专利名称：双速直接驱动绞车的制作方法
技术领域：
本发明涉及油田设备。更具体地，本发明涉及在油气钻井和开采中使用的绞车。更具体地，本发明涉及一种具有永磁电动机的绞车。另外，本发明涉及能够以两种不同的速度选择性地操作的永磁电动机驱动系统。
背景技术：
绞车是在油气钻井和开采中使用的普通油田设备件。绞车通常安装在钻机附近。绞车的通常功能是将钻杆和套管从井眼升起和将钻杆和套管下入井眼中。绞车可以称为升降机或卷扬机。在钻井采矿业中使用许多不同尺寸的绞车。绞车的尺寸反映在这种绞车的额定功率中。这些绞车共用类似的操作模式和类似的设备。当将诸如钻杆的负载插入裸眼井和从裸眼井取出钻杆时，绞车用于升起和下放所述负载。钻杆的取出可以需要取出超过30，000英尺的钻杆以在钻井操作期间改变钻头或工具。在典型的油井钻进操作期间，钻杆通常被多次升起和下入。在采矿操作期间，类似的设备用于升起煤炭、盖层物质、砂砾石、磷酸盐和其它矿物质。绞车仅被用于一些典型操作。在采矿操作中，铲斗通常被降下以允许铲斗装载有物质。在铲斗被装载之后，绞车用于将装载的铲斗升起到一定高度，从而在地球以上的位置处卸载铲斗。图1显示了使用现有技术绞车26的普通钻机10。绞车26安装到井架11内部中的钻台12。绞车26具有绕滑轮25延伸以从井眼16升起钻杆14和将钻杆下入到井眼16中的钢丝绳24。滑轮25又被公知为天车。井眼16形成在地球50中。钻杆14可以是为在地球15中的井眼16中延伸的一系列钻杆的钻柱。单独的钻杆14在螺纹接头17处连接到钻柱。钻柱的多个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沿着钻杆14的外表面螺旋地延伸从而以使钻杆14的中心在井眼16中的方式接合井眼16的壁。绞车26使安装在井架11上的滑轮25上的钢丝绳24伸长和收回以升起和下入保持钻杆14的钻井单元19。钢丝绳24连接到游动滑车23。游动滑车23从通过绞车26伸长和收回的钢丝绳24悬挂并向上和向下移动。游动滑车23连接到钻井单元19。钻井单元19的上端具有水龙头22，钻井液在水龙头22被引入到钻杆14中，并且钻井单元19通过所述水龙头从游动滑车23悬挂。钻井单元19、钻杆操作器21和相关联的连接部件沿着轴线20垂直移动。通过刚性地连接到井架11的两个垂直导轨27或履带引导垂直移动。钻井单元19连接到托架(carriage) 28。托架28具有接合导轨27的辊。导轨27引导托架28以沿着平行于垂直轴线20的导轨向上和向下垂直移动。钻杆14通过井口装置13被插入中井眼16中和从井眼16被移除。绞车26通常具有中空滚筒、将滚筒连接到电动机的轴、位于电动机与滚筒之间的传动装置、以及用于使滚筒的旋转缓慢的制动系统。绞车26安装在钻机10的钻台12上。滚筒和轴的纵向轴线平行于钻台12。绞车26上使用的典型的电动机是AC电动机、DC电动机和柴油机内燃机。电力通常从电动机通过链传动机构或齿轮传动机构被传递给轴。制动系统可以使用用于制动滚筒的各种技术。制动系统可以使用盘式制动器、带式制动器、水冷却式制动器或电动制动器。当钢丝绳24被绞车26收回时，钢丝绳24绕着绞车26的滚筒卷绕。钢丝绳24绕绞车26的卷绕类似于螺纹绕卷轴的卷绕。传动装置的使用产生通常与典型的绞车相关联的多个问题。传动装置成本高，使绞车的重量增加，并且需要定期修理。特别是在传动装置的完全失效的情况下，传动装置的维修的成本可能较高。在使用传动装置的情况下由于使用传动装置所固有的摩擦力而导致动力损失。典型的绞车26还使用大量能量以改变绞车26的旋转方向。因此，需要一种轻质、容易维修，使用较少能量并且更加能量有效的简单设计的绞车。在过去，已经授予了关于绞车的各种专利。例如，2001年2月6日授予Dyer等人的美国专利第6，182，945号公开了一种完全冗余的绞车，所述绞车具有用于控制绞车的滚筒和滚筒轴以及给滚筒和滚筒轴提供动力的两个完全且整体独立的系统。每一个系统具有至少一个电源、动力传动装置和连接到电源和传动装置以及滚筒轴的联接器。每一个系统都具有诸如盘式制动器、带式制动器、电动制动器、或水冷却式制动器的制动系统。在任一个系统的任意部件失效的情况下，完全冗余的绞车具有从井眼升起钻杆以避免“卡住”钻杆的风险的能力。1980年10月7日授予Johnson等人的美国专利第4，226, 311号公开了一种适于与井眼钻进操作的绞车结合安装的盘式制动设备。所述设备自动感测钻杆中的任意反向转矩情况并迅速地设定致动以阻止将任意反向转矩传递给所述设备的转台装置离合器机构。1972年4月4日授予Burrell的美国专利第3，653，636号公开了 一种用于平衡从卷绕在位于浮式钻台上的绞车上的钢丝绳悬挂的钻柱或其它井设备的重量的可反转液压马达和高压/低压液压贮存器系统。测压元件控制液压马达的输出驱动的输出转矩和方向。在浮式钻台向下移动时，来自存储器的高压液压流体移动通过液压马达进入到低压液压流体贮存器中以当绞车向上卷绕钢丝绳时为绞车提供增加的转矩。在浮式钻台向上移动时，液压马达反转以将来自低压贮存器的低压流体移动到高压存储器。当绞车伸长钢丝绳时，这减小绞车的转矩并使绞车的方向反转。2008年5月22日公开的Folk等人的美国专利公开出版物第2008/0116432号公开了一种包括具有固定定子和绕着定子旋转的圆柱形转子的电动机的卷扬机。滚筒固定到转子并支承通过卷扬机卷绕或退卷绕的电缆。卷扬机可以是用于钻机的绞车。电动机可以是永磁体电动机。支承机构位于电动机定子与电动机转子之间。授予Pryor等人的美国专利第3，211，803号公开了一种用于绞车的发电机供电的电动装置，所述电动装置具有电动马达、在所述电动机与绞车之间的驱动连接装置、发电机、用于将电力供应给电动机的在发电机和电动机之间的电连接装置、发动机、和发动机与发电机之间的用于将电力供应给发动机的连接装置。电动马达具有基本上大于发动机的功率输出能力的总功率消耗能力，藉此可用于驱动绞车的转矩基本上大于可从具有等于发动机的功率输出能力的总功率消耗能力的电动机获得的转矩。1984年3月27日授予White的美国专利第4，438，904号公开了一种绞车，所述绞车具有支撑绞车的钻井平台、将电缆滚筒可旋转地支撑在两个竖直支撑壁构件之间的电缆滚筒轴、输入轴、用于旋转地驱动输入轴的驱动机构、用于使滚筒轴和电缆滚筒响应于输入轴的旋转以多个速度中的任一个旋转的离合器控制链轮链条传动装置、和设置在支撑壁构件中的一个的外部的控制器。滚筒轴具有超过支撑壁构件中的一个的延伸部。单个外侧制动器固定到滚筒轴延伸部。2000年2月29日授予Guggari的美国专利第6，029, 951号公开了一种用于使用绞车的系统和方法，其中所述绞车具有上面卷绕有钢丝绳的可旋转滚筒。绞车和钢丝绳用于有助于悬挂在钢丝绳上的负载的移动。绞车控制系统监测和控制绞车。制动装置连接到可旋转滚筒以限制可旋转滚筒的旋转。电动马达连接到可旋转滚筒以驱动可旋转滚筒。绞车控制系统提供表示电动机的计算的转矩值的信号，在所述电动机中，响应于所述信号在电动机中产生预先转矩。当电动机预先转矩水平基本上等于计算的转矩值时，可旋转滚筒的旋转的控制从制动装置被传递到电动机。1977年9月6日授予Martin的美国专利第4，046，355号公开了一种用于与绞车组件一起使用的控制设备，所述绞车组件具有从电缆悬挂并将张力施加给电缆的工件。电缆的一端卷绕在滚筒上。电缆的旋转由动力制动机构控制。控制设备具有产生与电缆中的张力成比例的张力信号的电缆张力传感器。脉冲发生器产生脉冲控制信号。制动控制装置响应于控制信号将张力信号施加给动力制动机构。本发明人在2005年10月13日提出申请的美国专利申请第60/726，077号公开了一种用于钻井和采矿操作的绞车。所述绞车具有由至少一个AC电动机驱动的钢丝绳滚筒。驱动轴联接制动器与钢丝绳滚筒。电动机从公用电源被操作。绞车具有在制动绞车的钢丝绳滚筒的旋转的同时存储能量的飞轮系统。存储在飞轮中的能量用于开始钢丝绳滚筒的另一个旋转。当绞车用于油气井的钻进时，绞车的速度将基于负载的重量而变化。对于重负载，在转矩要求较高的情况下，升起或下放负载(钻杆)所需的速度低。对于空载或对于非常轻的负载(例如，短钻杆长度)，所需的速度增加。因此，理想的是具有一种与绞车相关联的可以具有高速和低速的永磁电动机。这种高速和低速在恒定功率条件下可以基于负载的要求而提供增加的转矩或减小的转矩。在过去，已经授予了关于永磁电动机的专利。例如，1990年授予P.A.Kerashaw的美国专利第4，910，790号显示了一种两速永磁体D.C.电动机。这种D.C.电动机具有壳体、由壳体支承的永磁体、和安装在壳体中的电枢组件。电枢组件具有可旋转地安装在壳体中的轴、第一线圈绕组、连接到第一线圈绕组的第一整流器、第二线圈绕组和连接到第二线圈绕组的第二整流器。第一组电刷由壳体支承并接合第一整流器用于将D.C.电压施加到第一线圈绕组以使电枢组件以第一速度旋转。第二组电刷由壳体支承并接合第二整流器用于将相同的D.C.电压施加到至少第二线圈绕组以使电枢组件以第二速度旋转。1999年9月14日授予J.H.Boyd的美国专利第5，952，757号描述了一种自起动永磁电动机。这种电动机包括具有定子芯的定子、起动绕组和第一和第二主绕组。第一主绕组和起动绕组被构造成形成低于第二主绕组的极数。定子芯形成定子孔。电动机还包括转子，所述转子具有与定子芯轴向同心布置的转子轴和与转子轴同心定位的转子芯。副导体与转子轴轴向布置并延伸通过转子芯。多个永磁体位于转子芯的外周边处并被磁化以形成等于由第二主绕组形成的极数的极数。另外，在永磁电动机用于直接驱动绞车的情况下，重要的是能够避免功率突然损失的副作用。由于永磁电动机中所固有的固定场通量，因此当存在检修负载并且AC主绕组断开时，没有电力被供应给电动机的绕组。因此，可能会发生由于悬浮在自由露天中的重物的检修负载而导致的“失控状态”。这可能会导致重负载经由重量和地球的重力而急速自由下落。因此，可能会发生损坏并且对井队人员可能会产生安全隐患。因此，需要进行研发藉此可以制造固有安全的永磁电动机以避免任何这种“失控状态”。
发明内容
本发明的目的是提供一种直接驱动绞车。本发明的另一个目的是提供一种没有传动机构的绞车。本发明的另一个目的是提供一种具有非常高的功率密度的绞车。本发明的另一个目的是提供一种相对轻质的绞车。本发明的另一个目的是提供一种可在传统的道路系统上容易地输送的绞车。本发明的另一个目的是提供一种在油田中具有最小组件要求的绞车。本发明的另一个目的是提供一种在油田中可容易更换的绞车。本发明的另一个目的是提供一种具有减小的惯性效应的绞车。本发明的另一个目的是提供一种降低操作和修理的成本的绞车。本发明的进一步目的是提供一种其中永磁电动机可以以高速或低速操作的永磁体直接驱动绞车。本发明的另一个目的是提供一种允许电动机的速度适应于影响绞车的各种负载状态的永磁体直接驱动绞车。本发明的另一个目的是提供一种有效地防止发生由于维修荷载或功率损失而导致的任意失控状态的永磁体直接驱动绞车。本发明的这些及其它目的和优点将从以下说明书和所附权利要求的获悉变得清
楚呈现。本发明涉及一种直接驱动绞车，该直接驱动绞车具有:永磁电动机，所述永磁电动机具有第一组绕组和第二组绕组；轴，所述轴从永磁电动机延伸使得永磁电动机直接旋转所述轴；滚筒，所述滚筒远离永磁电动机连接到轴，使得轴的旋转使滚筒进行相应的旋转；和开关，所述开关与第一组绕组和第二组绕组协作以使第一组绕组和第二组绕组选择性地并联连接或串联连接。处理器连接到开关以相对于影响轴和滚筒上的负载的状态在并联连接与串联连接之间进行切换。当滚筒上的负载为第一量时，处理器用于切换到并联连接，而当滚筒上的负载为第二量时，处理器用于切换到串联连接。负载的第二量大于负载的第一量。在本发明中，AC电源电连接到永磁电动机。变频驱动装置在AC电源与永磁电动机之间相互电连接。电阻负载组在AC电源与永磁电动机之间相互电连接。转换开关用于在出现一状态时将电阻负载组直接电连接到永磁电动机。这种状态可以是从AC电源到永磁电动机的电力的中断或是影响滚筒的过载状态。电阻负载组可以包括动态制动电阻器。当开关并联连接第一组绕组和第二组绕组时，永磁电动机具有第一速度。当开关串联连接第一组绕组和第二组绕组时，永磁电动机具有第二速度。第一速度大于所述第二速度。在本发明的优选实施例中，第一速度大约为第二速度的两倍。
在本发明的永磁电动机中，第一组绕组和第二组绕组被构造使得当串联连接时可以连接用于额定基准电压，或当并联连接时被连接用于一半所述量的额定电压。通过手动选择器开关选择或通过由钻井控制系统控制的处理器自动选择两种不同的连接。当以并联布置连接时，频率增加到两倍额定频率。当施加额定电流和额定电压时，以正常额定功率实现两倍额定速率。依此方式，实现有效的双速绞车。应该注意的是基于具体的驱动装置制造商的驱动装置特性和性能仍然可实现两倍额定值以上的超速状态。本发明采用超速检测器以打开电源(即，变频驱动系统电源电路)并同时插入到动态制动电阻器或“负载组”以吸收卷扬机或绞车的旋转滚筒的由来自重物或“负载”(即，从绞车钩悬挂的钻柱和相关联的行进和钻井设备)的势能产生的动能以减缓这种状态。这确保相对于相关联的重物的负载(公知为“钻压”或钻柱和相关钻井设备的自由悬挂重量)受限的最大安全速度。因此，当在失控状态下时可防止负载坠落。通过永磁电动机设计的特定连接获得独特的双速永磁电动机绞车。速度的控制和选择可由用户友好的选择器开关选择和控制或者可以通过计算机电子控制。速度的控制和选择还可以由处理器通过钻井控制系统控制。对于速度的选择实现恒定功率以被完美地应用于绞车应用。电动机绕组可以通过电力切换装置被连接成串联结构或并联结构并被适当控制。当并联选择时，电动机绕组的电压将需要额定电压的一半。因此，通过额定电压和两倍额定频率的操作(即，并联绕组的每一组并联绕组具有双倍额定电压)，速度是两倍额定值。当在串联结构中时，在施加额定电压和额定频率的情况下，速度是并联连接的一半。频率保持额定，但是功率恒定以产生为并联连接的两倍的额定转矩。在失控状态或超速发生期间，定子电力端子通过电源开关随即断开并连接到负载组或电阻网络以吸收降低的电力并限制下降负载的最高速度或最大速度。由于由永磁电动机产生的场通量的固有特性，这种动态制动系统采用驱动电动机本身作为制动装置。因此，本发明可以避免设备损坏并增加人身安全。
图1显示了采用现有技术绞车的钻机的侧面正视图；图2显示了本发明的永磁体直接驱动绞车的优选实施例的侧面正视图；图3显示了本发明的永磁体直接驱动的优选实施例的透视图；图4显示了本发明的永磁电动机的剖视图；图5显示了与本发明的永磁电动机相关联的驱动板的平面图；图6显示了本发明的永磁电动机的转子的透视图；图7显示了本发明的永磁电动机的定子的透视图；图8是根据本发明的教导的双速永磁体直接驱动绞车的示意图；图9是在本发明的双速永磁电动机中使用的绕组图；图10是显示图9的绕组图的并联连接的图；以及图11是显示图9的绕组图的串联连接的图。
具体实施方式
参照图2，显示了本发明的永磁体直接驱动绞车100的优选实施例的侧面正视图。绞车100具有永磁电动机40。轴41连接到永磁电动机40。轴承套45被定位成与永磁电动机40和轴41相邻。轴41伸长通过轴承套45并进入到电动机40的内部中。滚筒43连接到轴41的与永磁电动机40相对的端部47。钢丝绳24绕滚筒43卷绕。滚筒43在绞车架53中。绞车架53支撑轴41以将滚筒43和电动机40保持在诸如钻台12的底部表面以上。制动系统49定位在滚筒43的与电动机40相对的一侧。在图2中，制动系统49具有被定位成与滚筒43相邻的制动盘51。图2中的制动系统49被水冷却。电源48连接到永磁电动机40以将电力供应给永磁电动机40。永磁电动机40使轴41旋转，所述轴41使滚筒43旋转。滚筒43的旋转使钢丝绳24基于滚筒43的旋转方向伸长或收回。当钢丝绳24被收回时，钢丝绳24绕滚筒43的外表面卷绕。滚筒43的纵向轴线与轴41的纵向轴线对准。滚筒43和轴41的纵向轴线基本上平行于钻台12。参照图3，显示了本发明的永磁体直接驱动绞车100的透视图。永磁电动机40具有壳体42。如以下更加详细地所述，转子和定子位于壳体42内。壳体42具有大致圆筒形形状。壳体42具有入口 55和出口 57。为了冷却电动机40的转子和定子，空气被通入到入口 55中，在壳体42的内部循环，并通过出口 57被排出。盖50固定到壳体42的顶部表面44。制动系统49的盘51被定位成在绞车架53内部与滚筒43相邻。滚筒43被成成形为类似于纱卷轴以有效地存储长长度的钢丝绳。滚筒43被卷绕有钢丝绳。滚筒43的旋转用于收紧和放松该钢丝绳。钢丝绳以这里先前结合图1所述的方式从滚筒43伸长。因此，由永磁电动机40引起的滚筒43的旋转可以使钢丝绳收紧和放松以便于升起或下放游动滑车。参照图4，显示了永磁电动机40的壳体42的剖视图。如可以看到的，壳体42限定内部室60。轴41从永磁电动机40的壳体42的内部60向外延伸。定子62固定到壳体42的壁。定子62绕壳体42的圆形内部延伸。转子64被定位成紧邻定子62。转子64具有绕转子64的外周形成的多个永磁体(在下文中更详细地描述)。定子62具有绕定子62的内表面定位的线线圈。定子62的线圈和转子64的永磁体的相互作用提供永磁电动机40的旋转能力。驱动板66固定到转子64的顶部。轴41与驱动板66接合，使得通过转子64施加给驱动板66的转动能将被施加给轴41。轴41从壳体42的内部室60向外延伸。绞车架53的端部可以被看到定位在轴承套45与电动机40之间。因此，轴41伸长通过电动机40、绞车架53和轴承套45。永磁电动机由于两个磁场的相互作用所产生的转矩而旋转。这些磁场由安装在旋转转子上的永磁体和定子的固定绕组所感生的磁场而产生。当转子的磁矢量相对于定子的磁矢量为90°时，转矩最大。在该位置，所述转矩迫使转子的磁极在定子场的方向上旋转。在梯形驱动无刷DC电动机中，依序交替通过三个线圈中的两个线圈的电流产生定子场。剩余的第三线圈监测两个有效线圈的反EMF(电动势)。当永磁电动机旋转时产生反EMF。每一个绕组产生与绕组的主电压相反的电压。反EMF取决于转子的角速度、转子磁铁生成的磁场、和定子绕组的匝数。电动机的反EMF提供转子的位置相对于定子绕组的反馈。具有传感器的永磁电动机提供类似的位置反馈。通过永磁体同步电动机使用的正弦曲线换向，驱动控制电路同时给三个线圈提供电力。
自从20世纪90年代起已经在市场上可买到永磁电动机。然而，永磁电动机由于与转子上的昂贵永磁体相关联的高成本而还没有被广泛使用。另外，永磁电动机复杂的控制算法需要专门的工程专业知识以及嵌入式处理器的额外成本。永磁电动机比AC感应电动机更加有效。然而，由于近来铜价格的上涨，基于电流绕组的感应电动机已经变得更加高成本，并且永磁电动机已经变得相对不是很昂贵。另外，技术的新发展已经将永磁电动机的功率输出改进到这种电动机与现有的感应电动机的功率密度相比具有极好的功率密度的功率输出。因此，图4所示的永磁电动机40提供用于绞车100的轴41和滚筒43的直接驱动的极好的功率输出。参照图5，显示了本发明的绞车100的永磁电动机40的驱动板66的平面图。驱动板66具有带有外周边90的圆形形状。螺栓孔92被形成为与外周边90相邻。螺栓孔92允许驱动板66与转子的顶部的栓接连接。花键孔口 94形成在驱动板66的中心以容纳轴41的花键。参照图6，显示了本发明的绞车100的永磁电动机40的转子64的单独的透视图。驱动板66可以直接安装到转子64的顶部上。永磁体磁极以彼此间隔开的关系固定到转子64的外表面。间隔器106用于将永磁体磁极中的一个与相邻的永磁体磁极隔离开。间隔器106可以是单独件，或者间隔器106可以简单地是转子64的外周边上形成的表面。转子64的中心形成有转子支承孔110。参照图7，显示了本发明的绞车100的永磁电动机40的定子62的单独透视图。定子62具有用于将线圈122与壳体42的内壁间隔开的外罩120。线圈122从外罩120径向向内延伸。线圈122的内表面124限定圆形孔口，转子64放置在所述圆形孔口中。因此，永磁体磁极104紧邻线圈122，使得永磁电动机40可以被适当操作。适当的电子设备连接到永磁电动机40以有助于永磁电动机40的适当操作。在本发明中，要理解的是永磁体直接驱动绞车100直接连接到轴41。因此，在这些区域中没有相互连接的齿轮或其它传动机构。绞车100因此以相对轻质的结构为钻柱的适当旋转提供增加的功率密度。通过本发明有效地避免了与传动系统相关联的重量。此夕卜，在本发明中避免了安装这种传动系统使得感应电动机的电力可以被传递给驱动系统的复杂性。因此，本发明的永磁体直接驱动绞车可以用于以最小的重量旋转钻柱的适当目的。不同于与钻井操作相关联的可以重达超过100，000磅的现有电动机，本发明的永磁电动机将仅重大约60，000磅。因此，本发明的永磁电动机可以被容易地在传统的货车上在路上运输。不同于现有技术，电动机40无须独自组装或在现场与传动系统组装在一起。因此，本发明避免了需要在电动机与绞车之间进行传动的这些系统所需的安装人员的专用需求。本发明的永磁电动机减小的重量避免了否则不利地影响传统的感应电动机的操作的一些惯性效应。本发明的电动机40可以被随意更换用于与钻机的直接驱动顶驱或钻机的泥浆泵结合使用。由于不需要传动系统，因此可以为钻进操作提供这种永磁电动机的设置以与绞车或其它目的相关联而使用。如果任一个电动机失效，则其它电动机中的任一个可以被代替，因此钻机不会存在任何停机时间。图8显示了根据本发明的教导的永磁体直接驱动绞车200的图。永磁体直接驱动绞车200包括具有第一组绕组和第二组绕组的永磁电动机202。图8提供了显示第一组绕组和第二组绕组的绕组图。轴以本文先前所述的方式从永磁电动机延伸，使得永磁电动机202直接旋转轴。滚筒以本文先前所述的方式远离永磁电动机连接到轴。因此，轴的旋转将使滚筒进行相应的旋转。开关204与第一组绕组和第二组绕组协作以使所述第一组绕组和所述第二组绕选择性地并联连接或串联连接。本文中图10显示了绕组的并联连接。本文中图11显示了绕组的串联连接。如图8中可以看到的，多个切换装置206、208和210电连接到永磁电动机202。开关204、206、208和210中的每一个都可以采用适当的处理器以使切换动作发生。在图8中，可以看到的是具有三相AC电源212。切换装置204沿着线路214、216和218电连接到电源212的相应相。主断路开关220定位在线214、216和218上以选择性地允许永磁电动机202与电源212的断开。变频驱动系统222也连接到线路214、216和218。DC链路负载组224为变频驱动系统提供电力。电阻负载组226通过线路228、230和232电连接到相应的线路214、216和218。主电动机断路开关234设置在线214、216和218上。在功率损失或维修负载的情况下，主电动机断开装置将永磁电动机202连接到电阻负载组226。因此，旁通线路236将使开关238关闭以在电阻负载组226与永磁电动机202之间建立电路径。电阻负载组226内可以具有动态制动电阻器。图9是显示第一组绕组250和第二组绕组252的示意性绕组图。图10显示了当并联连接时第一组绕组250和第二组绕组252之间的连接。图11显示了当串联连接时第一组绕组250与第二组绕组252之间的连接。在本发明的永磁体直接驱动绞车200中，绕组250和252已经设置成如下构造:使得绕组250和252当串联连接时可以连接以用于额定基准电压或绕组250和252当被设置成并联连接时可以连接用于所述量的一半量的额定电压。通过诸如开关204、206208或210的手动选择器开口选择这些连接。可选地，可以通过计算机或通过由钻井控制系统控制的处理器自动选择所述连接。当在并联布置中连接时，如图10所示，频率增加到两倍额定频率。在施加额定电流和额定电压的情况下，以额定功率值实现两倍额定速率。依此方式，实现有效的双速永磁体直接驱动绞车。基于具体的驱动装置制造商的驱动装置特性和性能仍然可实现两倍额定值以上的超速状态。本发明采用超速检测器以打开电源(即，变频驱动系统电源电路)并同时使用负载组226的动态制动电阻器以吸收卷扬机或绞车的旋转滚筒的由重物或负载的势能产生的动能。这允许能够适当地减慢负载在这种状态下的移动。因此，相对于重物的相关负载提供了最大安全或速度限制。当在图10的并联连接中时，电动机绕组的电压将需要一半额定电压。因此，通过两倍额定频率和额定电压的操作，速率是两倍额定值。这是因为并联绕组中的每一个将被视为两倍额定电压。当在图11的串联结构中时，在施加额定电压和额定频率的情况下，速度是并联连接(图10)的一半。频率保持额定，但是电力恒定。这产生为并联连接(图10)的两倍的额定转矩。在失控状态或超速状态下，定子电力端子通过电源开关被随即断开并连接到负载组226或电阻网络以吸收减小的电力并限制下降负载的最高速度或最大速度。可以感测这些状态的典型的超速装置可以是编码器、机械启动惯性开关和类似装置。由于由永磁体直接驱动电动机202产生的场通量的固有特性，这种动态制动采用驱动电动机本身作为制动装置。因此，这限制了设备损坏并增加了人身安全。本发明的上述公开和描述是示例性的并且是本发明的示例。可以在不背离本发明的真实精神的情况下在所附权利要求的保护范围内对所示的结构的细节进行各种改变。本发明应当仅由以下权利要求及合理等效形式限制。
权利要求
1.一种直接驱动绞车，包括: 永磁电动机，所述永磁电动机具有第一组绕组和第二组绕组； 轴，所述轴从所述永磁电动机延伸使得所述永磁电动机直接旋转所述轴； 滚筒，所述滚筒远离所述永磁电动机连接到所述轴，使得所述轴的旋转使所述滚筒进行相应的旋转；和 开关，所述开关与所述第一组绕组和所述第二组绕组协作以使所述第一组绕组和所述第二组绕组选择性地并联连接或串联连接。
2.根据权利要求1所述的直接驱动绞车，还包括:处理装置，所述处理装置连接到所述开关以相对于一状态在所述并联连接与所述串联连接之间进行切换。
3.根据权利要求2所述的直接驱动绞车，所述状态是所述滚筒上的负载。
4.根据权利要求3所述的直接驱动绞车，当所述滚筒上的负载为第一量时，所述处理装置切换到所述并联连 接，而当所述滚筒上的负载为第二量时，所述处理装置切换到所述串联连接，所述第二量大于所述第一量。
5.根据权利要求1所述的直接驱动绞车，还包括:电连接到所述永磁电动机的AC电源。
6.根据权利要求5所述的直接驱动绞车，还包括:变频驱动装置，所述变频驱动装置在所述AC电源与所述永磁电动机之间相互电连接。
7.根据权利要求5所述的直接驱动绞车，还包括:电阻负载组，所述电阻负载组在所述AC电源与所述永磁电动机之间相互电连接；和转换开关，所述转换开关用于在出现一状态时将所述电阻负载组直接电连接到所述永磁电动机。
8.根据权利要求7所述的直接驱动绞车，所述状态是从所述AC电源到所述永磁电动机的电力的中断。
9.根据权利要求7所述的直接驱动绞车，所述状态是影响所述滚筒的过载状态。
10.根据权利要求7所述的直接驱动绞车，所述电阻负载组包括动态制动电阻器。
11.根据权利要求1所述的直接驱动绞车，当所述开关并联连接所述第一组绕组和所述第二组绕组时，所述永磁电动机具有第一速度，当所述开关串联连接所述第一组绕组和所述第二组绕组时，所述永磁电动机具有第二速度，所述第一速度大于所述第二速度。
12.根据权利要求11所述的直接驱动绞车，所述第一速度大约为所述第二速度的两倍。
13.一种双速永磁体驱动系统，包括: 永磁电动机，所述永磁电动机具有第一组绕组和第二组绕组； 轴，所述轴从所述永磁电动机延伸使得所述永磁电动机直接旋转所述轴，所述永磁电动机包括: 壳体； 位于所述壳体中的定子；和 与所述定子协作的转子，所述转子连接到所述轴或互连到所述轴，所述定子使所述第一组绕组和所述第二组绕组绕所述定子的内表面延伸，所述转子是具有多个永磁体的环形构件，所述多个永磁体绕所述转子的外周以间隔开的关系安装；和 开关，所述开关与所述第一组绕组和所述第二组绕组协作以使所述第一组绕组和所述第二组绕组选择性地并联连接或串联连接。
14.根据权利要求13所述的驱动系统，当所述开关并联连接所述第一组绕组和所述第二组绕组时，所述永磁电动机具有第一速度，当所述开关串联连接所述第一组绕组和所述第二组绕组时，所述永磁电动机具有第二速度，所述第一速度大于所述第二速度。
15.根据权利要求13所述的驱动系统，还包括:处理装置，所述处理装置连接到所述开关以相对于一状态在所述并联连接与所述串联连接之间进行切换。
16.根据权利要求13所述的驱动系统，还包括: AC电源，所述AC电源电连接到所述永磁电动机； 电阻负载组，所述电阻负载组在所述AC电源与所述永磁电动机之间相互电连接；和 转换开关，所述转换开关用于在出现一状态时将所述电阻负载组直接电连接到所述永磁电动机。
17.一种直接驱动绞车，包括: AC电源； 电连接所述AC电源的永磁电动机； 轴，所述轴从所述永磁电动机延伸使得所述永磁电动机直接旋转所述轴； 滚筒，所述滚筒远离所述永磁电动机连接到所述轴使得所述轴的旋转使所述滚筒进行相应的旋转； 电阻负载组，所述电阻负载组在所述AC电源与所述永磁电动机之间相互电连接；和 转换开关，所述转换开关用于在发生一状态时将所述电阻负载组直接电连接到所述永磁电动机。
18.根据权利要求17所述的直接驱动绞车，所述永磁电动机具有第一组绕组和第二组绕组，所述直接驱动绞车还包括: 开关，所述开关与所述第一组绕组和所述第二组绕组协作以使所述第一组绕组和所述第二组绕组选择性地并联连接或串联连接。
19.根据权利要求17所述的直接驱动绞车，所述状态是从所述电源到所述永磁电动机的电力的中断。
20.根据权利要求17所述的直接驱动绞车，所述电阻负载组包括动态制动电阻器。
全文摘要
本发明公开了一种直接驱动绞车(100)，该直接驱动绞车具有永磁电动机(40)，所述永磁电动机具有第一组绕组(250)和第二组绕组(252)；轴(41)，所述轴从永磁电动机(40)延伸使得永磁电动机直接旋转轴(41)；滚筒(43)，所述滚筒远离永磁电动机(40)连接到轴(41)，使得轴(41)的旋转使滚筒(43)进行相应的旋转；和开关，所述开关与第一组绕组和第二组绕组协作以使第一组绕组和第二组绕组选择性地并联或串联连接。
文档编号H02K7/06GK103221630SQ201180053242
公开日2013年7月24日 申请日期2011年9月7日 优先权日2010年9月7日
发明者凯文·R·威廉姆斯 申请人:凯文·R·威廉姆斯