永磁渦流制動

楊俊毅　劉釗　楊榕

摘 要：螺桿泵已經在國內的油田中得到了非常廣泛的應用，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，我們設計了使用永磁鐵的盤形制動器，它這樣的設計完全可以保證整個制動系統在制動的過程中就不會出現上述的問題，也就避免了安全隱患。

關鍵詞：螺桿泵；永磁渦流制動；柔性；自動調節

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

0 前言

隨著世界經濟的不斷發展，全球對于石油產品的需求量也在不斷的增大，因此石油開采業也進入了全新的時代，而更節能和高效螺桿泵式抽油機已經逐漸取代傳統的游梁式抽油機成為油田采油的主要設備，目前螺桿泵井地面驅動設備主要有常規偏置式驅動裝置和電機直驅裝置兩種，雖然螺桿泵式抽油機有著很多的優點，但是在實際應用過程中還存在著以下問題：

（1）在桿柱反轉控制上不能保證絕對安全，棘輪棘爪式防反轉裝置需要人為在地面上釋放扭矩，風險系數高；而液壓防反轉和電磁能耗制動防反轉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備上高速旋轉會帶來較大的安全風險；

（2）維護性成本較高，偏置式驅動裝置利用皮帶輪和減速箱來傳遞扭矩，傳動部件多，導致運行效率低，后期維護工作量大，電機直驅裝置采用永磁電機直接驅動，永磁電機的成本高，且存在著退磁的風險。如何才能更加安全和便捷的實現對桿柱反轉的控制呢，經過多次論證后發現利用永磁渦流原理設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的是：（1）通過永磁渦流制動器所產生的制動力來控制螺桿反轉的速度；（2）進行能量的轉換，將螺桿中所儲存的形變勢能轉化為其他形式的能量，主要是轉化為熱能通過傳導、對流和輻射等方式傳遞到周圍空間之中，從而達到能量轉換的目的。它的主要原理：當螺桿反轉帶動導磁盤轉動，在永磁盤磁場的作用下，導磁盤單位區域內的磁通量是不斷變化的，根據磁塊的排布規律，進而得出其磁通量的變化近似于余弦函數。根據電磁感應定律，變化的磁場會產生變化的電場，由此可知隨著導磁盤的轉動，在整個系統中就產生渦電流，，而渦電流在磁場中運動就會產生洛倫茲力，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就是利用法拉第電磁感應定律的基本內容，將動能轉化為電能，再將電能轉為熱能的過程。

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，但是由于現場環境以及現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據的合理性。

根據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數據做如下假設：

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

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

3 螺桿泵用永磁渦流制動器的優點

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，實現在無任何外力控制的條件下自動控制螺桿反轉的轉速。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裝置，與以前的轉裝置相比較，永磁渦流制動器所具有的最大優勢就是在螺桿反轉的過程中，它實現了在不需要外界任何動力的條件下限制螺桿的轉速，這樣就完全避免了液壓和電磁防反轉裝置在外界動力消失時其調節功能失效的情況，從而實現自動調節轉速，因此永磁渦流制動器更加符合現在社會對節約能源方面的要求；

（2）結構緊湊；能保持制動的穩定性和持久性；

（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是通過電磁感應原理產生的反向制動力矩來進行制動的，因此它沒有接觸，進而不會出現摩擦、磨損、以及接觸疲勞等問題的發生。由于沒有接觸也就不會產生制動粉塵和制動噪音，更加符合環保的要求。

4 結論

將永磁渦流制動裝置應用至螺桿泵式采油機上，是對永磁渦流制動理論在向實際應用領域的一次新的開拓，正是因為上述永磁渦流制動裝置有著傳統制動裝置所無法比擬的優點，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的不斷發展，其必然會取代以往那些傳統的制動技術成為未來機械產品的主要制動方式。

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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。