低速永磁潜油电机设计的研究
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1.1 背景和意义
我国石油储备量比较丰富,但因开采困难,大量石油资源无法立即得到充分利用。在我国所需石油中,仅有 40%来自我国石油开采,60%依赖进口[1]。稠油难以开采,在世界油气资源中,稠油占有较大比例。我国稠油储备量丰富,分布广泛,其中以胜利、新疆、辽河与河南四大稠油开采地为主[2]。例如胜利油区的王庄油田和单家寺油田,其超稠油储量约为 1.1×108t。埋藏深,黏度高,储集层薄,常规的稠油开采方式例如露天开采、出砂冷采、蒸汽驱、蒸汽吞吐等无法使用。先进的 SAGD(蒸汽辅助重力泄油)技术也不具备开采此类油藏的能力[3]。而且经过注蒸汽或注水开发的稠油油藏,会面临高含水,低油气比,出砂严重等问题[4]。 螺杆泵适用于稠油开采,并且在稠油热采后期也可应用。螺杆泵采油成本低,易于管理,现在得到了国内外众多稠油油田的推广应用。不仅如此,螺杆泵采油还适用于高含气量、高含砂量原油油井及斜井、水平井的开采和海上采油。我国的螺杆泵采油技术还处于初级阶段,开展螺杆泵采油技术的研究,对于转变稠油开采方式,降低开采成本,提高我国石油经济效益,具有重要意义。 由抽油杆驱动井下螺杆泵的运行方式存在诸多不稳定性,例如抽油杆接箍易松脱和螺纹损坏,在定向井与水平井中存在抽油杆与油管偏摩问题等。潜油电机加减速器驱动螺杆泵的运行方式不存在上述杆式抽油系统的弊病,可获得较高的油井产量与泵效[5]。但减速器的存在增大了井下系统的复杂性,降低了螺杆泵采油系统的效率,也缩短了泵检周期。所以,研制低速高效的直驱永磁潜油电机是很有意义的。
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1.2 低速永磁潜油电机发展现状
永磁潜油电机较异步潜油电机具有诸多优势,永磁潜油电机具有较宽的调速范围,较高的功率因数,较高的效率,尤其在低速运行区域,永磁潜油电机的效率远远高于异步潜油电机。同时永磁电机功率密度较高,对于相同系列的潜油电机(电机外径相同),永磁电机的轴向长度较异步电机轴向长度减小 40%左右,并且易于控制。低速永磁潜油电机不仅具有以上优点,在驱动螺杆泵时,可省去对减速器的应用,提高采油系统的稳定性和效率。因此近些年低速永磁潜油电机得到了国内外多个机构与学者的研究,并取得了一定研究成果[6-7]。国外永磁潜油电机的研发生产主要集中在俄罗斯[8],俄罗斯的RITEK JSC,Borets,Novomet 是面向全球供应永磁潜油电机的三家公司,作为 RITEK JSC 的子公司,RITEK-ITC 公司于 2001 年开发出世界第一台永磁潜油电机,其调速范围为1500-3600r/min,可直接驱动潜油离心泵,在驱动螺杆泵时,须使用齿轮减速器。这台电机在同转速情况下的功率密度是异步潜油电机的两倍,因而电机长度较短,易于安装。同年,RITEK-ITC 公司开发了调速范围在 100-500r/min 的低速永磁潜油电机,可直接驱动螺杆泵采油,并得到了应用。2002 年,俄罗斯 LOKOIL 石油公司开始装备RITEK-ITC 公司生产的永磁潜油电机进行采油作业,截至 2007 年 1 月,装备油井数达到了 620 口(螺杆泵系统油井 124 口,离心泵系统 496 口)。 2006 年,俄罗斯 Borets 公司开始了永磁潜油电机的研发,并开发出 10 极永磁潜油电机,电机转子结构如图 1.1。可用于对潜油螺杆泵的直驱。电机采用了内置径向式转子结构。Borets 的永磁潜油电机已被俄罗斯秋明英国石油控股公司、美国阿帕奇石油公司、俄罗斯天然气工业石油公司等采用,截至目前,已有超过 2500 台 Borets 的永磁潜油电机得到应用。
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第 2 章 低速永磁潜油电机结构特点与电磁关系
2.1 低速永磁潜油电机基本结构
低速永磁潜油电机工作于井下,通过保护器、连接器与螺杆泵同轴连接,实现对螺杆泵的直接驱动。地面的控制柜通过接线盒由电缆连接到潜油电机,实现对潜油电机的控制和驱动。低速永磁潜油电机直驱螺杆泵采油系统示意图如下图 2.1 所示。潜油电机的外部尺寸与内部构造受其工作环境影响,为细长结构,如图 2.2 所示。同时,永磁低速潜油电机的功率一般在 10kW 以上,其低速运行的要求进一步加剧了其电机长度,为了避免发生扫膛,永磁潜油电机同一机壳内的定子与转子被等分为多段,定子两段之间为由铜片叠成的隔磁段,相应的转子侧为扶正轴承,从而对定转子实现支撑,如图 2.3 所示。潜油电机为密闭式,机壳内充满电机油,由定转子气隙及专用油路通道,通过转子转动实现电机油循环流动,从而起到散热、、绝缘的作用[13-15]。 低速直驱潜油电机的主要结构包含以下四部分: (1) 定子:潜油电机的机壳材料是具有弹性的合金钢,精加工为一个细长的筒状结构,定子硅钢片和隔磁段所采用的硅铜片按照相应规律叠压至机壳内,机壳对定子铁心起到支撑作用,在机壳两端分别安装上接头与下接头。 (2) 转子:与定子相对应,转子也分为多节。与定子侧硅钢片段对应的为转子节,与定子硅铜片段对应的为扶正轴承,转子节与扶正轴承由转轴串联,转轴中部为空心,是电机油路的一部分。定转子分节处的扶正轴承避免了因为电机细长而造成气隙不均匀的情况出现。 (3) 上、下接头:潜油电机的上接头又称为电机头,电机头处是用来安装止推轴承和引出电缆线的。下接头主要起密闭作用。
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2.2 低速永磁潜油电机的设计理论
d-q 轴数学模型可以用于分析正弦波永磁同步电机稳态运行性能和瞬态运行性能,是正弦波控制的调速永磁同步电机最常用的分析方法。熟悉调速永磁同步电机的控制方法,以及控制方法对电机模型的要求,是合理设计电机的基础。交直轴电抗的计算可以通过电机内部的电磁关系,运用解析法进行计算,在求解过程中需要引入较多的经验系数,对于磁路复杂的永磁电机,其计算精度难以保证。故本文介绍运用有限元方法求解交直轴电抗的方法[18-19]。 电机的电抗受电机的运行状态影响,变化较大,不同的运行状态,电机磁路饱和状态不同,电机的电抗参数也因此不同,故计算电机稳定运行在额定工作状态时的电抗才有实际意义。稳态运行状态下的电抗可采用稳态场有限元计算得到,方法如下。根据仿真模型中转子所在的位置,通入稳态运行情况下,与转子位置相匹配的,这一时刻的绕组电流,这是电机在额定运行状态下的某一时刻,通过基于 Maxwell 的有限元计算,得到这一状态下电机的三相电感矩阵。
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第 3 章 16 极 18 槽低速永磁潜油电机参数计算与设计 ......... 16
3.1 低速永磁潜油电机转子极数与定子槽数的确定 .......... 16
3.1.1 电机极数槽数配合选择....... 16
3.1.2 不同极数槽数配合潜油电机分析对比.... 18
3.2 电机主要参数计算 ......... 27
3.2.1 极弧系数的确定..... 27
3.2.2 永磁体杂散损耗的计算....... 27
3.3 电机定转子的设计 ......... 33
3.3.1 定子冲片设计......... 3
3 3.3.2 转子设计.......... 35
3.4 本章小结 .... 36
4.1模型建立 .... 37
4.2 电机性能仿真 .......... 38
第 4 章 有限元仿真 ..... 37
4.1 模型建立 .... 37
4.2 电机性能仿真 .......... 38
第 5 章 结论 .......... 43
第 4 章 有限元仿真
有限元法是一种数值方法,通过离散化来求取偏微分方程近似的数值解。过程为首先将待求解的场的偏微分方程等价为一个条件变分问题,然后将条件变分问题离散化为代数方程组,求解代数方程组,以其解作为对偏微分方程解的逼近[40]。连续的偏微分问题的离散化带来的是方程组矩阵的求解,随着计算机技术的发展,一批有限元软件相继涌现,二维、三维场的精确求解变为可能,这在一定程度上改变了电磁装备的设计方法。现在主流的工程电磁场计算软件有 ANSYS、Magnet 等。本文应用 ANSYS Maxwell 软件对电机性能进行仿真。
4.1 模型建立
电机模型的建立主要有以下几种[41]:1)直接在 Maxwell 软件内绘制电机模型,这种方法不存在模型兼容问题,但模型绘制过程复杂。2)在 Maxwell Rmxprt 中输入电机参数,直接生成二维或三维有限元模型。这种方法较为简洁,但只能生成系统内预设模型。3)在 CAD 软件内绘制模型,然后导入 Maxwell 中直接生成有限元模型,这种方法可以生成各种复杂的模型,但是模型绘制与导入过程中可能会出现兼容问题。本文采用第二种方法。 在 Rmxprt 中选择调速同步电机模型,输入相应电机参数,进行计算后,应用软件自带的一键导入功能,得到图 4.1 所示的电机二维模型。
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结论
本文针对低速永磁直驱潜油电机的工作环境限制和性能要求,分析、设计了一台低速永磁直驱潜油电机,在分析与设计中,推导和采用了以下方法,即本文的工作内容与结论。 将分数槽集中绕组永磁同步电机方案应用在细长结构的潜油电机设计方案中,首先叙述了分数槽集中绕组电机槽数与极数组合的选择约束条件,在此基础上,结合所要设计完成的目标,选取了三组槽极配合方案,运用有限元方法对三种方案进行了对比分析,得出了 16 极 18 槽为较优方案的结论。 确定型号的潜油电机其定子外径是确定的,故本文分析了在定子外径确定的情况下定子内径的选择方案,推导计算发现,存在某定子内径值使得电机获得较优性能。潜油电机的细长结构使得下线困难,每槽导体数不应该超过 12,同时兼顾电机获得较高端电压以减少潜油电缆损耗,故本文预先设置每槽导体数为 12。在这种情况下,为了使电机工作在合适的工作状态,通过有限元方法求解了电机电感,运用向量图求解了在合适工作状态下应该输入的电压。 文章对电机的一些参数进行了计算,这是场路结合的电机设计方法的要求。提出了基于有限元方法的极弧系数计算方法,提出了永磁体杂散损耗计算的电路模型,经验证,可以应用于工程计算。 在电机基本结构确定下来后,运用有限元方法对电机定子冲片之结构参数对电机性能的影响进行了分析,得出了一些有益的结论。 最后,运用有限元软件 ANSYS Maxwell 对本文所设计的低速直驱永磁潜油电机进行了仿真,计算验证了本文所设计电机的合理性。可见低速直驱永磁潜油电机的应用是可以提高机械采油效率,去除传统减速装置的。