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。
盘式电动机的线负荷是直径D的函数，故4应霉采用分环计算。即沿内径Di到外径D1，分为若干(N)个同心圆环，采用等长度分割。每个同心圆环构成一个单元磁路。在满足起动转矩及B级绝缘的前提下，尽可能选择较大的线负荷A。如表1所示，通过优化，最终选择A=17 323 A／m，电流密度，=2 879 913 A／m2。此时电机的主要尺寸如表3所示。
1．3高起动转矩设计
笼型转子异步电动机转子槽常设计成特殊形状，选取适当的尺寸，利用集肤效应，使得电机转子电阻的起动瞬间值大于正常运行值，从而提高起动转矩，改善起动性能指标。转子的槽形种类很多，如梨形槽、刀形槽、梯形槽、矩形槽等[6]。本文首先采用形状相对简单矩形槽来计算槽形大体尺寸。
利用起动转矩倍数Tst和起动电流倍数ist来设计矩形槽尺寸。
式中：Tst为起动转矩倍数；R2为不考虑集肤效应，折算到定子边的转子电阻；ist为电流倍数；Pem为电磁功率标么值^为额定转差率，可进行事先预估，本设计中经计算sn=O．024。
从R2(st)和R2中分别减去端环电阻，便可得到考虑集肤效应和不考虑集肤效应时槽部导条电阻之比，即电阻增加系数KF[7]计算得KF=1．96，查取集肤效应曲线，可得槽高，根据电密的选取，随即可得槽宽，经计算确定转子导条槽深宽比为h/b=7.25。
在相同高度及截面积的前提下，对矩形槽、梨形槽和刀形槽分别进行了计算，结果如表2所示。梨形槽虽然效率较高，但不能满足起动转矩的要求；刀形槽虽然起动转矩较高，但效率低；矩形槽在满足起动转矩的同时，效率较高，且矩形槽可以简化冲模结构。因此选用矩形槽。
l 4专用盘式电动机
计算得该盘式电动机的主要数据如表3所示。
2有限元分析
盘式异步电动机电磁场分析采用的电磁场理论基于麦克斯韦方程组，应用功能强大的Anson分析软件。由于盘式电机结构的特殊性，需建立三维模型进行分析，但三维模型的计算量太大，一般的计算机难以实现。本文借鉴参考文献[8]，将电机圆盘沿径向切开，拉直，然后取平均直径处的剖面，盘式电机可简化为二维模型，如图3所示。经有限元计算，可得各节点的磁位Az和磁密B的数值。磁力线分布与气隙磁密波形分别如图4、图5所示。
各环上的v次谐波短距系数和分布系数相等，因此各环上的波形在忽略饱和的情况下，基本相同。
由图5对气隙磁密波形进行傅里叶分解，可得各次谐波幅值，如图6所示。可见，各次谐波幅值很小，气隙磁密波形接近正弦波。在起动性能分析中，本文将盘式电动机等效为径向磁场电机，等效过程中气隙长度不变，用铁量不变，得到盘式电动机的起动曲线如图7、图8所示。从图中可以看出，该盘式电动机起动时间需要1 s左右，这是由于盘式电动机的转动惯量大，因此起动时间稍长。
表4为计算数据。但实际情况是电动机运行在约15～20 kw，以18 kw为标准，对两种电机进行分析。此时37 kw三相异步电动机由于轻载，效率和功率因数明显降低，据测量效率在78％左右，功率因数O．67，此时电机有5 kw能量损失；而22 kw盘式专用电机，由于在接近满载下运行，效率较高，仍可维持在85％左右，只有3 kw的能量损失。可见使用盘式专用电机，每小时可节能近2 kw，节能效果明显．
3结语
本文通过对盘式电动机特点的分析，论述将其应用于游梁式抽油机作为配套电动机的合理性。并对22 kw抽油机专用盘式异步电动机进行了设计、仿真。结果表昵，该22 kw抽油机专用盘式异步电动机可以取代目前油田用Y系列37 kw异步电动机，在满足起动转矩的同时，运行效率较高，节能效果明显。
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