用于游梁式抽油机节能的磁力耦合器研究

冯静（大庆油田有限责任公司第三采油厂）

1998年由美国马格纳福斯提出了一种全新的涡流式磁力耦合器，可以对离心式风机泵实现调速功能，人们称其为磁力耦合器[1]。

2007年国内引进了美国磁力耦合装置，在水泵和风机调速改造上得到良好的应用。它具有寿命高、节能、对电网冲击小、对泵轴和电动机轴的冲击小等优势，成为中国节能事业中的一个重要领域。

1 现状

大庆油田在进入三次采油阶段时期，自主创新了三元复合驱采油技术。试验表明该技术可比聚驱提高采收率10%，比水驱提高采收率20%以上，是大庆持续发展的重要技术保障。游梁式抽油机是三元复合驱采油技术中重要的设备，但在实际生产过程中，游梁式抽油机电动机存在几个问题：电动机启动时，转动惯量大，带载启动，启动力矩大，需要很大的启动功率；电动机用电功率因数低，效率低；抽油机工作载荷呈周期性变化，对机械系统产生冲击载荷，影响电动机寿命。为了解决这些问题，降低电动机装机功率，结合永磁耦合器原理，需研发适用于游梁式抽油机的新型磁力耦合器[2-3]。

2 工作原理及创新点

2.1 工作原理

磁力耦合器是由两个独立的，没有任何接触的转体组成，这两个转体之间有一定的空气间隙。其中一个带铜盘的钢制转动体与电动机输出端联结（称为导体转子），另一个带永磁材料的铝制转动体与负载输入端联结（称为永磁转子）。电动机转动过程中，导磁体通过切割永磁体的磁力线产生的磁感应力[4]，实现电动机与负载之间的扭矩传递。

当导体转子随电动机轴旋转时，与电动机同步转速，此时导体转子的铜导体切割磁力线，从而形成涡电流。涡电流产生的感应磁场[5]与永磁转子固有磁场相互作用，传递扭矩，从而带动永磁转子同向旋转，磁力耦合器结构如图1所示。

图1 磁力耦合器结构

磁力耦合器与抽油机皮带连接，位于井口装置后侧。结构上导体转子的铜导体内圈与永磁转子的外圈径向正投影，但不接触，二者之间设计出一定的间隙，此间隙也被称为“气隙”，因此实现了电动机与负载由原来的硬（机械）连接变为软（柔性）连接。同时，随着负载的变化，永磁转子和导体转子的转速会发生变化，二者之间的转速差称为“滑差”，这也是磁力耦合器的“柔性”所在。

2.2 技术创新难点的解决途径

1）利用磁场作用传递转矩，电动机与负载之间软连接，可实现抽油机的柔性启动；抽油机原有的皮带连接结构为动力机供给动力，经减速器将动力机的高速转动变为抽油机曲柄低速转动，并由曲柄-连杆-游梁机构将旋转运动变为抽油机驴头的上、下往复运动，经悬绳器总成带动深井泵工作。利用磁涡流感应耦合的软连接取代传统的机械硬连接，实现了负载柔性启动。

2）运行过程中可根据负载特性自动调整滑差，以适应负载扭矩；在安装于电动机轴一侧的永磁转子和安装于负载轴一侧的导体传子直接耦合的环形气隙中，采用可以调节位置的磁屏蔽式套筒来调节永磁转子和导体转子之间的磁耦合强度来实现对负载扭矩进行调整的装置。

3）缓冲上下冲程换向过程对电动机的冲击，提高电动机运行稳定性能，延长电动机使用寿命[6-7]。

4）可以降低电动机装机功率，实现节能10%～30%。可使电动机降档使用，降低电动机装机功率，提高电动机功率因数，将原来的5型抽油机的电动机额定功率由22 kW可以改变为使用7.5 kW的磁力耦合器，可大幅度的实现节能的目的。

3 现场试验

在大庆油田某采油厂5型抽油机上原来功率分别为45 kW和22 kW的电动机上安装试验了30 kW和7.5 kW的磁力耦合器，电动机均实现了降档使用。节能改造至今抽油机和磁力耦合器工作状态稳定，运转良好。该装置现场安装情况见图2，现场仅需换下原来皮带轮，直接安装永磁耦合器即可，不改变原安装基础，不改变原参数，不改变原运行维护方式，不增加任何电气附件[8]。

图2 现场安装情况

从游梁式抽油机电动机节能及改善抽油机运行工况的角度出发，在调速永磁涡流技术基础上，研制了磁力耦合器，并将其引入到电动机对抽油机的驱动环节[9-10]。在某采油厂选择抽油机A井、B井应用磁力耦合器进行现场试验，试验数据见表1。通过3169钳形电能分析仪、秒表、电磁流量计和水分测量仪，分别测试得出有功功率、无功功率、冲次、产液量和含水率。

表1 试验数据

A井有功节电率为9.84%，无功节电率为56.11%，综合节电率为12.11%；B井有功节电率为27.82%，无功节电率为22.28%，综合节电率为27.62%，A井日节电130.788 kWh，B井日节电145.833 kWh，节能效果良好。

4 结论

1）安装简便，故障率低，可靠性高，寿命长。加装磁力耦合器后，利用磁涡流感应耦合的软连接取代传统的机械硬连接，实现负载柔性启动机组启动力矩降低，从而缩短了电动机启动时间，降低了电动机启动电流和对电网的冲击，缓冲负载的冲击振动，提高传动系统的使用寿命。

2）可使电动机降档使用，降低电动机装机功率，提高电动机功率因数，可达到10%以上的节能率。