螺桿潛油泵直驅(qū)永磁電機(jī)設(shè)計改進(jìn)

孫 輝，宋詩光，黃 斌

（渤海石油裝備（天津）中成機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

桿泵采油方式在目前的機(jī)械采油中，依然是占很大比重。近年我國加大了石油開發(fā)力度，水平井、定向井等鉆井新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，推動了稠油井、高含砂井的開發(fā)，給有桿抽油泵的油井造成了很多難以解決的問題[1]。特別是有桿抽油設(shè)備在稠油重負(fù)荷井中，經(jīng)常會造成光桿下行困難等；而且抽油桿椄箍松脫和螺紋破壞的現(xiàn)象時有發(fā)生，在含沙井中，還會出現(xiàn)砂卡。而螺桿潛油泵采油系統(tǒng)因無需抽油桿，可以應(yīng)用小尺寸油管，節(jié)能且不發(fā)生氣鎖等現(xiàn)象。螺桿潛油電泵（圖1）是一種大排量舉升的井下無桿采油設(shè)備，目前已經(jīng)成為油田一種重要的機(jī)械采油設(shè)備[1]。采用異步電機(jī)在井下驅(qū)動螺桿泵，需要采用行星齒輪結(jié)構(gòu)達(dá)到減速增加扭矩的作用，這就必然導(dǎo)致其機(jī)械效率的下降。而且現(xiàn)場應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，螺桿潛油泵失效集中反映在密封件失效和軸承破壞兩個方面。尤其密封破壞后，泥沙和金屬屑會迅速進(jìn)入減速器的齒面，從而導(dǎo)致整個系統(tǒng)在短時間內(nèi)失效。而若采用無刷直流電機(jī)直接驅(qū)動螺桿泵即可避免因減速機(jī)構(gòu)帶來的諸多缺點。本文從電磁設(shè)計，機(jī)械設(shè)計，整個螺桿潛油泵機(jī)組結(jié)構(gòu)和有限元計算4個方面加以論述。

1 電機(jī)電磁設(shè)計

設(shè)計開發(fā)電機(jī)有許多尺寸需要確定，但首先要保證電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)尺寸。電機(jī)性能優(yōu)良與否的關(guān)鍵在于電磁設(shè)計是否合理。就結(jié)構(gòu)和原理，整臺螺桿潛油泵直驅(qū)永磁電機(jī)，等同于同軸的多臺小同步永磁電機(jī)串聯(lián)，每個小電機(jī)結(jié)構(gòu)形狀、尺寸及性能完全相同(單節(jié)電機(jī))。所以，首先要保證每個單節(jié)電機(jī)有優(yōu)越的性能，則整體電機(jī)性能才能保證。必須從設(shè)計單節(jié)電機(jī)著手[2]。螺桿潛油泵的一般要求在低轉(zhuǎn)速下工作，國內(nèi)設(shè)計的螺桿泵一般在（90～200）r/min為最佳轉(zhuǎn)速[1]。因此，研究螺桿潛油泵電機(jī)首先要解決的問題就是降速，本文設(shè)計的電機(jī)采用極對數(shù)為12對極的磁極結(jié)構(gòu)，無刷直流電機(jī)的一種最常見的結(jié)構(gòu)是3∶2結(jié)構(gòu)，即槽數(shù)/極數(shù)=3/2。所以電機(jī)定子槽數(shù)Q1=18，采用集中繞組結(jié)構(gòu)。

圖1 螺桿潛油電泵

（1）電磁負(fù)荷A和Bδ的選取。合理的A和Bδ，能使制造和運(yùn)行的總費用最小，而且性能優(yōu)良[2]由于螺桿潛油泵電機(jī)的工作環(huán)境比較惡劣，油井的溫度較高（≥50℃），且無法散熱，這就要求設(shè)計永磁電機(jī)時，必須減小電機(jī)的熱負(fù)荷降低運(yùn)行溫升。而電機(jī)工作頻率為30 Hz甚至更低，所以可以考慮選擇較小的電負(fù)荷A，較大的磁負(fù)荷Bδ。

（2）電機(jī)定子外徑的選取。因為螺桿潛油泵直驅(qū)永磁電機(jī)應(yīng)用于井下，因此電機(jī)定子的外徑需根據(jù)螺桿泵應(yīng)用的井口直徑進(jìn)行選取。

（3）電機(jī)定子內(nèi)徑的選取。電機(jī)定子內(nèi)徑選取程序如圖2所示。

圖2 定子內(nèi)徑計算框圖

永磁體采用內(nèi)表面弧與外表面弧不同心的結(jié)構(gòu)，采用這種結(jié)構(gòu)的有利于改善氣隙磁場的分布[5]。

式中btl——定子齒寬，mm

ht——定子齒高，mm

Dil——定子沖片內(nèi)徑，mm

D1——定子沖片外徑，mm

Bδ——磁負(fù)荷，Gs

Bt——中樞磁負(fù)荷，Gs

Q1——定子槽數(shù)

KFE——電樞疊裝系數(shù)

Bj——定子軛磁負(fù)荷，Gs

hj——電樞軛高，mm

h0——定子槽高，可取（0.5～0.8）mm

2 有限元計算

Maxwell 2D美國Ansoft公司低頻機(jī)電仿真工具的一部分，主要用于電機(jī)以及常用機(jī)電電磁元件的有限元仿真，可以對電磁元器件的瞬態(tài)場進(jìn)行分析，借助處理器可以清楚的看到電機(jī)內(nèi)部磁場分部，各部分的力及力矩等[3]。根據(jù)電磁設(shè)計方案在Maxwell 2D中建立二維模型如圖3所示。有限元計算的磁力線分布如圖4所示，由磁力線分布圖可以看出，絕大部分磁通都經(jīng)由永磁體—氣隙—定子齒—定子軛—定子齒—氣隙—永磁體進(jìn)行了匝鏈，基本上沒有漏磁。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機(jī)械計算式電機(jī)設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計需要相互結(jié)合，在電磁設(shè)計完成后進(jìn)行。主要彌補(bǔ)機(jī)械部分的設(shè)計問題，要求是從結(jié)構(gòu)上保證電機(jī)性能、生產(chǎn)制造的經(jīng)濟(jì)合理、運(yùn)行可靠等[4]。針對螺桿潛油泵直驅(qū)永磁電機(jī)細(xì)而長的特殊結(jié)構(gòu)和油井下惡劣的運(yùn)行的環(huán)境，從3個方面對螺桿潛油泵直驅(qū)永磁電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和設(shè)計。

（1）特殊的油路循環(huán)系統(tǒng)。螺桿潛油泵直驅(qū)永磁電機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)下，隨著轉(zhuǎn)子帶動止推軸承的動塊旋轉(zhuǎn)，將密封在電機(jī)內(nèi)部的潤滑油強(qiáng)引通過轉(zhuǎn)軸徑向油孔壓入轉(zhuǎn)軸空腔內(nèi)，然后由上端出口流回。這樣形成油路循環(huán)系統(tǒng)[1]。由于電機(jī)的磁鋼設(shè)計是采用的磁鋼外表面與內(nèi)表面不同心的結(jié)構(gòu)，由于氣隙的不均勻，導(dǎo)致油路循環(huán)會給電機(jī)在運(yùn)行形成阻力，增加電機(jī)損耗。在永磁體表面涂一層環(huán)氧樹脂，使得環(huán)氧樹脂表層的圓形表面與定子內(nèi)徑同心。這就使得氣隙中潤滑油在電機(jī)轉(zhuǎn)動時能形成一層油膜，隨電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)。將損耗降到最低。

圖3 螺桿潛油泵直驅(qū)永磁電機(jī)2D模型

圖4 磁力線分布圖

（2）定子細(xì)而長的結(jié)構(gòu)。螺桿潛油泵直驅(qū)永磁電機(jī)的定子芯軸由硅銅片和硅鋼片組成。硅銅片按設(shè)計放在兩節(jié)硅鋼片段間；定子采用集中繞組；機(jī)殼采用彈性鋼制合金圓管，用于固定支撐定子軸芯并連接上、下接頭[2]。轉(zhuǎn)子，由于電機(jī)的細(xì)長結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子在運(yùn)行中極易偏心運(yùn)行，受到單邊磁拉力的影響而掃堂。因此轉(zhuǎn)子節(jié)中間要加扶正軸承。

（3）立式懸掛電機(jī)。螺桿潛油泵直驅(qū)永磁電機(jī)是一種立式懸掛電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)子在固定位置工作，在電機(jī)端頭裝有止推軸承，不但能承受整個電機(jī)轉(zhuǎn)子的重量，還可以承受由于轉(zhuǎn)軸的偏置而產(chǎn)生的徑向拉力[1]。

4 螺桿潛油泵機(jī)組結(jié)構(gòu)

（1）井下部分。螺桿泵、保護(hù)器、潛油電機(jī)、潛油電纜。

（2）地面設(shè)備。變頻控制器。

（3）輔助設(shè)備。扶正器、測溫測壓裝置、篩管、防轉(zhuǎn)錨、接線盒等。

螺桿潛油泵機(jī)組如圖5所示。

圖5 螺桿潛油泵機(jī)組

5 結(jié)論

（1）確定了螺桿潛油泵直驅(qū)永磁電機(jī)的主要尺寸，并通過有限元計算進(jìn)行了驗證優(yōu)化。

（2）采用槽數(shù)與極數(shù)3/2的結(jié)構(gòu)，定子槽數(shù)僅有18槽。有效地解決了由于定子外徑較小、定子沖片不易加工的問題。

（3）轉(zhuǎn)子表面涂一層環(huán)氧樹脂，解決了由于磁鋼外表面與內(nèi)表面不同心而造成的油路循環(huán)能耗大的問題。既改善了氣隙磁場分布，又在機(jī)械上保證了均勻的氣隙。

（4）對螺桿潛油泵直驅(qū)永磁電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計。

（5）對螺桿潛油泵電機(jī)的機(jī)組結(jié)構(gòu)提出了初步的設(shè)想。