低速潜油永磁同步电机单边磁拉力及转轴挠度分析
发布时间：2021-11-17 05:11
目前石油的开采中稠油井的比例不断增加,稠油井一般选择转速较低的螺杆泵。传统的潜油电机由于直径限制,定子槽数不宜过多,因此很难通过电磁设计增加极数降低转速,需要配备减速器一起使用,造成采油系统存在可靠性低、系统效率低等问题。采用分数槽集中绕组的三相永磁同步潜油电机可以通过合理的电磁设计方案达到多极少槽的目的,在稠油井的开采中得到越来越多的关注。但是,分数槽大长径比低速潜油永磁同步电机通常采用滑动轴承,存在气隙不均匀的固有缺陷,某些极槽配合组合会带来较大的单边磁拉力,造成低速潜油永磁同步电机的振动加剧和轴承偏磨等问题。本文针对采用分数槽集中绕组的低速潜油永磁同步电机的电磁设计和机械结构设计存在的问题进行了研究,主要工作如下:首先,比较了不同极槽配合方案对绕组系数和齿槽转矩的影响,选择最佳的极槽配合方案,根据该极槽配合方案设计了一台低速潜油永磁同步电机,并通过有限元仿真验证了该电磁设计方案的合理性。其次,通过理论分析推导出单边磁拉力的解析表达式,分析得出除了转子偏心原因产生单边磁拉力之外,由极槽配合导致的定子拓扑结构不对称也会产生单边磁拉力,本文分别推导了这两种单边磁拉力及二者合力的解析表达...
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：57 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
感应电机潜油螺杆泵采油系统
第1章绪论3速器保护器，增加了机械损耗降低了系统的整体效率，另外减速器保护器还提高了系统的密封成本并且降低了系统的可靠性。而由于永磁电机可以通过电磁设计降低转速从而省去减速器，所以最新的研发方向是永磁电机直接驱动螺杆泵，使用永磁电机直驱螺杆泵成套系统安装示意图如图1.3。图1.3低速潜油永磁电机驱动的螺杆泵采油系统Fig.1.3Oilextractionsystemofpermanentmagnetmotorforsubscribescrewpump总的来说，选择低速潜油永磁同步电机直接驱动螺杆泵有如下优势：1）三相永磁同步电机在质量方面较同功率的三相异步电机轻，在运行可靠性和效率方面也好于后者。2）我国是世界上稀土资源最多的国家[12]。3）低速潜油永磁同步电机直驱螺杆泵可以提高油田举升系统的可靠性。4）省去了减速器及减速器保护器，减小了其机械损耗，综合下来永磁直驱螺杆泵系统要比普通螺杆泵系统要节电17%左右[2,13]。5）省去减速器还可以降低成本，提高系统可靠性。6）永磁电机功率因数较感应电机要高，采用永磁电机相较于感应电机降低了对电力系统的谐波污染[14]。1.2国内外研究现状1.2.1潜油电机国外研究现状俄罗斯和美国对潜油异步电机及同步电机的研究起步较早，技术相对成熟。潜油电机由A.S.艾路托诺夫首先开发成功，1926年美国工程师首次开发出通过潜油电机驱动螺杆泵的成套系统，并成功将其应用在实际油田生产中[15]。之后，前苏联先后研制成功了电动潜油单螺杆泵，双螺杆和三螺杆螺杆泵采油系统。螺杆泵的特点是转速低，转矩大，其结构如图1.4所示。
沈阳工业大学硕士学位论文4a单螺杆泵b双螺杆泵c三螺杆泵图1.4螺杆泵示意图Fig.1.4Screwpump目前，随着稠油井占比不多增多，井下潜油电机驱动螺杆泵采油系统在全球各大油田使用的占比越来越多。潜油螺杆泵技术已成为与抽油机技术、潜油电泵技术、气举技术是目前油田中最常用到的几种采油技术，相比于其他另外三种技术，潜油螺杆泵技术在处理黏度与质量均远高于普通原油的稠油方面更具优势[16]。井下潜油电机驱动螺杆泵采油系统由于挂泵深度加大，导致供电距离长，针对这一问题，美国ODI公司设计的潜油电机通过电压等级来降低供电线路损耗，但由于转速较高需要减速器降速后驱动螺杆泵[17]。随着变频调速技术及相关传感器件的发展，可以通过时时检测井下供液量的多少控制电机的电流，进而控制电机转速及螺杆泵排量，从而使系统性能最优化[18]。美国Reda公司与贝克休斯公司分别研发了行星齿轮减速器达和双行星齿轮减速器[19]。随着20世纪80年代磁王钕铁硼的面世，研究人员将低速潜油电机的研发焦点逐渐转移到永磁电机上。俄罗斯是最先研发和制造三相永磁同步潜油电动机的国家之一，所生产的产品得到广泛应用[20]。RITEK-ITC公司在2001年首先制造出全球第一台低速潜油永磁同步电机，在转速一样时，该电机的功率密度能达到传统潜油电机的两倍。同年，该公司还开发了可直驱螺杆泵，转速低于500rpm的低速永磁同步潜油电机。2006年，俄罗斯Borets公司开发出10极低速潜油永磁同步电机，可用于对潜油螺杆泵的直驱。Novomet公司开发出低速低速潜油永磁同步电机，电机极数为14极[21]。虽然各公司都对低速潜油永磁同步电机进行了研究，但是根据目前各公司官网上的样本显示，推出成系列化的低速潜油永磁同步电机的企业相对较少，且大多数
【参考文献】：
期刊论文
[1]人工举升技术现状及发展趋势探讨[J]. 姜磊. 设备管理与维修. 2018(22)
[2]基于Ansys潜油电机转轴动力学仿真分析[J]. 裴学良. 微电机. 2018(07)
[3]潜油永磁直线电机单边磁拉力分析与计算[J]. 李德儒. 沈阳工业大学学报. 2017(01)
[4]我国石油现状与能源补贴的合理性[J]. 吴奇芳,林娴琪,解儒晨. 新经济. 2015(26)
[5]稀土永磁材料在永磁电机中的应用[J]. 郑大伟,朱明刚,郑立允,李卫. 微特电机. 2015(04)
[6]潜油电机驱动采油技术的发展[J]. 蔡淑兰. 化学工程与装备. 2014(10)
[7]石油开采技术的应用与创新[J]. 刘庚. 化工管理. 2014(18)
[8]潜油螺杆泵直驱单元组合超细长永磁电机研究[J]. 张炳义,刘忠奇,杨帅,冯桂宏. 石油机械. 2014(05)
[9]提高潜油电机质量及运行可靠性方法研究[J]. 滕达,宋懿勋,庞玉霞. 石油工业技术监督. 2013(10)
[10]螺杆泵采油技术研究[J]. 王春岩. 化工管理. 2013(08)
博士论文
[1]分数槽集中绕组永磁同步电机的若干问题研究[D]. 段世英.华中科技大学 2014
[2]永磁同步电机电磁振动分析[D]. 杨浩东.浙江大学 2011
[3]大型汽轮发电机组转子-支承系统动态优化设计研究[D]. 姚学诗.南京航空航天大学 2002
硕士论文
[1]极高温潜油感应电机电磁设计及温升研究[D]. 刘铁法.沈阳工业大学 2017
[2]低速潜油螺杆泵永磁同步电机设计与结构优化[D]. 王仲.沈阳工业大学 2017
[3]大型感应电机不平衡磁拉力计算及转子动力学特性分析[D]. 施道龙.哈尔滨理工大学 2016
[4]大型汽轮发电机转子偏心故障动态分析[D]. 毛可意.哈尔滨理工大学 2015
[5]永磁电机的设计与分析[D]. 王玮.南京理工大学 2014
[6]六极永磁潜油电机设计研究[D]. 潘雅缤.哈尔滨理工大学 2012
[7]潜油螺杆泵驱动电机设计与热分析[D]. 孔祥龙.哈尔滨工业大学 2011
[8]数控机床伺服系统永磁同步电动机噪声与振动特性研究[D]. 余丽梅.沈阳工业大学 2011
本文编号：3500263
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：57 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
感应电机潜油螺杆泵采油系统
第1章绪论3速器保护器，增加了机械损耗降低了系统的整体效率，另外减速器保护器还提高了系统的密封成本并且降低了系统的可靠性。而由于永磁电机可以通过电磁设计降低转速从而省去减速器，所以最新的研发方向是永磁电机直接驱动螺杆泵，使用永磁电机直驱螺杆泵成套系统安装示意图如图1.3。图1.3低速潜油永磁电机驱动的螺杆泵采油系统Fig.1.3Oilextractionsystemofpermanentmagnetmotorforsubscribescrewpump总的来说，选择低速潜油永磁同步电机直接驱动螺杆泵有如下优势：1）三相永磁同步电机在质量方面较同功率的三相异步电机轻，在运行可靠性和效率方面也好于后者。2）我国是世界上稀土资源最多的国家[12]。3）低速潜油永磁同步电机直驱螺杆泵可以提高油田举升系统的可靠性。4）省去了减速器及减速器保护器，减小了其机械损耗，综合下来永磁直驱螺杆泵系统要比普通螺杆泵系统要节电17%左右[2,13]。5）省去减速器还可以降低成本，提高系统可靠性。6）永磁电机功率因数较感应电机要高，采用永磁电机相较于感应电机降低了对电力系统的谐波污染[14]。1.2国内外研究现状1.2.1潜油电机国外研究现状俄罗斯和美国对潜油异步电机及同步电机的研究起步较早，技术相对成熟。潜油电机由A.S.艾路托诺夫首先开发成功，1926年美国工程师首次开发出通过潜油电机驱动螺杆泵的成套系统，并成功将其应用在实际油田生产中[15]。之后，前苏联先后研制成功了电动潜油单螺杆泵，双螺杆和三螺杆螺杆泵采油系统。螺杆泵的特点是转速低，转矩大，其结构如图1.4所示。
沈阳工业大学硕士学位论文4a单螺杆泵b双螺杆泵c三螺杆泵图1.4螺杆泵示意图Fig.1.4Screwpump目前，随着稠油井占比不多增多，井下潜油电机驱动螺杆泵采油系统在全球各大油田使用的占比越来越多。潜油螺杆泵技术已成为与抽油机技术、潜油电泵技术、气举技术是目前油田中最常用到的几种采油技术，相比于其他另外三种技术，潜油螺杆泵技术在处理黏度与质量均远高于普通原油的稠油方面更具优势[16]。井下潜油电机驱动螺杆泵采油系统由于挂泵深度加大，导致供电距离长，针对这一问题，美国ODI公司设计的潜油电机通过电压等级来降低供电线路损耗，但由于转速较高需要减速器降速后驱动螺杆泵[17]。随着变频调速技术及相关传感器件的发展，可以通过时时检测井下供液量的多少控制电机的电流，进而控制电机转速及螺杆泵排量，从而使系统性能最优化[18]。美国Reda公司与贝克休斯公司分别研发了行星齿轮减速器达和双行星齿轮减速器[19]。随着20世纪80年代磁王钕铁硼的面世，研究人员将低速潜油电机的研发焦点逐渐转移到永磁电机上。俄罗斯是最先研发和制造三相永磁同步潜油电动机的国家之一，所生产的产品得到广泛应用[20]。RITEK-ITC公司在2001年首先制造出全球第一台低速潜油永磁同步电机，在转速一样时，该电机的功率密度能达到传统潜油电机的两倍。同年，该公司还开发了可直驱螺杆泵，转速低于500rpm的低速永磁同步潜油电机。2006年，俄罗斯Borets公司开发出10极低速潜油永磁同步电机，可用于对潜油螺杆泵的直驱。Novomet公司开发出低速低速潜油永磁同步电机，电机极数为14极[21]。虽然各公司都对低速潜油永磁同步电机进行了研究，但是根据目前各公司官网上的样本显示，推出成系列化的低速潜油永磁同步电机的企业相对较少，且大多数
【参考文献】：
期刊论文
[1]人工举升技术现状及发展趋势探讨[J]. 姜磊. 设备管理与维修. 2018(22)
[2]基于Ansys潜油电机转轴动力学仿真分析[J]. 裴学良. 微电机. 2018(07)
[3]潜油永磁直线电机单边磁拉力分析与计算[J]. 李德儒. 沈阳工业大学学报. 2017(01)
[4]我国石油现状与能源补贴的合理性[J]. 吴奇芳,林娴琪,解儒晨. 新经济. 2015(26)
[5]稀土永磁材料在永磁电机中的应用[J]. 郑大伟,朱明刚,郑立允,李卫. 微特电机. 2015(04)
[6]潜油电机驱动采油技术的发展[J]. 蔡淑兰. 化学工程与装备. 2014(10)
[7]石油开采技术的应用与创新[J]. 刘庚. 化工管理. 2014(18)
[8]潜油螺杆泵直驱单元组合超细长永磁电机研究[J]. 张炳义,刘忠奇,杨帅,冯桂宏. 石油机械. 2014(05)
[9]提高潜油电机质量及运行可靠性方法研究[J]. 滕达,宋懿勋,庞玉霞. 石油工业技术监督. 2013(10)
[10]螺杆泵采油技术研究[J]. 王春岩. 化工管理. 2013(08)
博士论文
[1]分数槽集中绕组永磁同步电机的若干问题研究[D]. 段世英.华中科技大学 2014
[2]永磁同步电机电磁振动分析[D]. 杨浩东.浙江大学 2011
[3]大型汽轮发电机组转子-支承系统动态优化设计研究[D]. 姚学诗.南京航空航天大学 2002
硕士论文
[1]极高温潜油感应电机电磁设计及温升研究[D]. 刘铁法.沈阳工业大学 2017
[2]低速潜油螺杆泵永磁同步电机设计与结构优化[D]. 王仲.沈阳工业大学 2017
[3]大型感应电机不平衡磁拉力计算及转子动力学特性分析[D]. 施道龙.哈尔滨理工大学 2016
[4]大型汽轮发电机转子偏心故障动态分析[D]. 毛可意.哈尔滨理工大学 2015
[5]永磁电机的设计与分析[D]. 王玮.南京理工大学 2014
[6]六极永磁潜油电机设计研究[D]. 潘雅缤.哈尔滨理工大学 2012
[7]潜油螺杆泵驱动电机设计与热分析[D]. 孔祥龙.哈尔滨工业大学 2011
[8]数控机床伺服系统永磁同步电动机噪声与振动特性研究[D]. 余丽梅.沈阳工业大学 2011
本文编号：3500263
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