游梁式抽油機(jī)專用盤式異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)
白 山1，趙春祥1，彭兵1，馮成2
(1．沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽(yáng)110178；2廣東明陽(yáng)風(fēng)電技術(shù)有限公司，廣東中山528437)
摘要：針對(duì)抽油機(jī)負(fù)載特性要求，提出了以小功率專用盤式異步電動(dòng)機(jī)替代傳統(tǒng)的Y系列大功率異步電動(dòng)機(jī)。基于功率密度與起動(dòng)轉(zhuǎn)矩方面優(yōu)化設(shè)計(jì)了22 kW游梁式抽油機(jī)專用盤式異步電動(dòng)機(jī)。利用有限元分析軟件對(duì)該電機(jī)進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明，該22 kW電機(jī)能夠滿足游粱式抽油機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求，而且運(yùn)行效率較高，可以取代目前游粱式抽油機(jī)使用的Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)。
關(guān)鍵詞：盤式電動(dòng)機(jī)；抽油機(jī)；有限元分析；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩
中圖分類號(hào)：TM343 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2010)05—0009—03
0引言
目前，游梁式抽油機(jī)是應(yīng)用最普遍的石油開(kāi)采機(jī)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(dòng)時(shí)，要重新掛吊繩，電機(jī)需通過(guò)連竿將配重支起，故初始狀態(tài)要求拖動(dòng)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)負(fù)載的3～4倍，甚至更大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是游梁式抽油機(jī)選配電機(jī)的第一要素。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩適用，則負(fù)載功率必然匹配不佳，即產(chǎn)生所謂“大馬拉小車”現(xiàn)象。在輕載工況下，電機(jī)效率和功率因數(shù)都很低，造成原油開(kāi)采的電費(fèi)成本居高不下，能源浪費(fèi)十分嚴(yán)重[1]。
針對(duì)抽油機(jī)“大馬拉小車”的能源浪費(fèi)問(wèn)題，人們從起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和高效率方面研制了各種特種電機(jī)。如：雙定子電動(dòng)機(jī)、水磁同步電動(dòng)機(jī)、超高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)等，但普遍存在工藝復(fù)雜、制造成本高、效率較低等缺陷[2]，游梁式抽油機(jī)能源浪費(fèi)問(wèn)題并未根本解決。由于盤式電動(dòng)機(jī)具有功率密度大，鐵心利用率高，定、轉(zhuǎn)子平行放置，易實(shí)現(xiàn)高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩等特點(diǎn)，
因此較適合作為游梁式抽油機(jī)的配套電機(jī)。目前盤式異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用還停留在小功率范圍。
1盤式電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)
1．1盤式電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)
盤式電動(dòng)機(jī)氣隙磁通為軸向，載流導(dǎo)體沿徑向放置。定、轉(zhuǎn)子鐵心呈圓盤狀，由鐵心沖卷機(jī)沖制，卷繞而成[3]。兩者在空間上呈平面相對(duì)放置，有利機(jī)于散熱，因而可選較高的線負(fù)荷，從而獲得高功率度；盤式電機(jī)的鐵心由自動(dòng)沖卷機(jī)卷制，鐵心利用率高，可達(dá)95％以上，而傳統(tǒng)電機(jī)的硅鋼片由于要沖掉四角余料，利用率只能達(dá)到70％～75％”[4]。而且，盤式電機(jī)轉(zhuǎn)子不受定子的束縛，轉(zhuǎn)子容易實(shí)現(xiàn)深稅槽，提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
基于以上特點(diǎn)，盤式電動(dòng)機(jī)十分適合設(shè)計(jì)成高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩游梁式抽油機(jī)專用電動(dòng)機(jī)，解決游梁式抽油機(jī)配套電機(jī)“大馬拉小車”的能源浪費(fèi)問(wèn)題。
為了降低成本，本文選用了鑄鋁籠型轉(zhuǎn)子的單定子、單轉(zhuǎn)子的盤式電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，以簡(jiǎn)化工藝，增加電機(jī)的可靠性。
1．2高功率密度設(shè)計(jì)
盤式電動(dòng)機(jī)的視在功率：
式中：αδ為計(jì)算極弧系數(shù)；KB為氣隙磁場(chǎng)波形系數(shù)；Kdp為繞組系數(shù)；Dav為鐵心平均直徑；La為鐵心徑向高度；n為同步轉(zhuǎn)速；Aav為平均直徑處線負(fù)載；Bδ氣隙磁通密度幅值。
盤式電機(jī)的體積：
式中：D1為鐵心外徑；Di為鐵心內(nèi)徑；∑h為鐵心軸向總厚度。盤式異步電動(dòng)機(jī)單位體積的輸出功率
式中：Ke為電勢(shì)系數(shù)。
式中：Cd為電機(jī)的利用系數(shù)。
因此，提高A可提高電機(jī)的利用系數(shù)，進(jìn)而提高電機(jī)的功率密度。但線負(fù)荷還受其它因素的制約，應(yīng)根據(jù)情況適當(dāng)選取。
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