游梁式抽油機專用盤式異步電動機設計
白 山1，趙春祥1，彭兵1，馮成2
(1．沈陽工業大學，遼寧沈陽110178；2廣東明陽風電技術有限公司，廣東中山528437)
摘要：針對抽油機負載特性要求，提出了以小功率專用盤式異步電動機替代傳統的Y系列大功率異步電動機。基于功率密度與起動轉矩方面優化設計了22 kW游梁式抽油機專用盤式異步電動機。利用有限元分析軟件對該電機進行了仿真研究，結果表明，該22 kW電機能夠滿足游粱式抽油機起動轉矩的要求，而且運行效率較高，可以取代目前游粱式抽油機使用的Y系列三相異步電動機。
關鍵詞：盤式電動機；抽油機；有限元分析；起動轉矩
中圖分類號：TM343 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2010)05—0009—03
0引言
目前，游梁式抽油機是應用最普遍的石油開采機械裝置之一，也是油田耗電大戶，其用電量約占油田總用電量的40％，總體效率很低。由于起動時，要重新掛吊繩，電機需通過連竿將配重支起，故初始狀態要求拖動電機的起動轉矩是抽油機運行時負載的3～4倍，甚至更大，起動轉矩是游梁式抽油機選配電機的第一要素。起動轉矩適用，則負載功率必然匹配不佳，即產生所謂“大馬拉小車”現象。在輕載工況下，電機效率和功率因數都很低，造成原油開采的電費成本居高不下，能源浪費十分嚴重[1]。
針對抽油機“大馬拉小車”的能源浪費問題，人們從起動轉矩和高效率方面研制了各種特種電機。如：雙定子電動機、水磁同步電動機、超高轉差率電動機等，但普遍存在工藝復雜、制造成本高、效率較低等缺陷[2]，游梁式抽油機能源浪費問題并未根本解決。由于盤式電動機具有功率密度大，鐵心利用率高，定、轉子平行放置，易實現高起動轉矩等特點，
因此較適合作為游梁式抽油機的配套電機。目前盤式異步電動機的應用還停留在小功率范圍。
1盤式電動機設計
1．1盤式電動機的結構
盤式電動機氣隙磁通為軸向，載流導體沿徑向放置。定、轉子鐵心呈圓盤狀，由鐵心沖卷機沖制，卷繞而成[3]。兩者在空間上呈平面相對放置，有利機于散熱，因而可選較高的線負荷，從而獲得高功率度；盤式電機的鐵心由自動沖卷機卷制，鐵心利用率高，可達95％以上，而傳統電機的硅鋼片由于要沖掉四角余料，利用率只能達到70％～75％”[4]。而且，盤式電機轉子不受定子的束縛，轉子容易實現深稅槽，提高起動轉矩。
基于以上特點，盤式電動機十分適合設計成高起動轉矩游梁式抽油機專用電動機，解決游梁式抽油機配套電機“大馬拉小車”的能源浪費問題。
為了降低成本，本文選用了鑄鋁籠型轉子的單定子、單轉子的盤式電動機結構，以簡化工藝，增加電機的可靠性。
1．2高功率密度設計
盤式電動機的視在功率：
式中：αδ為計算極弧系數；KB為氣隙磁場波形系數；Kdp為繞組系數；Dav為鐵心平均直徑；La為鐵心徑向高度；n為同步轉速；Aav為平均直徑處線負載；Bδ氣隙磁通密度幅值。
盤式電機的體積：
式中：D1為鐵心外徑；Di為鐵心內徑；∑h為鐵心軸向總厚度。盤式異步電動機單位體積的輸出功率
式中：Ke為電勢系數。
式中：Cd為電機的利用系數。
因此，提高A可提高電機的利用系數，進而提高電機的功率密度。但線負荷還受其它因素的制約，應根據情況適當選取。
|
