游梁式抽油機專用盤式異步電動機設(shè)計
白 山1，趙春祥1，彭兵1，馮成2
(1．沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽110178；2廣東明陽風(fēng)電技術(shù)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(tǒng)的Y系列大功率異步電動機。基于功率密度與起動轉(zhuǎn)矩方面優(yōu)化設(shè)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(jié)果表明，該22 kW電機能夠滿足游粱式抽油機起動轉(zhuǎn)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(guān)鍵詞：盤式電動機；抽油機；有限元分析；起動轉(zhuǎn)矩
中圖分類號：TM343 文獻標(biāo)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(yīng)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(tài)要求拖動電機的起動轉(zhuǎn)矩是抽油機運行時負載的3～4倍，甚至更大，起動轉(zhuǎn)矩是游梁式抽油機選配電機的第一要素。起動轉(zhuǎn)矩適用，則負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，電機效率和功率因數(shù)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(yán)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(zhuǎn)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(zhuǎn)差率電動機等，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(zhuǎn)子平行放置，易實現(xiàn)高起動轉(zhuǎn)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(yīng)用還停留在小功率范圍。
1盤式電動機設(shè)計
1．1盤式電動機的結(jié)構(gòu)
盤式電動機氣隙磁通為軸向，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(tǒng)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(zhuǎn)子不受定子的束縛，轉(zhuǎn)子容易實現(xiàn)深稅槽，提高起動轉(zhuǎn)矩。
基于以上特點，盤式電動機十分適合設(shè)計成高起動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的單定子、單轉(zhuǎn)子的盤式電動機結(jié)構(gòu)，以簡化工藝，增加電機的可靠性。
1．2高功率密度設(shè)計
盤式電動機的視在功率：
式中：αδ為計算極弧系數(shù)；KB為氣隙磁場波形系數(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(nèi)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(shù)。
式中：Cd為電機的利用系數(shù)。
因此，提高A可提高電機的利用系數(shù)，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(yīng)根據(jù)情況適當(dāng)選取。
盤式電動機的線負荷是直徑D的函數(shù)，故4應(yīng)霉采用分環(huán)計算。即沿內(nèi)徑Di到外徑D1，分為若干(N)個同心圓環(huán)，采用等長度分割。每個同心圓環(huán)構(gòu)成一個單元磁路。在滿足起動轉(zhuǎn)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(yōu)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(zhuǎn)矩設(shè)計
籠型轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子槽常設(shè)計成特殊形狀，選取適當(dāng)?shù)某叽�，利用集膚效應(yīng)，使得電機轉(zhuǎn)子電阻的起動瞬間值大于正常運行值，從而提高起動轉(zhuǎn)矩，改善起動性能指標(biāo)。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩倍數(shù)Tst和起動電流倍數(shù)ist來設(shè)計矩形槽尺寸。
式中：Tst為起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)；R2為不考慮集膚效應(yīng)，折算到定子邊的轉(zhuǎn)子電阻；ist為電流倍數(shù)；Pem為電磁功率標(biāo)么值^為額定轉(zhuǎn)差率，可進行事先預(yù)估，本設(shè)計中經(jīng)計算sn=O．024。
從R2(st)和R2中分別減去端環(huán)電阻，便可得到考慮集膚效應(yīng)和不考慮集膚效應(yīng)時槽部導(dǎo)條電阻之比，即電阻增加系數(shù)KF[7]計算得KF=1．96，查取集膚效應(yīng)曲線，可得槽高，根據(jù)電密的選取，隨即可得槽寬，經(jīng)計算確定轉(zhuǎn)子導(dǎo)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(jié)果如表2所示。梨形槽雖然效率較高，但不能滿足起動轉(zhuǎn)矩的要求；刀形槽雖然起動轉(zhuǎn)矩較高，但效率低；矩形槽在滿足起動轉(zhuǎn)矩的同時，效率較高，且矩形槽可以簡化沖模結(jié)構(gòu)。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(shù)據(jù)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(yīng)用功能強大的Anson分析軟件。由于盤式電機結(jié)構(gòu)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(xiàn)。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(jīng)有限元計算，可得各節(jié)點的磁位Az和磁密B的數(shù)值。磁力線分布與氣隙磁密波形分別如圖4、圖5所示。
各環(huán)上的v次諧波短距系數(shù)和分布系數(shù)相等，因此各環(huán)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�？梢�，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(zhuǎn)動慣量大，因此起動時間稍長。
表4為計算數(shù)據(jù)。但實際情況是電動機運行在約15～20 kw，以18 kw為標(biāo)準(zhǔn)，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(shù)明顯降低，據(jù)測量效率在78％左右，功率因數(shù)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(jié)能近2 kw，節(jié)能效果明顯．
3結(jié)語
本文通過對盤式電動機特點的分析，論述將其應(yīng)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(shè)計、仿真。結(jié)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(zhuǎn)矩的同時，運行效率較高，節(jié)能效果明顯。
|
