直线电机驱动抽油机的设计毕业论文

西安石油大学本科毕业设计（论文）

的提高受到定子铁心长度的限制。在合理的设计中,定子铁心长度与电枢铁心或内定子铁心轭部直径之比基本上为常数。因此,当电机的安装空间为细长形时,应当将电机设计成沿轴向多极的结构。

如图6-3所示结构的动线圈直线电机 。电机的整体结构采用模块化的设计方案,以便于在工作中调整系统的参数指标,同时降低了工艺难度。圆筒型的定子铁轭同时作为电机的外壳,由多段低碳钢管同轴压装到一起而成。定子内腔粘贴永磁体,永磁体的极性在轴向上相间分布。在圆周方向上由多块相同充磁方向的小块磁钢拼装成圆环型磁极,内圆周为N (或S) 极。这样在定子内腔就形成了N —S 极相间分布的环型磁极,并且在整个行程上的结构是一致的。

1—左端盖；2—光断续器；3—直线轴承；4—螺栓；5—永磁体；6—端部壳体1；7—轴；8—线圈；9—中部壳体；10—动子铁芯；11—端部壳体2；12—右端盖

图6-3 动线圈式大推力直线电机结构图

6.3 直线电机的选型

圆筒形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,适合在油井内使用。它的初级绕组只是简单地由一系列共轴线圈组成,然后由三相电源顺序供电,不存在端部绕组,因而也就不存在端部漏磁通以及附加阻抗,并且在圆柱形次级上也不存在总径向力,因此,减少了直线轴承上所承受的应力。用圆筒形直线电机作为传动机构,具有速度高、行程长、无污染的优点。

根据电机的运动特点，悬点的最大载荷，电机运行速度，结构设计等选择圆筒型直线电机。

选择14型圆筒直线电机，其技术参数如下： 额定推力F/ kN 40 峰值推力Ff / kN 90 额定同步速度v/ m ·s–1 3

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运行速度v1 / m ·s–1 3 空载速度v2 / m ·s–1 6 实际间隙δ/ mm 3 额定工作电压V / V 3000 额定功率KW 120

圆筒形直线电机的优点：

（1）圆筒形直线电机的初级和次级不存在绕组端部,这就提高了绕组的利用率,也不存

在横向边缘效应。

（2）圆筒形直线电机只有两端有漏磁现象,间隙较小,便于防尘。 （3）电机的初级与抽油机的配重箱组成一体,既方便,又节约配重料。

6.4 抽油机的控制系统

直线电机驱动抽油机控制系统主要包括:编码器、抽油机诊断仪、控制测试柜、变频柜、切换柜、电磁制动器。采用变频器、位移传感器、中心处理器与抽油机诊断系统组成智能控制系统。

变频器按照储存于单片机发出的运行指令控制电机运行,由编码器检测电机的运行状态，然后反馈给单片机,单片机再根据检测结果计算并控制电机的下步运行方式。直线电机的上行和下行是依靠位置传感器提供的准确信号来实现的，位置传感器要求灵敏度高、准确、反映迅速。

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7 抽油机机械结构设计

7.1 天轮设计

7.1.1 天轮的结构

在直线电机驱动的抽油机上,天轮机构的设计与现用的天轮机构不同。如图7-1,该机构是借用石油钻机天车结构,天轮支在滚动轴承上,工作时,只有天轮和轴承外圈转动,减少了转动惯量和摩擦力,而且便于拆装和维修。

1 —压盖;2 —轴承;3 —轴;4 —天轮;5 —天轮支架

图7-1 天轮机构示意图

7.1.2 天轮的设计计算及校核

初步设计的天轮参数如下：

最大绳径 Φ60 单绳最大张力 100kN 轮径 Φ650 外径 Φ775 轴承座距 630—780 中心高140 重量 550kg

根据天轮所受的最大载荷，设计轴的外径为50mm，轴所用的材料为45Cr，调质处理，选择NU210E圆柱滚子轴承。

轴的设计校核

轴的材料取40Cr，调制处理HB=215—255，在轴的两边开螺纹孔和油孔。 （1）求轴上的载荷

由图7-1可以看出轴所受的载荷等于电动机的载荷加上天轮的重量即：

Fn=F+G=51660+2×5500=62660N （7-1）

由于轴的两边对称，所以轴的两边所受的力相等，大小等于Fn的一半

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图7-2 轴的结构图

图7-3 轴的弯矩图

轴的结构基本对称，轴在转动过程中，不承受太大转矩，故轴上的扭转力矩可以忽略不计，按照轴的弯曲强度校核，其弯矩图如图7-3所示。由图可以看出危险断面

对III面进行校核：

按弯矩合成应力校核轴的强度

2σca=M2?(?T）/w

I II III为危险断面，I，II面所受的弯矩较小，故这个面无需校核 。

（7-2）

式中：σca —轴的计算应力，MPa； M — 轴所受的弯矩，N.mm； T —轴所受的扭矩，N.mm； W — 轴的抗弯截面系数，mm3。 扭转切应力为脉动循环变应力，取α=0.6

M=525.2 N.mm

T=F/n×r=62660/2×25=783250N.mm （7-3） W=0.1d3 ==12500 mm3 （7-4）

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