RU2553793C2 - Direct drive hoist with constant magnets - Google Patents
Direct drive hoist with constant magnets Download PDFInfo
- Publication number
- RU2553793C2 RU2553793C2 RU2012131406/03A RU2012131406A RU2553793C2 RU 2553793 C2 RU2553793 C2 RU 2553793C2 RU 2012131406/03 A RU2012131406/03 A RU 2012131406/03A RU 2012131406 A RU2012131406 A RU 2012131406A RU 2553793 C2 RU2553793 C2 RU 2553793C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- shaft
- rotor
- drum
- stator
- electric motor
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B19/00—Handling rods, casings, tubes or the like outside the borehole, e.g. in the derrick; Apparatus for feeding the rods or cables
- E21B19/008—Winding units, specially adapted for drilling operations
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
- B66D—CAPSTANS; WINCHES; TACKLES, e.g. PULLEY BLOCKS; HOISTS
- B66D1/00—Rope, cable, or chain winding mechanisms; Capstans
- B66D1/02—Driving gear
- B66D1/12—Driving gear incorporating electric motors
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
- H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
- H02K7/1004—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with pulleys
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Geology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
- Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Настоящее изобретение относится к нефтепромысловому оборудованию. Более конкретно, настоящее изобретение относится к лебедке, используемой в добыче и производстве нефти и газа. Более конкретно, настоящее изобретение относится к лебедке, имеющей электродвигатель с постоянными магнитами.The present invention relates to oilfield equipment. More specifically, the present invention relates to a winch used in the extraction and production of oil and gas. More specifically, the present invention relates to a winch having a permanent magnet motor.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND
Лебедка является общим элементом нефтепромыслового оборудования, которое используется в добыче и производстве нефти и газа. Лебедка обычно установлена вблизи буровой вышки. Общая функция лебедки заключается в подъеме и опускании бурильной трубы и обсадной трубы из и в ствол скважины. Лебедка может называться подъемным устройством или катушкой. Существует множество различных размеров лебедок, которые используются для лебедок в буровой и горнодобывающей промышленности. Размеры лебедок отражены в номинальных нагрузках для таких лебедок. Эти лебедки совместно используют аналогичные режимы работы и аналогичное оборудование.A winch is a common element of oilfield equipment that is used in the extraction and production of oil and gas. A winch is usually installed near the rig. The overall function of a winch is to raise and lower the drill pipe and casing from and into the wellbore. A winch may be called a lifting device or reel. There are many different sizes of winches that are used for winches in the drilling and mining industries. The dimensions of the winches are reflected in the rated loads for such winches. These winches share similar operating modes and similar equipment.
Лебедки используются для подъема и опускания грузов, таких как бурильная труба, при вставке в и извлечении бурильной трубы из открытой скважины. Извлечение трубы может требовать извлечения более 30000 футов трубы, для того чтобы сменить буровые коронки или инструменты во время буровых работ. Во время обычных работ по бурению нефтяных скважин бурильная труба часто поднимается и опускается множество раз.Winches are used to raise and lower loads, such as a drill pipe, when inserting into and removing a drill pipe from an open well. Pipe removal may require the extraction of more than 30,000 feet of pipe in order to change drill bits or tools during drilling operations. During normal oil drilling operations, a drill pipe often rises and falls many times.
Во время горных работ аналогичное оборудование используется при подъеме угля, вскрышных пород, песка и гравия, фосфатов и других минералов. Существуют всего несколько обычных работ, в которых используются лебедки. При горных работах бадья часто опускается для осуществления загрузки бадьи породой. После загрузки бадьи, лебедки используются для того, чтобы поднять загруженную бадью на уровень, где бадья разгружается в месте над землей.During mining operations, similar equipment is used when lifting coal, overburden, sand and gravel, phosphates and other minerals. There are just a few common jobs that use winches. In mining operations, the tub is often lowered to load the tub with the rock. After loading the tub, the winches are used to raise the loaded tub to a level where the tub is unloaded in a place above the ground.
Фиг.1 показывает традиционную буровую вышку 10, которая использует известную лебедку 26. Лебедка 26 установлена на буровой площадке 12 внутри внутренней части нефтяной вышки 11. Лебедка 26 имеет проволочный трос 24, проходящий вокруг шкива 25, для того чтобы поднимать из и опускать в бурильную трубу 14 и ствол 16 скважины. Шкив 25 также называется кронблоком. Ствол 16 скважины образован в земле 15. Бурильная труба 14 может являться бурильной колонной, которая представляет собой множество бурильных труб, проходящих внутри ствола 16 скважины в земле 15. Отдельная бурильная труба 14 соединена с бурильной колонной резьбовым соединением 17. Участки бурильной колонны могут иметь стабилизирующие участки, которые включают в себя стабилизирующие элементы 18, которые проходят по спирали вдоль внешней поверхности трубы 14, для того чтобы зацеплять стенку ствола 16 скважины таким образом, чтобы центрировать трубу 14 в нем.Figure 1 shows a
Лебедка 26 травит и выбирает проволочный трос 24 через шкив 25, который установлен на нефтяной вышке 11, для того чтобы поднимать и опускать буровой агрегат 19, который удерживает бурильную трубу 14. Трос 24 присоединен к подвижному блоку 23. Подвижный блок 23 подвешен и перемещается вверх и вниз тросом 24, который травится и выбирается лебедкой 26. Подвижный блок 23 присоединен к буровому агрегату 19. Буровой агрегат 19 имеет вертлюг 22 на его верхнем конце, в котором буровой раствор вводится в бурильную трубу 14 и которым буровой агрегат 19 подвешен к подвижному блоку 23. Буровой агрегат 19, трубный манипулятор 21 и соответствующие соединительные элементы перемещаются вертикально вдоль оси 20. Вертикальное перемещение направляется двумя вертикальными направляющими рельсами или дорожками 27, которые жестко прикреплены к вышке 11. Буровой агрегат 19 прикреплен к салазкам 28. Салазки 28 имеют ролики, которые зацеплены с рельсами 27. Рельсы 27 направляют салазки 28 для вертикального перемещения вверх и вниз вдоль рельс 27, параллельно вертикальной оси 20. Бурильная труба 14 вставляется в и удаляется из ствола 16 скважины через устье 13 скважины.The
Лебедка 26 обычно имеет полый барабан, вал, который соединяет барабан с электродвигателем, привод, расположенный между электродвигателем и барабаном, и тормозную систему для замедления вращения барабана. Лебедка 26 установлена на площадке 12 буровой вышки 10. Продольная ось барабана и вала параллельна буровой площадке 12. Обычные электродвигатели, используемые на лебедках 26, являются электродвигателями переменного тока, электродвигателями постоянного тока и дизельными двигателями внутреннего сгорания. Мощность обычно передается от электродвигателя валу механизмом цепного привода или механизмом зубчатого привода. Тормозная система может использовать множество технологий для торможения барабана. Тормозная система может использовать дисковые тормоза, ленточные тормоза, тормоза с водяным охлаждением или электрические тормоза. По мере того как трос 24 выбирается лебедкой 26, трос 24 наматывается на барабан лебедки 26. Наматывание троса 24 на лебедку 26 аналогично наматыванию нити на катушку.Winch 26 usually has a hollow drum, a shaft that connects the drum to the electric motor, a drive located between the electric motor and the drum, and a brake system to slow down the rotation of the drum. The
Использование привода вызывает множество проблем, часто связанных с обычными лебедками. Привод дорогостоящ, увеличивает вес лебедки и требует периодического ремонта. Техническое обслуживание привода может быть дорогостоящим особенно в случае полного отказа привода. Мощность также теряется при использовании привода вследствие сил трения, неустранимых при использовании приводов. Обычные лебедки 26 также потребляют большое количество энергии для изменения направления вращения лебедки 26. Таким образом, имеется потребность в простой конструкции лебедки, которая легче, проще в обслуживании, потребляет меньше энергии и более энергоэффективна.Using a drive causes many problems, often associated with conventional winches. The drive is expensive, increases the weight of the winch and requires periodic repair. Maintenance of the drive can be expensive especially in the event of a complete drive failure. Power is also lost when using the drive due to frictional forces that cannot be eliminated when using the drives.
В прошлом были выданы различные патенты, касающиеся лебедок. Например, патент США №6182945 от 6 февраля 2001 г. раскрывает полностью дублирующую лебедку с двумя полными и полностью независимыми системами для управления и питания барабана и вала барабана лебедки. Каждая система имеет по меньшей мере один источник питания, механический привод и соединительную муфту, присоединенную к источнику питания и приводу и валу барабана. Каждая система имеет тормозную систему, такую как дисковые тормоза, ленточные тормоза, электрические тормоза или тормоза с водяным охлаждением. В случае, когда любой компонент одной системы отказывает, полностью дублирующая лебедка имеет возможность поднять бурильную трубу из ствола скважины, для того чтобы исключить риск "заклинивания" бурильной трубы.Various patents related to winches have been granted in the past. For example, US Patent No. 6182945 dated February 6, 2001 discloses a fully redundant winch with two complete and completely independent systems for controlling and powering the drum and shaft of the winch drum. Each system has at least one power source, a mechanical drive, and a coupler coupled to the power source and the drum drive and shaft. Each system has a braking system, such as disc brakes, belt brakes, electric brakes or water-cooled brakes. In the event that any component of one system fails, a fully duplicating winch has the ability to lift the drill pipe from the wellbore in order to eliminate the risk of a "jamming" of the drill pipe.
Патент США №4226311 от 7 октября 1980 г. раскрывает дисковое тормозное устройство, выполненное с возможностью установки совместно с лебедкой для работ по бурению ствола скважины. Устройство автоматически распознает любой случай обратного крутящего момента в бурильной трубе и быстро включает тормоз для предотвращения передачи любого обратного крутящего момента на ее зажимное устройство роторного стола установки.US patent No. 4226311 of October 7, 1980 discloses a disc braking device configured to be installed in conjunction with a winch for drilling a wellbore. The device automatically recognizes any case of reverse torque in the drill pipe and quickly activates the brake to prevent any reverse torque from being transmitted to its clamping device on the rotary table of the installation.
Патент США №3653636 от 4 апреля 1972 г. раскрывает реверсивный гидромотор и систему гидравлических коллекторов высокого/низкого давления, которые используются для уравновешивания веса бурильной колонны или другого бурового оборудования, подвешенного к тросу, намотанному на лебедку, расположенную на плавучем основании. Датчик веса контролирует выходной крутящий момент и направление выходного привода гидромотора. При перемещении плавучего основания вниз гидравлическая текучая среда высокого давления из аккумулятора перемещается через гидромотор в коллектор гидравлической текучей среды низкого давления, чтобы обеспечить увеличенный крутящий момент лебедке, по мере того как лебедка наматывает проволочный трос. При перемещении плавучего основания вверх гидромотор реверсирует, для того чтобы перемещать текучую среду низкого давления из коллектора низкого давления в аккумулятор высокого давления. Это уменьшает крутящий момент и изменяет направление лебедки, по мере того как лебедка травит трос.US patent No. 3653636 of April 4, 1972 discloses a reversible hydraulic motor and a system of high / low pressure hydraulic manifolds that are used to balance the weight of a drill string or other drilling equipment suspended from a cable wound on a winch located on a floating base. The weight sensor monitors the output torque and direction of the output drive of the hydraulic motor. As the floating base moves down, the high pressure hydraulic fluid from the accumulator moves through the hydraulic motor to the low pressure hydraulic fluid manifold to provide increased winch torque as the winch wraps a wire rope. When the floating base is moved up, the hydraulic motor reverses in order to move the low pressure fluid from the low pressure manifold to the high pressure accumulator. This reduces torque and changes the direction of the winch as the winch poisons the cable.
Публикация заявки на патент США №2008/0116432 от 22 мая 2008 г. раскрывает катушку, которая включает в себя электродвигатель, имеющий неподвижный статор и цилиндрический ротор, который вращается вокруг статора. Барабан прикреплен к ротору и поддерживает трос, который наматывается или сматывается катушкой. Катушка может являться лебедкой для буровой вышки. Электродвигатель может являться электродвигателем с постоянными магнитами. Несущий механизм расположен между статором электродвигателя и ротором электродвигателя.U.S. Patent Application Publication No. 2008/0116432 of May 22, 2008 discloses a coil that includes an electric motor having a fixed stator and a cylindrical rotor that rotates around the stator. The drum is attached to the rotor and supports the cable, which is wound or reeled up by a reel. The coil may be a winch for a derrick. The electric motor may be a permanent magnet electric motor. The supporting mechanism is located between the stator of the electric motor and the rotor of the electric motor.
Патент США №3211803 раскрывает электропривод, питаемый от генератора, для лебедки, который имеет лебедку, электродвигатели, приводное соединение между электродвигателями и лебедкой, генератор, электрическое соединение генератора и электродвигателей для подачи электроэнергии к электродвигателям, двигатель и соединение между двигателем и генератором для подачи мощности к генератору. Электродвигатели имеют общую потребляемую мощность, которая, по существу, превышает выходную мощность двигателя, в результате чего крутящий момент, доступный для приведения в движение лебедки, по существу больше, чем был бы доступен от электродвигателей, имеющих общую потребляемую мощность, равную выходной мощности двигателя.US patent No. 3211803 discloses an electric drive powered by a generator for a winch that has a winch, electric motors, a drive connection between electric motors and a winch, a generator, an electrical connection of a generator and electric motors for supplying electric power to electric motors, a motor and a connection between the engine and a generator for supplying power to the generator. Electric motors have a total power consumption that substantially exceeds the engine power output, resulting in a torque available for driving the winch that is substantially greater than would be available from electric motors having a total power consumption equal to the engine power output.
Патент США №4438904 от 27 марта 1984 г. раскрывает лебедку, которая имеет буровую платформу, поддерживающую лебедку, вал канатного барабана, поворотно поддерживающий канатный барабан между двумя вертикальными опорными элементами, входной вал, приводной механизм для вращения входного вала, звездочку цепной передачи и цепной привод с муфтой переключения для вращения вала барабана и канатного барабана с любой из множества скоростей в ответ на вращения входного вала, и регулятор, расположенный снаружи одного из опорных элементов. Вал барабана имеет удлинение за пределы одного из опорных элементов. Один внешний тормоз прикреплен к удлинению вала барабана.U.S. Patent No. 4,438,904 of March 27, 1984 discloses a winch that has a drilling platform supporting the winch, a cable drum shaft rotatably supporting the cable drum between two vertical support members, an input shaft, a drive mechanism for rotating the input shaft, a chain sprocket and a chain sprocket an actuator with a switching clutch for rotating the drum shaft and the cable drum at any of a variety of speeds in response to the rotation of the input shaft, and a controller located outside one of the supporting elements. The drum shaft has an extension beyond one of the supporting elements. One external brake is attached to the drum shaft extension.
Патент США №6029951 от 29 февраля 2000 г. раскрывает систему и способ использования лебедки, в котором лебедка имеет выполненный с возможностью вращения барабан, на который намотан трос. Лебедка и трос используются для облегчения перемещения груза, подвешенного к тросу. Система управления лебедкой контролирует и управляет лебедкой. Тормозное устройство присоединено к выполненному с возможностью вращения барабану для ограничения вращения выполненного с возможностью вращения барабана. Электрический двигатель присоединен к выполненному с возможностью вращения барабану для приведения в движение выполненного с возможностью вращения барабана. Система управления лебедкой обеспечивает сигнал, который представляет собой вычисленное значение крутящего момента электрического двигателя, в результате чего создается предварительный крутящий момент в электрическом двигателе в ответ на сигнал. Управление вращением выполненного с возможностью вращения барабана передается от тормозного устройства электрическому двигателю, когда значение предварительного крутящего момента электрического двигателя, по существу, равно вычисленному значению крутящего момента.US patent No. 6029951 of February 29, 2000 discloses a system and method for using a winch, in which the winch has a rotatable drum on which the cable is wound. A winch and cable are used to facilitate the movement of cargo suspended from the cable. The winch control system controls and controls the winch. The brake device is attached to a rotatable drum to limit rotation of the rotatable drum. An electric motor is attached to a rotatable drum for driving a rotatable drum. The winch control system provides a signal that is the calculated value of the torque of the electric motor, resulting in a preliminary torque in the electric motor in response to the signal. The rotation control of the rotatably rotated drum is transmitted from the brake device to the electric motor when the pre-torque value of the electric motor is substantially equal to the calculated torque value.
Патент США №4046355 от 6 сентября 1977 г. раскрывает регулирующее устройство для использования с лебедкой в сборе, которая имеет деталь, подвешенную к тросу и натягивающую его. Один конец троса намотан на барабан. Вращение троса регулируется механическим тормозом. Регулирующее устройство имеет датчик натяжения троса, который формирует сигнал о натяжении, пропорциональный натяжению троса. Импульсный генератор создает импульсный управляющий сигнал. Блок управления торможением подает сигнал о натяжении к механическому тормозу в ответ на управляющий сигнал.US patent No. 4046355 of September 6, 1977 discloses a control device for use with an assembled winch, which has a part suspended from the cable and pulling it. One end of the cable is wound on a drum. The rotation of the cable is regulated by a mechanical brake. The control device has a cable tension sensor, which generates a tension signal proportional to the cable tension. The pulse generator generates a pulse control signal. The brake control unit provides a tension signal to the mechanical brake in response to a control signal.
Патентная заявка США №60/726077, поданная 13 октября 2005 г. настоящим изобретателем, раскрывает лебедку для буровых и горных работ. Лебедка имеет барабан проволочного троса, который приводится в движение по меньшей мере одним электродвигателем переменного тока. Приводной вал соединяет тормоз с барабаном проволочного троса. Двигатель приводится в действие от источника питания. Лебедка имеет маховичную систему, которая аккумулирует энергию при торможении вращения барабана проволочного троса лебедки. Энергия, аккумулируемая в маховике, используется для начала другого вращения барабана проволочного троса.U.S. Patent Application No. 60/726077, filed October 13, 2005 by the present inventor, discloses a winch for drilling and mining operations. The winch has a wire rope drum that is driven by at least one AC motor. A drive shaft connects the brake to the wire rope drum. The engine is powered by a power source. The winch has a flywheel system that accumulates energy when braking the rotation of the drum of the winch wire rope. The energy stored in the flywheel is used to start another rotation of the wire rope drum.
Целью настоящего изобретения является создание лебедки прямого привода.An object of the present invention is to provide a direct drive winch.
Другой целью настоящего изобретения является создание лебедки, которая не требует механизма переключения.Another objective of the present invention is to provide a winch that does not require a gear mechanism.
Другой целью настоящего изобретения является создание лебедки, которая имеет очень высокую удельную мощность.Another objective of the present invention is to provide a winch that has a very high power density.
Другой целью настоящего изобретения является создание лебедки, которая имеет относительно малый вес.Another objective of the present invention is to provide a winch that has a relatively low weight.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание лебедки, которая может быть легко транспортирована по традиционным дорожным сетям.Another objective of the present invention is the creation of a winch, which can be easily transported on traditional road networks.
Другой целью настоящего изобретения является создание лебедки, которая имеет наименьшие требования к сборке на нефтяном месторождении.Another objective of the present invention is to provide a winch that has the least assembly requirements in an oil field.
Другой целью настоящего изобретения является создание лебедки, которая легко заменима на нефтяном месторождении.Another objective of the present invention is to provide a winch that is easily interchangeable in an oil field.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание лебедки, которая имеет пониженные инерционные влияния.Another objective of the present invention is the creation of a winch, which has reduced inertial effects.
Другой целью настоящего изобретения является создание лебедки, которая снижает эксплуатационные и ремонтные затраты.Another objective of the present invention is the creation of a winch, which reduces maintenance and repair costs.
Эти и другие цели и преимущества настоящего изобретения станут понятны из сопровождающего описания и прилагаемой формулы изобретения.These and other objects and advantages of the present invention will become apparent from the accompanying description and the appended claims.
КРАТКАЯ СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
В настоящем изобретении предложена лебедка прямого привода с постоянными магнитами, содержащая электродвигатель с постоянными магнитами, гнездо подшипника, присоединенное к электродвигателю, вал, присоединенный к электродвигателю и проходящий через гнездо подшипника, и барабан, присоединенный к концу вала, противоположному электродвигателю. Тормозная система расположена на стороне барабана, противоположной электродвигателю.The present invention provides a permanent magnet direct drive winch comprising a permanent magnet motor, a bearing seat coupled to an electric motor, a shaft coupled to the electric motor and passing through the bearing housing, and a drum connected to an end of the shaft opposite to the electric motor. The brake system is located on the side of the drum, opposite the electric motor.
Электродвигатель с постоянными магнитами содержит корпус, статор, расположенный внутри корпуса, и ротор, взаимодействующий со статором и расположенный в статоре внутри корпуса. Ротор выполнен с возможностью соединения с валом, так чтобы вращательное движение, сообщаемое электродвигателем, непосредственно сообщалось валу и соответственно лебедке.The permanent magnet electric motor comprises a housing, a stator located inside the housing, and a rotor interacting with the stator and located in the stator inside the housing. The rotor is made to be connected to the shaft, so that the rotational movement imparted by the electric motor is directly communicated to the shaft and, accordingly, to the winch.
Корпус содержит внутреннюю камеру, окруженную стенкой. Статор расположен смежно со стенкой корпуса. Статор имеет множество обмоток, проходящих вокруг него. Обмотки расположены на расстоянии друг от друга по внутренней поверхности статора. Обмотки проходят радиально внутрь из стенки корпуса. Подходящие каналы для воздуха выполнены в корпусе для улучшения охлаждающего действия воздухообмена со статором.The housing contains an inner chamber surrounded by a wall. The stator is adjacent to the wall of the housing. The stator has many windings passing around it. The windings are located at a distance from each other on the inner surface of the stator. The windings extend radially inward from the housing wall. Suitable air channels are made in the housing to improve the cooling effect of air exchange with the stator.
Ротор расположен внутри статора. Ротор является кольцевым элементом. Постоянные магниты расположены на расстоянии друг от друга по периферии ротора. Постоянные магниты взаимодействуют с обмотками для обеспечения отталкивания параллельных проводников с противонаправленными токами электродвигателя с постоянными магнитами. Ведущий диск прикреплен к ротору. Ведущий диск имеет внутреннее отверстие, образованное для зацепления шлица вала. Ведущий диск ротора принимает вал. По существу, когда вращательные усилия сообщаются ротору, вращательные усилия непосредственно сообщаются валу и лебедке. По существу, настоящим изобретением обеспечивается непосредственное вращение вала без необходимости в механизмах переключения или системах привода.The rotor is located inside the stator. The rotor is an annular element. Permanent magnets are located at a distance from each other on the periphery of the rotor. Permanent magnets interact with the windings to ensure repulsion of parallel conductors with opposed currents of the permanent magnet motor. The drive disc is attached to the rotor. The drive disk has an inner hole formed to engage the shaft slot. The rotor drive disc receives the shaft. Essentially, when the rotational forces are communicated to the rotor, the rotational forces are directly communicated to the shaft and the winch. Essentially, the present invention provides direct shaft rotation without the need for switching mechanisms or drive systems.
Настоящим изобретением является также буровая вышка. Эта буровая вышка включает в себя вышку, шкив, поддерживаемый вышкой, проволочный трос, проходящий через шкив и имеющий конец, проходящий вниз от него, талевый блок, сопряженный с проволочным тросом, барабан, расположенный смежно с нижней частью вышки и имеющий проволочный трос, проходящий вокруг барабана, вал, присоединенный к барабану и проходящий наружу от него, и электродвигатель с постоянными магнитами, принимающий в себя вал. Электродвигатель предназначен для сообщения вращательного усилия валу для вращения барабана и наматывания или сматывания проволочного троса.The present invention is also a derrick. This drill rig includes a rig, a pulley supported by the rig, a wire rope passing through the pulley and having an end extending downward from it, a tack unit paired with a wire rope, a drum located adjacent to the bottom of the derrick and having a wire rope extending around the drum, a shaft attached to the drum and extending outward from it, and a permanent magnet motor receiving the shaft. The electric motor is designed to communicate rotational forces to the shaft for rotating the drum and winding or reeling the wire rope.
Электродвигатель с постоянными магнитами содержит корпус, статор, расположенный в корпусе, и ротор, взаимодействующий со статором. Ротор присоединен к или взаимосвязан с валом. Статор включает в себя множество обмоток, расположенных на расстоянии друг от друга на внутренней поверхности статора. Ротор является кольцевым элементом, имеющим множество магнитов, расположенных на расстоянии друг от друга по периферии ротора. Ротор имеет ведущий диск, прикрепленный к нему. Вал непосредственно присоединен к ведущему диску. Гнездо подшипника присоединено к электродвигателю с постоянными магнитами. Вал проходит через и поворотно поддерживается гнездом подшипника. Средство торможения принимает в себя вал. Это средство торможения служит для прикладывания усилия к валу для создания сопротивления вращательному движению вала.The permanent magnet electric motor comprises a housing, a stator located in the housing, and a rotor interacting with the stator. The rotor is attached to or interconnected with the shaft. The stator includes many windings located at a distance from each other on the inner surface of the stator. The rotor is an annular element having many magnets located at a distance from each other along the periphery of the rotor. The rotor has a drive disk attached to it. The shaft is directly attached to the drive disk. The bearing housing is connected to a permanent magnet motor. The shaft passes through and is pivotally supported by the bearing housing. The braking means takes the shaft. This braking means is used to apply force to the shaft to create resistance to the rotational movement of the shaft.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Фиг.1 показывает вид сбоку буровой вышки, использующей известную лебедку.Figure 1 shows a side view of a drilling rig using a known winch.
Фиг.2 показывает вид сбоку предпочтительного варианта выполнения лебедки прямого привода с постоянными магнитами настоящего изобретения.Figure 2 shows a side view of a preferred embodiment of a permanent magnet direct drive winch of the present invention.
Фиг.3 показывает вид в перспективе предпочтительного варианта выполнения прямого привода с постоянными магнитами настоящего изобретения.Figure 3 shows a perspective view of a preferred embodiment of a direct permanent magnet drive of the present invention.
Фиг.4 показывает вид в сечении электродвигателя с постоянными магнитами настоящего изобретения.4 shows a cross-sectional view of a permanent magnet electric motor of the present invention.
Фиг.5 показывает вид сверху ведущего диска, связанного с электродвигателем с постоянными магнитами настоящего изобретения.5 shows a top view of a drive disk associated with a permanent magnet motor of the present invention.
Фиг.6 показывает вид в перспективе ротора электродвигателя с постоянными магнитами настоящего изобретения.6 shows a perspective view of a rotor of a permanent magnet motor of the present invention.
Фиг.7 показывает вид в перспективе статора электродвигателя с постоянными магнитами настоящего изобретения.7 shows a perspective view of a stator of a permanent magnet electric motor of the present invention.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
На фиг.2 показан вид сбоку предпочтительного варианта выполнения лебедки 100 прямого привода с постоянными магнитами настоящего изобретения. Лебедка 100 имеет электродвигатель 40 с постоянными магнитами. Вал 41 присоединен к электродвигателю 40. Гнездо 45 подшипника расположено смежно с электродвигателем 40 и с валом 41. Вал 41 проходит через гнездо 45 подшипника и во внутреннее пространство электродвигателя 40. Барабан 43 прикреплен к концу 47 вала 41, противоположному электродвигателю 40. Проволочный трос 24 намотан на барабан 43. Барабан 43 расположен в раме 53. Рама 53 поддерживает вал 41, для того чтобы удерживать барабан 43 и электродвигатель 40 выше поверхности пола, например буровой площадки 12. Тормозная система 49 расположена на стороне барабана 43, противоположной электродвигателю 40. На фиг.2 тормозная система 49 имеет тормозной диск 51, расположенный смежно с барабаном 43. Тормозная система 49 на фиг.2 имеет водяное охлаждение. Источник 48 питания присоединен к электродвигателю 40 для подвода питания к нему.2 is a side view of a preferred embodiment of the permanent magnet
Электродвигатель 40 вращает вал 41, который вращает барабан 43. Вращение барабана 43 вызывает травление или выбирание проволочного троса 24 в зависимости от направления вращения барабана 43. Когда проволочный трос 24 выбирается, проволочный трос 24 наматывается на внешнюю поверхность барабана 43. Продольная ось барабана 43 выровнена с продольной осью вала 41. Продольные оси барабана 43 и вала 41, в общем, параллельны буровой площадке 12.The
На фиг.3 показан вид в перспективе лебедки 100 прямого привода с постоянными магнитами настоящего изобретения. Электродвигатель 40 с постоянными магнитами имеет корпус 42. Ротор и статор расположены внутри корпуса 42, как описано более подробно в дальнейшем. Корпус 42 имеет, в общем, цилиндрическую форму. Корпус 42 имеет впускное отверстие 55 и выпускное отверстие 57. Для охлаждения ротора и статора электродвигателя 40 воздух проходит во впускное отверстие 55, циркулирует во внутреннем пространстве корпуса 42 и отводится через выпускное отверстие 57. Кожух 50 прикреплен к верхней поверхности 44 корпуса 42. Диск 51 тормозной системы 49 расположен смежно с барабаном 43 внутри рамы 53. Барабан 43 имеет форму катушки для эффективного хранения тросов большой длины.3 is a perspective view of a permanent magnet
Барабан 43 имеет проволочный трос, намотанный на него. Вращение барабана 43 служит для наматывания и сматывания этого проволочного троса. Проволочный трос проходит из барабана 43 образом, описанным ранее в отношении фиг.1. По существу, вращение барабана 43, вызванное электродвигателем 40, может вызывать наматывание и сматывание проволочного троса для подъема или опускания талевого блока.The
На фиг.4 показан вид в сечении корпуса 42 электродвигателя 40 с постоянными магнитами. Корпус 42 ограничивает внутреннюю камеру 60. Вал 41 проходит наружу внутреннего пространства 60 корпуса 42 электродвигателя 40. Статор 62 прикреплен к стенке корпуса 42. Статор 62 проходит по кольцевой внутренней поверхности корпуса 42. Ротор 64 расположен в непосредственной близости от статора 62. Ротор 64 имеет множество постоянных магнитов, образованных по его окружности (описано более подробно в дальнейшем). Статор 62 имеет катушки проволоки, расположенные по внутренней поверхности статора 62. Взаимодействие катушек статора 62 и постоянных магнитов ротора 64 обеспечивает крутящий момент электродвигателя 40. Ведущий диск 66 прикреплен к верхней части ротора 64. Вал 41 зацеплен с ведущим диском 66, так чтобы вращательная энергия, сообщаемая ведущему диску 66 ротором 64, сообщалась валу 41. Вал 41 проходит наружу из внутренней камеры 60 корпуса 42. Конец рамы 53 можно видеть расположенной между гнездом 45 подшипника и электродвигателем 40. Таким образом, вал 41 проходит через электродвигатель 40, раму 53 и гнездо 45 подшипника.Figure 4 shows a cross-sectional view of the
Электродвигатели с постоянными магнитами вращаются вследствие крутящего момента, который вызывается взаимодействием двух магнитных полей. Эти магнитные поля создаются постоянными магнитами, установленными на вращающемся роторе, и магнитным полем, которое индуцируется неподвижными обмотками статора. Крутящий момент является наибольшим, когда магнитный вектор ротора составляет 90° с магнитным вектором статора. В этом положении он заставляет полюса ротора вращаться в направлении поля статора. В бесколлекторном двигателе постоянного тока с питанием от трапецеидального сигнала электрический ток, последовательно чередующийся в двух из трех катушек, создает поле статора. Оставшаяся третья катушка контролирует обратную ЭДС (электродвижущая сила) двух активных катушек. Обратная ЭДС возникает, когда электродвигатель с постоянными магнитами вращается. Каждая обмотка создает напряжение, которое противодействует сетевому напряжению обмоток. Обратная ЭДС зависит от частоты вращения ротора, магнитного поля, которое создают магниты ротора, и количества витков в обмотках статора. Обратная ЭДС электродвигателя обеспечивает обратную связь положения ротора относительно обмоток статора. Электродвигатели с постоянными магнитами, имеющие датчики, обеспечивают аналогичную положительную обратную связь. При синусоидальной коммутации, которую использует синхронный электродвигатель с постоянными магнитами, контур управления приводом одновременно питает три катушки.Permanent magnet motors rotate due to the torque that is caused by the interaction of two magnetic fields. These magnetic fields are created by permanent magnets mounted on a rotating rotor and by a magnetic field that is induced by the fixed stator windings. Torque is greatest when the magnetic vector of the rotor is 90 ° with the magnetic vector of the stator. In this position, it causes the rotor poles to rotate in the direction of the stator field. In a DC brushless motor powered by a trapezoidal signal, an electric current sequentially alternating in two of the three coils creates a stator field. The remaining third coil controls the back emf (electromotive force) of the two active coils. Reverse EMF occurs when the permanent magnet motor rotates. Each winding creates a voltage that counteracts the mains voltage of the windings. The reverse EMF depends on the rotor speed, the magnetic field that the rotor magnets create, and the number of turns in the stator windings. The reverse EMF of the electric motor provides feedback of the position of the rotor relative to the stator windings. Permanent magnet motors with sensors provide similar positive feedback. With sinusoidal switching, which uses a permanent magnet permanent magnet motor, the drive control loop simultaneously feeds three coils.
Электродвигатели с постоянными магнитами были коммерчески доступны с 1990-х годов. Однако электродвигатели с постоянными магнитами не нашли широкого применения вследствие высокой стоимости, связанной с дорогостоящими постоянными магнитами на роторе. Дополнительно, их сложные алгоритмы управления требуют специализированную инженерную экспертизу, а также дополнительные расходы на встроенный процессор. Электродвигатели с постоянными магнитами более эффективны по сравнению с асинхронными электродвигателями переменного тока. Однако вследствие недавнего повышения цен на медь, асинхронные электродвигатели с токовой обмоткой подорожали, и электродвигатели с постоянными магнитами сравнительно подешевели. Дополнительно, недавние достижения в технологии улучшили выходную мощность электродвигателей с постоянными магнитами, в результате чего такие электродвигатели имеют удельную мощность, превосходящую удельную мощность существующих асинхронных электродвигателей. По существу, электродвигатель 40 с постоянными магнитами, как изображен на фиг.4, обеспечивает превосходящую выходную мощность для прямого привода вала 41 и барабана 43 лебедки 100.Permanent magnet motors have been commercially available since the 1990s. However, permanent magnet motors are not widely used due to the high cost associated with expensive permanent magnets on the rotor. Additionally, their sophisticated control algorithms require specialized engineering expertise, as well as additional costs for the embedded processor. Permanent magnet motors are more efficient than AC induction motors. However, due to the recent rise in copper prices, current-wound asynchronous motors have risen in price, and permanent-magnet motors have become relatively cheaper. Additionally, recent advances in technology have improved the output power of permanent magnet motors, with the result that such motors have a specific power exceeding that of existing asynchronous motors. Essentially, the
На фиг.5 показан вид сверху ведущего диска 66 электродвигателя 40 с постоянными магнитами лебедки 100 настоящего изобретения. Ведущий диск 66 имеет круглую форму с внешней окружностью 90. Болтовые отверстия 92 образованы смежно с внешней окружностью 90. Болтовые отверстия 92 позволяют присоединение болтами ведущего диска 66 к верхней части ротора. Шлицевое отверстие 94 образовано в центре ведущего диска 66, для того чтобы вмещать шлиц вала 41. Отверстия 96 для циркуляции воздуха образованы по внутренней поверхности ведущего диска 66. Отверстия 96 облегчают циркуляцию воздуха внутри электродвигателя 40 с постоянными магнитами.Figure 5 shows a top view of the
На фиг.6 показан отдельный вид в перспективе ротора 64 электродвигателя 40 с постоянными магнитами лебедки 100 настоящего изобретения. Ведущий диск 66 может быть установлен непосредственно на верхнюю часть ротора 64. Пакеты постоянных магнитов прикреплены к внешней поверхности ротора 64 отстоящими друг от друга. Разделители 106 служат для изоляции одного пакета постоянных магнитов от смежного пакета. Разделители 106 могут являться отдельными элементами или они могут являться просто фасонной поверхностью на внешней окружности ротора 64. Ротор 64 имеет отверстие 110 подшипника ротора, образованное в его центре.Figure 6 shows a separate perspective view of the
На фиг.7 показан отдельный вид в перспективе статора 62 электродвигателя 40 с постоянными магнитами лебедки 100 настоящего изобретения. Статор 62 имеет внешний кожух 120, который служит для отделения катушек 122 от внутренней стенки корпуса 42. Катушки 122 проходят радиально внутрь от него. Внутренняя поверхность 124 катушек 122 образует круглое отверстие, в которое помещен ротор 64. В результате, пакеты 104 постоянных магнитов находятся в непосредственной близости от катушек 122, так чтобы электродвигатель 40 мог функционировать надлежащим образом. Подходящее электронное оборудование присоединено к электродвигателю 40 для облегчения надлежащего действия электродвигателя 40.7 shows a separate perspective view of the
Лебедка 100 прямого привода с постоянными магнитами непосредственно присоединена к валу 41, при этом отсутствуют зубчатые устройства или другие приводные механизмы, которые сопряжены в этих областях. Таким образом, лебедка 100 обеспечивает увеличенную удельную мощность для надлежащего вращения бурильной колонны в относительно легковесной конфигурации. Вес, связанный с системами привода, эффективно исключается настоящим изобретением. Более того, сложность установки таких систем привода, так чтобы мощность асинхронного электродвигателя могла быть передана приводной системе, исключается в настоящем изобретении. В результате, лебедка прямого привода с постоянными магнитами настоящего изобретения может служить для надлежащего вращения бурильной колонны с наименьшим весом. В отличие от современных электродвигателей, связанных с работами по бурению, которые могут весить более 100000 фунтов, электродвигатель с постоянными магнитами настоящего изобретения будет весить всего приблизительно 60000 фунтов. По существу, он может легко транспортироваться по дорогам на обычном грузовике. В отличие от предшествующего уровня техники, электродвигатель 40 не требует собственной сборки или сборки с системой привода на месторождении. По существу, настоящее изобретение исключает специализированную потребность в персонале для установки, который в противном случае потребовался бы для этих систем, которые требуют приводов между электродвигателем и лебедкой. Снижение веса электродвигателя с постоянными магнитами настоящего изобретения исключает некоторые инерционные влияния, которые в противном случае отрицательно влияли бы на функционирование традиционных асинхронных электродвигателей. Электродвигатель 40 настоящего изобретения может быть заменяемым по желанию для использования совместно с верхним приводом буровой вышки прямого привода или буровым насосом буровой вышки. Поскольку системы привода не требуются, поставка таких электродвигателей с постоянными магнитами может быть обеспечена для работ по бурению для использования либо совместно с лебедкой, либо для других целей. Если произойдет отказ любого электродвигателя, тогда любой другой электродвигатель может быть использован вместо него без какого-либо простоя на буровой вышке.The permanent magnet
Предшествующее описание изобретения является иллюстративным и пояснительным. Различные изменения в деталях изображенной конструкции могут быть выполнены без отступления от сущности изобретения. Настоящее изобретение ограничено только следующей формулой изобретения.The foregoing description of the invention is illustrative and explanatory. Various changes in the details of the illustrated construction can be made without departing from the essence of the invention. The present invention is limited only by the following claims.
Claims (15)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US12/643,439 | 2009-12-21 | ||
US12/643,439 US8672059B2 (en) | 2008-12-22 | 2009-12-21 | Permanent magnet direct drive drawworks |
PCT/US2010/060943 WO2011084669A2 (en) | 2009-12-21 | 2010-12-17 | Permanent magnet direct drive drawworks |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012131406A RU2012131406A (en) | 2014-01-27 |
RU2553793C2 true RU2553793C2 (en) | 2015-06-20 |
Family
ID=44307721
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012131406/03A RU2553793C2 (en) | 2009-12-21 | 2010-12-17 | Direct drive hoist with constant magnets |
Country Status (9)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP2501863A4 (en) |
CN (1) | CN102667009A (en) |
AU (1) | AU2010339868B2 (en) |
CA (1) | CA2778833C (en) |
IN (1) | IN2012DN03796A (en) |
MX (1) | MX2012005207A (en) |
NO (1) | NO20120518A1 (en) |
RU (1) | RU2553793C2 (en) |
WO (1) | WO2011084669A2 (en) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CA2899487C (en) * | 2014-08-04 | 2020-03-24 | Canrig Drilling Technology | Direct drive drawworks with bearingless motor |
US10781085B2 (en) | 2016-12-19 | 2020-09-22 | Warn Industries, Inc. | Winch including integrated contactor and motor |
CN109347290B (en) * | 2018-10-30 | 2023-04-28 | 湖北环一电磁装备工程技术有限公司 | Oil rig carousel that combination formula PMSM directly drives |
CN113716476A (en) * | 2020-05-26 | 2021-11-30 | 李伟伟 | Petroleum drilling winch rope clamping device |
CN112242779B (en) * | 2020-10-16 | 2022-03-15 | 中车永济电机有限公司 | Direct electric driving roller device |
CN112443273B (en) * | 2020-11-06 | 2022-07-08 | 中国石油天然气股份有限公司大港油田分公司 | A drilling speed-increasing device driven by an underground turbine to realize high-frequency pressurization of a bottom-hole bit |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2023645C1 (en) * | 1991-06-07 | 1994-11-30 | Акционерное общество открытого типа "Уральский завод тяжелого машиностроения" | Drawworks |
RU2234788C2 (en) * | 1999-05-25 | 2004-08-20 | Смарт Мотор Ас | Electrical machine |
US7633248B1 (en) * | 2007-05-18 | 2009-12-15 | Williams Kevin R | Flywheel-based energy storage on a heave-compensating drawworks |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4545017A (en) * | 1982-03-22 | 1985-10-01 | Continental Emsco Company | Well drilling apparatus or the like with position monitoring system |
US6995682B1 (en) * | 2000-10-30 | 2006-02-07 | Ramsey Winch Company | Wireless remote control for a winch |
FR2821024B1 (en) * | 2001-02-20 | 2003-06-13 | Leroy Somer Moteurs | DRIVE ELEMENT SUCH AS A DRIVE WHEEL OR A LIFTING WINCH COMPRISING A SYNCHRONOUS MOTOR |
US20070241627A1 (en) * | 2006-04-12 | 2007-10-18 | Sullair Corporation | Lubricant cooled integrated motor/compressor design |
US20080203734A1 (en) * | 2007-02-22 | 2008-08-28 | Mark Francis Grimes | Wellbore rig generator engine power control |
US20080267785A1 (en) * | 2007-04-27 | 2008-10-30 | Gregory Paul Cervenka | Drill rig apparatuses with directly driven shaft & drilling fluid pump systems |
CN201136727Y (en) * | 2007-11-20 | 2008-10-22 | 苏州通润驱动设备股份有限公司 | Small-sized permanent magnet synchronous gearless traction machine |
CN201321324Y (en) * | 2008-10-17 | 2009-10-07 | 鹤山市鹤龙机电有限公司 | Material elevator |
-
2010
- 2010-12-17 AU AU2010339868A patent/AU2010339868B2/en not_active Ceased
- 2010-12-17 WO PCT/US2010/060943 patent/WO2011084669A2/en active Application Filing
- 2010-12-17 MX MX2012005207A patent/MX2012005207A/en active IP Right Grant
- 2010-12-17 EP EP10842637.0A patent/EP2501863A4/en not_active Withdrawn
- 2010-12-17 CN CN2010800560982A patent/CN102667009A/en active Pending
- 2010-12-17 CA CA2778833A patent/CA2778833C/en active Active
- 2010-12-17 RU RU2012131406/03A patent/RU2553793C2/en not_active IP Right Cessation
-
2012
- 2012-05-01 IN IN3796DEN2012 patent/IN2012DN03796A/en unknown
- 2012-05-07 NO NO20120518A patent/NO20120518A1/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2023645C1 (en) * | 1991-06-07 | 1994-11-30 | Акционерное общество открытого типа "Уральский завод тяжелого машиностроения" | Drawworks |
RU2234788C2 (en) * | 1999-05-25 | 2004-08-20 | Смарт Мотор Ас | Electrical machine |
US7633248B1 (en) * | 2007-05-18 | 2009-12-15 | Williams Kevin R | Flywheel-based energy storage on a heave-compensating drawworks |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
AU2010339868B2 (en) | 2015-04-23 |
CN102667009A (en) | 2012-09-12 |
MX2012005207A (en) | 2012-06-13 |
WO2011084669A2 (en) | 2011-07-14 |
EP2501863A4 (en) | 2013-06-26 |
WO2011084669A3 (en) | 2011-10-27 |
AU2010339868A1 (en) | 2012-05-31 |
NO20120518A1 (en) | 2012-05-22 |
CA2778833A1 (en) | 2011-07-14 |
EP2501863A2 (en) | 2012-09-26 |
CA2778833C (en) | 2018-03-06 |
IN2012DN03796A (en) | 2015-08-28 |
RU2012131406A (en) | 2014-01-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9022358B2 (en) | Two speed direct drive drawworks | |
US8672059B2 (en) | Permanent magnet direct drive drawworks | |
RU2553793C2 (en) | Direct drive hoist with constant magnets | |
RU2509203C2 (en) | Draw work for manoeuvring of drilling devices | |
EP2126268B1 (en) | Rig engine control | |
CA2939670C (en) | Low inertia direct drive drawworks | |
US20080116432A1 (en) | Electric winch motor | |
CA2753674A1 (en) | Drive assembly and apparatus for hoist | |
US9567814B2 (en) | Hoisting systems with heave compensation | |
CN105377741A (en) | Drawworks system | |
WO2015189368A2 (en) | Winches and hoisting systems with heave compensation | |
US8567529B2 (en) | Permanent magnet direct drive top drive | |
US10995550B2 (en) | Wellbore rig top drive | |
CN101871338A (en) | Direct drive pumping unit | |
US11472681B2 (en) | Direct drive drawworks | |
JP2008247567A (en) | Yard crane for container | |
RU2222490C1 (en) | Electric brake and draw-works bit feeder drive assembly |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191218 |