專利名稱：雙速直接驅(qū)動絞車的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及油田設(shè)備。更具體地，本發(fā)明涉及在油氣鉆井和開采中使用的絞車。更具體地，本發(fā)明涉及一種具有永磁電動機的絞車。另外，本發(fā)明涉及能夠以兩種不同的速度選擇性地操作的永磁電動機驅(qū)動系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
絞車是在油氣鉆井和開采中使用的普通油田設(shè)備件。絞車通常安裝在鉆機附近。絞車的通常功能是將鉆桿和套管從井眼升起和將鉆桿和套管下入井眼中。絞車可以稱為升降機或卷揚機。在鉆井采礦業(yè)中使用許多不同尺寸的絞車。絞車的尺寸反映在這種絞車的額定功率中。這些絞車共用類似的操作模式和類似的設(shè)備。當將諸如鉆桿的負載插入裸眼井和從裸眼井取出鉆桿時，絞車用于升起和下放所述負載。鉆桿的取出可以需要取出超過30，000英尺的鉆桿以在鉆井操作期間改變鉆頭或工具。在典型的油井鉆進操作期間，鉆桿通常被多次升起和下入。在采礦操作期間，類似的設(shè)備用于升起煤炭、蓋層物質(zhì)、砂礫石、磷酸鹽和其它礦物質(zhì)。絞車僅被用于一些典型操作。在采礦操作中，鏟斗通常被降下以允許鏟斗裝載有物質(zhì)。在鏟斗被裝載之后，絞車用于將裝載的鏟斗升起到一定高度，從而在地球以上的位置處卸載鏟斗。圖1顯示了使用現(xiàn)有技術(shù)絞車26的普通鉆機10。絞車26安裝到井架11內(nèi)部中的鉆臺12。絞車26具有繞滑輪25延伸以從井眼16升起鉆桿14和將鉆桿下入到井眼16中的鋼絲繩24?；?5又被公知為天車。井眼16形成在地球50中。鉆桿14可以是為在地球15中的井眼16中延伸的一系列鉆桿的鉆柱。單獨的鉆桿14在螺紋接頭17處連接到鉆柱。鉆柱的多個部分可以具有包括扶正器元件18的扶正器部，其中所述扶正器元件18沿著鉆桿14的外表面螺旋地延伸從而以使鉆桿14的中心在井眼16中的方式接合井眼16的壁。絞車26使安裝在井架11上的滑輪25上的鋼絲繩24伸長和收回以升起和下入保持鉆桿14的鉆井單元19。鋼絲繩24連接到游動滑車23。游動滑車23從通過絞車26伸長和收回的鋼絲繩24懸掛并向上和向下移動。游動滑車23連接到鉆井單元19。鉆井單元19的上端具有水龍頭22，鉆井液在水龍頭22被引入到鉆桿14中，并且鉆井單元19通過所述水龍頭從游動滑車23懸掛。鉆井單元19、鉆桿操作器21和相關(guān)聯(lián)的連接部件沿著軸線20垂直移動。通過剛性地連接到井架11的兩個垂直導軌27或履帶引導垂直移動。鉆井單元19連接到托架(carriage) 28。托架28具有接合導軌27的輥。導軌27引導托架28以沿著平行于垂直軸線20的導軌向上和向下垂直移動。鉆桿14通過井口裝置13被插入中井眼16中和從井眼16被移除。絞車26通常具有中空滾筒、將滾筒連接到電動機的軸、位于電動機與滾筒之間的傳動裝置、以及用于使?jié)L筒的旋轉(zhuǎn)緩慢的制動系統(tǒng)。絞車26安裝在鉆機10的鉆臺12上。滾筒和軸的縱向軸線平行于鉆臺12。絞車26上使用的典型的電動機是AC電動機、DC電動機和柴油機內(nèi)燃機。電力通常從電動機通過鏈傳動機構(gòu)或齒輪傳動機構(gòu)被傳遞給軸。制動系統(tǒng)可以使用用于制動滾筒的各種技術(shù)。制動系統(tǒng)可以使用盤式制動器、帶式制動器、水冷卻式制動器或電動制動器。當鋼絲繩24被絞車26收回時，鋼絲繩24繞著絞車26的滾筒卷繞。鋼絲繩24繞絞車26的卷繞類似于螺紋繞卷軸的卷繞。傳動裝置的使用產(chǎn)生通常與典型的絞車相關(guān)聯(lián)的多個問題。傳動裝置成本高，使絞車的重量增加，并且需要定期修理。特別是在傳動裝置的完全失效的情況下，傳動裝置的維修的成本可能較高。在使用傳動裝置的情況下由于使用傳動裝置所固有的摩擦力而導致動力損失。典型的絞車26還使用大量能量以改變絞車26的旋轉(zhuǎn)方向。因此，需要一種輕質(zhì)、容易維修，使用較少能量并且更加能量有效的簡單設(shè)計的絞車。在過去，已經(jīng)授予了關(guān)于絞車的各種專利。例如，2001年2月6日授予Dyer等人的美國專利第6，182，945號公開了一種完全冗余的絞車，所述絞車具有用于控制絞車的滾筒和滾筒軸以及給滾筒和滾筒軸提供動力的兩個完全且整體獨立的系統(tǒng)。每一個系統(tǒng)具有至少一個電源、動力傳動裝置和連接到電源和傳動裝置以及滾筒軸的聯(lián)接器。每一個系統(tǒng)都具有諸如盤式制動器、帶式制動器、電動制動器、或水冷卻式制動器的制動系統(tǒng)。在任一個系統(tǒng)的任意部件失效的情況下，完全冗余的絞車具有從井眼升起鉆桿以避免“卡住”鉆桿的風險的能力。1980年10月7日授予Johnson等人的美國專利第4，226, 311號公開了一種適于與井眼鉆進操作的絞車結(jié)合安裝的盤式制動設(shè)備。所述設(shè)備自動感測鉆桿中的任意反向轉(zhuǎn)矩情況并迅速地設(shè)定致動以阻止將任意反向轉(zhuǎn)矩傳遞給所述設(shè)備的轉(zhuǎn)臺裝置離合器機構(gòu)。1972年4月4日授予Burrell的美國專利第3，653，636號公開了 一種用于平衡從卷繞在位于浮式鉆臺上的絞車上的鋼絲繩懸掛的鉆柱或其它井設(shè)備的重量的可反轉(zhuǎn)液壓馬達和高壓/低壓液壓貯存器系統(tǒng)。測壓元件控制液壓馬達的輸出驅(qū)動的輸出轉(zhuǎn)矩和方向。在浮式鉆臺向下移動時，來自存儲器的高壓液壓流體移動通過液壓馬達進入到低壓液壓流體貯存器中以當絞車向上卷繞鋼絲繩時為絞車提供增加的轉(zhuǎn)矩。在浮式鉆臺向上移動時，液壓馬達反轉(zhuǎn)以將來自低壓貯存器的低壓流體移動到高壓存儲器。當絞車伸長鋼絲繩時，這減小絞車的轉(zhuǎn)矩并使絞車的方向反轉(zhuǎn)。2008年5月22日公開的Folk等人的美國專利公開出版物第2008/0116432號公開了一種包括具有固定定子和繞著定子旋轉(zhuǎn)的圓柱形轉(zhuǎn)子的電動機的卷揚機。滾筒固定到轉(zhuǎn)子并支承通過卷揚機卷繞或退卷繞的電纜。卷揚機可以是用于鉆機的絞車。電動機可以是永磁體電動機。支承機構(gòu)位于電動機定子與電動機轉(zhuǎn)子之間。授予Pryor等人的美國專利第3，211，803號公開了一種用于絞車的發(fā)電機供電的電動裝置，所述電動裝置具有電動馬達、在所述電動機與絞車之間的驅(qū)動連接裝置、發(fā)電機、用于將電力供應給電動機的在發(fā)電機和電動機之間的電連接裝置、發(fā)動機、和發(fā)動機與發(fā)電機之間的用于將電力供應給發(fā)動機的連接裝置。電動馬達具有基本上大于發(fā)動機的功率輸出能力的總功率消耗能力，藉此可用于驅(qū)動絞車的轉(zhuǎn)矩基本上大于可從具有等于發(fā)動機的功率輸出能力的總功率消耗能力的電動機獲得的轉(zhuǎn)矩。1984年3月27日授予White的美國專利第4，438，904號公開了一種絞車，所述絞車具有支撐絞車的鉆井平臺、將電纜滾筒可旋轉(zhuǎn)地支撐在兩個豎直支撐壁構(gòu)件之間的電纜滾筒軸、輸入軸、用于旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動輸入軸的驅(qū)動機構(gòu)、用于使?jié)L筒軸和電纜滾筒響應于輸入軸的旋轉(zhuǎn)以多個速度中的任一個旋轉(zhuǎn)的離合器控制鏈輪鏈條傳動裝置、和設(shè)置在支撐壁構(gòu)件中的一個的外部的控制器。滾筒軸具有超過支撐壁構(gòu)件中的一個的延伸部。單個外側(cè)制動器固定到滾筒軸延伸部。2000年2月29日授予Guggari的美國專利第6，029, 951號公開了一種用于使用絞車的系統(tǒng)和方法，其中所述絞車具有上面卷繞有鋼絲繩的可旋轉(zhuǎn)滾筒。絞車和鋼絲繩用于有助于懸掛在鋼絲繩上的負載的移動。絞車控制系統(tǒng)監(jiān)測和控制絞車。制動裝置連接到可旋轉(zhuǎn)滾筒以限制可旋轉(zhuǎn)滾筒的旋轉(zhuǎn)。電動馬達連接到可旋轉(zhuǎn)滾筒以驅(qū)動可旋轉(zhuǎn)滾筒。絞車控制系統(tǒng)提供表示電動機的計算的轉(zhuǎn)矩值的信號，在所述電動機中，響應于所述信號在電動機中產(chǎn)生預先轉(zhuǎn)矩。當電動機預先轉(zhuǎn)矩水平基本上等于計算的轉(zhuǎn)矩值時，可旋轉(zhuǎn)滾筒的旋轉(zhuǎn)的控制從制動裝置被傳遞到電動機。1977年9月6日授予Martin的美國專利第4，046，355號公開了一種用于與絞車組件一起使用的控制設(shè)備，所述絞車組件具有從電纜懸掛并將張力施加給電纜的工件。電纜的一端卷繞在滾筒上。電纜的旋轉(zhuǎn)由動力制動機構(gòu)控制。控制設(shè)備具有產(chǎn)生與電纜中的張力成比例的張力信號的電纜張力傳感器。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖控制信號。制動控制裝置響應于控制信號將張力信號施加給動力制動機構(gòu)。本發(fā)明人在2005年10月13日提出申請的美國專利申請第60/726，077號公開了一種用于鉆井和采礦操作的絞車。所述絞車具有由至少一個AC電動機驅(qū)動的鋼絲繩滾筒。驅(qū)動軸聯(lián)接制動器與鋼絲繩滾筒。電動機從公用電源被操作。絞車具有在制動絞車的鋼絲繩滾筒的旋轉(zhuǎn)的同時存儲能量的飛輪系統(tǒng)。存儲在飛輪中的能量用于開始鋼絲繩滾筒的另一個旋轉(zhuǎn)。當絞車用于油氣井的鉆進時，絞車的速度將基于負載的重量而變化。對于重負載，在轉(zhuǎn)矩要求較高的情況下，升起或下放負載(鉆桿)所需的速度低。對于空載或?qū)τ诜浅］p的負載(例如，短鉆桿長度)，所需的速度增加。因此，理想的是具有一種與絞車相關(guān)聯(lián)的可以具有高速和低速的永磁電動機。這種高速和低速在恒定功率條件下可以基于負載的要求而提供增加的轉(zhuǎn)矩或減小的轉(zhuǎn)矩。在過去，已經(jīng)授予了關(guān)于永磁電動機的專利。例如，1990年授予P.A.Kerashaw的美國專利第4，910，790號顯示了一種兩速永磁體D.C.電動機。這種D.C.電動機具有殼體、由殼體支承的永磁體、和安裝在殼體中的電樞組件。電樞組件具有可旋轉(zhuǎn)地安裝在殼體中的軸、第一線圈繞組、連接到第一線圈繞組的第一整流器、第二線圈繞組和連接到第二線圈繞組的第二整流器。第一組電刷由殼體支承并接合第一整流器用于將D.C.電壓施加到第一線圈繞組以使電樞組件以第一速度旋轉(zhuǎn)。第二組電刷由殼體支承并接合第二整流器用于將相同的D.C.電壓施加到至少第二線圈繞組以使電樞組件以第二速度旋轉(zhuǎn)。1999年9月14日授予J.H.Boyd的美國專利第5，952，757號描述了一種自起動永磁電動機。這種電動機包括具有定子芯的定子、起動繞組和第一和第二主繞組。第一主繞組和起動繞組被構(gòu)造成形成低于第二主繞組的極數(shù)。定子芯形成定子孔。電動機還包括轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有與定子芯軸向同心布置的轉(zhuǎn)子軸和與轉(zhuǎn)子軸同心定位的轉(zhuǎn)子芯。副導體與轉(zhuǎn)子軸軸向布置并延伸通過轉(zhuǎn)子芯。多個永磁體位于轉(zhuǎn)子芯的外周邊處并被磁化以形成等于由第二主繞組形成的極數(shù)的極數(shù)。另外，在永磁電動機用于直接驅(qū)動絞車的情況下，重要的是能夠避免功率突然損失的副作用。由于永磁電動機中所固有的固定場通量，因此當存在檢修負載并且AC主繞組斷開時，沒有電力被供應給電動機的繞組。因此，可能會發(fā)生由于懸浮在自由露天中的重物的檢修負載而導致的“失控狀態(tài)”。這可能會導致重負載經(jīng)由重量和地球的重力而急速自由下落。因此，可能會發(fā)生損壞并且對井隊人員可能會產(chǎn)生安全隱患。因此，需要進行研發(fā)藉此可以制造固有安全的永磁電動機以避免任何這種“失控狀態(tài)”。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種直接驅(qū)動絞車。本發(fā)明的另一個目的是提供一種沒有傳動機構(gòu)的絞車。本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有非常高的功率密度的絞車。本發(fā)明的另一個目的是提供一種相對輕質(zhì)的絞車。本發(fā)明的另一個目的是提供一種可在傳統(tǒng)的道路系統(tǒng)上容易地輸送的絞車。本發(fā)明的另一個目的是提供一種在油田中具有最小組件要求的絞車。本發(fā)明的另一個目的是提供一種在油田中可容易更換的絞車。本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有減小的慣性效應的絞車。本發(fā)明的另一個目的是提供一種降低操作和修理的成本的絞車。本發(fā)明的進一步目的是提供一種其中永磁電動機可以以高速或低速操作的永磁體直接驅(qū)動絞車。本發(fā)明的另一個目的是提供一種允許電動機的速度適應于影響絞車的各種負載狀態(tài)的永磁體直接驅(qū)動絞車。本發(fā)明的另一個目的是提供一種有效地防止發(fā)生由于維修荷載或功率損失而導致的任意失控狀態(tài)的永磁體直接驅(qū)動絞車。本發(fā)明的這些及其它目的和優(yōu)點將從以下說明書和所附權(quán)利要求的獲悉變得清
楚呈現(xiàn)。本發(fā)明涉及一種直接驅(qū)動絞車，該直接驅(qū)動絞車具有:永磁電動機，所述永磁電動機具有第一組繞組和第二組繞組；軸，所述軸從永磁電動機延伸使得永磁電動機直接旋轉(zhuǎn)所述軸；滾筒，所述滾筒遠離永磁電動機連接到軸，使得軸的旋轉(zhuǎn)使?jié)L筒進行相應的旋轉(zhuǎn)；和開關(guān)，所述開關(guān)與第一組繞組和第二組繞組協(xié)作以使第一組繞組和第二組繞組選擇性地并聯(lián)連接或串聯(lián)連接。處理器連接到開關(guān)以相對于影響軸和滾筒上的負載的狀態(tài)在并聯(lián)連接與串聯(lián)連接之間進行切換。當滾筒上的負載為第一量時，處理器用于切換到并聯(lián)連接，而當滾筒上的負載為第二量時，處理器用于切換到串聯(lián)連接。負載的第二量大于負載的第一量。在本發(fā)明中，AC電源電連接到永磁電動機。變頻驅(qū)動裝置在AC電源與永磁電動機之間相互電連接。電阻負載組在AC電源與永磁電動機之間相互電連接。轉(zhuǎn)換開關(guān)用于在出現(xiàn)一狀態(tài)時將電阻負載組直接電連接到永磁電動機。這種狀態(tài)可以是從AC電源到永磁電動機的電力的中斷或是影響滾筒的過載狀態(tài)。電阻負載組可以包括動態(tài)制動電阻器。當開關(guān)并聯(lián)連接第一組繞組和第二組繞組時，永磁電動機具有第一速度。當開關(guān)串聯(lián)連接第一組繞組和第二組繞組時，永磁電動機具有第二速度。第一速度大于所述第二速度。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，第一速度大約為第二速度的兩倍。
在本發(fā)明的永磁電動機中，第一組繞組和第二組繞組被構(gòu)造使得當串聯(lián)連接時可以連接用于額定基準電壓，或當并聯(lián)連接時被連接用于一半所述量的額定電壓。通過手動選擇器開關(guān)選擇或通過由鉆井控制系統(tǒng)控制的處理器自動選擇兩種不同的連接。當以并聯(lián)布置連接時，頻率增加到兩倍額定頻率。當施加額定電流和額定電壓時，以正常額定功率實現(xiàn)兩倍額定速率。依此方式，實現(xiàn)有效的雙速絞車。應該注意的是基于具體的驅(qū)動裝置制造商的驅(qū)動裝置特性和性能仍然可實現(xiàn)兩倍額定值以上的超速狀態(tài)。本發(fā)明采用超速檢測器以打開電源(即，變頻驅(qū)動系統(tǒng)電源電路)并同時插入到動態(tài)制動電阻器或“負載組”以吸收卷揚機或絞車的旋轉(zhuǎn)滾筒的由來自重物或“負載”(即，從絞車鉤懸掛的鉆柱和相關(guān)聯(lián)的行進和鉆井設(shè)備)的勢能產(chǎn)生的動能以減緩這種狀態(tài)。這確保相對于相關(guān)聯(lián)的重物的負載(公知為“鉆壓”或鉆柱和相關(guān)鉆井設(shè)備的自由懸掛重量)受限的最大安全速度。因此，當在失控狀態(tài)下時可防止負載墜落。通過永磁電動機設(shè)計的特定連接獲得獨特的雙速永磁電動機絞車。速度的控制和選擇可由用戶友好的選擇器開關(guān)選擇和控制或者可以通過計算機電子控制。速度的控制和選擇還可以由處理器通過鉆井控制系統(tǒng)控制。對于速度的選擇實現(xiàn)恒定功率以被完美地應用于絞車應用。電動機繞組可以通過電力切換裝置被連接成串聯(lián)結(jié)構(gòu)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)并被適當控制。當并聯(lián)選擇時，電動機繞組的電壓將需要額定電壓的一半。因此，通過額定電壓和兩倍額定頻率的操作(即，并聯(lián)繞組的每一組并聯(lián)繞組具有雙倍額定電壓)，速度是兩倍額定值。當在串聯(lián)結(jié)構(gòu)中時，在施加額定電壓和額定頻率的情況下，速度是并聯(lián)連接的一半。頻率保持額定，但是功率恒定以產(chǎn)生為并聯(lián)連接的兩倍的額定轉(zhuǎn)矩。在失控狀態(tài)或超速發(fā)生期間，定子電力端子通過電源開關(guān)隨即斷開并連接到負載組或電阻網(wǎng)絡(luò)以吸收降低的電力并限制下降負載的最高速度或最大速度。由于由永磁電動機產(chǎn)生的場通量的固有特性，這種動態(tài)制動系統(tǒng)采用驅(qū)動電動機本身作為制動裝置。因此，本發(fā)明可以避免設(shè)備損壞并增加人身安全。


圖1顯示了采用現(xiàn)有技術(shù)絞車的鉆機的側(cè)面正視圖；圖2顯示了本發(fā)明的永磁體直接驅(qū)動絞車的優(yōu)選實施例的側(cè)面正視圖；圖3顯示了本發(fā)明的永磁體直接驅(qū)動的優(yōu)選實施例的透視圖；圖4顯示了本發(fā)明的永磁電動機的剖視圖；圖5顯示了與本發(fā)明的永磁電動機相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動板的平面圖；圖6顯示了本發(fā)明的永磁電動機的轉(zhuǎn)子的透視圖；圖7顯示了本發(fā)明的永磁電動機的定子的透視圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的教導的雙速永磁體直接驅(qū)動絞車的示意圖；圖9是在本發(fā)明的雙速永磁電動機中使用的繞組圖；圖10是顯示圖9的繞組圖的并聯(lián)連接的圖；以及圖11是顯示圖9的繞組圖的串聯(lián)連接的圖。
具體實施方式
參照圖2，顯示了本發(fā)明的永磁體直接驅(qū)動絞車100的優(yōu)選實施例的側(cè)面正視圖。絞車100具有永磁電動機40。軸41連接到永磁電動機40。軸承套45被定位成與永磁電動機40和軸41相鄰。軸41伸長通過軸承套45并進入到電動機40的內(nèi)部中。滾筒43連接到軸41的與永磁電動機40相對的端部47。鋼絲繩24繞滾筒43卷繞。滾筒43在絞車架53中。絞車架53支撐軸41以將滾筒43和電動機40保持在諸如鉆臺12的底部表面以上。制動系統(tǒng)49定位在滾筒43的與電動機40相對的一側(cè)。在圖2中，制動系統(tǒng)49具有被定位成與滾筒43相鄰的制動盤51。圖2中的制動系統(tǒng)49被水冷卻。電源48連接到永磁電動機40以將電力供應給永磁電動機40。永磁電動機40使軸41旋轉(zhuǎn)，所述軸41使?jié)L筒43旋轉(zhuǎn)。滾筒43的旋轉(zhuǎn)使鋼絲繩24基于滾筒43的旋轉(zhuǎn)方向伸長或收回。當鋼絲繩24被收回時，鋼絲繩24繞滾筒43的外表面卷繞。滾筒43的縱向軸線與軸41的縱向軸線對準。滾筒43和軸41的縱向軸線基本上平行于鉆臺12。參照圖3，顯示了本發(fā)明的永磁體直接驅(qū)動絞車100的透視圖。永磁電動機40具有殼體42。如以下更加詳細地所述，轉(zhuǎn)子和定子位于殼體42內(nèi)。殼體42具有大致圓筒形形狀。殼體42具有入口 55和出口 57。為了冷卻電動機40的轉(zhuǎn)子和定子，空氣被通入到入口 55中，在殼體42的內(nèi)部循環(huán)，并通過出口 57被排出。蓋50固定到殼體42的頂部表面44。制動系統(tǒng)49的盤51被定位成在絞車架53內(nèi)部與滾筒43相鄰。滾筒43被成成形為類似于紗卷軸以有效地存儲長長度的鋼絲繩。滾筒43被卷繞有鋼絲繩。滾筒43的旋轉(zhuǎn)用于收緊和放松該鋼絲繩。鋼絲繩以這里先前結(jié)合圖1所述的方式從滾筒43伸長。因此，由永磁電動機40引起的滾筒43的旋轉(zhuǎn)可以使鋼絲繩收緊和放松以便于升起或下放游動滑車。參照圖4，顯示了永磁電動機40的殼體42的剖視圖。如可以看到的，殼體42限定內(nèi)部室60。軸41從永磁電動機40的殼體42的內(nèi)部60向外延伸。定子62固定到殼體42的壁。定子62繞殼體42的圓形內(nèi)部延伸。轉(zhuǎn)子64被定位成緊鄰定子62。轉(zhuǎn)子64具有繞轉(zhuǎn)子64的外周形成的多個永磁體(在下文中更詳細地描述)。定子62具有繞定子62的內(nèi)表面定位的線線圈。定子62的線圈和轉(zhuǎn)子64的永磁體的相互作用提供永磁電動機40的旋轉(zhuǎn)能力。驅(qū)動板66固定到轉(zhuǎn)子64的頂部。軸41與驅(qū)動板66接合，使得通過轉(zhuǎn)子64施加給驅(qū)動板66的轉(zhuǎn)動能將被施加給軸41。軸41從殼體42的內(nèi)部室60向外延伸。絞車架53的端部可以被看到定位在軸承套45與電動機40之間。因此，軸41伸長通過電動機40、絞車架53和軸承套45。永磁電動機由于兩個磁場的相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩而旋轉(zhuǎn)。這些磁場由安裝在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子上的永磁體和定子的固定繞組所感生的磁場而產(chǎn)生。當轉(zhuǎn)子的磁矢量相對于定子的磁矢量為90°時，轉(zhuǎn)矩最大。在該位置，所述轉(zhuǎn)矩迫使轉(zhuǎn)子的磁極在定子場的方向上旋轉(zhuǎn)。在梯形驅(qū)動無刷DC電動機中，依序交替通過三個線圈中的兩個線圈的電流產(chǎn)生定子場。剩余的第三線圈監(jiān)測兩個有效線圈的反EMF(電動勢)。當永磁電動機旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生反EMF。每一個繞組產(chǎn)生與繞組的主電壓相反的電壓。反EMF取決于轉(zhuǎn)子的角速度、轉(zhuǎn)子磁鐵生成的磁場、和定子繞組的匝數(shù)。電動機的反EMF提供轉(zhuǎn)子的位置相對于定子繞組的反饋。具有傳感器的永磁電動機提供類似的位置反饋。通過永磁體同步電動機使用的正弦曲線換向，驅(qū)動控制電路同時給三個線圈提供電力。
自從20世紀90年代起已經(jīng)在市場上可買到永磁電動機。然而，永磁電動機由于與轉(zhuǎn)子上的昂貴永磁體相關(guān)聯(lián)的高成本而還沒有被廣泛使用。另外，永磁電動機復雜的控制算法需要專門的工程專業(yè)知識以及嵌入式處理器的額外成本。永磁電動機比AC感應電動機更加有效。然而，由于近來銅價格的上漲，基于電流繞組的感應電動機已經(jīng)變得更加高成本，并且永磁電動機已經(jīng)變得相對不是很昂貴。另外，技術(shù)的新發(fā)展已經(jīng)將永磁電動機的功率輸出改進到這種電動機與現(xiàn)有的感應電動機的功率密度相比具有極好的功率密度的功率輸出。因此，圖4所示的永磁電動機40提供用于絞車100的軸41和滾筒43的直接驅(qū)動的極好的功率輸出。參照圖5，顯示了本發(fā)明的絞車100的永磁電動機40的驅(qū)動板66的平面圖。驅(qū)動板66具有帶有外周邊90的圓形形狀。螺栓孔92被形成為與外周邊90相鄰。螺栓孔92允許驅(qū)動板66與轉(zhuǎn)子的頂部的栓接連接?；ㄦI孔口 94形成在驅(qū)動板66的中心以容納軸41的花鍵。參照圖6，顯示了本發(fā)明的絞車100的永磁電動機40的轉(zhuǎn)子64的單獨的透視圖。驅(qū)動板66可以直接安裝到轉(zhuǎn)子64的頂部上。永磁體磁極以彼此間隔開的關(guān)系固定到轉(zhuǎn)子64的外表面。間隔器106用于將永磁體磁極中的一個與相鄰的永磁體磁極隔離開。間隔器106可以是單獨件，或者間隔器106可以簡單地是轉(zhuǎn)子64的外周邊上形成的表面。轉(zhuǎn)子64的中心形成有轉(zhuǎn)子支承孔110。參照圖7，顯示了本發(fā)明的絞車100的永磁電動機40的定子62的單獨透視圖。定子62具有用于將線圈122與殼體42的內(nèi)壁間隔開的外罩120。線圈122從外罩120徑向向內(nèi)延伸。線圈122的內(nèi)表面124限定圓形孔口，轉(zhuǎn)子64放置在所述圓形孔口中。因此，永磁體磁極104緊鄰線圈122，使得永磁電動機40可以被適當操作。適當?shù)碾娮釉O(shè)備連接到永磁電動機40以有助于永磁電動機40的適當操作。在本發(fā)明中，要理解的是永磁體直接驅(qū)動絞車100直接連接到軸41。因此，在這些區(qū)域中沒有相互連接的齒輪或其它傳動機構(gòu)。絞車100因此以相對輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)為鉆柱的適當旋轉(zhuǎn)提供增加的功率密度。通過本發(fā)明有效地避免了與傳動系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的重量。此夕卜，在本發(fā)明中避免了安裝這種傳動系統(tǒng)使得感應電動機的電力可以被傳遞給驅(qū)動系統(tǒng)的復雜性。因此，本發(fā)明的永磁體直接驅(qū)動絞車可以用于以最小的重量旋轉(zhuǎn)鉆柱的適當目的。不同于與鉆井操作相關(guān)聯(lián)的可以重達超過100，000磅的現(xiàn)有電動機，本發(fā)明的永磁電動機將僅重大約60，000磅。因此，本發(fā)明的永磁電動機可以被容易地在傳統(tǒng)的貨車上在路上運輸。不同于現(xiàn)有技術(shù)，電動機40無須獨自組裝或在現(xiàn)場與傳動系統(tǒng)組裝在一起。因此，本發(fā)明避免了需要在電動機與絞車之間進行傳動的這些系統(tǒng)所需的安裝人員的專用需求。本發(fā)明的永磁電動機減小的重量避免了否則不利地影響傳統(tǒng)的感應電動機的操作的一些慣性效應。本發(fā)明的電動機40可以被隨意更換用于與鉆機的直接驅(qū)動頂驅(qū)或鉆機的泥漿泵結(jié)合使用。由于不需要傳動系統(tǒng)，因此可以為鉆進操作提供這種永磁電動機的設(shè)置以與絞車或其它目的相關(guān)聯(lián)而使用。如果任一個電動機失效，則其它電動機中的任一個可以被代替，因此鉆機不會存在任何停機時間。圖8顯示了根據(jù)本發(fā)明的教導的永磁體直接驅(qū)動絞車200的圖。永磁體直接驅(qū)動絞車200包括具有第一組繞組和第二組繞組的永磁電動機202。圖8提供了顯示第一組繞組和第二組繞組的繞組圖。軸以本文先前所述的方式從永磁電動機延伸，使得永磁電動機202直接旋轉(zhuǎn)軸。滾筒以本文先前所述的方式遠離永磁電動機連接到軸。因此，軸的旋轉(zhuǎn)將使?jié)L筒進行相應的旋轉(zhuǎn)。開關(guān)204與第一組繞組和第二組繞組協(xié)作以使所述第一組繞組和所述第二組繞選擇性地并聯(lián)連接或串聯(lián)連接。本文中圖10顯示了繞組的并聯(lián)連接。本文中圖11顯示了繞組的串聯(lián)連接。如圖8中可以看到的，多個切換裝置206、208和210電連接到永磁電動機202。開關(guān)204、206、208和210中的每一個都可以采用適當?shù)奶幚砥饕允骨袚Q動作發(fā)生。在圖8中，可以看到的是具有三相AC電源212。切換裝置204沿著線路214、216和218電連接到電源212的相應相。主斷路開關(guān)220定位在線214、216和218上以選擇性地允許永磁電動機202與電源212的斷開。變頻驅(qū)動系統(tǒng)222也連接到線路214、216和218。DC鏈路負載組224為變頻驅(qū)動系統(tǒng)提供電力。電阻負載組226通過線路228、230和232電連接到相應的線路214、216和218。主電動機斷路開關(guān)234設(shè)置在線214、216和218上。在功率損失或維修負載的情況下，主電動機斷開裝置將永磁電動機202連接到電阻負載組226。因此，旁通線路236將使開關(guān)238關(guān)閉以在電阻負載組226與永磁電動機202之間建立電路徑。電阻負載組226內(nèi)可以具有動態(tài)制動電阻器。圖9是顯示第一組繞組250和第二組繞組252的示意性繞組圖。圖10顯示了當并聯(lián)連接時第一組繞組250和第二組繞組252之間的連接。圖11顯示了當串聯(lián)連接時第一組繞組250與第二組繞組252之間的連接。在本發(fā)明的永磁體直接驅(qū)動絞車200中，繞組250和252已經(jīng)設(shè)置成如下構(gòu)造:使得繞組250和252當串聯(lián)連接時可以連接以用于額定基準電壓或繞組250和252當被設(shè)置成并聯(lián)連接時可以連接用于所述量的一半量的額定電壓。通過諸如開關(guān)204、206208或210的手動選擇器開口選擇這些連接?？蛇x地，可以通過計算機或通過由鉆井控制系統(tǒng)控制的處理器自動選擇所述連接。當在并聯(lián)布置中連接時，如圖10所示，頻率增加到兩倍額定頻率。在施加額定電流和額定電壓的情況下，以額定功率值實現(xiàn)兩倍額定速率。依此方式，實現(xiàn)有效的雙速永磁體直接驅(qū)動絞車。基于具體的驅(qū)動裝置制造商的驅(qū)動裝置特性和性能仍然可實現(xiàn)兩倍額定值以上的超速狀態(tài)。本發(fā)明采用超速檢測器以打開電源(即，變頻驅(qū)動系統(tǒng)電源電路)并同時使用負載組226的動態(tài)制動電阻器以吸收卷揚機或絞車的旋轉(zhuǎn)滾筒的由重物或負載的勢能產(chǎn)生的動能。這允許能夠適當?shù)販p慢負載在這種狀態(tài)下的移動。因此，相對于重物的相關(guān)負載提供了最大安全或速度限制。當在圖10的并聯(lián)連接中時，電動機繞組的電壓將需要一半額定電壓。因此，通過兩倍額定頻率和額定電壓的操作，速率是兩倍額定值。這是因為并聯(lián)繞組中的每一個將被視為兩倍額定電壓。當在圖11的串聯(lián)結(jié)構(gòu)中時，在施加額定電壓和額定頻率的情況下，速度是并聯(lián)連接(圖10)的一半。頻率保持額定，但是電力恒定。這產(chǎn)生為并聯(lián)連接(圖10)的兩倍的額定轉(zhuǎn)矩。在失控狀態(tài)或超速狀態(tài)下，定子電力端子通過電源開關(guān)被隨即斷開并連接到負載組226或電阻網(wǎng)絡(luò)以吸收減小的電力并限制下降負載的最高速度或最大速度?？梢愿袦y這些狀態(tài)的典型的超速裝置可以是編碼器、機械啟動慣性開關(guān)和類似裝置。由于由永磁體直接驅(qū)動電動機202產(chǎn)生的場通量的固有特性，這種動態(tài)制動采用驅(qū)動電動機本身作為制動裝置。因此，這限制了設(shè)備損壞并增加了人身安全。本發(fā)明的上述公開和描述是示例性的并且是本發(fā)明的示例?？梢栽诓槐畴x本發(fā)明的真實精神的情況下在所附權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)對所示的結(jié)構(gòu)的細節(jié)進行各種改變。本發(fā)明應當僅由以下權(quán)利要求及合理等效形式限制。
權(quán)利要求
1.一種直接驅(qū)動絞車，包括: 永磁電動機，所述永磁電動機具有第一組繞組和第二組繞組； 軸，所述軸從所述永磁電動機延伸使得所述永磁電動機直接旋轉(zhuǎn)所述軸； 滾筒，所述滾筒遠離所述永磁電動機連接到所述軸，使得所述軸的旋轉(zhuǎn)使所述滾筒進行相應的旋轉(zhuǎn)；和 開關(guān)，所述開關(guān)與所述第一組繞組和所述第二組繞組協(xié)作以使所述第一組繞組和所述第二組繞組選擇性地并聯(lián)連接或串聯(lián)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接驅(qū)動絞車，還包括:處理裝置，所述處理裝置連接到所述開關(guān)以相對于一狀態(tài)在所述并聯(lián)連接與所述串聯(lián)連接之間進行切換。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直接驅(qū)動絞車，所述狀態(tài)是所述滾筒上的負載。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的直接驅(qū)動絞車，當所述滾筒上的負載為第一量時，所述處理裝置切換到所述并聯(lián)連 接，而當所述滾筒上的負載為第二量時，所述處理裝置切換到所述串聯(lián)連接，所述第二量大于所述第一量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接驅(qū)動絞車，還包括:電連接到所述永磁電動機的AC電源。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的直接驅(qū)動絞車，還包括:變頻驅(qū)動裝置，所述變頻驅(qū)動裝置在所述AC電源與所述永磁電動機之間相互電連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的直接驅(qū)動絞車，還包括:電阻負載組，所述電阻負載組在所述AC電源與所述永磁電動機之間相互電連接；和轉(zhuǎn)換開關(guān)，所述轉(zhuǎn)換開關(guān)用于在出現(xiàn)一狀態(tài)時將所述電阻負載組直接電連接到所述永磁電動機。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的直接驅(qū)動絞車，所述狀態(tài)是從所述AC電源到所述永磁電動機的電力的中斷。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的直接驅(qū)動絞車，所述狀態(tài)是影響所述滾筒的過載狀態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的直接驅(qū)動絞車，所述電阻負載組包括動態(tài)制動電阻器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接驅(qū)動絞車，當所述開關(guān)并聯(lián)連接所述第一組繞組和所述第二組繞組時，所述永磁電動機具有第一速度，當所述開關(guān)串聯(lián)連接所述第一組繞組和所述第二組繞組時，所述永磁電動機具有第二速度，所述第一速度大于所述第二速度。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的直接驅(qū)動絞車，所述第一速度大約為所述第二速度的兩倍。
13.一種雙速永磁體驅(qū)動系統(tǒng)，包括: 永磁電動機，所述永磁電動機具有第一組繞組和第二組繞組； 軸，所述軸從所述永磁電動機延伸使得所述永磁電動機直接旋轉(zhuǎn)所述軸，所述永磁電動機包括: 殼體； 位于所述殼體中的定子；和 與所述定子協(xié)作的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子連接到所述軸或互連到所述軸，所述定子使所述第一組繞組和所述第二組繞組繞所述定子的內(nèi)表面延伸，所述轉(zhuǎn)子是具有多個永磁體的環(huán)形構(gòu)件，所述多個永磁體繞所述轉(zhuǎn)子的外周以間隔開的關(guān)系安裝；和 開關(guān)，所述開關(guān)與所述第一組繞組和所述第二組繞組協(xié)作以使所述第一組繞組和所述第二組繞組選擇性地并聯(lián)連接或串聯(lián)連接。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的驅(qū)動系統(tǒng)，當所述開關(guān)并聯(lián)連接所述第一組繞組和所述第二組繞組時，所述永磁電動機具有第一速度，當所述開關(guān)串聯(lián)連接所述第一組繞組和所述第二組繞組時，所述永磁電動機具有第二速度，所述第一速度大于所述第二速度。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的驅(qū)動系統(tǒng)，還包括:處理裝置，所述處理裝置連接到所述開關(guān)以相對于一狀態(tài)在所述并聯(lián)連接與所述串聯(lián)連接之間進行切換。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的驅(qū)動系統(tǒng)，還包括: AC電源，所述AC電源電連接到所述永磁電動機； 電阻負載組，所述電阻負載組在所述AC電源與所述永磁電動機之間相互電連接；和 轉(zhuǎn)換開關(guān)，所述轉(zhuǎn)換開關(guān)用于在出現(xiàn)一狀態(tài)時將所述電阻負載組直接電連接到所述永磁電動機。
17.一種直接驅(qū)動絞車，包括: AC電源； 電連接所述AC電源的永磁電動機； 軸，所述軸從所述永磁電動機延伸使得所述永磁電動機直接旋轉(zhuǎn)所述軸； 滾筒，所述滾筒遠離所述永磁電動機連接到所述軸使得所述軸的旋轉(zhuǎn)使所述滾筒進行相應的旋轉(zhuǎn)； 電阻負載組，所述電阻負載組在所述AC電源與所述永磁電動機之間相互電連接；和 轉(zhuǎn)換開關(guān)，所述轉(zhuǎn)換開關(guān)用于在發(fā)生一狀態(tài)時將所述電阻負載組直接電連接到所述永磁電動機。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的直接驅(qū)動絞車，所述永磁電動機具有第一組繞組和第二組繞組，所述直接驅(qū)動絞車還包括: 開關(guān)，所述開關(guān)與所述第一組繞組和所述第二組繞組協(xié)作以使所述第一組繞組和所述第二組繞組選擇性地并聯(lián)連接或串聯(lián)連接。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的直接驅(qū)動絞車，所述狀態(tài)是從所述電源到所述永磁電動機的電力的中斷。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的直接驅(qū)動絞車，所述電阻負載組包括動態(tài)制動電阻器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直接驅(qū)動絞車(100)，該直接驅(qū)動絞車具有永磁電動機(40)，所述永磁電動機具有第一組繞組(250)和第二組繞組(252)；軸(41)，所述軸從永磁電動機(40)延伸使得永磁電動機直接旋轉(zhuǎn)軸(41)；滾筒(43)，所述滾筒遠離永磁電動機(40)連接到軸(41)，使得軸(41)的旋轉(zhuǎn)使?jié)L筒(43)進行相應的旋轉(zhuǎn)；和開關(guān)，所述開關(guān)與第一組繞組和第二組繞組協(xié)作以使第一組繞組和第二組繞組選擇性地并聯(lián)或串聯(lián)連接。
文檔編號H02K7/06GK103221630SQ201180053242
公開日2013年7月24日 申請日期2011年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者凱文·R·威廉姆斯 申請人:凱文·R·威廉姆斯