永磁渦流制動

楊俊毅　劉釗　楊榕

摘 要：螺桿泵已經(jīng)在國內(nèi)的油田中得到了非常廣泛的應(yīng)用，而制動器則是保證螺桿泵式抽油機進行安全工作的重要部件，以往的制動器都存在著：磨損、變形，維護成本高等問題。因此，我們設(shè)計了使用永磁鐵的盤形制動器，它這樣的設(shè)計完全可以保證整個制動系統(tǒng)在制動的過程中就不會出現(xiàn)上述的問題，也就避免了安全隱患。

關(guān)鍵詞：螺桿泵；永磁渦流制動；柔性；自動調(diào)節(jié)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.218

0 前言

隨著世界經(jīng)濟的不斷發(fā)展，全球?qū)τ谑彤a(chǎn)品的需求量也在不斷的增大，因此石油開采業(yè)也進入了全新的時代，而更節(jié)能和高效螺桿泵式抽油機已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的游梁式抽油機成為油田采油的主要設(shè)備，目前螺桿泵井地面驅(qū)動設(shè)備主要有常規(guī)偏置式驅(qū)動裝置和電機直驅(qū)裝置兩種，雖然螺桿泵式抽油機有著很多的優(yōu)點，但是在實際應(yīng)用過程中還存在著以下問題：

（1）在桿柱反轉(zhuǎn)控制上不能保證絕對安全，棘輪棘爪式防反轉(zhuǎn)裝置需要人為在地面上釋放扭矩，風(fēng)險系數(shù)高；而液壓防反轉(zhuǎn)和電磁能耗制動防反轉(zhuǎn)裝置雖然能夠自動釋放扭矩，但也存在著失控的幾率，光桿與方卡子在地面設(shè)備上高速旋轉(zhuǎn)會帶來較大的安全風(fēng)險；

（2）維護性成本較高，偏置式驅(qū)動裝置利用皮帶輪和減速箱來傳遞扭矩，傳動部件多，導(dǎo)致運行效率低，后期維護工作量大，電機直驅(qū)裝置采用永磁電機直接驅(qū)動，永磁電機的成本高，且存在著退磁的風(fēng)險。如何才能更加安全和便捷的實現(xiàn)對桿柱反轉(zhuǎn)的控制呢，經(jīng)過多次論證后發(fā)現(xiàn)利用永磁渦流原理設(shè)計的永磁渦流制動器就可以解決上述問題。

1 原理

螺桿泵永磁渦流制動器所要實現(xiàn)的是：（1）通過永磁渦流制動器所產(chǎn)生的制動力來控制螺桿反轉(zhuǎn)的速度；（2）進行能量的轉(zhuǎn)換，將螺桿中所儲存的形變勢能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，主要是轉(zhuǎn)化為熱能通過傳導(dǎo)、對流和輻射等方式傳遞到周圍空間之中，從而達到能量轉(zhuǎn)換的目的。它的主要原理：當(dāng)螺桿反轉(zhuǎn)帶動導(dǎo)磁盤轉(zhuǎn)動，在永磁盤磁場的作用下，導(dǎo)磁盤單位區(qū)域內(nèi)的磁通量是不斷變化的，根據(jù)磁塊的排布規(guī)律，進而得出其磁通量的變化近似于余弦函數(shù)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，變化的磁場會產(chǎn)生變化的電場，由此可知隨著導(dǎo)磁盤的轉(zhuǎn)動，在整個系統(tǒng)中就產(chǎn)生渦電流，，而渦電流在磁場中運動就會產(chǎn)生洛倫茲力，即我們所需要的制動力。

從上述過程便可以看出螺桿泵用永磁渦流制動器的實質(zhì)就是利用法拉第電磁感應(yīng)定律的基本內(nèi)容，將動能轉(zhuǎn)化為電能，再將電能轉(zhuǎn)為熱能的過程。

2 制動力矩的計算

制動力矩是檢驗制動器制動效果如何的的重要指標(biāo)，但是由于現(xiàn)場環(huán)境以及現(xiàn)有計算方法的局限性，要想精確計算出制動力矩是很困難的，因此我們只能把研究對象進行模擬的理想化，來進行分析，并粗略計算出制動力矩，再利用計算機軟件和對樣機進行不斷的實驗，來完善和驗證所計算的數(shù)據(jù)的合理性。

根據(jù)上述制動原理粗略計算出制動力的大小。

為了簡化計算過程，在計算過程中對相關(guān)數(shù)據(jù)做如下假設(shè)：

（1）永磁體產(chǎn)生的磁通量只分布在與永磁體相對產(chǎn)生渦流的等效面積之內(nèi)，不考慮圓外漏磁的情況。

（2）導(dǎo)磁盤上銅盤的電阻率（ρ）以及導(dǎo)磁材料的相對磁導(dǎo)率（μ0）均為常數(shù)，且不考慮此路飽和。

3 螺桿泵用永磁渦流制動器的優(yōu)點

螺桿泵用永磁渦流制動器是對永磁渦流傳動裝置的一次新的應(yīng)用嘗試。通過將永磁渦流制動器安置于電機與井口之間，實現(xiàn)在無任何外力控制的條件下自動控制螺桿反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。該裝置具有以下幾個特點：

（1）采用永磁渦流制動器替換那些舊的防反轉(zhuǎn)裝置，與以前的轉(zhuǎn)裝置相比較，永磁渦流制動器所具有的最大優(yōu)勢就是在螺桿反轉(zhuǎn)的過程中，它實現(xiàn)了在不需要外界任何動力的條件下限制螺桿的轉(zhuǎn)速，這樣就完全避免了液壓和電磁防反轉(zhuǎn)裝置在外界動力消失時其調(diào)節(jié)功能失效的情況，從而實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，因此永磁渦流制動器更加符合現(xiàn)在社會對節(jié)約能源方面的要求；

（2）結(jié)構(gòu)緊湊；能保持制動的穩(wěn)定性和持久性；

（3）維護成本低、使用時間長以及可靠性高。由于永磁渦流制動技術(shù)是通過電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的反向制動力矩來進行制動的，因此它沒有接觸，進而不會出現(xiàn)摩擦、磨損、以及接觸疲勞等問題的發(fā)生。由于沒有接觸也就不會產(chǎn)生制動粉塵和制動噪音，更加符合環(huán)保的要求。

4 結(jié)論

將永磁渦流制動裝置應(yīng)用至螺桿泵式采油機上，是對永磁渦流制動理論在向?qū)嶋H應(yīng)用領(lǐng)域的一次新的開拓，正是因為上述永磁渦流制動裝置有著傳統(tǒng)制動裝置所無法比擬的優(yōu)點，因此，其必然有著無限廣闊的市場前景，而隨著永磁渦流制動技術(shù)的不斷發(fā)展，其必然會取代以往那些傳統(tǒng)的制動技術(shù)成為未來機械產(chǎn)品的主要制動方式。

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作者簡介：楊俊毅（1984-），男，遼寧大連人，本科，助理工程師，研究方向：液力偶合器及磁力偶合器。