抽油機(jī)用永磁磁力耦合器試驗(yàn)研究

何富君，仲于海，常忠偉，張子華

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.大慶石化公司水汽廠，黑龍江大慶163714）①

抽油機(jī)用永磁磁力耦合器試驗(yàn)研究

何富君1，仲于海1，常忠偉2，張子華1

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.大慶石化公司水汽廠，黑龍江大慶163714）①

針對(duì)抽油機(jī)用永磁磁力耦合器開(kāi)展了有限元仿真和試驗(yàn)分析，建立了三維有限元仿真模型，進(jìn)行了永磁磁力耦合器的傳動(dòng)性能仿真研究，獲得了傳遞轉(zhuǎn)矩與間隙、轉(zhuǎn)速差之間的關(guān)系；建立了永磁磁力耦合器試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)永磁磁力耦合器實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了有限元仿真的可行性，同時(shí)驗(yàn)證了永磁磁力耦合器在抽油機(jī)上使用的可行性。

抽油機(jī)；永磁耦合器；有限元；試驗(yàn)研究

抽油機(jī)是我國(guó)油田最主要的機(jī)械采油設(shè)備，目前抽油機(jī)井總數(shù)已超過(guò)20萬(wàn)臺(tái)，日耗電量0.5× 108k W·h［1］。但是，抽油機(jī)在工作過(guò)程中存在以下問(wèn)題：

1） 要求較高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。抽油機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，且又帶載啟動(dòng)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能要求很高，但穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后要求的輸出轉(zhuǎn)矩比較小。為了滿足大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的需要，需要配置較大功率的電動(dòng)機(jī)，不但提高了裝機(jī)成本而且功率因數(shù)低，效率也較低，導(dǎo)致能源的浪費(fèi)。

2） 抽油機(jī)載荷的波動(dòng)性。抽油機(jī)減速器輸出軸轉(zhuǎn)矩呈明顯的周期性變化，不但對(duì)機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生載荷沖擊，而且造成電動(dòng)機(jī)負(fù)載的波動(dòng)，影響電機(jī)壽命及節(jié)能效果。

從油田節(jié)能的角度出發(fā)，將永磁耦合器應(yīng)用到抽油機(jī)上，以期改善以上問(wèn)題。由于永磁耦合器利用磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)非接觸傳動(dòng)，不但減小載荷對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的沖擊，而且還具有延遲啟動(dòng)的特性。經(jīng)過(guò)大量的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)在抽油機(jī)上應(yīng)用此類(lèi)裝置。

1 技術(shù)分析

1.1 工作原理

永磁磁力耦合器利用感應(yīng)磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的傳遞功能，耦合器的驅(qū)動(dòng)端和負(fù)載端分別連接導(dǎo)體盤(pán)和磁體盤(pán)，在工作時(shí)兩盤(pán)之間必須存在轉(zhuǎn)速差。當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁體盤(pán)與導(dǎo)體盤(pán)之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體盤(pán)切割磁力線，在導(dǎo)體盤(pán)中產(chǎn)生電渦流。電渦流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)會(huì)與磁體盤(pán)的永磁場(chǎng)相互的作用，從而驅(qū)動(dòng)導(dǎo)體盤(pán)與磁體盤(pán)同向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)端到負(fù)載端的非接觸動(dòng)力傳遞［2-3］。本文設(shè)計(jì)的永磁磁力耦合器一端與電機(jī)輸出軸相連，另一端與小帶輪相連，通過(guò)永磁磁力耦合器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩從電機(jī)端到小帶輪之間的非接觸傳遞。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

抽油機(jī)用永磁磁力耦合器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由小帶輪、輸出軸、附鐵盤(pán)、銅盤(pán)、磁體盤(pán)、連接板、輸入軸連接端組成。小帶輪與輸出軸連接，輸出軸又與磁體盤(pán)相連，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出；附鐵盤(pán)與銅盤(pán)固連在一起，作為導(dǎo)體盤(pán)，2個(gè)導(dǎo)體盤(pán)通過(guò)連接板相連并與輸入軸相連，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的輸入。磁體盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖2所示，盤(pán)中嵌入磁鐵塊，相鄰2塊磁鐵的N、S極相反，共包含6對(duì)稀土磁鐵［4］，磁鐵盤(pán)與輸入軸相連接。

圖1 抽油機(jī)用永磁磁力耦合器結(jié)構(gòu)

圖2 磁體盤(pán)結(jié)構(gòu)

1.3 主要參數(shù)

針對(duì)抽油機(jī)設(shè)計(jì)了一款永磁磁力耦合器樣機(jī)，主要參數(shù)如表1所示。

表1 永磁磁力耦合器樣機(jī)主要參數(shù)

2 有限元仿真

利用ANSOFT有限元仿真軟件進(jìn)行有限元分析，建立的耦合器三維分析模型如圖3所示，模型中將與傳動(dòng)性能無(wú)關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)全部去掉。分別對(duì)銅盤(pán)、導(dǎo)體盤(pán)和附鐵盤(pán)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。

圖3 耦合器有限元模型

圖4 網(wǎng)格劃分

在模型的建立過(guò)程中需要注意以下問(wèn)題：

1） 運(yùn)動(dòng)部件需要設(shè)計(jì)專(zhuān)用的Band區(qū)域及運(yùn)動(dòng)區(qū)域，運(yùn)動(dòng)部件要被包含在其中，Band區(qū)域只能設(shè)置1個(gè)。

2） 設(shè)置求解區(qū)域及Region區(qū)域，求解區(qū)域設(shè)置要合理。如果過(guò)小，就會(huì)忽略穿過(guò)求解區(qū)域的磁感線，導(dǎo)致運(yùn)算結(jié)果變小。

導(dǎo)體盤(pán)中銅盤(pán)的相對(duì)磁導(dǎo)率為1，電導(dǎo)率為5.8 ×107S／m。附鐵盤(pán)材料為Q235A。磁鐵盤(pán)的鋁合金框架的相對(duì)磁導(dǎo)率為1，電導(dǎo)率為3.8×107S／m。磁鐵盤(pán)內(nèi)嵌入釹鐵硼稀土永磁塊，其參數(shù)為Br＝1.197 T，Hc＝914.9 k A／m。

耦合器的工作性能與氣隙大小、導(dǎo)體盤(pán)與磁體盤(pán)的轉(zhuǎn)速差大小等因素密切相關(guān)。為了充分了解耦合器的工作能力和特性，分別研究了不同氣隙、不同轉(zhuǎn)速差對(duì)傳動(dòng)的影響，計(jì)算結(jié)果如圖5～6所示。

圖5 輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速差的關(guān)系曲線

圖6 輸出轉(zhuǎn)矩隨間隙變化的關(guān)系曲線

由圖5可以看出：在相同間隙時(shí)，轉(zhuǎn)速差越大，傳遞的轉(zhuǎn)矩也越大，到轉(zhuǎn)速差為200 r／min時(shí)達(dá)到轉(zhuǎn)矩峰值；當(dāng)轉(zhuǎn)速差在100 r／min以?xún)?nèi)時(shí)，轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速差變化顯著，但是可以近似為線性變化。在對(duì)現(xiàn)有抽油機(jī)改造時(shí)，為了不產(chǎn)生過(guò)大的滑差，不使抽油機(jī)的沖次明顯下降，應(yīng)該在較低的轉(zhuǎn)速差之下工作，因而耦合器不能在大轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下工作。

由圖6可以看出：隨著磁鐵盤(pán)與導(dǎo)體盤(pán)之間間隙的增大，傳遞轉(zhuǎn)矩快速下降，而且在6 mm間隙以?xún)?nèi)，轉(zhuǎn)矩隨著間隙近似是按線性規(guī)律下降；在小間隙條件下，相同轉(zhuǎn)差變化量時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩差要更大一些。顯然，為了提高傳遞力矩的能力，應(yīng)該減小間隙，但是，間隙過(guò)小將影響散熱效果。對(duì)于抽油機(jī)，要從緩沖能力上考慮，產(chǎn)生較大速度差的緩沖效果較好，因而是間隙大的好一些。

3 試驗(yàn)分析

為了分析實(shí)際分析耦合器試驗(yàn)裝置的性能，并進(jìn)行有限元對(duì)比分析，對(duì)耦合器樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。利用電渦流測(cè)功機(jī)作為加載裝置，將變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，在耦合器的輸入端和輸出端分別連接轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩傳感器。試驗(yàn)時(shí)，調(diào)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，利用測(cè)功機(jī)加載，在不同的載荷狀態(tài)下測(cè)量耦合器的傳動(dòng)能力；利用耦合器輸入端和輸出端的傳感器可以測(cè)得轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信號(hào)，從而可以獲得耦合器的轉(zhuǎn)速差、傳動(dòng)功率和傳動(dòng)效率。

圖7 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比曲線

將永磁耦合器單側(cè)間隙設(shè)定為4 mm，電機(jī)同步轉(zhuǎn)速為1 500 r／min。調(diào)整測(cè)功機(jī)，從空載開(kāi)始，每次增加20 N·m載荷，在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)之后采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)。耦合器傳動(dòng)性能試驗(yàn)結(jié)果與有限元仿真結(jié)果對(duì)比如圖7所示。由圖7可以看出：有限元軟件分析結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果的變化趨勢(shì)相近，但是在數(shù)值上存在一定的差異，仿真分析結(jié)果大于試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果。主要是由于在有限元仿真時(shí)，沒(méi)有考慮到發(fā)熱、摩擦等方面的影響；在轉(zhuǎn)速差大于200 r／min時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有下降是由電機(jī)的特性決定的，電機(jī)具有承受一定過(guò)載的能力。

4 永磁磁力耦合器的可行性研究

4.1 傳遞效率

永磁磁力耦合器的傳遞效率是其重要的工作特性，通過(guò)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析可以得到永磁磁力耦合器的傳遞轉(zhuǎn)矩與效率之間的關(guān)系，如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)矩與效率關(guān)系曲線

由圖8可以看出：當(dāng)轉(zhuǎn)矩為100 N·m，對(duì)應(yīng)的功率約為16 k W，效率最高，可以達(dá)到97%以上；在80～140 N·m，對(duì)應(yīng)的功率為12.6～22.0 k W，效率都超過(guò)95%，所以該區(qū)間可以作為耦合器的工作區(qū)間；而100 N·m可以作為最佳工作點(diǎn)。

4.2 啟動(dòng)性能

研究永磁磁力耦合器的啟動(dòng)性能具有非常重要的意義，可以直接決定設(shè)備的裝機(jī)功率，從而影響到抽油機(jī)系統(tǒng)的成本及節(jié)能水平。通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展了耦合器在不同載荷下帶載啟動(dòng)的性能研究。載荷是由調(diào)節(jié)電渦流測(cè)功機(jī)的電流實(shí)現(xiàn)預(yù)加載。

當(dāng)永磁磁力耦合器帶載260 N·m，對(duì)應(yīng)負(fù)載功率為40.8 kW啟動(dòng)時(shí)，其啟動(dòng)曲線如圖9所示。

圖9 帶載260 N·m啟動(dòng)曲線

由圖9可見(jiàn)：?jiǎn)?dòng)過(guò)程為5 200 ms，當(dāng)永磁磁力耦合器兩端的轉(zhuǎn)矩從峰值回落到相同值時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)完成。

在帶載啟動(dòng)試驗(yàn)中，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的輸入轉(zhuǎn)矩可達(dá)到300 N·m，只要電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩超過(guò)負(fù)載工作轉(zhuǎn)矩就可以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)。永磁磁力耦合器具有良好的啟動(dòng)特性，如果載荷較大，可以通過(guò)延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間來(lái)完成啟動(dòng)。永磁磁力耦合器所能達(dá)到的峰值轉(zhuǎn)矩為300 N·m，對(duì)應(yīng)的功率為47 k W，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過(guò)300 N·m時(shí)，負(fù)載端將被抱死，電機(jī)端空轉(zhuǎn)。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于300 N·m時(shí)，永磁磁力耦合器就能夠啟動(dòng)負(fù)載。當(dāng)負(fù)載發(fā)生波動(dòng)時(shí)，同樣也具有緩沖的作用。

4.3 裝機(jī)功率

某油田在抽油機(jī)上使用電機(jī)的功率和1個(gè)沖程內(nèi)所需最大轉(zhuǎn)矩計(jì)算的實(shí)際功率的對(duì)比情況如表2所示。

表2 某油田使用電機(jī)情況

由表1可知：抽油機(jī)上使用電機(jī)的功率是實(shí)際所需最大功率的2倍左右，這是因?yàn)槌橛蜋C(jī)在啟動(dòng)時(shí)需要很大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而且在抽油機(jī)工作時(shí)會(huì)有載荷的波動(dòng)，為了滿足大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的需要，需要配置較大功率的電動(dòng)機(jī)。

根據(jù)上述關(guān)于傳遞效率和帶載啟動(dòng)的分析可知：當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于等于300 N·m，對(duì)應(yīng)的功率為47 k W時(shí)，永磁磁力耦合器可以帶動(dòng)負(fù)載，只是延長(zhǎng)了啟動(dòng)時(shí)間；油田上所用的抽油機(jī)1個(gè)沖程內(nèi)所需的最大功率約20 k W，所以可以選擇22 k W的電機(jī)，這樣就降低了裝機(jī)功率和成本。

5 結(jié)論

1） 永磁磁力耦合器的輸出轉(zhuǎn)矩隨著間隙和轉(zhuǎn)速差的不同而發(fā)生變化。當(dāng)間隙確定時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速差的增大而增大；當(dāng)增大到永磁磁力耦合器能輸出的最大轉(zhuǎn)矩時(shí)將趨于平穩(wěn)；當(dāng)轉(zhuǎn)速差一定時(shí)，永磁磁力耦合器的輸出轉(zhuǎn)矩隨著間隙的增大而減小。

2） 對(duì)于永磁磁力耦合器的特性，有限元仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果總的變化趨勢(shì)是一致的，有限元仿真結(jié)果略大于試驗(yàn)結(jié)果，是因?yàn)樵谟邢拊抡娣治鰰r(shí)沒(méi)有考慮到摩擦和發(fā)熱對(duì)整個(gè)裝置的影響。在以后對(duì)永磁磁力耦合器進(jìn)行研究應(yīng)用時(shí)，可以應(yīng)用有限元仿真軟件對(duì)要研究的永磁磁力耦合器的特性進(jìn)行預(yù)估。

3） 永磁磁力耦合器具有良好的延遲啟動(dòng)和緩沖負(fù)載波動(dòng)的特性，在油田應(yīng)用中，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能和降低系統(tǒng)成本。

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Research of Permanent Magnetic Coupler on Oil Pumping Machine

For oil pumping machine application of a permanent magnet eddy coupler，the finite element simulation and test analysis are carried out.Three-dimension finite element simulation model is set up，and the driving performance is simulated to obtain the relationship among driving torque，air gap and speed difference.An experiment platform is established to do research on the actual coupler prototype.The experiment shows that the finite element simulation has credibility， and verifies the feasibility of permanent magnetic coupler used in oil pumping machine.

oil pumping machine；permanent magnetic coupler；finite element；experimental research

TE933.1

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.015

1001-3482（2014）11-0061-05

2014-05-13

何富君（1970-），男，黑龍江鐵力人，教授，博士，主要從事油田機(jī)器人技術(shù)及油田機(jī)械裝備方面的研究。