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。

   盤式電動機的線負荷是直徑D的函數，故4應霉采用分環計算。即沿內徑Di到外徑D1，分為若干(N)個同心圓環，采用等長度分割。每個同心圓環構成一個單元磁路。在滿足起動轉矩及B級絕緣的前提下，盡可能選擇較大的線負荷A。如表1所示，通過優化，最終選擇A=17 323 A／m，電流密度，=2 879 913 A／m2。此時電機的主要尺寸如表3所示。

1．3高起動轉矩設計

    籠型轉子異步電動機轉子槽常設計成特殊形狀，選取適當的尺寸，利用集膚效應，使得電機轉子電阻的起動瞬間值大于正常運行值，從而提高起動轉矩，改善起動性能指標。轉子的槽形種類很多，如梨形槽、刀形槽、梯形槽、矩形槽等[6]。本文首先采用形狀相對簡單矩形槽來計算槽形大體尺寸。

    利用起動轉矩倍數Tst和起動電流倍數ist來設計矩形槽尺寸。

式中：Tst為起動轉矩倍數；R2為不考慮集膚效應，折算到定子邊的轉子電阻；ist為電流倍數；Pem為電磁功率標么值^為額定轉差率，可進行事先預估，本設計中經計算sn=O．024。

    從R2(st)和R2中分別減去端環電阻，便可得到考慮集膚效應和不考慮集膚效應時槽部導條電阻之比，即電阻增加系數K_F[7]計算得K_F=1．96，查取集膚效應曲線，可得槽高，根據電密的選取，隨即可得槽寬，經計算確定轉子導條槽深寬比為h/b=7.25。

    在相同高度及截面積的前提下，對矩形槽、梨形槽和刀形槽分別進行了計算，結果如表2所示。梨形槽雖然效率較高，但不能滿足起動轉矩的要求；刀形槽雖然起動轉矩較高，但效率低；矩形槽在滿足起動轉矩的同時，效率較高，且矩形槽可以簡化沖模結構。因此選用矩形槽。

l 4專用盤式電動機

計算得該盤式電動機的主要數據如表3所示。

2有限元分析

    盤式異步電動機電磁場分析采用的電磁場理論基于麥克斯韋方程組，應用功能強大的Anson分析軟件。由于盤式電機結構的特殊性，需建立三維模型進行分析，但三維模型的計算量太大，一般的計算機難以實現。本文借鑒參考文獻[8]，將電機圓盤沿徑向切開，拉直，然后取平均直徑處的剖面，盤式電機可簡化為二維模型，如圖3所示。經有限元計算，可得各節點的磁位Az和磁密B的數值。磁力線分布與氣隙磁密波形分別如圖4、圖5所示。

    各環上的v次諧波短距系數和分布系數相等，因此各環上的波形在忽略飽和的情況下，基本相同。

    由圖5對氣隙磁密波形進行傅里葉分解，可得各次諧波幅值，如圖6所示。可見，各次諧波幅值很小，氣隙磁密波形接近正弦波。在起動性能分析中，本文將盤式電動機等效為徑向磁場電機，等效過程中氣隙長度不變，用鐵量不變，得到盤式電動機的起動曲線如圖7、圖8所示。從圖中可以看出，該盤式電動機起動時間需要1 s左右，這是由于盤式電動機的轉動慣量大，因此起動時間稍長。

表4為計算數據。但實際情況是電動機運行在約15～20 kw，以18 kw為標準，對兩種電機進行分析。此時37 kw三相異步電動機由于輕載，效率和功率因數明顯降低，據測量效率在78％左右，功率因數O．67，此時電機有5 kw能量損失；而22 kw盤式專用電機，由于在接近滿載下運行，效率較高，仍可維持在85％左右，只有3 kw的能量損失。可見使用盤式專用電機，每小時可節能近2 kw，節能效果明顯．

3結語

    本文通過對盤式電動機特點的分析，論述將其應用于游梁式抽油機作為配套電動機的合理性。并對22 kw抽油機專用盤式異步電動機進行了設計、仿真。結果表昵，該22 kw抽油機專用盤式異步電動機可以取代目前油田用Y系列37 kw異步電動機，在滿足起動轉矩的同時，運行效率較高，節能效果明顯。