專利名稱：雙速直接驅動絞車的制作方法
技術領域：
本發明涉及油田設備。更具體地，本發明涉及在油氣鉆井和開采中使用的絞車。更具體地，本發明涉及一種具有永磁電動機的絞車。另外，本發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動系統。
背景技術：
絞車是在油氣鉆井和開采中使用的普通油田設備件。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，類似的設備用于升起煤炭、蓋層物質、砂礫石、磷酸鹽和其它礦物質。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。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顯示了使用現有技術絞車26的普通鉆機10。絞車26安裝到井架11內部中的鉆臺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。滑輪25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和相關聯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、以及用于使滾筒的旋轉緩慢的制動系統。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電動機和柴油機內燃機。電力通常從電動機通過鏈傳動機構或齒輪傳動機構被傳遞給軸。制動系統可以使用用于制動滾筒的各種技術。制動系統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。傳動裝置的使用產生通常與典型的絞車相關聯的多個問題。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的旋轉方向。因此，需要一種輕質、容易維修，使用較少能量并且更加能量有效的簡單設計的絞車。在過去，已經授予了關于絞車的各種專利。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。每一個系統具有至少一個電源、動力傳動裝置和連接到電源和傳動裝置以及滾筒軸的聯接器。每一個系統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。在任一個系統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合安裝的盤式制動設備。所述設備自動感測鉆桿中的任意反向轉矩情況并迅速地設定致動以阻止將任意反向轉矩傳遞給所述設備的轉臺裝置離合器機構。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備的重量的可反轉液壓馬達和高壓/低壓液壓貯存器系統。測壓元件控制液壓馬達的輸出驅動的輸出轉矩和方向。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矩。在浮式鉆臺向上移動時，液壓馬達反轉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，這減小絞車的轉矩并使絞車的方向反轉。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的圓柱形轉子的電動機的卷揚機。滾筒固定到轉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。支承機構位于電動機定子與電動機轉子之間。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動連接裝置、發電機、用于將電力供應給電動機的在發電機和電動機之間的電連接裝置、發動機、和發動機與發電機之間的用于將電力供應給發動機的連接裝置。電動馬達具有基本上大于發動機的功率輸出能力的總功率消耗能力，藉此可用于驅動絞車的轉矩基本上大于可從具有等于發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、將電纜滾筒可旋轉地支撐在兩個豎直支撐壁構件之間的電纜滾筒軸、輸入軸、用于旋轉地驅動輸入軸的驅動機構、用于使滾筒軸和電纜滾筒響應于輸入軸的旋轉以多個速度中的任一個旋轉的離合器控制鏈輪鏈條傳動裝置、和設置在支撐壁構件中的一個的外部的控制器。滾筒軸具有超過支撐壁構件中的一個的延伸部。單個外側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和方法，其中所述絞車具有上面卷繞有鋼絲繩的可旋轉滾筒。絞車和鋼絲繩用于有助于懸掛在鋼絲繩上的負載的移動。絞車控制系統監測和控制絞車。制動裝置連接到可旋轉滾筒以限制可旋轉滾筒的旋轉。電動馬達連接到可旋轉滾筒以驅動可旋轉滾筒。絞車控制系統提供表示電動機的計算的轉矩值的信號，在所述電動機中，響應于所述信號在電動機中產生預先轉矩。當電動機預先轉矩水平基本上等于計算的轉矩值時，可旋轉滾筒的旋轉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。電纜的旋轉由動力制動機構控制。控制設備具有產生與電纜中的張力成比例的張力信號的電纜張力傳感器。脈沖發生器產生脈沖控制信號。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。本發明人在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電動機驅動的鋼絲繩滾筒。驅動軸聯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的同時存儲能量的飛輪系統。存儲在飛輪中的能量用于開始鋼絲繩滾筒的另一個旋轉。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。對于空載或對于非常輕的負載(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聯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矩或減小的轉矩。在過去，已經授予了關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。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。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造成形成低于第二主繞組的極數。定子芯形成定子孔。電動機還包括轉子，所述轉子具有與定子芯軸向同心布置的轉子軸和與轉子軸同心定位的轉子芯。副導體與轉子軸軸向布置并延伸通過轉子芯。多個永磁體位于轉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的極數。另外，在永磁電動機用于直接驅動絞車的情況下，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”。這可能會導致重負載經由重量和地球的重力而急速自由下落。因此，可能會發生損壞并且對井隊人員可能會產生安全隱患。因此，需要進行研發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”。
發明內容
本發明的目的是提供一種直接驅動絞車。本發明的另一個目的是提供一種沒有傳動機構的絞車。本發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。本發明的另一個目的是提供一種相對輕質的絞車。本發明的另一個目的是提供一種可在傳統的道路系統上容易地輸送的絞車。本發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動絞車。本發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的永磁體直接驅動絞車。本發明的另一個目的是提供一種有效地防止發生由于維修荷載或功率損失而導致的任意失控狀態的永磁體直接驅動絞車。本發明的這些及其它目的和優點將從以下說明書和所附權利要求的獲悉變得清
楚呈現。本發明涉及一種直接驅動絞車，該直接驅動絞車具有: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，使得軸的旋轉使滾筒進行相應的旋轉；和開關，所述開關與第一組繞組和第二組繞組協作以使第一組繞組和第二組繞組選擇性地并聯連接或串聯連接。處理器連接到開關以相對于影響軸和滾筒上的負載的狀態在并聯連接與串聯連接之間進行切換。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連接。負載的第二量大于負載的第一量。在本發明中，AC電源電連接到永磁電動機。變頻驅動裝置在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。轉換開關用于在出現一狀態時將電阻負載組直接電連接到永磁電動機。這種狀態可以是從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。電阻負載組可以包括動態制動電阻器。當開關并聯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。當開關串聯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。在本發明的優選實施例中，第一速度大約為第二速度的兩倍。
在本發明的永磁電動機中，第一組繞組和第二組繞組被構造使得當串聯連接時可以連接用于額定基準電壓，或當并聯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選擇或通過由鉆井控制系統控制的處理器自動選擇兩種不同的連接。當以并聯布置連接時，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兩倍額定速率。依此方式，實現有效的雙速絞車。應該注意的是基于具體的驅動裝置制造商的驅動裝置特性和性能仍然可實現兩倍額定值以上的超速狀態。本發明采用超速檢測器以打開電源(即，變頻驅動系統電源電路)并同時插入到動態制動電阻器或“負載組”以吸收卷揚機或絞車的旋轉滾筒的由來自重物或“負載”(即，從絞車鉤懸掛的鉆柱和相關聯的行進和鉆井設備)的勢能產生的動能以減緩這種狀態。這確保相對于相關聯的重物的負載(公知為“鉆壓”或鉆柱和相關鉆井設備的自由懸掛重量)受限的最大安全速度。因此，當在失控狀態下時可防止負載墜落。通過永磁電動機設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控制。對于速度的選擇實現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結構或并聯結構并被適當控制。當并聯選擇時，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，并聯繞組的每一組并聯繞組具有雙倍額定電壓)，速度是兩倍額定值。當在串聯結構中時，在施加額定電壓和額定頻率的情況下，速度是并聯連接的一半。頻率保持額定，但是功率恒定以產生為并聯連接的兩倍的額定轉矩。在失控狀態或超速發生期間，定子電力端子通過電源開關隨即斷開并連接到負載組或電阻網絡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生的場通量的固有特性，這種動態制動系統采用驅動電動機本身作為制動裝置。因此，本發明可以避免設備損壞并增加人身安全。
圖1顯示了采用現有技術絞車的鉆機的側面正視圖；圖2顯示了本發明的永磁體直接驅動絞車的優選實施例的側面正視圖；圖3顯示了本發明的永磁體直接驅動的優選實施例的透視圖；圖4顯示了本發明的永磁電動機的剖視圖；圖5顯示了與本發明的永磁電動機相關聯的驅動板的平面圖；圖6顯示了本發明的永磁電動機的轉子的透視圖；圖7顯示了本發明的永磁電動機的定子的透視圖；圖8是根據本發明的教導的雙速永磁體直接驅動絞車的示意圖；圖9是在本發明的雙速永磁電動機中使用的繞組圖；圖10是顯示圖9的繞組圖的并聯連接的圖；以及圖11是顯示圖9的繞組圖的串聯連接的圖。
具體實施方式
參照圖2，顯示了本發明的永磁體直接驅動絞車100的優選實施例的側面正視圖。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49定位在滾筒43的與電動機40相對的一側。在圖2中，制動系統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，所述軸41使滾筒43旋轉。滾筒43的旋轉使鋼絲繩24基于滾筒43的旋轉方向伸長或收回。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，顯示了本發明的永磁體直接驅動絞車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，轉子和定子位于殼體42內。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的轉子和定子，空氣被通入到入口 55中，在殼體42的內部循環，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49的盤51被定位成在絞車架53內部與滾筒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的旋轉用于收緊和放松該鋼絲繩。鋼絲繩以這里先前結合圖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限定內部室60。軸41從永磁電動機40的殼體42的內部60向外延伸。定子62固定到殼體42的壁。定子62繞殼體42的圓形內部延伸。轉子64被定位成緊鄰定子62。轉子64具有繞轉子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的內表面定位的線線圈。定子62的線圈和轉子64的永磁體的相互作用提供永磁電動機40的旋轉能力。驅動板66固定到轉子64的頂部。軸41與驅動板66接合，使得通過轉子64施加給驅動板66的轉動能將被施加給軸41。軸41從殼體42的內部室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生的轉矩而旋轉。這些磁場由安裝在旋轉轉子上的永磁體和定子的固定繞組所感生的磁場而產生。當轉子的磁矢量相對于定子的磁矢量為90°時，轉矩最大。在該位置，所述轉矩迫使轉子的磁極在定子場的方向上旋轉。在梯形驅動無刷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生定子場。剩余的第三線圈監測兩個有效線圈的反EMF(電動勢)。當永磁電動機旋轉時產生反EMF。每一個繞組產生與繞組的主電壓相反的電壓。反EMF取決于轉子的角速度、轉子磁鐵生成的磁場、和定子繞組的匝數。電動機的反EMF提供轉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年代起已經在市場上可買到永磁電動機。然而，永磁電動機由于與轉子上的昂貴永磁體相關聯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變得更加高成本，并且永磁電動機已經變得相對不是很昂貴。另外，技術的新發展已經將永磁電動機的功率輸出改進到這種電動機與現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的直接驅動的極好的功率輸出。參照圖5，顯示了本發明的絞車100的永磁電動機40的驅動板66的平面圖。驅動板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允許驅動板66與轉子的頂部的栓接連接。花鍵孔口 94形成在驅動板66的中心以容納軸41的花鍵。參照圖6，顯示了本發明的絞車100的永磁電動機40的轉子64的單獨的透視圖。驅動板66可以直接安裝到轉子64的頂部上。永磁體磁極以彼此間隔開的關系固定到轉子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可以簡單地是轉子64的外周邊上形成的表面。轉子64的中心形成有轉子支承孔110。參照圖7，顯示了本發明的絞車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的內壁間隔開的外罩120。線圈122從外罩120徑向向內延伸。線圈122的內表面124限定圓形孔口，轉子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。適當的電子設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。在本發明中，要理解的是永磁體直接驅動絞車100直接連接到軸41。因此，在這些區域中沒有相互連接的齒輪或其它傳動機構。絞車100因此以相對輕質的結構為鉆柱的適當旋轉提供增加的功率密度。通過本發明有效地避免了與傳動系統相關聯的重量。此夕卜，在本發明中避免了安裝這種傳動系統使得感應電動機的電力可以被傳遞給驅動系統的復雜性。因此，本發明的永磁體直接驅動絞車可以用于以最小的重量旋轉鉆柱的適當目的。不同于與鉆井操作相關聯的可以重達超過100，000磅的現有電動機，本發明的永磁電動機將僅重大約60，000磅。因此，本發明的永磁電動機可以被容易地在傳統的貨車上在路上運輸。不同于現有技術，電動機40無須獨自組裝或在現場與傳動系統組裝在一起。因此，本發明避免了需要在電動機與絞車之間進行傳動的這些系統所需的安裝人員的專用需求。本發明的永磁電動機減小的重量避免了否則不利地影響傳統的感應電動機的操作的一些慣性效應。本發明的電動機40可以被隨意更換用于與鉆機的直接驅動頂驅或鉆機的泥漿泵結合使用。由于不需要傳動系統，因此可以為鉆進操作提供這種永磁電動機的設置以與絞車或其它目的相關聯而使用。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顯示了根據本發明的教導的永磁體直接驅動絞車200的圖。永磁體直接驅動絞車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，軸的旋轉將使滾筒進行相應的旋轉。開關204與第一組繞組和第二組繞組協作以使所述第一組繞組和所述第二組繞選擇性地并聯連接或串聯連接。本文中圖10顯示了繞組的并聯連接。本文中圖11顯示了繞組的串聯連接。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204、206、208和210中的每一個都可以采用適當的處理器以使切換動作發生。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。變頻驅動系統222也連接到線路214、216和218。DC鏈路負載組224為變頻驅動系統提供電力。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234設置在線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238關閉以在電阻負載組226與永磁電動機202之間建立電路徑。電阻負載組226內可以具有動態制動電阻器。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顯示了當串聯連接時第一組繞組250與第二組繞組252之間的連接。在本發明的永磁體直接驅動絞車200中，繞組250和252已經設置成如下構造:使得繞組250和252當串聯連接時可以連接以用于額定基準電壓或繞組250和252當被設置成并聯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204、206208或210的手動選擇器開口選擇這些連接。可選地，可以通過計算機或通過由鉆井控制系統控制的處理器自動選擇所述連接。當在并聯布置中連接時，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，以額定功率值實現兩倍額定速率。依此方式，實現有效的雙速永磁體直接驅動絞車。基于具體的驅動裝置制造商的驅動裝置特性和性能仍然可實現兩倍額定值以上的超速狀態。本發明采用超速檢測器以打開電源(即，變頻驅動系統電源電路)并同時使用負載組226的動態制動電阻器以吸收卷揚機或絞車的旋轉滾筒的由重物或負載的勢能產生的動能。這允許能夠適當地減慢負載在這種狀態下的移動。因此，相對于重物的相關負載提供了最大安全或速度限制。當在圖10的并聯連接中時，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。這是因為并聯繞組中的每一個將被視為兩倍額定電壓。當在圖11的串聯結構中時，在施加額定電壓和額定頻率的情況下，速度是并聯連接(圖10)的一半。頻率保持額定，但是電力恒定。這產生為并聯連接(圖10)的兩倍的額定轉矩。在失控狀態或超速狀態下，定子電力端子通過電源開關被隨即斷開并連接到負載組226或電阻網絡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。可以感測這些狀態的典型的超速裝置可以是編碼器、機械啟動慣性開關和類似裝置。由于由永磁體直接驅動電動機202產生的場通量的固有特性，這種動態制動采用驅動電動機本身作為制動裝置。因此，這限制了設備損壞并增加了人身安全。本發明的上述公開和描述是示例性的并且是本發明的示例。可以在不背離本發明的真實精神的情況下在所附權利要求的保護范圍內對所示的結構的細節進行各種改變。本發明應當僅由以下權利要求及合理等效形式限制。
權利要求
1.一種直接驅動絞車，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，使得所述軸的旋轉使所述滾筒進行相應的旋轉；和 開關，所述開關與所述第一組繞組和所述第二組繞組協作以使所述第一組繞組和所述第二組繞組選擇性地并聯連接或串聯連接。
2.根據權利要求1所述的直接驅動絞車，還包括:處理裝置，所述處理裝置連接到所述開關以相對于一狀態在所述并聯連接與所述串聯連接之間進行切換。
3.根據權利要求2所述的直接驅動絞車，所述狀態是所述滾筒上的負載。
4.根據權利要求3所述的直接驅動絞車，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連接，所述第二量大于所述第一量。
5.根據權利要求1所述的直接驅動絞車，還包括:電連接到所述永磁電動機的AC電源。
6.根據權利要求5所述的直接驅動絞車，還包括:變頻驅動裝置，所述變頻驅動裝置在所述AC電源與所述永磁電動機之間相互電連接。
7.根據權利要求5所述的直接驅動絞車，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；和轉換開關，所述轉換開關用于在出現一狀態時將所述電阻負載組直接電連接到所述永磁電動機。
8.根據權利要求7所述的直接驅動絞車，所述狀態是從所述AC電源到所述永磁電動機的電力的中斷。
9.根據權利要求7所述的直接驅動絞車，所述狀態是影響所述滾筒的過載狀態。
10.根據權利要求7所述的直接驅動絞車，所述電阻負載組包括動態制動電阻器。
11.根據權利要求1所述的直接驅動絞車，當所述開關并聯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，當所述開關串聯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.根據權利要求11所述的直接驅動絞車，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動系統，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 與所述定子協作的轉子，所述轉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表面延伸，所述轉子是具有多個永磁體的環形構件，所述多個永磁體繞所述轉子的外周以間隔開的關系安裝；和 開關，所述開關與所述第一組繞組和所述第二組繞組協作以使所述第一組繞組和所述第二組繞組選擇性地并聯連接或串聯連接。
14.根據權利要求13所述的驅動系統，當所述開關并聯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，當所述開關串聯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.根據權利要求13所述的驅動系統，還包括:處理裝置，所述處理裝置連接到所述開關以相對于一狀態在所述并聯連接與所述串聯連接之間進行切換。
16.根據權利要求13所述的驅動系統，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 轉換開關，所述轉換開關用于在出現一狀態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使所述滾筒進行相應的旋轉； 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 轉換開關，所述轉換開關用于在發生一狀態時將所述電阻負載組直接電連接到所述永磁電動機。
18.根據權利要求17所述的直接驅動絞車，所述永磁電動機具有第一組繞組和第二組繞組，所述直接驅動絞車還包括: 開關，所述開關與所述第一組繞組和所述第二組繞組協作以使所述第一組繞組和所述第二組繞組選擇性地并聯連接或串聯連接。
19.根據權利要求17所述的直接驅動絞車，所述狀態是從所述電源到所述永磁電動機的電力的中斷。
20.根據權利要求17所述的直接驅動絞車，所述電阻負載組包括動態制動電阻器。
全文摘要
本發明公開了一種直接驅動絞車(100)，該直接驅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)的旋轉使滾筒(43)進行相應的旋轉；和開關，所述開關與第一組繞組和第二組繞組協作以使第一組繞組和第二組繞組選擇性地并聯或串聯連接。
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 優先權日2010年9月7日
發明者凱文·R·威廉姆斯 申請人:凱文·R·威廉姆斯