游梁式抽油机专用盘式异步电动机设计

    白  山¹，赵春祥¹，彭兵¹，冯成²

(1．沈阳工业大学，辽宁沈阳110178；2广东明阳风电技术有限公司，广东中山528437)

     摘要：针对抽油机负载特性要求，提出了以小功率专用盘式异步电动机替代传统的Y系列大功率异步电动机。基于功率密度与起动转矩方面优化设计了22 kW游梁式抽油机专用盘式异步电动机。利用有限元分析软件对该电机进行了仿真研究，结果表明，该22 kW电机能够满足游粱式抽油机起动转矩的要求，而且运行效率较高，可以取代目前游粱式抽油机使用的Y系列三相异步电动机。

    关键词：盘式电动机；抽油机；有限元分析；起动转矩

    中图分类号：TM343  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2010)05—0009—03

0引言

    目前，游梁式抽油机是应用最普遍的石油开采机械装置之一，也是油田耗电大户，其用电量约占油田总用电量的40％，总体效率很低。由于起动时，要重新挂吊绳，电机需通过连竿将配重支起，故初始状态要求拖动电机的起动转矩是抽油机运行时负载的3～4倍，甚至更大，起动转矩是游梁式抽油机选配电机的第一要素。起动转矩适用，则负载功率必然匹配不佳，即产生所谓“大马拉小车”现象。在轻载工况下，电机效率和功率因数都很低，造成原油开采的电费成本居高不下，能源浪费十分严重^[1]。

    针对抽油机“大马拉小车”的能源浪费问题，人们从起动转矩和高效率方面研制了各种特种电机。如：双定子电动机、水磁同步电动机、超高转差率电动机等，但普遍存在工艺复杂、制造成本高、效率较低等缺陷^[2]，游梁式抽油机能源浪费问题并未根本解决。由于盘式电动机具有功率密度大，铁心利用率高，定、转子平行放置，易实现高起动转矩等特点，

因此较适合作为游梁式抽油机的配套电机。目前盘式异步电动机的应用还停留在小功率范围。

1盘式电动机设计  

1．1盘式电动机的结构   

    盘式电动机气隙磁通为轴向，载流导体沿径向放置。定、转子铁心呈圆盘状，由铁心冲卷机冲制，卷绕而成[3]。两者在空间上呈平面相对放置，有利机于散热，因而可选较高的线负荷，从而获得高功率度；盘式电机的铁心由自动冲卷机卷制，铁心利用率高，可达95％以上，而传统电机的硅钢片由于要冲掉四角余料，利用率只能达到70％～75％”[4]。而且，盘式电机转子不受定子的束缚，转子容易实现深税槽，提高起动转矩。  

    基于以上特点，盘式电动机十分适合设计成高起动转矩游梁式抽油机专用电动机，解决游梁式抽油机配套电机“大马拉小车”的能源浪费问题。

    为了降低成本，本文选用了铸铝笼型转子的单定子、单转子的盘式电动机结构，以简化工艺，增加电机的可靠性。

1．2高功率密度设计

    盘式电动机的视在功率：

式中：αδ为计算极弧系数；KB为气隙磁场波形系数；Kdp为绕组系数；Dav为铁心平均直径；La为铁心径向高度；n为同步转速；Aav为平均直径处线负载；Bδ气隙磁通密度幅值。

  盘式电机的体积：

式中：D1为铁心外径；Di为铁心内径；∑h为铁心轴向总厚度。盘式异步电动机单位体积的输出功率

式中：Ke为电势系数。

式中：Cd为电机的利用系数。

    因此，提高A可提高电机的利用系数，进而提高电机的功率密度。但线负荷还受其它因素的制约，应根据情况适当选取。