油田抽油機(jī)用感應(yīng)電動機(jī)三維瞬態(tài)溫度場計算分析

謝穎 郭金鵬 單雪婷 蔡翔

摘要：針對傳統(tǒng)油田用電機(jī)容易造成大功率電機(jī)拖動低負(fù)載而造成的能源浪費(fèi)問題，通過對原有的Y2-200L2-6感應(yīng)電動機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了小機(jī)座號感應(yīng)電機(jī)輸出大啟動轉(zhuǎn)矩的目的。建立了改進(jìn)后電機(jī)的二維有限元模型，對其進(jìn)行電磁性能計算，進(jìn)而得到電機(jī)各部分損耗，即電機(jī)熱源分布情況。對電機(jī)溫度場做出合理的基本假設(shè)，并給出相應(yīng)的邊界條件，以電機(jī)熱源為載荷條件，對改進(jìn)后電機(jī)的三維瞬態(tài)溫度場利用有限元法進(jìn)行分析，得到電機(jī)三維溫度場的分布情況。然后，搭建樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)測試平臺，得出樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并與三維瞬態(tài)溫度場的仿真結(jié)果進(jìn)行對比，分析對比差異，以此驗(yàn)證計算方法的準(zhǔn)確性與改進(jìn)方案的可行性。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)電動機(jī);有限元;電磁場;瞬態(tài)溫度場

DOI：10.15938/j.emc.2019.10.007

中圖分類號：TM 343文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1007-449X（2019）10-0059-09

0引言

我國石油資源較為豐富，近幾年隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，石油已然成為促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)增長的重要能源之一。在石油開采過程中，電機(jī)啟動時需要很大的轉(zhuǎn)矩，為了使電機(jī)輸出較高啟動轉(zhuǎn)矩，通常選用大功率感應(yīng)電機(jī)配合游梁式抽油機(jī)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，但這是以犧牲電機(jī)的效率為代價，即所謂“大馬拉小車”的現(xiàn)象，同時也降低了能源利用率。針對這一問題，本文對型號為Y2-200L2-6的感應(yīng)電動機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的電機(jī)不僅可以滿足油田用感應(yīng)電機(jī)的高啟動轉(zhuǎn)矩的要求，而且低負(fù)荷運(yùn)行時具有較高的效率。

由于溫升對電機(jī)額定功率和運(yùn)行性能有著重要的影響，所以溫升問題的研究是探究感應(yīng)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中能否安全可靠運(yùn)行的必不可少條件。在溫度場計算中，多采用時域數(shù)值計算法來求解傳統(tǒng)的熱路法非線性方程組，但收斂性差及較大計算量是該方法目前存在的缺陷。針對溫度場的研究有很多方法，包括有限元法等。但是高速狀態(tài)下的電機(jī)正面臨著一大難題：如何準(zhǔn)確分析電機(jī)的溫度分布。文獻(xiàn)[5]針對永磁同步電機(jī)的溫升及損耗問題進(jìn)行研究，采用的是非傳統(tǒng)的場路耦合計算方法。利用集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)、有限元分析以及流體動力學(xué)等方法，Aldo Bogletti對電機(jī)溫度場進(jìn)行了研究。李俊卿教授利用流體力學(xué)和傳熱學(xué)的原理，提出采用混合坐標(biāo)系的方法來提高大型汽輪發(fā)電機(jī)溫度場計算精度。文獻(xiàn)[8]通過對電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸及繞組排列方式的設(shè)計，并且運(yùn)用有限元法計算了舵機(jī)用永磁同步電動機(jī)三維瞬態(tài)溫度場，該設(shè)計方案通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到驗(yàn)證。文獻(xiàn)[9]分別利用三維有限元模型和等效熱網(wǎng)絡(luò)溫度場模型，計算了輪轂電機(jī)在額定負(fù)載運(yùn)行工況下的溫度分布。電機(jī)負(fù)載類型及電機(jī)轉(zhuǎn)速對電機(jī)溫升影響較大，針對這個問題，文獻(xiàn)[10]采用有限元法分析計算了永磁-感應(yīng)子式混合勵磁電機(jī)三維瞬態(tài)溫度場，并研究其影響規(guī)律。

本文以改進(jìn)后的Y2-200L2-6感應(yīng)電動機(jī)為例，建立了電機(jī)三維溫度場計算有限元模型。電機(jī)機(jī)殼、定轉(zhuǎn)子等相關(guān)部件的表面散熱系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)根據(jù)相關(guān)邊界條件、基本假設(shè)和測量數(shù)據(jù)確定。通過電機(jī)二維電磁場計算分析改進(jìn)后電機(jī)的電磁性能，并得到電機(jī)相應(yīng)的損耗數(shù)據(jù)，根據(jù)電機(jī)的熱源分布，采用有限元法計算了電機(jī)的三維瞬態(tài)溫度場。將得到的仿真計算結(jié)果與樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以此驗(yàn)證改進(jìn)后的電機(jī)的可靠性和適用性。

1實(shí)驗(yàn)測試設(shè)備和樣機(jī)的基本參數(shù)

本文將Y2-200L2-6感應(yīng)電機(jī)的傳統(tǒng)60°相帶繞組改為星三角混合接繞組，并在合理范圍內(nèi)增加原有電機(jī)鐵心長度。通過增強(qiáng)電機(jī)磁場的強(qiáng)度和氣隙磁密的大小提高電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩，使小機(jī)座號能夠輸出較大的啟動轉(zhuǎn)矩，并且保證電機(jī)在低負(fù)載運(yùn)行時的較高效率，提高能源的利用率，樣機(jī)參數(shù)見表1。本文對改進(jìn)后的電機(jī)進(jìn)行了理論分析與實(shí)驗(yàn)研究，電機(jī)測試平臺如圖1所示。

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)過程中，以電渦流測功機(jī)作為負(fù)載，額定負(fù)載加載到22kW直接啟動到電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。熱敏電阻作為測溫元件被埋設(shè)在電機(jī)需要關(guān)注的關(guān)鍵測量位置，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)溫度的實(shí)時監(jiān)測，測量位置包括電機(jī)定子上層繞組，即圖2中的A、B兩點(diǎn)，區(qū)別在于A點(diǎn)所在的定子槽位于電機(jī)頂部，而B點(diǎn)所在的定子槽位于電機(jī)的接線盒側(cè)。溫度數(shù)值的讀取需要外部連接TM902C溫度顯示計。

實(shí)驗(yàn)過程中，也對電機(jī)機(jī)殼溫度進(jìn)行了測量，測試位置如圖3所示（C-G），考慮到電機(jī)的端部的影響，以及定轉(zhuǎn)子在機(jī)殼里面的安裝位置，機(jī)殼測試點(diǎn)非均勻選取，其中C和D，F(xiàn)和C的間距為80mm;由于機(jī)殼中間位置裝有定子、轉(zhuǎn)子等元件，位置點(diǎn)的選取比較緊湊，所以軸向間距測試點(diǎn)位置選取減小為50mm。實(shí)驗(yàn)同時測量了機(jī)殼表面溫度及機(jī)殼表面風(fēng)速，測量工具分別是Raynger$330測溫槍和KA41L風(fēng)速儀。

2感應(yīng)電機(jī)電磁計算

2.1定子電流

依據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立的電機(jī)二維電磁場計算模型，如圖4所示，電機(jī)在22kW額定負(fù)載工況下運(yùn)行時的磁密分布圖如圖5所示。

額定負(fù)載工況下，電機(jī)定子電流仿真及實(shí)測值如圖6和圖7所示，由圖可知，改進(jìn)后的電機(jī)在22kW額定負(fù)載運(yùn)行下，數(shù)值計算得到的定子電流幅值為70.2A，圖7通過實(shí)驗(yàn)測得的電流幅值為72.7A，通過實(shí)測值與仿真結(jié)果的比較，可知誤差滿足工程實(shí)際需要，也證實(shí)了本文所建立的改進(jìn)后電機(jī)的仿真模型的準(zhǔn)確與合理性。

2.2損耗計算

2.2.1轉(zhuǎn)子損耗

對于感應(yīng)電機(jī)來說，通常是電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度較高，這主要是因?yàn)槠渌幍奈恢貌焕幔錈嵩粗饕獊碓从谵D(zhuǎn)子的自身鋁耗以及電機(jī)的附加損耗，由于鼠籠式感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子損耗非常小，在仿真計算過程中一般可忽略不計。轉(zhuǎn)子熱量的傳遞大致可通過2種方式，一種方式是通過氣隙向定子傳遞，另外一種方式是通過端環(huán)以及轉(zhuǎn)子端面向電機(jī)兩側(cè)的空腔進(jìn)行散熱。

2.2.2鐵心損耗

在電機(jī)損耗計算過程中，定子損耗分割為定子齒損耗和定子軛損耗，本文根據(jù)以下公式計算出電機(jī)鐵心的總損耗值。