一种孔底管式直线电机电动冲击器

摘要

本发明涉及一种孔底管式直线电机电动冲击器，包括电机外筒、永磁杆、直线球轴承、动子、动子硅钢片、动子线圈。电机外筒为直线电机的外壳，永磁杆固定在电机外筒上，永磁杆作为直线电机的定子；动子通过直线球轴承与永磁杆做相对运动；动子内部镶嵌有由动子硅钢片组成的铁芯，铁芯中有槽，槽里有动子线圈；线圈采用三相交流绕组，用于接入三相对称交流电，产生与动子运动方向一致的行波磁场；还设有两个减震弹簧用于缓冲减震。本冲击器采用动圈式结构，即永磁杆和铁芯固定，线圈运动。同时在动子与底座间设计了缓冲垫片提高冲击器的抗疲劳寿命。本冲击器结构简单坚固，制造维护成本低，冲击行程速度、频率易于调节，效率高，可用于深孔钻探。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电机设计技术，具体地说是涉及一种孔底管式直线电机电动冲击 器，本发明的冲击器可广泛应用于地质装备、地质、石油钻探工程、钻井工程中，可替 代现有液动冲击器和风动冲击器。

背景技术

当前在地质、石油钻探工程常用冲击器有两大类：液动冲击器和风动冲击器，这两 类冲击器在使用中都存在有以下一些问题:

1)工作参数无法井下调整、遥控困难，无法适应钻探设备自动化发展趋势。传统 的液动或风动冲击器冲击行程频率调节困难，通常下井后只能按照预先调整的冲击功和 冲击频率开始冲击，无法根据不同的地层对冲击参数做出适当调整。地表泥浆泵或空气 压缩机一开始运转，冲击器即处于工作状态，在井下开始工作后无法通过地表控制；遇 到紧急情况需停止工作时，必须关闭泥浆泵或空气压缩机，有可能造成烧钻等事故。对 于可能出现的如空打、水路堵死、冲击器卡死等状况，无法做出准确分析、识别，只能 由工作人员在地表凭经验主观判断。已不能很好的满足现今钻探设备对自动化程度要求 较高的需要。

2)需大功率附属设施，效率低，能耗大。液动或气动冲击器需要配备专门的设备， 如较大功率泥浆泵或空气压缩机。有时过大的泥浆流量会带来孔壁失稳等负面效果；液 动冲击器对钻井液的含砂量等也有严格要求。由于液体和气体渗漏等多方面原因，液动 和气动传动效率要比机械传动低得多,这是一个难以改变的事实。

3)无法满足某些特殊情况钻进工况。受钻井液重力等因素的影响，液动或风动 冲击器在水平钻进、定向钻进中的应用有一定的限制。同时由于对钻井液的依赖，其不 能应用于无钻井液等循环介质的特种钻进场合。

4)液动冲击器在深部钻进还存在很多技术问题。风动冲击器不适合深孔钻进，液动 冲击器可钻进3000米以深的钻孔。但进行深孔、超深孔作业时，液动冲击器所需携带 能量的流体介质通过较长的钻杆柱时会产生比较大的压力损失(泄露)，这种现象在超深 孔钻进过程中尤其明显。此外在垂直孔钻进过程中上返流体的背压也会对液动冲击器工 作性能造成影响，严重时可导致冲击器不工作。此外还存在如内缸测通道泄露、射流元 件工作寿命短等问题，因为射流元件平均寿命为60-100h，严重影响钻探效率。

相对于传统液动冲击器和风动冲击器，开发直线电机电动冲击器用于地质、石油钻 探工程替代现有液动冲击器和风动冲击器具有很多优点，能很好的解决以上存在问题， 能适应目前钻探智能化和自动化、深部化发展趋势。

发明内容

本发明的目的在于针对现有存在的问题，而提出了一种结构简单坚固，制造维护成 本低，冲击行程速度、频率易于调节，且效率高，可用于深孔钻探的孔底管式直线电机 电动冲击器。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：提供一种孔底管式直线电机电动 冲击器，包括电机外筒、永磁杆、直线球轴承、动子外圈、动子硅钢片、动子线圈、减 震弹簧、缓冲垫片和底座，所述的电机外筒为整个电动冲击器的外壳，电机外筒用于与 钻具的连接；所述的永磁杆固定在电机外筒上，永磁杆作为直线电机定子；所述的动子 外圈为直线电机的动子，动子外圈通过直线球轴承与作为定子的永磁杆做相对滑动运 动；同时动子外圈作为电机动圈的承载体，动子外圈内部镶嵌有由动子硅钢片组成的铁 芯，铁芯设有槽，槽里固定有动子线圈；所述的动子线圈采用三相交流绕组，用于接入 三相对称交流电，产生与动子运动方向一致的行波磁场；所述的减震弹簧有两个，分别 安装在永磁杆两端，其中减震弹簧A通过电机外筒的台阶和动子外圈上端部轴向限位， 减震弹簧B的一端通过动子外圈上的止推台阶限位，两个减震弹簧用于对动子运动起缓 冲减震作用；所述的底座通过缓冲垫片由螺钉固定在动子外圈上。

所述的永磁杆的永磁体外层包裹有一不锈钢层，永磁体中心有一用于排屑的排屑通 道。

所述的直线电机采用动圈式结构，即作为定子的永磁杆和铁芯固定，动子线圈运动。 这样孔底管式直线电机电动冲击器在工作时可防止永磁杆和铁芯在撞击中失磁。

所述的动子线圈采用单层饼式绕组，槽满率为72.7％。

所述的缓冲垫片采用两层聚四氟乙烯中间夹铝片的三明治结构。本发明在动子外圈 与底座之间设计了两层聚四氟乙烯中间夹铝片的三明治结构，能较好地解决了孔底管式 直线电机电动冲击器在钻进的过程中，电动冲击器动子直接作用于冲砧，通过传递冲击 应力到钻头达到破碎岩石的效果。冲击的过程中，冲击器会受到复杂应力作用。缓冲垫 片保证了冲击器长时间正常工作，及尽可能减小冲击器动子部分应力，提高了孔底管式 直线电机电动冲击器的抗疲劳寿命。能显著衰减其在质心加速度曲线上的应力波，降低 二者的合力尖峰，并减少往复振动冲击的破坏，大大提高冲击器关键部位疲劳寿命。

本发明的一种孔底管式直线电机电动冲击器的有益效果是：

1、本发明的冲击器采用类似电磁炮弹弹射原理，借助电磁力(或洛伦兹力)做功，将 电磁能转化成动能，完成对冲锤的加速。

2、本发明的冲击器的线圈采用电磁发射式结构,使其具有电磁力大，发射速度快的 特点，圆筒型直线电机适合钻杆内孔空间，动子和定子长度不受空间限制，冲击器功率 能够灵活设计。

3、本发明的冲击器的线圈采用三相交流绕组，通入三相对称交流电，产生与动子 运动方向一致的行波磁场。由于磁场气隙一般恒定在0.5～1mm，产生的电磁力恒定并 且一直维持为峰值。通过改变通电频率和切换正反向频率可以非常方便控制动子运动速 度。

4、本发明在动子外圈与底座之间设计了两层聚四氟乙烯中间夹铝片的三明治结构， 能显著衰减其在质心加速度曲线上的应力波，降低动子外圈与底座二者的合力尖峰，并 减少往复振动冲击的破坏，大大提高冲击器关键部位疲劳寿命。

5、本发明的电动冲击器冲击速度、频率、行程均易于调节、直接利用电能机械效 率高，结构简单坚固，结构尺寸设计灵活，制造维护成本低，可用于钻孔内使用，能有 效解决普通电动冲击机构力量小的缺点。可以广泛运用于地矿、冶金、石油等领域实现 地下的地质勘探及资源开采，具有广泛的应用前景和实用价值。

附图说明

图1为本发明孔底管式直线电机电动冲击器的外观结构示意图。

图2为本发明电动冲击器的前端结构放大示意图。

图3为本发明电动冲击器后端局部结构放大示意图。

图4为本发明的电动冲击器采用动圈式结构的原理示意图。

图5本发明电动冲击器的槽与齿结构放大示意图。图中最底部的虚线为定子的中 心线。

上述图中：1—电机外筒；2—减震弹簧A；3—永磁杆；4—直线球轴承；5—动子 外圈；6—动子硅钢片；7—动子线圈；8—减震弹簧B；9—止推台阶；10—缓冲垫片； 11—螺钉；12—底座；13—排屑通道；21—槽；22—齿；23—齿脚；24—槽口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详述。

实施例1：本发明提供的一种孔底管式直线电机电动冲击器，其结构如图1、2、3 所示，包括电机外筒1、永磁杆3、直线球轴承4、动子外圈5、动子硅钢片6、动子线 圈7、减震弹簧、缓冲垫片11和底座12，所述的电机外筒1为整个电动冲击器的外壳， 电机外筒1用于与钻具的连接，所述直线电机的永磁杆3固定在电机外筒1上，永磁杆 3作为直线电机的定子，永磁杆3为一根永磁体，在永磁体外圈包裹有不锈钢层，永磁 杆3中心有一用于排屑的排屑通道13,所述的排屑通道13贯穿整个电动冲击器；所述 的动子外圈5为直线电机的动子，动子外圈5通过直线球轴承4与作为定子的永磁杆3 做相对滑动运动；同时动子外圈5作为电机动圈的承载体，动子外圈5内部镶嵌有由动 子硅钢片6组成的铁芯，铁芯设有槽21，槽21里固定有动子线圈7；所述的动子线圈7 采用三相交流绕组，用于接入三相对称交流电，产生与动子运动方向一致的行波磁场； 所述的减震弹簧有两个分别安装在永磁杆3两端，其中减震弹簧A2通过电机外筒1的 台阶和动子外圈5上端部轴向限位，减震弹簧B8的一端通过动子外圈5上的止推台阶9 限位，两个减震弹簧均用于对动子运动起缓冲减震作用；所述的底座12通过缓冲垫片 10由螺钉11固定在动子外圈5上。

参见图3，所述的缓冲垫片10采用两层聚四氟乙烯中间夹铝片的三明治结构。根据 应力波反射机理，采用机械滤波的设计，即采用三层垫片结构的方式提高零部件抗冲击 能力。当冲击应力波在通过结构件与缓冲垫片10的分界面时，部分被反射而衰减，缓 冲垫片10提高被保护件抗冲击能力的主要原因不是弹性缓冲，而是机械滤波。本实施 例通过在冲击器底部增加一个5mm聚四氟乙烯+5mm铝片+5mm聚四氟乙烯的典型三明治缓 冲结构后，采用Ansys仿真得到采用缓冲垫片10后冲击器局部应力分布云图和局部应变 分布图，从分布云图可以表明冲击器最大应力由原来的642.37MPa降为523.78MPa，而 且最大应力处不是在电机的动子线圈和动子硅钢片的关键部分。最大应力和应变都出现 在缓冲垫片10的部件中，直线电机冲击的动子线圈7和动子硅钢片6部分平均应力下 降231MPa，这样最大限度的保护了直线电机冲击器的电枢关键部分。采用缓冲垫片10 后关键部分寿命由原来的40.34×10⁴h变为333.56×10⁴h，改进效果非常显著。

参见图4，本发明所述的直线电机采用动圈式结构，即作为定子的永磁杆3和铁芯 固定，动子线圈5运动。这样孔底管式直线电机电动冲击器在工作时可防止永磁杆和铁 芯在撞击中失磁。

实施例2：本发明提供的一种孔底管式直线电机电动冲击器，其结构基本与实施例 1相同。本发明采用的圆筒型直线电机适合钻杆内孔空间，动子和定子长度不受空间限 制，冲击器功率能够灵活设计，使其具有大电磁力的特点。

本发明的管式直线电机电动冲击器主要尺寸和电磁参数见下表：表中部分符号参见 图5。

从上表可见：本冲击器按照冲击行程30mm，动子质量10kg计算，以外径62mm圆筒 永磁电机为冲击器，单冲程时间t≈0.1s，α≈3～9g，v≈3～9m/s，单程冲击功约为45～ 135J。本冲击器的性能指标与73mm外径液动冲击器性能参数指标相当。

本发明的冲击器工作过程：将本发明的冲击器安装在钻具中，工作时通入三相对称 交流电，产生与动子运动方向一致的行波磁场。动子与连接着的底座12初始位置在最 下面挨着铁砧，在电磁力作用下向上运动，动子加速上升到上极限时刚好到达减震弹簧 A2的压缩极限，然后开始向下滑加速直接撞击铁砧。减震弹簧A2在向上行程中起到缓 冲保护的作用，以免向上的动子直接碰撞到电机外筒1；向下行程时动子与连接着的底 座12直接冲击碰撞铁砧，为了防止动子冲击震动反弹到定子上，设计的减震弹簧B8起 到保护定子磁钢的作用，减震弹簧B8避免了磁钢在冲击中会失磁。由于磁场气隙一般 恒定在0.5～1mm，产生的电磁力恒定并且一直维持为峰值。通过改变通电频率和切换正 反向频率可以非常方便控制次级动子运动速度。本发明的冲击器最大推力670N，功率可 达1280W，能适应目前钻探智能化和自动化、深部化发展趋势。深孔钻进时主要可应用 于绳索取芯钻进，采用动力电池组供电方式，在提取岩心管时一起将电池组提出更换。

本发明的冲击器结构简单坚固，冲击电磁力大，制造维护成本低，冲击行程速度、 频率易于调节，且效率高，可广泛应用地质装备、地质、石油钻探工程、钻井工程中替 代现有液动冲击器、风动冲击器。