永磁涡流制动

杨俊毅　刘钊　杨榕

摘 要：螺杆泵已经在国内的油田中得到了非常广泛的应用，而制动器则是保证螺杆泵式抽油机进行安全工作的重要部件，以往的制动器都存在着：磨损、变形，维护成本高等问题。因此，我们设计了使用永磁铁的盘形制动器，它这样的设计完全可以保证整个制动系统在制动的过程中就不会出现上述的问题，也就避免了安全隐患。

关键词：螺杆泵；永磁涡流制动；柔性；自动调节

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

0 前言

随着世界经济的不断发展，全球对于石油产品的需求量也在不断的增大，因此石油开采业也进入了全新的时代，而更节能和高效螺杆泵式抽油机已经逐渐取代传统的游梁式抽油机成为油田采油的主要设备，目前螺杆泵井地面驱动设备主要有常规偏置式驱动装置和电机直驱装置两种，虽然螺杆泵式抽油机有着很多的优点，但是在实际应用过程中还存在着以下问题：

（1）在杆柱反转控制上不能保证绝对安全，棘轮棘爪式防反转装置需要人为在地面上释放扭矩，风险系数高；而液压防反转和电磁能耗制动防反转装置虽然能够自动释放扭矩，但也存在着失控的几率，光杆与方卡子在地面设备上高速旋转会带来较大的安全风险；

（2）维护性成本较高，偏置式驱动装置利用皮带轮和减速箱来传递扭矩，传动部件多，导致运行效率低，后期维护工作量大，电机直驱装置采用永磁电机直接驱动，永磁电机的成本高，且存在着退磁的风险。如何才能更加安全和便捷的实现对杆柱反转的控制呢，经过多次论证后发现利用永磁涡流原理设计的永磁涡流制动器就可以解决上述问题。

1 原理

螺杆泵永磁涡流制动器所要实现的是：（1）通过永磁涡流制动器所产生的制动力来控制螺杆反转的速度；（2）进行能量的转换，将螺杆中所储存的形变势能转化为其他形式的能量，主要是转化为热能通过传导、对流和辐射等方式传递到周围空间之中，从而达到能量转换的目的。它的主要原理：当螺杆反转带动导磁盘转动，在永磁盘磁场的作用下，导磁盘单位区域内的磁通量是不断变化的，根据磁块的排布规律，进而得出其磁通量的变化近似于余弦函数。根据电磁感应定律，变化的磁场会产生变化的电场，由此可知随着导磁盘的转动，在整个系统中就产生涡电流，，而涡电流在磁场中运动就会产生洛伦兹力，即我们所需要的制动力。

从上述过程便可以看出螺杆泵用永磁涡流制动器的实质就是利用法拉第电磁感应定律的基本内容，将动能转化为电能，再将电能转为热能的过程。

2 制动力矩的计算

制动力矩是检验制动器制动效果如何的的重要指标，但是由于现场环境以及现有计算方法的局限性，要想精确计算出制动力矩是很困难的，因此我们只能把研究对象进行模拟的理想化，来进行分析，并粗略计算出制动力矩，再利用计算机软件和对样机进行不断的实验，来完善和验证所计算的数据的合理性。

根据上述制动原理粗略计算出制动力的大小。

为了简化计算过程，在计算过程中对相关数据做如下假设：

（1）永磁体产生的磁通量只分布在与永磁体相对产生涡流的等效面积之内，不考虑圆外漏磁的情况。

（2）导磁盘上铜盘的电阻率（ρ）以及导磁材料的相对磁导率（μ0）均为常数，且不考虑此路饱和。

3 螺杆泵用永磁涡流制动器的优点

螺杆泵用永磁涡流制动器是对永磁涡流传动装置的一次新的应用尝试。通过将永磁涡流制动器安置于电机与井口之间，实现在无任何外力控制的条件下自动控制螺杆反转的转速。该装置具有以下几个特点：

（1）采用永磁涡流制动器替换那些旧的防反转装置，与以前的转装置相比较，永磁涡流制动器所具有的最大优势就是在螺杆反转的过程中，它实现了在不需要外界任何动力的条件下限制螺杆的转速，这样就完全避免了液压和电磁防反转装置在外界动力消失时其调节功能失效的情况，从而实现自动调节转速，因此永磁涡流制动器更加符合现在社会对节约能源方面的要求；

（2）结构紧凑；能保持制动的稳定性和持久性；

（3）维护成本低、使用时间长以及可靠性高。由于永磁涡流制动技术是通过电磁感应原理产生的反向制动力矩来进行制动的，因此它没有接触，进而不会出现摩擦、磨损、以及接触疲劳等问题的发生。由于没有接触也就不会产生制动粉尘和制动噪音，更加符合环保的要求。

4 结论

将永磁涡流制动装置应用至螺杆泵式采油机上，是对永磁涡流制动理论在向实际应用领域的一次新的开拓，正是因为上述永磁涡流制动装置有着传统制动装置所无法比拟的优点，因此，其必然有着无限广阔的市场前景，而随着永磁涡流制动技术的不断发展，其必然会取代以往那些传统的制动技术成为未来机械产品的主要制动方式。

参考文献：

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作者简介：杨俊毅（1984-），男，辽宁大连人，本科，助理工程师，研究方向：液力偶合器及磁力偶合器。