永磁潛油電機的發(fā)展現(xiàn)狀與應用分析

張東星

（貴州裝備制造職業(yè)學院，貴州 貴陽551400）

現(xiàn)階段，中國經濟正處于經濟飛速發(fā)展期，石油也成了急缺的資源，然而各大油田都已經或即將步入高含水的中后期，潛油電泵采油作為目前國內外各大油田的主要采油方式，是石油穩(wěn)產高產的重要保證。然而傳統(tǒng)采油系統(tǒng)所用的電機為異步潛油電機，大多都處于較低的功率因數(shù)下運行，尤其在異常工況時系統(tǒng)的運行效率更低，因此如何改善潛油電機的性能以提高運行效率，是潛油電機未來發(fā)展的一個重要方向。

由于永磁同步電機具有諸多的優(yōu)點，且已在交通、醫(yī)療等多個領域得到廣泛應用。因此，永磁潛油電機的研制就具有一定的科研應用價值。

本文就永磁潛油電機和傳統(tǒng)異步潛油電機的性能做對比分析，并通過分析國內外永磁潛油電機的研究現(xiàn)狀及應用中存在的問題，提出相應解決辦法，為永磁潛油電機的進一步研發(fā)與應用提供理論參考。

1 兩種潛油電機的對比分析

傳統(tǒng)的異步潛油電機為立式懸掛結構，其定子、轉子為等長度多級串聯(lián)式，并且定子與轉子間充滿著電機油，起潤滑、散熱、絕緣作用。而永磁潛油電機是在異步潛油電機的基本結構特點的基礎上盡量利用已有的配件，從而保證原有的加工工藝、原材料等基本不變，它們最大的差別就是轉子結構的變化，即永磁潛油電機轉子開二極永磁體鑲嵌槽，鑲嵌永磁磁條，壓裝工藝與成型工藝不變。

由于永磁同步電機與異步電機的原理不同，因而在運行性能上有所差別，主要表現(xiàn)在：調速范圍寬，且轉速不隨負載變化；系統(tǒng)過載能力強、穩(wěn)定性高；超前的功率因數(shù)，有利于供電電網的功率因數(shù)優(yōu)化；運行電流低，能耗低。某油田常用電泵機組在配套了兩種電機時的運行數(shù)據(jù)對比如表1所示，可以看出，永磁潛油電機具有明顯的節(jié)能效果，平均節(jié)能可達20%。

通過以上對比分析可知，由于永磁潛油電機擁有著優(yōu)良的性能特點，不但可以大幅度降低用電量，并且對高溫、稠油井尤其適用，因而值得在國內外采油系統(tǒng)中規(guī)模化推廣應用。

表1 兩種電機的節(jié)能效果對比

2 永磁潛油電機國內外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國外研究開發(fā)永磁潛油電機的歷史可以追溯到2000年，由RITEK JSC 公司設計研發(fā)的用于驅動潛油離心泵采油的調速范圍為1500～3600 r/min 的永磁潛油電機以及直驅螺桿泵的低速大扭矩永磁潛油電機。Borets 公司也研制了高速四極永磁潛油電機和低速十極永磁潛油電機，該電機的最大特點是轉子永磁體是內置徑向式的結構。Novomet公司設計了四極和十四極兩種結構的永磁潛油電機，其特點是針對電機運行中的振動問題，優(yōu)化并改進了電機的轉子結構和扶正軸承。

而國內對于永磁潛油電機的研究也取得了一定的成果，其中哈爾濱工業(yè)大學是最早開展相關研究工作的單位，鄭砥中團隊設計了一種內置式結構的永磁潛油電機，利用有限元分析了該電機的相關磁場數(shù)值，并計算了相關的電機參數(shù)，同時也針對電機的起動進行了仿真分析，然而并沒有相關樣機試驗與應用的研究報告。而后又設計并試制了一臺面貼式永磁潛油電機的樣機，并搭建了溫度測試實驗平臺，但是由于電機在測試中出現(xiàn)故障，因而沒能測得電機的穩(wěn)態(tài)溫度值等相關數(shù)據(jù)。

除此之外，國內的其他科研院校也進行了相關的研發(fā)設計，如沈陽工業(yè)大學研制了永磁體內置徑向式和永磁體內置切向式的兩種永磁潛油電機；中國石油大學的科研團隊也試制了一臺12 極36 槽整數(shù)槽繞組的樣機，相關試驗的運行結果表現(xiàn)良好；浙江大學的錢慶鑣教授團隊也進行了相關研究并發(fā)明了一些相關的實用專利。雖然該技術的相關研究已經有了很多成果，但是離大規(guī)模的推廣使用還有一定的距離，因為永磁潛油電機自身還有許多亟待解決的問題。

3 存在的問題及解決辦法

由于永磁同步電機本身較電勵磁同步電機及異步電機在原理上就有較多的難點，而且潛油電機的結構又不同于一般的電機，當應用于潛油電機采油系統(tǒng)中時則某些問題會更加突出。雖然國內外相關學者在永磁潛油電機的研發(fā)與應用方面取得了一定的成果，但針對相關問題的設計方法及實際應用運行狀況的報道少之又少，因此要真正實現(xiàn)潛油電機的永磁化，進而大面積取代異步潛油電機，應從以下兩個方面展開深入研究。

3.1 自起動問題

由于一般永磁同步電機均不能自啟動，需借助變頻電源以低頻啟動，這是開發(fā)設計永磁潛油電機的難點之一。而潛油電機通常情況下總是帶負載直接起動，因此需要在起動過程中有著足夠大的起動轉矩和牽入同步轉矩，而牽入同步轉矩的大小決定著能否把電機牽入同步運行，從而實現(xiàn)潛油電機永磁化的價值。因此通過對電機起動時的機械特性曲線分析可知，為了獲得好的起動性能，可以提高額定電壓或調整定子繞組結構，如減少每項匝數(shù)；選用矩形深槽以增強肌膚效應，減少漏抗；并對轉子的電阻及永磁體用量進行合理的設計。

3.2 永磁體的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性問題

由于潛油電泵機組工作在1000～3000 m 的深井中，并且處于高溫、高腐蝕性的惡劣環(huán)境中，其工作溫度一般都高于90 ℃，再加上電機的溫升問題，那么電機很容易發(fā)生退磁現(xiàn)象，甚至產生不可逆的退磁。另外電機中始終會有部分井液通過密封保護器泄漏進入，其腐蝕性物質也會嚴重影響磁性能，從而導致電機可能無法正常穩(wěn)定運行。因此有必要研究永磁潛油電機在油井下的發(fā)熱和散熱的機理問題，求解永磁潛油電機的電磁場模型，進行必要的數(shù)值模擬，并對井下運行系統(tǒng)進行仿真分析，以對電機性能作出更好的把握與預測，根據(jù)實際試驗數(shù)據(jù)及工作環(huán)境設計合理的電機參數(shù)及結構是解決問題的關鍵。

4 結語

本文從結構類型、性能特點、試驗應用等方面對永磁潛油電機和異步潛油電機做了對比分析，指出了永磁潛油電機的優(yōu)勢所在，尤其是在節(jié)能方面值得在油田系統(tǒng)中推廣應用；分析了國內外永磁潛油電機的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了潛油電機在實現(xiàn)永磁化的開發(fā)應用過程中所需要深入研究的問題，并給出了一些相應的解決措施，為永磁潛油電機的進一步研發(fā)及應用提供了一些理論參考。