尉来集团-油田装备维修保养与再制造专家

　　本发明针对传统抽油泵效率低、电机易发热及部件易撞击的问题，提出采用多级直线电机驱动上下抽油泵协同工作的方案。通过柔性接头实现动子与柱塞的柔性连接，利用液力平衡原理降低运动阻力，优化柱塞直径设计以平衡重力影响，有效提升出油量与电机效率，同时降低加工难度和成本，防止部件撞击，提高系统可靠性。

　　直线电机及其抽油泵以其节能高效等优点正在推广使用之中。但在实际应用中出现(1)直线电机推力小，使用范围受限(2)直线电机加工成本高、质量不可靠(3)直线电机往复运动时速度不均匀，直线电机电流频繁变化，电机发烧(4)直线电机密封不好，烧电机(5)直线电机及其抽油泵易产生撞击等问题。限制了直线电机及其抽油泵的大面积推广应用。

　　其实，专利5.7《一种圆筒潜油直线电机及潜油式直线抽油机》里就讲过，潜油直线电机受油井尺寸的限制，推力也相应的受到了限制，导致其推力较小。采用直线电机定子部分由定子外管+线圈+定子内管组成；直线电机动子部分由磁铁保护套+磁铁+定子内管组成的方式来提高电机功率。这种方式是对单位长度的直线电机推力有所提高，但毕竟提高是很有限的，不能成倍的。要成倍的提高直线电机推力就要不断的增加长度(在直线电机外径不变的前提下)，本来井下潜油直线米左右，长度的不断增加就造成电机加工难度增加，甚至难以加工，电机装配的难度也随之增加，电机质量就不稳定，故障率就高；特别是该专利方案中的定子内管、磁铁保护套因为受直线电机气隙要求的限制，壁厚本来就很薄(通常1mm)，况且对其直线度、圆度、耐磨的要求还很高，长度增加对加工组装影响很大，常常因为加工精度的影响，会出现定子内套与动子磁铁保护套相互摩擦引起电机故障。专利7.7《一种潜油直线电机》公开的定子部分分成了多段，将定子芯管、定子短节焊接在定子端盖上，但焊接时的高温很容易击穿组装好的定子部分线圈，存在质量隐患，一次性焊死不便于维护；同时其动子部分也是分段连接的，但对动子部分磁环等如何密封没有解决方案，最主要的是电机外壳(定子外管)仍然很长，存在加工组装难度，潜油电机冷却的问题也没有解决；为解决电机动子等碰撞在潜油电机的底部设有缓冲弹簧。

　　专利0.0《一种潜油直线电机及其动子》就是为了解决动子外套与定子内管之间的摩擦而给中空的动子内筒以及磁铁上开油槽，以达到润滑动子、定子摩擦副的效果，但润滑油很有可能渗入定子线圈里面引起短路。还有专利6.1《一种潜油直线电机动子磁钢防护结构》提供了一种动子磁铁保护套的固定及密封方法，但磁铁保护套很薄，强度有限，很难做到缩口不张开，缩口一旦张开，就失去密封保护功能了。

　　为解决直线电机推力小的问题，专利7.0《单侧并联直线电机组合驱动皮带式抽油机》采用多台直线电机并联共同驱动负载工作的办法，但对井下直线电机抽油泵不适合。专利5.x《数个直线电机泵组合的抽油装置》采用数个直线电机泵串联使用的方案，依赖分级增压来实现大推力的需要。但带来了泵多故障点多可靠性差的弊病。

　　为提高直线电机性能和采油装置寿命，专利0.8《一种井下直线电机双作用往复抽油泵采油装置》通过在直线电机上端连接双作用泵同时利用直线电机动子碰撞时的电流畸变来调节电机运行位置，减小系统碰撞。但存在着没有提供从根本上避免电机碰撞的方法，也没有解决电机发烧的问题。同时电机上端连接双作用抽油泵，抽油泵必须采用环形阀或偏置阀，对泵吸入影响很大。专利4.9《一种电动潜油往复双抽油泵》虽然在电机上下布置了单作用抽油泵，但其下端抽油泵的出油管要绕过直线电机外面引到上部油管，井下套管尺寸很有限，直线电机外面很难有空间布置出油管。

　　专利9.0《潜油直线电机抽油泵》采用上下缓冲弹簧来减小泵筒所受的撞击力。专利3.1《一种用于潜油往复泵采油系统的密封装置》也是在电机动子下端安装缓冲弹簧来减小碰撞，还采用橡胶波纹管来隔开电机动子与外部接触，在波纹管内油润滑油来润滑动子，但润滑油有可能进入定子线圈，引起电机故障。还有如此保护动子会带来电机散热困难，导致电机发烧问题。

　　专利5.3《一种潜油直线电机的密封器》直接密封电机动子会对动子造成磨损。

　　本发明的目的是提供一种多级直线电机及其抽油泵，以解决上述现有技术存在的问题，以提高直线电机推力，满足各种工况需求，降低生产成本，提高电机可靠性，防止抽油泵撞击，方便安装维护。

　　为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种多级直线电机及其抽油泵，包括上抽油泵、多级直线电机和下抽油泵，单级直线电机通过定子中间接头和动子中间接头分别连接另外一级单级直线电机从而组合成所述多级直线电机；两个所述单级直线电机的定子部分由所述定子中间接头连接在一起，两个所述单级直线电机的动子部分由所述动子中间接头连接在一起，所述动子部分置于所述定子部分的内孔中。

　　优选的，所述定子部分包括定子外筒、线圈绕组、定子护套和接线盘，所述线圈绕组置于所述定子外筒与定子护套之间，所述线圈绕组的两端均有所述接线盘；所述动子部分包括动子内筒、软磁环、动子护套、锥套和密封圈，所述动子护套的内孔与所述动子内筒外圆之间设有所述软磁环，所述软磁环的两端设有所述锥套，所述动子护套两端分别缩口在所述锥套上，所述动子中间接头与动子内筒螺纹连接，两个动子内筒的端面之间设有所述密封圈；所述定子护套与所述动子护套之间有留有间隙。

　　优选的，所述定子中间接头包括接头体、活螺母、卡环、石墨环和o型圈，两个所述活螺母用o型圈内外密封套在所述接头体的两端的圆柱上，所述接头体两端的圆柱上均有安装所述卡环的槽，所述卡环为中分两半的结构，所述石墨环安装在所述接头体的内孔槽中，所述石墨环与所述动子护套密封接触；所述活螺母与所述定子外筒螺纹连接。

　　优选的，所述接头体上均布有3个接线端子，所述接头体内孔喷涂有轴承合金，所述轴承合金与柔性的石墨环给所述动子部分提供定位导向。

　　优选的，所述接线盘上均布有三个接线柱，所述接线柱靠外侧的孔为所述线圈绕组的接线孔，所述接线柱靠内侧的孔与所述接头体上的接线端子相插接。

　　优选的，所述上抽油泵包括动子上护管、上柱塞、上柱塞护管、上泵筒和集油管，所述动子上护管通过上柱塞密封b与上柱塞护管一端连接，所述上柱塞护管另一端通过上柱塞密封a与上泵筒连接，所述上柱塞护管上开有出油孔，并通过出油扁管与所述集油管连通后通向油管，所述上泵筒内设置有上固定阀，所述上柱塞内设置有上游动阀。

　　优选的，所述下抽油泵包括动子下护管、下柱塞、下柱塞护管和下泵筒，所述动子下护管通过下柱塞密封a与所述下柱塞护管一端连接，所述下柱塞护管另一端通过下柱塞密封b与所述下泵筒连接，所述下泵筒内设置有下固定阀，所述下柱塞内设置有下游动阀。

　　优选的，所述动子部分、上柱塞和下柱塞均为空心结构，所述下柱塞的直径不小于所述上柱塞的直径。

　　优选的，定子上接头一端与所述定子外筒连接，另一端与所述动子上护管相连，所述定子上接头外侧有电缆接头；定子下接头一端与所述定子外筒连接，另一端与所述动子下护管相连。

　　优选的，所述动子部分的两端有动子外接头，与所述动子外接头连接的是柔性接头，上部的所述动子外接头通过所述柔性接头与所述上柱塞连接，下部的所述动子外接头通过所述柔性接头与所述下柱塞连接；所述柔性接头由两端的接头螺母、弹性柱和高强度橡胶组成，多个所述弹性柱与两端的所述接头螺母是连成一体的，连成一体的多个所述弹性柱与两端的所述接头螺母再与所述高强度橡胶硫化为一个整体。

　　本发明中的多级直线电机及其抽油泵，上下布置抽油泵，在直线电机推力一定的前提下，大大提高了出油量，提高了电机效率。

　　本发明的优点在于降低了直线电机部分的加工难度，降低生产成本，可靠的提高了直线电机推力，能满足各种工况需求，提高电机可靠性和效率，有效防止了直线电机及抽油泵运动部件的撞击，便于安装维护。

　　为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

　　其中，a上抽油泵；b多级直线上柱塞护管；8上柱塞密封a；8.1上柱塞密封b；9动子上护管；10定子上接头；11定子部分；111定子外筒；112线动子护套；123软磁环；124密封圈a；125锥套；126密封圈b；127动子中间接头；128动子内筒；129柔性接头；129.1接头螺母；129.2弹性柱；129.3高强度橡胶；13定子中间接头；131接头体；1310轴承合金；132接线卡环；14；定子下接头；15动子下护管；16下柱塞密封a；16.1下柱塞密封b；17下柱塞护管；18下柱塞；19下泵筒；20下游动阀；21下固定阀；22扩口锥面；23缩口锥面。

　　下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

　　本发明的目的是提供一种多级直线电机及其抽油泵，以解决上述现有技术存在的问题，以提高直线电机推力，满足各种工况需求，降低生产成本，提高电机可靠性，防止抽油泵撞击，方便安装维护。

　　本发明提供的多级直线电机及其抽油泵，包括上抽油泵、多级直线电机和下抽油泵，单级直线电机通过定子中间接头和动子中间接头分别连接另外一级单级直线电机从而组合成多级直线电机；两个单级直线电机的定子部分由定子中间接头连接在一起，两个单级直线电机的动子部分由动子中间接头连接在一起，动子部分置于定子部分的内孔中。

　　为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

　　请参考图1-12，其中，图1为多级直线电机及其抽油泵示意图；图2为多级直线电机及其抽油泵结构示意图；图3为多级直线电机及其抽油泵结构分段示意图a；图4为多级直线电机及其抽油泵结构分段示意图b；图5为多级直线电机及其抽油泵结构分段示意图c；图6为多级直线电机及其抽油泵结构分段示意图d；图7为定子中间接头示意图a；图8为定子部分接线为单级直线电机动子部分示意图；图11为单级直线电机定子部分示意图；图12为多级直线电机及其抽油泵受力分析示意图。

　　如图1-12所示，本发明提供一种多级直线电机及其抽油泵，包括上抽油泵a、多级直线电机b和下抽油泵c。定子部分11与动子部分12组成单级直线电机；单级的直线分别连接另外一级单级直线电机组合成多级直线电机。

　　单级直线、线、接线组成；单级直线、锥套125、动子中间接头127组成；每两个单级直线连接在一起；每两个单级直线连接在一起。

　　定子中间接头13由接头体131、活螺母135、卡环138、接线个接线的内孔槽中，石墨环133与动子护套122密封接触，并给动子护套122润滑；进一步的定子护套113与动子护套122不接触，之间有小间隙h，避免了动子护套122与定子护套113的磨损，大大提高了电机的可靠性。2个活螺母135用o型圈a136和o型圈b137内外密封套在接头体131的两端的圆柱上，接头体131两端的圆柱上均有安装卡环138的槽，卡环138是中分两半的；卡环138限制了活螺母135只能旋转不能轴向串动；活螺母135与定子外筒111连接时，只有活螺母135是旋转的，定子外筒111及其它零件均不旋转只轴向移动，可靠的保证了接线内侧孔的插接。轴承合金1310以及石墨环133给动子部分12定位导向，确保与动子连接的上下柱塞同轴往复运动。活螺母135与定子外筒111螺纹连接，线之间，线的两端均有接线，接线上均布有三个接线，接线靠内侧的孔为接线上的外锥面以及接线上的内锥面压紧夹持固定，保证了定子护套113扩口不变形及可靠密封。确保了定子部分11的密封，杜绝了原油等对动子线圈等的腐蚀与绝缘损害，避免了因绝缘密封而烧电机。

　　动子部分12置于定子部分11的内孔中，动子护套122内孔与动子内筒128外圆之间有软磁环123，软磁环123的两端设有锥套125，动子中间接头127与动子内筒128螺纹连接，两个动子内筒128的端面之间有密封圈b126，动子中间接头127两端有内锥面，动子中间接头127内锥面以及锥套125锥面与动子护管缩口锥面23压紧夹持密封，动子护套122两端分别缩口在锥套125上，在动子中间接头127端面与锥套125端面之间设有。密封圈a124、密封圈b126与动子护套122的缩口锥面23构成的多道密封，确保了动子部分12的密封，杜绝了原油等对动子部分12的腐蚀与损害。

　　单级直线与单级直线组成单级直线电机。单级直线分别连接另一单级直线就可以组合成多级直线电机b。多级直线电机b在有限的井下尺寸内，通过逐级增加电机级数，加大了直线电机推力，解决了定子外筒111、定子护套113、动子护套122、动子内筒128等因长度太长而引起的加工组装的难度，稳定了直线电机质量，大大降低了直线电机的成本，也便于井下安装维护。

　　定子上接头10一端与定子外筒111连接，定子上接头10与定子外筒111连接一端与定子中间接头13与定子外筒111连接一端是一样的，定子上接头10另一端与动子上护管9相连，定子上接头10外侧有电缆接头。定子下接头14一端与定子外筒111连接，定子下接头14与定子外筒111连接的一端与定子中间接头13与定子外筒111连接一端是一样的；定子下接头14另一端与动子下护管15相连。

　　动子部分12的两端有动子外接头121，与动子外接头121连接的是柔性接头129，上部的动子外接头121通过柔性接头129与上柱塞5连接，下部的动子外接头121通过柔性接头129与下柱塞18连接。柔性接头129由两端的接头螺母、弹性柱129.2、高强度橡胶129.3组成的，多个弹性柱129.2与两端的接头螺母是连成一体的，连成一体的多个弹性柱129.2与两端的接头螺母再与高强度橡胶129.3硫化为一个整体，高强度橡胶129.3里加固钢丝。经过柔性接头129连接起来动子和柱塞，因柔性接头129在受力后可在径向微量摆动而轴向不动，避免了不同轴运动造成的偏磨等影响，同时也降低了定子护套113、动子护套122、柱塞等零部件的加工难度。

　　上抽油泵由动子上护管、上柱塞5、上柱塞密封a8、上柱塞密封b9、上柱塞护管7、上泵筒3、上游动阀、上固定阀2、出油扁管6、集油管1组成。

　　动子上护管另一端通过上柱塞密封b9与上柱塞护管7一端连接，上柱塞护管7另一端通过上柱塞密封a8与上泵筒3连接，在上柱塞护管7上开有出油孔，并通过出油扁管6与集油管1联通后通向油管，上泵筒3里有上固定阀2、上柱塞5里有上游动阀。

　　下抽油泵由动子下护管15、下柱塞18、下柱塞密封a16、下柱塞密封b16.1、下柱塞护管17、下泵筒19、下游动阀204、下固定阀21组成。

　　动子下护管15另一端通过下柱塞密封a16与下柱塞护管17一端连接，下柱塞护管17另一端通过下柱塞密封b16.1与下泵筒19连接，下泵筒19里有下固定阀21、下柱塞18里有下游动阀204。

　　上下柱塞密封由带螺纹的密封体和密封组件构成，密封组件选用成熟的原油介质往复高压自封式密封，密封组件分别与上下柱塞接触密封而不与动子接触，避免原油进入直线电机，保证了直线电机的可靠性，同时密封组件对上、下柱塞也进行了二次密封，与常规抽油泵相比，大大的提高了抽油泵效率。

　　动子部分12、上下柱塞都是空心的，不仅减小了往复运动件(动子部分12及上下柱塞)的重量，提高了泵效，而且原油不断流过空心动子带走了电机产生的热量，保证了电机不发烧。

　　上下布置抽油泵a、b，在多级直线电机推力不变的前提下，上下出油，不仅大大增加了出油量，提高了电机效率；更重要的是利用液力平衡原理，平衡了往复运动件的重力，使直线电机往复运动时的电流基本一样，防止电机发烧，阻止运动件撞击。

　　ps沉没压力、pc油泵出口压力、d下柱塞18直径、f多级直线电机推力、g往复运动件重力、f摩擦力、gy+及gy－为变化的上柱塞5腔液体重力、d上柱塞5直径

　　动子部分12上行程时，下游动阀204关、下固定阀21开，油进入下柱塞18容积腔，上游动阀开、上固定阀2关，油经上柱塞5空心管进入到出油扁管6到集油管1排出。

　　pc-π/4d2ps+g-f+△gy－(a)动子下行程时，下游动阀204开、下固定阀21关，油经下柱塞18、动子部分12空心管流到出油扁管6到集油管1排出，上游动阀关、上固定阀2开油进入上柱塞5容积腔。

　　pc-π/4d2ps-g-f-△gy+(b)直线电机最理想的工作状态是动子部分12上下行程时，电机推力f相等，从而保证电机电流的稳定，也保证了动子往复运动件运行平稳不碰撞。

　　≦d2-8g/π(pc+ps)(1)当抽油泵安装位置确定时，已知：ps、pc、d、f、g(当上柱塞5直径不确定时可按上下柱塞直径相等初步计算)、gy+及gy－(忽略不计)。

　　当因故停电f＝0时，还要保证往复运动件不上下撞击，根据公式(a)(b)得出：(d

　　从公司(1)可以看出，上下柱塞直径是不同的，下柱塞18直径必须不小于上柱塞5直径，而且上下柱塞直径的关系必须符合公式(2)的要求；同时也可以看出，往复运动件重力对直线电机推力f影响很大，动子部分12、上下柱塞重量越小越好。

　　公式(1)(2)只是对竖直井而言。对于水平井g＝0那么d＝d。对于斜井，g则需要进行分解。

　　本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。