螺桿潛油泵直驅永磁電機設計改進

孫 輝，宋詩光，黃 斌

（渤海石油裝備（天津）中成機械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

桿泵采油方式在目前的機械采油中，依然是占很大比重。近年我國加大了石油開發力度，水平井、定向井等鉆井新技術的廣泛應用，推動了稠油井、高含砂井的開發，給有桿抽油泵的油井造成了很多難以解決的問題[1]。特別是有桿抽油設備在稠油重負荷井中，經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象時有發生，在含沙井中，還會出現砂卡。而螺桿潛油泵采油系統因無需抽油桿，可以應用小尺寸油管，節能且不發生氣鎖等現象。螺桿潛油電泵（圖1）是一種大排量舉升的井下無桿采油設備，目前已經成為油田一種重要的機械采油設備[1]。采用異步電機在井下驅動螺桿泵，需要采用行星齒輪結構達到減速增加扭矩的作用，這就必然導致其機械效率的下降。而且現場應用發現，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入減速器的齒面，從而導致整個系統在短時間內失效。而若采用無刷直流電機直接驅動螺桿泵即可避免因減速機構帶來的諸多缺點。本文從電磁設計，機械設計，整個螺桿潛油泵機組結構和有限元計算4個方面加以論述。

1 電機電磁設計

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

圖1 螺桿潛油電泵

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

（2）電機定子外徑的選取。因為螺桿潛油泵直驅永磁電機應用于井下，因此電機定子的外徑需根據螺桿泵應用的井口直徑進行選取。

（3）電機定子內徑的選取。電機定子內徑選取程序如圖2所示。

圖2 定子內徑計算框圖

永磁體采用內表面弧與外表面弧不同心的結構，采用這種結構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——定子沖片內徑，mm

D1——定子沖片外徑，mm

Bδ——磁負荷，Gs

Bt——中樞磁負荷，Gs

Q1——定子槽數

KFE——電樞疊裝系數

Bj——定子軛磁負荷，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公司低頻機電仿真工具的一部分，主要用于電機以及常用機電電磁元件的有限元仿真，可以對電磁元器件的瞬態場進行分析，借助處理器可以清楚的看到電機內部磁場分部，各部分的力及力矩等[3]。根據電磁設計方案在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，絕大部分磁通都經由永磁體—氣隙—定子齒—定子軛—定子齒—氣隙—永磁體進行了匝鏈，基本上沒有漏磁。

3 機械結構設計

機械計算式電機設計和結構設計需要相互結合，在電磁設計完成后進行。主要彌補機械部分的設計問題，要求是從結構上保證電機性能、生產制造的經濟合理、運行可靠等[4]。針對螺桿潛油泵直驅永磁電機細而長的特殊結構和油井下惡劣的運行的環境，從3個方面對螺桿潛油泵直驅永磁電機機械結構進行分析和設計。

（1）特殊的油路循環系統。螺桿潛油泵直驅永磁電機正常運行狀態下，隨著轉子帶動止推軸承的動塊旋轉，將密封在電機內部的潤滑油強引通過轉軸徑向油孔壓入轉軸空腔內，然后由上端出口流回。這樣形成油路循環系統[1]。由于電機的磁鋼設計是采用的磁鋼外表面與內表面不同心的結構，由于氣隙的不均勻，導致油路循環會給電機在運行形成阻力，增加電機損耗。在永磁體表面涂一層環氧樹脂，使得環氧樹脂表層的圓形表面與定子內徑同心。這就使得氣隙中潤滑油在電機轉動時能形成一層油膜，隨電機同步旋轉。將損耗降到最低。

圖3 螺桿潛油泵直驅永磁電機2D模型

圖4 磁力線分布圖

（2）定子細而長的結構。螺桿潛油泵直驅永磁電機的定子芯軸由硅銅片和硅鋼片組成。硅銅片按設計放在兩節硅鋼片段間；定子采用集中繞組；機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]。轉子，由于電機的細長結構，轉子在運行中極易偏心運行，受到單邊磁拉力的影響而掃堂。因此轉子節中間要加扶正軸承。

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

4 螺桿潛油泵機組結構

（1）井下部分。螺桿泵、保護器、潛油電機、潛油電纜。

（2）地面設備。變頻控制器。

（3）輔助設備。扶正器、測溫測壓裝置、篩管、防轉錨、接線盒等。

螺桿潛油泵機組如圖5所示。

圖5 螺桿潛油泵機組

5 結論

（1）確定了螺桿潛油泵直驅永磁電機的主要尺寸，并通過有限元計算進行了驗證優化。

（2）采用槽數與極數3/2的結構，定子槽數僅有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）轉子表面涂一層環氧樹脂，解決了由于磁鋼外表面與內表面不同心而造成的油路循環能耗大的問題。既改善了氣隙磁場分布，又在機械上保證了均勻的氣隙。

（4）對螺桿潛油泵直驅永磁電機的機械結構進行了設計。

（5）對螺桿潛油泵電機的機組結構提出了初步的設想。