铝制潜油电机性能研究与分析

汪东欣，杨金龙，石建飞，张福军（.黑龙江八一农垦大学信息技术学院，大庆63000；.大庆油田电力集团宏伟热电厂）



铝制潜油电机性能研究与分析

汪东欣1，杨金龙2，石建飞1，张福军1
（1.黑龙江八一农垦大学信息技术学院，大庆163000；2.大庆油田电力集团宏伟热电厂）

摘要：随着潜油电泵机组在油田的不断应用，其生产成本已经成为各生产厂商不得不考虑的一个主要问题。现以近年来铝制电机的发展及应用为前提，研究分析铝制电机在潜油电机当中的应用，并以一台43 kW的潜油电机为例，在分析其主要成本明细的基础上，得出铝制绕组与铸铝鼠笼对潜油电机主要性能参数的影响情况。

关键词：潜油电机；铝制绕组；铸铝鼠笼

随着石油资源的日益减少和开采含水率的不断上升，在石油开采方面，不断追寻工作效率高、使用寿命长、经济性能优的开采技术，由于潜油电泵机组工作扬程和生产压差较大，地面工艺简易便于管理等优点，已经成为提升油井产量的主要趋势之一。

但相比传统采油机，潜油电泵机组成本较高，成为制约其广泛应用的主要原因之一。潜油电泵机组主要由潜油电机、潜油离心泵、保护器和分离器四大部分组成，而在这四大部分当中，潜油电机作为驱动装置直接影响到整台机组的效率和产量，其价格也是四大部分当中最贵的，大约占50%甚至更高。所以，在保证其工作性能指标和产品寿命基本不变的前提下研制低成本潜油电机是降低成本的重要手段。

近年来，铝制电机在保持同等性能的前提下，大大节约了电机成本，被广泛地应用到各种不同类型的机械装置当中，有效地提高了机械装置的经济性能。铝制潜油电机主要考虑将潜游电机的绕组与鼠笼条更换为铝制材料，从而达到降低成本的目的。

1　潜油电机材料成本分析

1.1潜油电机结构

潜油电机的工作原理与三相异步电动机的工作原理基本相同，只是其结构与工作环境有一定的特殊性。首先，潜油电机属于井下装置，一般工作在油井下几千米深的地方，通过其驱动，使螺杆泵旋转工作，将井下原油被提升到地面。这种特殊的工作环境决定了潜油电机具有特殊的结构特点，由于油井直径的限制，潜油电机只能制作成细长结构，属于一种立式工作的三相异步电动机，而为了加工方便以及在旋转时不至于产生较大的偏心，潜油电机定转子一般采用分段式结构，各定子段之间用非磁性材料进行连接，各转子段之间安装扶正轴承确保其不偏心，定转子之间充满专用润滑油，其具体结构如图1所示。

图1　潜油电机结构示意图Fig.1Schematic diagram of submersible motor structure

1.2潜油电机成本明细

以一台43 kW的潜油电机为研究对象，对现有产品进行成本分析，其主要成本比例如表1所示。

表1　43kW的潜油电机主要成本比例Table 1Main cost ratio of 43 kW submersible motor

根据上表可以发现，影响潜油电机成本的主要因素有铜片、定子钢片、电机轴、电机壳、电磁线以及转子总成等，其中电磁线与笼型转子成本大约占电机整体成本的15%左右，是铝制潜油电机降低成本的有效途径之一。其余部件对潜油电机成本也会产生影响，但其材料很难进行改进，比如电机轴、电机壳是在保证强度要求的基础上进行选取的；定子钢片一般都是根据不同硅钢片性价比综合选取的等等。

2　铝制潜油电机性能研究与分析

根据以上关于潜油电机成本明细的分析，主要针对潜油电机绕组与鼠笼条进行铝制电机的性能研究与分析。

2.1铝线绕组

传统的潜油电机一般采用漆包铜线作为电机的绕组，但随着漆包铜线的价格不断上涨，电机制造成本不断增加，考虑将价格便宜、性能比铜线略差的铝线用做电机绕组，必然会降低电机成本。但是使用铝线也会带来一定的问题。

（1）温升的影响。用铝线做电机绕组，在保证其原有尺寸不变的情况下，由于铝的电阻率高，将会导致温升增加，严重的话可能会影响到电机的寿命。

（2）寿命的影响。铝的耐腐蚀性能较差，尤其是井下这种高温环境下，会生成三氧化二铝，因此要对裸露的铝线或接头处进行严密封装，以减少电蚀及氧化对其寿命的影响。另外，铝线机械强度较软，漆皮的附着力相比不如铜线，装机时需要注意严禁严扁和刮伤。

（3）槽满率的影响。利用铝线来代替铜线时，如果想要得到和铜线是相同的温升，其线径需要选择合理，一般比铜线直径增大20%～30%，在不改变潜油电机操行尺寸的前提下，势必会造成下线的困难，接头处容易出现问题，但也可利用AMP压接端子连接以减少接头处的问题。另外，铝线容易断，韧性不强，下线时应多注意避免折断。

（4）效率的影响。如果仅仅是采用原来的尺寸，电机的效率必然会受到一定的影响，但如果能利用更大的线径和更多的匝数也可得到同样的效率，另外，也可通过增加铁芯长的方式来弥补。

以上四点从定性的角度分析了铝线绕组可能对潜油电机产生的影响，下面以一台43 kW潜游电机为例来具体说明在更换为铝线绕组后对其性能的影响。

潜油电机径向尺寸由于受到井口的限制，一般很难对其进行改变，同时为保证制造工艺的可行性，在不改变定子槽型和槽满率的情况下，单纯将定子铜绕组换为定子铝绕组，通过电磁计算可以得到变化前后的性能参数如表2所示。

表2　潜油电机定子铜、铝绕组性能比较Table 2Performance comparison of copper and aluminum coil for submersible motor

由表2可以看出，在保持原有尺寸的基础上，各项性能参数均有一定下降，但下降比例均很小，根据天津贵金属交易所2014年7月8日现货铜与现货铝的报价，现货铜为43 974元·t-1，而现货铝仅为11 838元·t-1，电机的材料成本可有效降低，故在电机性能满足要求的情况下，可采用铝线绕组直接代替。

同时，在采用铝线绕组的时候，除了需要考虑其性能指标变化之外，还要考虑温升的影响，故需要进行温度校核。在保持原有尺寸的基础上，即不同材料时所需体积相同，假定定子绕组由铜线换为铝线时产生的热量不变，根据温升的计算公式VT=Q/cm可知，铝绕组相对铜绕组的温升大小主要取决于两种材料的比热容及密度，即：

其中：CCu、CAl—铜与铝的比热容，J·kg-1·℃-1；

ρCu、ρAl—铜与铝的密度，kg·m-3；

由上式可以看出，在保持原有尺寸及发热量不变的基础上，铝绕组的温升大致是铜绕组温升的1.46倍，但实际情况下由于铝绕组的电阻率大于铜绕组，其会产生更多的热量，所以，铝绕组的温升起码是铜绕组温升的1.46倍以上。一般潜油电机采用的是B级绝缘，限值工作温度为130℃，故在采用铝制绕组时，需要适当增加绝缘等级。

2.2铸铝鼠笼

潜油电机的转子普遍设计成鼠笼结构，转子的笼型绕组实质上是一个自闭合的绕组，它由笼条和两端的环形端环构成，传统的潜油电机为保证质量的可靠性，一般采用铜条插入转子槽内，再在两端焊上端环的结构。但由于近年来铜价的不断上升，为了节约电机成本，考虑将铜条鼠笼用铸铝鼠笼来进行替换，在保持其他参数均不发生变化的情况下，铜条鼠笼和铸铝鼠笼的性能参数如表3所示。

表3　潜油电机铜条鼠笼和铸铝鼠笼性能比较Table 3Performance comparison of submersible motor copper bar cage and cast aluminum squirrel cage

由表3可以看出，铸铝鼠笼的潜油电机性能上并没有较铜条鼠笼的潜油电机下降太多。同样，对两种情况的成本进行分析计算，如表4所示。

表4　潜油电机铜条鼠笼和铸铝鼠笼价格比较Table 4Price comparison of submersible motor copper bar cage and cast aluminum squirrel cage

由表4可以看出，铝条鼠笼成本远远低于铜条鼠笼电机成本。但铸铝转子的质量也会有所下降，最突出的表现就是转子内部存在的气孔的问题，其次就是转子内部的笼条细条、断条、夹渣以及端环部分的缩孔、冷裂、热烈、缺肉等。这些问题的产生，最终导致整机的电气性能下降、转速不够、效率降低。

3　结论

针对潜油电机特点，在分析其主要成本的基础上，对铝制潜油电机的性能进行分析和研究。全文主要针对铝制绕组与铸铝鼠笼两方面进行研究，定性分析出铝制电机对电机性能的影响，并通过对一台43 kW型潜油电机的计算，得出在采用铝制绕组和铸铝鼠笼情况下，电机效率、功率因数、最大转矩倍数、启动转矩倍数、启动电流倍数以及转差率等主要性能参数的变化情况。为日后进一步分析铝制潜油电机提供了依据。

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Performance Research and Analysis on Aluminum Submersible Motor

Wang Dongxin1，Yang Jinlong2，Shi Jianfei1，Zhang Fujun1
（1.College of Information and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319; 2.Hongwei Thermal Power Plant of Daqing Oilfield Power Group）

Abstract:With the development of electrical submersible pump units in the oil field，the production cost had become a major issue that all manufacturers had to consider.The article researched on the application of aluminium motor in the submersible motor on the basis of development and application of aluminum motor.Using 43 kW submersible motor as example，the main performance parameters of the aluminum windings and cast aluminum squirrel cage was obtained on the basis of the main cost breakdown.

Key words：submersible motor;aluminium windings;cast aluminum squirrel cage

中图分类号：S141

文献标识码：A

文章编号：1002-2090（2016）01-0080-04

doi:10.3969/j.issn.1002-2090.2016.01.018

收稿日期：2015-01-22

基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12541590）；黑龙江八一农垦大学“校内培育课题资助计划”（XZR2014-13）。

作者简介：汪东欣（1986-），男，讲师，哈尔滨理工大学毕业，现主要从事电机方面的教学与研究工作。