抽油机用永磁同步电动机的理论与试验研究

李　娜，葛利俊，安　超

(1.渤海石油装备承德石油机械有限公司，河北 承德 067000；2.陕西长实建设工程有限公司，西安 710018)



抽油机用永磁同步电动机的理论与试验研究

李娜1，葛利俊1，安超2

(1.渤海石油装备承德石油机械有限公司，河北 承德 067000；2.陕西长实建设工程有限公司，西安 710018)

摘要：节能高效的永磁同步电动机在石油开采领域的应用日益增长。结合永磁同步电动机理论和磁场有限元计算理论对某型永磁同步电动机进行分析，并对该型电动机在大庆油田进行测试。仿真结果和试验结果表明，在额定转速200 r/min的条件下，永磁同步电动机转矩和效率等参数的计算值与试验值基本一致，其中额定转矩值的计算误差只有3.84%，表明所采用分析方法的正确性。为实现该型永磁同步电动机的控制等提供了理论依据。

关键词：永磁同步电动机；有限元法；d-q轴系；抽油机

抽油机是石油开采的关键设备，其动力装置主要采用异步电动机来驱动。普通的异步电动机转速高，通过加装变速箱、传动皮带等传动装置来工作，但是其工作效率低，而且抽油杆的应力无法在停机后释放，存在安全隐患。得益于电动机变频调速控制技术的发展，变频异步电动机在采油领域也得到一定应用。相比于传统异步电机的设计，高速变频异步电动机设计需要有独特的结构设计和电磁设计，部分学者对其进行了深入的理论分析和计算[1]。异步电动机矢量控制调速系统设计也受到重视，该系统的硬件设计和软件设计能实现异步电动机的高效调速，具有一定的发展前景[2]。

相比于采用不同复杂调速技术的异步电动机，直驱式高转差率电动机在抽油机驱动领域的应用已经非常广泛和成熟，也得到相关行业技术人员的高度认可[3-4]。文献[5]对Y280S型电动机和YCHD280L型电动机进行了对比研究，在模拟井上对多个瞬态节点特性参数进行测试，试验结果表明高转差率电动机的启动性能要优于低转差率电动机，中高冲次时的降载效果较好，但在节能方面高转差率电动机并没有明显优势。采用麦克马克方法求解波动方程，建立一种新的运动微分方程与波动方程的高度耦合问题的求解方法，对胜利油田辛1135和辛11138两口井的计算结果表明该方法计算速度快、精度高[6]。

随着永磁同步电动机性能的提升，在抽油机驱动领域，直驱式永磁同步电动机有替代传统高转差率电动机的趋势[7]。对于永磁同步电动机的设计而言，其磁路结构和磁场分布的设计是关键，有限元法作为电磁场分析的主流方法，在永磁同步电动机的设计和优化上有着广泛的应用[8]。永磁同步电动机的设计主要需要考虑磁路结构设计、转矩分析、其他相关参数计算等，需要结合电磁场理论和电机学理论进行分析[9-10]。波形畸变率高和齿槽转矩大也是影响永磁同步电动机性能的主要问题，可尝试采用分数槽集中绕组、非均匀气隙、定子斜槽和改变磁极宽度等方法予以改善[11]。永磁同步电动机具有强耦合性、非线性的特点，其控制技术也得到众多学者的关注，包括直接转矩控制技术(DTC)、自抗扰控制(ADRC)技术等[12]。复式永磁同步电机在直驱式抽油机中也得到应用，文献[13]对其设计计算方法、电机内电磁场的分析、电机参数的优化、齿槽转矩的抑制、电机驱动控制系统等进行了研究。此外，对于抽油机用永磁同步电动机而言，还需要关注其定转子分段、润滑和密封等对性能的影响[14]。

由于综合性能的不断提升，永磁材料在电动机领域的应用日益普及，高效、节能环保、工作可靠的直驱式永磁同步电动机成为石油开采领域的一个新增长点，得到国内外学者的重视。本文将结合电磁场理论对直驱式永磁同步电动机进行理论分析和仿真计算，并结合某型样机进行实验研究和分析，为此类电动机的应用奠定基础。

1理论分析

1.1磁场有限元计算

对采用永磁材料的高转差率电动机而言，有限元法是目前最适合的磁场计算方法。有限元法是基于变分的原理，建立对应电磁场边值问题泛函求极值问题，然后将连续的场域剖分成相连接的多个子域，就可以利用简单的插值函数来构建每个子域的试探函数，试探函数中带有一组未知系数，以所求场域的边界条件为限制条件，通过对该代数方程组求解，即可得到边值问题的解。

根据麦克斯韦方程，磁场的基本方程为

(1)

(2)

式中：μ=μ0μr，μ、μ0、μr、Hc分别为永磁体磁导率、真空的磁导率、永磁体相对磁导率、永磁体矫顽力。

(3)

(4)

在非永磁区域Ω0等价的能量泛函极值问题为

(5)

在有限元法中，需要对求解域进行剖分，得到对应能量泛函极值问题的离散格式。对式(4)和(5)可以在空间域采用三棱柱单元或四面体单元进行离散求解。对于永磁同步电动机，通常为轴对称结构，因此，可以只取一对称面，在二维空间采用三角形单元或四边形单元进行离散求解即可。

1.2转矩和电压计算

根据电动机的设计，磁极上最好不出现磁饱和现象，定子的各相绕组对称分布，电枢的电阻值完全相等。若忽略漏磁通的影响，气隙均匀分布，则各相绕组的电感值与转子的所在位置无关，转子磁链在气隙中呈正弦分布状态。那么在转子坐标系(d-q轴系)的条件下，永磁同步电动机定子上的电压和电磁转矩分别为[17]

(6)

式中：Φd、Ud、id、Ld分别是定子绕组d轴的磁链、电压、电流、电感；Φq、Uq、iq、Lq分别是定子绕组q轴的磁链、电压、电流、电感；Rs、p、T和ω为定子的电阻值、电机极对数、电磁转矩和角频率。

磁链大小和电感大小可以通过有限元法进行计算。显然，式(6)是隐式方程组，需要采用迭代的数值方法进行计算。

2仿真分析

以额定功率为22kW的永磁同步电动机为例，额定转矩、额定效率、额定转速、轴负荷、气隙和额定电流分别为1 050N·m、≥87%、200r/min、80kN、1.5mm和42A，磁钢牌号为N35，电动机的极数和槽数分别为32极和36槽。为了对电动机参数进行计算，采用有限元法对该电动机的磁场分布规律进行分析。计算得到的发电机剖面磁感应强度的分布如图1所示。

图1　永磁同步电动机剖面的磁感应强度分布

由图1可以看出，该电动机的最大磁感应强度约为1.4T，低于硅钢片的饱和值，满足设计要求。

对该电动机在200r/min额定转速、空载条件下的主要参数进行计算。仿真从0ms开始，对300ms内的铜耗进行计算，计算得到的铜耗如图2所示。

图2　电动机的铜耗仿真曲线

从图2可以看出，在仿真初始时刻由于计算结果存在一定的动态参数影响，铜耗最大值可达11.4kW，然后铜耗值快速降低，铜耗值在226ms达到稳定值，在额定转速下的铜耗均方根值为2.31kW。若不考虑铁损，则电动机在额定转速下的工作效率为89.5%，实际工况中电动机的效率应比该值略低。

电动机的转矩计算结果为1 009.69N·m，比额定值略低。

转子绕组1上计算得到的电压U1如图3所示。电压最大值和有效值分别为310.42V和219.46V。从图3可以看出，绕组上的电压波形良好，说明采用分数槽集中绕组可较好地消除电压的畸变。

计算结果表明，所设计的电机计算结果基本达到了预期值。

图3　转子绕组1上的电压波形

3试验测试

试验所用电动机结构参数与仿真值一致，电动机为额定功率22kW的永磁伺服同步电动机，采用立式安装结构；防爆等级为ExdIIBT4，可满足抽油机工作的爆炸性气体环境使用；使用铝合金铸造机座以提高散热效率；采用牌号为N35的磁钢，磁钢的耐热温度为150 ℃，避免因为电机的温升造成失磁或退磁。

在大庆油田对该电动机进行了试验测试，测得的额定功率、额定转矩、轴向负荷、表面温升和噪声分别为22kW、1 050N·m、80.8kN、57K和72dBA。对比试验值与仿真值可以发现，额定转矩值的计算误差为3.84%，两者比较一致，表明上述理论分析可较好地描述该型永磁同步电动机。

试验效率与额定效率对比如图4所示。由图4可以看出，实际测得的电动机效率略低于额定效率的设计值。在额定转速200r/min时，电动机的试验效率是额定效率的0.95倍，表明该电机的电磁设计基本达到了预期目标。

图4　试验效率与额定效率对比图

4结论

针对抽油机用永磁同步电动机，在转子坐标系(d-q轴系)的条件下，采用永磁同步电动机定子上的电压和电磁转矩方程对其进行描述，并采用有限元法和磁链进行计算。在此基础上，结合某22kW永磁同步电动机的参数进行了数值仿真计算。对比该电动机的试验结果可以发现，计算结果与试验结果基本吻合，为实现该型电动机的控制提供了理论和试验依据。

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TheoreticalAnalysisandExperimentalResearchforPermanentMagnetSynchronousMotorUsedforPumpingUnit

LINa1，GELijun1，ANChao2

(1.Bohai Oil Equipment Chengde Petroleum Machinery Co.，Ltd.，Chengde 067000，China；2.Shaanxi Changshi Construction Engineering Limited,Xi’an 710018)

Abstract：Permanent magnet synchronous motor is growing in the field of oil drilling applications because of higher energy efficiency.The theoretical analysis is on the basis of permanent magnet synchronous motor theory and finite element method for magnetic field and the motor is tested in Daqing oil field.Simulation results and the experimental results show that the calculated results and experimental results of torque and efficiency have reached a basic agreement on the condition at the rated speed of 200 r/min.The calculation error of rated torque value is 3.84% which shows the correctness of the analysis methods.The research provides theory basis for the control and application of such permanent magnet synchronous motor.

Keywords：permanent magnet synchronous motor；finite element method；d-q shafting；pumping unit

文章编号：1001-3482(2016)06-0061-04

收稿日期：2015-11-06

基金项目：国家自然科学基金(51107030)，河北省自然科学基金(E2012202070)

作者简介：李娜(1983-)，女，河北承德人，工程师，硕士研究生，主要从事石油钻采机械的研发，E-mail：jessie_1983@126.com.

中图分类号：TE933.1

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.013