永磁潛油電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用分析

張東星

（貴州裝備制造職業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽551400）

現(xiàn)階段，中國經(jīng)濟(jì)正處于經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展期，石油也成了急缺的資源，然而各大油田都已經(jīng)或即將步入高含水的中后期，潛油電泵采油作為目前國內(nèi)外各大油田的主要采油方式，是石油穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的重要保證。然而傳統(tǒng)采油系統(tǒng)所用的電機(jī)為異步潛油電機(jī)，大多都處于較低的功率因數(shù)下運行，尤其在異常工況時系統(tǒng)的運行效率更低，因此如何改善潛油電機(jī)的性能以提高運行效率，是潛油電機(jī)未來發(fā)展的一個重要方向。

由于永磁同步電機(jī)具有諸多的優(yōu)點，且已在交通、醫(yī)療等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因此，永磁潛油電機(jī)的研制就具有一定的科研應(yīng)用價值。

本文就永磁潛油電機(jī)和傳統(tǒng)異步潛油電機(jī)的性能做對比分析，并通過分析國內(nèi)外永磁潛油電機(jī)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用中存在的問題，提出相應(yīng)解決辦法，為永磁潛油電機(jī)的進(jìn)一步研發(fā)與應(yīng)用提供理論參考。

1 兩種潛油電機(jī)的對比分析

傳統(tǒng)的異步潛油電機(jī)為立式懸掛結(jié)構(gòu)，其定子、轉(zhuǎn)子為等長度多級串聯(lián)式，并且定子與轉(zhuǎn)子間充滿著電機(jī)油，起潤滑、散熱、絕緣作用。而永磁潛油電機(jī)是在異步潛油電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上盡量利用已有的配件，從而保證原有的加工工藝、原材料等基本不變，它們最大的差別就是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的變化，即永磁潛油電機(jī)轉(zhuǎn)子開二極永磁體鑲嵌槽，鑲嵌永磁磁條，壓裝工藝與成型工藝不變。

由于永磁同步電機(jī)與異步電機(jī)的原理不同，因而在運行性能上有所差別，主要表現(xiàn)在：調(diào)速范圍寬，且轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載變化；系統(tǒng)過載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高；超前的功率因數(shù)，有利于供電電網(wǎng)的功率因數(shù)優(yōu)化；運行電流低，能耗低。某油田常用電泵機(jī)組在配套了兩種電機(jī)時的運行數(shù)據(jù)對比如表1所示，可以看出，永磁潛油電機(jī)具有明顯的節(jié)能效果，平均節(jié)能可達(dá)20%。

通過以上對比分析可知，由于永磁潛油電機(jī)擁有著優(yōu)良的性能特點，不但可以大幅度降低用電量，并且對高溫、稠油井尤其適用，因而值得在國內(nèi)外采油系統(tǒng)中規(guī)模化推廣應(yīng)用。

表1 兩種電機(jī)的節(jié)能效果對比

2 永磁潛油電機(jī)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國外研究開發(fā)永磁潛油電機(jī)的歷史可以追溯到2000年，由RITEK JSC 公司設(shè)計研發(fā)的用于驅(qū)動潛油離心泵采油的調(diào)速范圍為1500～3600 r/min 的永磁潛油電機(jī)以及直驅(qū)螺桿泵的低速大扭矩永磁潛油電機(jī)。Borets 公司也研制了高速四極永磁潛油電機(jī)和低速十極永磁潛油電機(jī)，該電機(jī)的最大特點是轉(zhuǎn)子永磁體是內(nèi)置徑向式的結(jié)構(gòu)。Novomet公司設(shè)計了四極和十四極兩種結(jié)構(gòu)的永磁潛油電機(jī)，其特點是針對電機(jī)運行中的振動問題，優(yōu)化并改進(jìn)了電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和扶正軸承。

而國內(nèi)對于永磁潛油電機(jī)的研究也取得了一定的成果，其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)是最早開展相關(guān)研究工作的單位，鄭砥中團(tuán)隊設(shè)計了一種內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的永磁潛油電機(jī)，利用有限元分析了該電機(jī)的相關(guān)磁場數(shù)值，并計算了相關(guān)的電機(jī)參數(shù)，同時也針對電機(jī)的起動進(jìn)行了仿真分析，然而并沒有相關(guān)樣機(jī)試驗與應(yīng)用的研究報告。而后又設(shè)計并試制了一臺面貼式永磁潛油電機(jī)的樣機(jī)，并搭建了溫度測試實驗平臺，但是由于電機(jī)在測試中出現(xiàn)故障，因而沒能測得電機(jī)的穩(wěn)態(tài)溫度值等相關(guān)數(shù)據(jù)。

除此之外，國內(nèi)的其他科研院校也進(jìn)行了相關(guān)的研發(fā)設(shè)計，如沈陽工業(yè)大學(xué)研制了永磁體內(nèi)置徑向式和永磁體內(nèi)置切向式的兩種永磁潛油電機(jī)；中國石油大學(xué)的科研團(tuán)隊也試制了一臺12 極36 槽整數(shù)槽繞組的樣機(jī)，相關(guān)試驗的運行結(jié)果表現(xiàn)良好；浙江大學(xué)的錢慶鑣教授團(tuán)隊也進(jìn)行了相關(guān)研究并發(fā)明了一些相關(guān)的實用專利。雖然該技術(shù)的相關(guān)研究已經(jīng)有了很多成果，但是離大規(guī)模的推廣使用還有一定的距離，因為永磁潛油電機(jī)自身還有許多亟待解決的問題。

3 存在的問題及解決辦法

由于永磁同步電機(jī)本身較電勵磁同步電機(jī)及異步電機(jī)在原理上就有較多的難點，而且潛油電機(jī)的結(jié)構(gòu)又不同于一般的電機(jī)，當(dāng)應(yīng)用于潛油電機(jī)采油系統(tǒng)中時則某些問題會更加突出。雖然國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者在永磁潛油電機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用方面取得了一定的成果，但針對相關(guān)問題的設(shè)計方法及實際應(yīng)用運行狀況的報道少之又少，因此要真正實現(xiàn)潛油電機(jī)的永磁化，進(jìn)而大面積取代異步潛油電機(jī)，應(yīng)從以下兩個方面展開深入研究。

3.1 自起動問題

由于一般永磁同步電機(jī)均不能自啟動，需借助變頻電源以低頻啟動，這是開發(fā)設(shè)計永磁潛油電機(jī)的難點之一。而潛油電機(jī)通常情況下總是帶負(fù)載直接起動，因此需要在起動過程中有著足夠大的起動轉(zhuǎn)矩和牽入同步轉(zhuǎn)矩，而牽入同步轉(zhuǎn)矩的大小決定著能否把電機(jī)牽入同步運行，從而實現(xiàn)潛油電機(jī)永磁化的價值。因此通過對電機(jī)起動時的機(jī)械特性曲線分析可知，為了獲得好的起動性能，可以提高額定電壓或調(diào)整定子繞組結(jié)構(gòu)，如減少每項匝數(shù)；選用矩形深槽以增強(qiáng)肌膚效應(yīng)，減少漏抗；并對轉(zhuǎn)子的電阻及永磁體用量進(jìn)行合理的設(shè)計。

3.2 永磁體的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性問題

由于潛油電泵機(jī)組工作在1000～3000 m 的深井中，并且處于高溫、高腐蝕性的惡劣環(huán)境中，其工作溫度一般都高于90 ℃，再加上電機(jī)的溫升問題，那么電機(jī)很容易發(fā)生退磁現(xiàn)象，甚至產(chǎn)生不可逆的退磁。另外電機(jī)中始終會有部分井液通過密封保護(hù)器泄漏進(jìn)入，其腐蝕性物質(zhì)也會嚴(yán)重影響磁性能，從而導(dǎo)致電機(jī)可能無法正常穩(wěn)定運行。因此有必要研究永磁潛油電機(jī)在油井下的發(fā)熱和散熱的機(jī)理問題，求解永磁潛油電機(jī)的電磁場模型，進(jìn)行必要的數(shù)值模擬，并對井下運行系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，以對電機(jī)性能作出更好的把握與預(yù)測，根據(jù)實際試驗數(shù)據(jù)及工作環(huán)境設(shè)計合理的電機(jī)參數(shù)及結(jié)構(gòu)是解決問題的關(guān)鍵。

4 結(jié)語

本文從結(jié)構(gòu)類型、性能特點、試驗應(yīng)用等方面對永磁潛油電機(jī)和異步潛油電機(jī)做了對比分析，指出了永磁潛油電機(jī)的優(yōu)勢所在，尤其是在節(jié)能方面值得在油田系統(tǒng)中推廣應(yīng)用；分析了國內(nèi)外永磁潛油電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了潛油電機(jī)在實現(xiàn)永磁化的開發(fā)應(yīng)用過程中所需要深入研究的問題，并給出了一些相應(yīng)的解決措施，為永磁潛油電機(jī)的進(jìn)一步研發(fā)及應(yīng)用提供了一些理論參考。