向吸力可以相互抵消，這種結(jié)構(gòu)形式稱為雙邊型，如圖2— 4所示。 圖24雙邊型直線電機Fig．24 Double—sided linear motor上述直線電機稱為扁平形直線電機，是目前應用最廣泛的。除了上述扁平形的直線電機結(jié)構(gòu)形式外，直線電機還可以做成圓筒形(也稱管形)結(jié)構(gòu)，它也可以看作是由旋轉(zhuǎn)電機演變過來的，其演變過程如圖25所示。圖25a)表示一臺旋轉(zhuǎn)式電機以及定子繞組所構(gòu)成的磁場極性分布情況： 圖25b)表示轉(zhuǎn)變?yōu)楸馄叫沃本€電機后，初級繞組所構(gòu)成的磁場極性分布情況；將扁平形直線電機以直線運動相為軸線卷接成筒形，這樣就構(gòu)成圖2．5c) 所示的圓筒型直線電機。此外，直線電機還有弧形和盤形結(jié)構(gòu)。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。盤形直線電機把次級做成一片圓盤(銅或鋁，或銅、鋁與鐵復合)，將初級放在次級圓盤靠近外緣的平面上，盤形直線電機的初級可以是雙面的，也可以是單面的?；⌒魏捅P形直線電機的運動實際上是一個圓周運動，如圖中的箭頭所示，然而由于它們的運行原理和設計方法與扁平形直線電機結(jié)構(gòu)相似，故仍歸入直線電機的范疇。 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。2．3 直線電機的基本工作原理直線電機不僅在結(jié)構(gòu)上相當于是從旋轉(zhuǎn)電機演變而來的，而且其工作原理也與旋轉(zhuǎn)電機相似。但是值得注意的是，初級的長度是有限的，它有一個始端和一個終端。這兩個端部的存在，引起了端部效應(邊緣效應)，這種現(xiàn)象只在直線電機里才有，而在常規(guī)的旋轉(zhuǎn)電機里根本不存在，端部效應的大小取決于直線電機的速度(這只是其中的一個因素)，這種速度依賴關系，在相應的旋轉(zhuǎn)電機里是沒有的。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，當然還有別的依據(jù)來衡量這類電機。然而，由于有端部效應，不能再以同樣方式把這些指標用來衡量直線電機了。這使得直線電機的設計規(guī)范要做些改變。直線電機是一種利用電能產(chǎn)生直線運動的電機，它可以直接驅(qū)動機械負載作直線運動。其最大優(yōu)點是取消了從電機到工作驢頭之間的一切中間環(huán)節(jié)，把工作驢頭上下運動傳動鏈的長度縮短為零，即“零傳動或“直接傳動。 1電機初級；2一電機次級；3一行波磁場圖27直線電機的基本工作原理Fig．2—7 Basic principles of linear motor上圖中所示的直線電機，其三相繞組中通入三相對稱正弦電流后，會產(chǎn)生氣隙磁場。當不考慮縱向邊端效應時，這個氣隙磁場的分布情況與旋轉(zhuǎn)電機相似，當三相電流隨時間變化時，氣隙磁場將按A，B，C相序沿直線移動。這個磁場是平移的，而不是旋轉(zhuǎn)的，因此被稱為行波磁場。行波磁場的移動速度與旋轉(zhuǎn)磁場定子內(nèi)圓表面上的線速度是一樣的，即為同步速度Vs，且 （21）式中：f為電流頻率，Hz：為極距，m；為同步速度，m／s。假定次級為柵形次級，圖27中僅畫出其中的一根導條。次級在行波磁場切割下，將感應電動勢并產(chǎn)生電流。所有導條的電流和氣隙磁場相互作用便產(chǎn)生電磁推力，在其作用下，如果初級固定不動，那么次級將順著行波磁場運動的方向作直線運動。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。應該指出直線電機的次級大多采用金屬板或復合金屬板，因此并不存在明顯的導條。我們知道，旋轉(zhuǎn)電機通過對換任意兩相的電源線，可實現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)。同樣，直線電機對換任意兩相電源后，運動也會反過來，這樣可使直線電機往復運動位引。下表是直線電機與旋轉(zhuǎn)電機參數(shù)的比較。167。2．4 直線電機作為井下動力系統(tǒng)的優(yōu)勢與旋轉(zhuǎn)電機相比，直線電機是一種利用電能產(chǎn)生直線運動的電機，它可以直接驅(qū)動機械負載作直線運動。其最大優(yōu)點是取消了從電機到工作驢頭之間的中間環(huán)節(jié)，把驢頭上下運動傳動鏈的長度縮短為零，即零傳動或直接傳動。(1)直線電機可將電能直接轉(zhuǎn)換成舉升原油的動力，中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少，而游梁式抽油機則須通過皮帶、連桿機構(gòu)、減速箱及游梁等轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，因而具有較少的能耗和較高的系統(tǒng)效率。(2)直線電機作為井下泵動力系統(tǒng)，易進行機泵一體化設計，可簡化井下工具結(jié)構(gòu)，降低施工難度。(3)由于去掉了抽油桿，可徹底解決桿管摩擦及油管偏磨問題，使油管壽命大大增加。并且由于消除了桿管摩擦及油管偏磨造成的系統(tǒng)失效問題，檢泵周期也將增加。(4)由直線電機構(gòu)成的采油系統(tǒng)易于控制，可以隨油井的實際情況動態(tài)調(diào)節(jié)泵的沖程、沖次，使整個系統(tǒng)處于一個協(xié)調(diào)的開采狀態(tài)，更加充分地利用地層的能量，提高原油采收率。 (5)采用直線電機和泵的一體化設計，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。(6)可以充分利用電機運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的熱量來提高原油的溫度，有效地防止原油中蠟的析出。我們可以選用圓筒型直線電機來驅(qū)動泵柱塞，圓筒型直線電機具有體積小、易于進行機泵一體化設計的優(yōu)點，并且由于其外型是圓柱形，適合在油井中起下。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。167。2．5 潛油式直線電機抽油機的原理潛油直線電機抽油機有結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能效果好、系統(tǒng)效率高、滿足采油工藝自動控制的要求和適應惡劣工作環(huán)境等特點，特別適合深井、稠油等油井使用，為重型抽油機的制造開辟了新途徑，是一種值得重視的新型抽油機。潛油直線電機抽油泵改變了傳統(tǒng)抽油機的運動機理，直接利用直線電機的直線往復運動帶動抽油桿上下運動，從而達到舉升油井內(nèi)液體的目的。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，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。該機改變了過去抽油機由旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動的方法，由電能直接轉(zhuǎn)化為直線往復運動。與相同規(guī)格的常規(guī)抽油機相比，其質(zhì)量和占地面積都小得多，特別是該抽油機系統(tǒng)效率高，上下沖程速度可以單獨無級調(diào)整。潛油直線電機抽油泵的原理如下圖所示，把直線電機與柱塞式抽油泵結(jié)合為一體，直線電機的動子可以直接或通過接桿與抽油泵的柱塞相接，驅(qū)動推桿上下運動，從而帶動抽油泵的柱塞在泵筒內(nèi)上下運動，完成抽吸。 圖28柱塞往復式潛油采油原理Fig．28 Principles of plunger reciprocating submersible直線電機抽油機將電能直接轉(zhuǎn)換為往復直線運動，減少了機械轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)， 提高了傳動效率，加上采用天平式平衡和運動規(guī)律的改善，節(jié)能效果非常明顯，同時由于運轉(zhuǎn)平穩(wěn)也可以延長設備使用壽命。167。2．6 本章小結(jié)本章闡述了直線電機的結(jié)構(gòu)、類型以及它的基本工作原理，并結(jié)合直線電機的特點，介紹了潛油式直線電機抽油機的運行原理和特點，潛油直線電機抽油機有結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能效果好、系統(tǒng)效率高、滿足采油工藝自動控制的要求和適應惡劣工作環(huán)境等特點，具有很好的發(fā)展前景。由此得出結(jié)論，潛油直線電機抽油泵在技術上是可行的，它可以有效地解決有桿泵舉升方式存在管桿偏磨嚴重、系統(tǒng)效率低、能耗高的問題，有效地解決低產(chǎn)直井、斜井的舉升工藝的問題，為油田降投資、節(jié)成本、增效益提供了一條途徑。同時也是對目前抽油機采油舉升方式的一場革命，具有廣闊的推廣前景?？梢韵嘈牛S著該技術的不斷發(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發(fā)展的主流。本章內(nèi)容為下面電機的設計提供了理論依據(jù)。第3章直線電機的設計167。3．1 直線電機的設計167。3．1．1 井下電機的特殊性從適應井下嚴酷的環(huán)境條件及生產(chǎn)的實際需要出發(fā)，井下特殊電機的選型、結(jié)構(gòu)、材料、工藝、配套等都有獨特之處： (1)細長型結(jié)構(gòu)。用在井下的電機外徑要受井徑限制，因此電機呈細長型， 其長度對外徑之比高達2050，甚至更大。(2)嚴酷的環(huán)境條件。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。另一個令人關注的問題是井下的環(huán)境溫度，深井的實際溫度可高達80100℃。(3)可靠的密封裝置。潛浸式電機大都采用機械密封裝置，以保證電機正常的絕緣性能。某些井下特殊電機，在泵與電機之間裝置液體保護器，用以平衡電機內(nèi)外壓力、防止外界介質(zhì)泄入電機內(nèi)部。(4)成套性。井下特殊電機與專用的工作機械組合，除了要求電機的結(jié)構(gòu)和性能滿足專業(yè)生產(chǎn)的工藝要求外，還要求配備專用的變壓器、電纜以及電控、保護、監(jiān)測裝置與之配套，完善的配套設備對井下電機可靠的運行極為重要。(5)可靠性被置于一切技術經(jīng)濟指標的首位。由于井下電機工作于操作人員不能直接接觸的嚴酷環(huán)境之中，而且又多是用于生產(chǎn)流程的重要環(huán)節(jié)，因此其長期安全運行有突出的意義。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)。選擇合適的電機具有突出的意義， 下面我們就常用的幾種電機的性能進行比較，找出用于井下抽油效率較高、控制較簡單的電機。167。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。同步潛油電動機轉(zhuǎn)子永磁體結(jié)構(gòu)，決定了其功率因數(shù)可以超前，因此，同步電動機有利于改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。(2)轉(zhuǎn)速不隨負載而變化，運行穩(wěn)定性高。在運行過程中，只要電源頻率一定，同步電動機的轉(zhuǎn)速不隨負載的大小而改變。因而其過載能力比相應的異步電動機大。(3)運行效率高。異步電動機的功率因數(shù)較低，效率也較低，而同步電動機則效率較高。(4)同步電動機的體積和重量比同容量、同極數(shù)的異步電動機小。(5)自啟動性能差。一般永磁同步電動機均不能自起動，需采用變頻電源低頻起動，逐步提高電源頻率，直至達到電網(wǎng)額定頻率，電動機實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)速。2．技術指標對比 利用一臺12 kW的異步潛油電動機，重新設計永磁轉(zhuǎn)子后，組裝完成一臺永磁同步電動機。樣機試驗后，與相同規(guī)格的異步電動機分析對比，主要指標如表31所示。 表31技術指標對比Table 31 Technical specification parative analysis通過對四臺同步潛油電動機樣機的空載、負載及高溫負載測試，其各項參數(shù)穩(wěn)定。％％之間。與異步潛油電動機相比，以上指標證明了其技術性能的優(yōu)越性。167。3．1．3 直線感應電機直線感應電動機由于結(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用。但直線感應電動機最大的缺點是效率和功率因數(shù)低。目前，圓筒型直線感應電動機廣泛應用在往復運動的機構(gòu)中。直線感應電機作為線性驅(qū)動裝置，具有以下特點： (1)通過電能直接產(chǎn)生電磁推力形成直線運動，不需要從旋轉(zhuǎn)運動到直線運動的機械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換； (2)速度不受離心力或電機直徑的影響： (3)直線電機