143G型高性能大功率潛油電機優化設計

張俊斌 金顥 秦世利 滕達 單彥魁 劉佳 孫雙

摘要：針對潛油電機優化設計問題，提出一種改進的基于基因鏈編碼方式的自適應遺傳算法，對外徑為143 mm系列的大功率潛油電機進行電磁優化設計。通過建立潛油電機的熱網絡模型，推導出傳導熱阻、對流熱阻、接觸熱阻3種等效熱阻的計算公式，得出潛油電機各部分溫升計算結果。根據優化后的電磁方案，并對潛油電機本體結構進一步優化，研制出高性能大功率的143G型潛油電機。經過樣機試驗，電機主要性能指標均達到設計要求，并且使電機單位長度輸出功率提高了20%。

關鍵詞：潛油電機； 優化設計；基因鏈編碼；遺傳算法；熱網絡模型

中圖分類號：TE933.302? ? 文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.03.004

Abstract：For the optimization design of the submersible motor， an improved adaptive genetic algorithm based on gene-chain coding was proposed to optimize the electromagnetic performance of the 143 mm series submersible motor. By establishing the thermal network model of the submersible motor， the calculation methods of three equivalent thermal resistances， namely conduction thermal resistance， convection thermal resistance， and contact thermal resistance were concluded. Based on the optimized electromagnetic scheme and further optimization of the structure， a new generation of high-performance and high-power 143G submersible motor was developed. During the prototype test， the main performance indicators of the motor reached the international advanced level， and the motor's output power per unit length greatly increased by 20%.

Key words：submersible motor; optimized design; gene-chain coding; genetic algorithm; thermal network model

潛油電機是潛油電泵機組的重要組成部分，通常是三相異步鼠籠式電動機，結構為細長型。單節電機最長可達10 m，可采用2～3節的串聯形式以輸出更大動力，靠井液流經電機外殼體循環散熱。GB/T 16750—2015《潛油電泵機組》確定了常用潛油電機的系列。按電機最大外徑區分，潛油電機主要有95、114、138、143、188等系列。其中，143系列在大功率潛油電機中占比應用最高，適用于177.8 mm（7英寸）及以上套管。國內的潛油電機產品在最大輸出功率和性能指標上跟國外先進電泵產品相比還有差距。國外同規格的先進潛油電機產品的最大功率一般大于國產電機20%。

電磁和本體結構的優化設計是潛油電機研究領域的前沿技術。目前，電磁優化的研究方向集中于運用遺傳算法、蟻群算法等，得出電磁方案最優解。結構優化集中于電機的通用性和可靠性設計。

本文以143系列得潛油電機電磁和結構優化設計為研究目的，提出一種改進的基于基因鏈編碼方式的自適應遺傳算法，開發全新高性能大功率潛油電機產品，增強其競爭力。

1 潛油電機電磁優化設計

1.1 潛油電機電磁計算特殊性

潛油電機電磁計算基本過程可參照普通異步電機，也是包括主尺寸確立、磁路計算、參數計算、運行性能計算、啟動性能計算等步驟，通過循環迭代計算得出可用的電磁方案，具體見文獻［1］。

潛油電機與常規三相異步電機相比，電磁計算有其特殊之處，由于電機定轉子鐵芯分節，因此端部漏抗計算公式需要修正。電機內部充滿潤滑油，有獨立的上下往復油路循環系統，因此需要對電機油摩損耗進行計算，還需考慮轉子槽集膚效應對電機啟動性能造成的影響。近年來，國內外對潛油電機的電磁計算方法的特殊性有了一定深入的研究。文獻［2］對潛油電機基本電磁計算過程進行了研究；

文獻［3-6］對潛油電機的機械損耗算法及隔磁段的漏抗算法、渦流損耗算法進行了理論研究。由于潛油電機的電磁計算過程異常復雜，且有特殊之處，常規的電磁計算過程不能充分考慮潛油電機電磁計算的特殊性，需要修正常規計算的結果。并且要進一步實現電磁參數智能優化設計，運用專家知識進行分析、判斷和處理。

遺傳算法GA（Genetic Algorithms）是一種近年來被認為具有廣泛先進性的自適應性隨機搜索方法，其根本思想是模擬自然界“優勝劣汰，適者生存”現象［7-8］。

傳統的遺傳算法采用一維染色體編碼法，當原始群體N規模較大時，可獲得分布于整個空間的個體，對全局尋優有利，缺點是使群體平均素質降低，尋優效率不高［9-10］。本文采用基于基因鏈編碼方式構成原始解群，可以很好地抑制奇點，提高群體整體素質，并具有優異的全局尋優功能，提高傳統編碼方式的尋優效率。

自適應遺傳算法是一種常規遺傳算法的改進算法，通過對選擇算子、交叉算子和變異算子進行修正，可以增加高適應度個體生存概率，加快搜索過程［11-12］。

本文提出一種改進的基于基因鏈編碼方式的自適應遺傳算法的潛油電機優化設計方法，進行電磁計算。充分考慮了潛油電機設計計算的特殊性，端部漏抗計算采用曲線插值法代替傳統的公式法。在進行轉子槽集膚效應計算時，將轉子槽銅條截面看作是多層矩形截面導體并聯，確定電抗減小系數與電阻增加系數，并且優化了機械損耗和雜散損耗等關鍵參數的計算方法。

1.2 基因鏈編碼自適應遺傳算法原理及實現

本文采用基因鏈編碼自適應遺傳算法進行潛油電機的電磁參數優化設計。

1）? ?步驟1。染色體編碼方式采用二進制基因鏈編碼。

遺傳算法問題的解向量采用二進制代碼的基因鏈形式。基因鏈字鏈位數：設第k個設計變量xk的離散精度為xda，編碼時相應二進制基因子鏈位數S為：

5）? ?步驟5。以國內電泵公司一款單節YQY143-210型電機為例，采用改進的自適應遺傳算法，編寫計算程序，對基礎電磁方案進行優化。據此設計143G型潛油電機，使電機單位長度輸出功率提高20%，單節最大功率252 kW。143系列潛油電機優化設計前后參數如表1。

6）? 步驟6。根據優化后方案計算143G型高性能電機主要性能指標參數，并與常規143系列電機電磁計算結果作對比，如表2。

由表2可知，143G型電機的效率、功率因數、最大轉矩倍數、堵轉轉矩倍數、堵轉電流倍數及單位長度輸出功率均優于國產常規143電機，且最大輸出功率、效率、功率因數等不低于國外先進電泵產品的指標。

2 熱網絡法分析潛油電機溫升

143G型電機設計的耐溫等級應為180 ℃。電磁計算完成后，用熱網絡法對143G型電機進行溫升計算。潛油電機熱量傳導的物理情況十分復雜，加上制造工藝的影響，導致電機的溫度計算困難，具體見文獻［13-14］。潛油電機中損耗產生的熱量通過等效熱阻進行傳遞，傳熱方式主要為發熱體內部傳導散熱，通過與流體發生對流散熱及與其他材料接觸散熱，即傳導熱阻，對流熱阻，接觸熱阻3種等效熱阻。

2.1 傳導熱阻計算

取潛油電機中的一段建立熱網絡模型，為得到更加精確的數據，將機殼、定子軛部、定子齒部、定子繞組、轉子繞組、轉子鐵心分別取結點。在潛油電機內部，油隙對電機散熱影響較大，徑向和軸向均取結點，各結點之間以三角形網絡方式傳熱。熱模型中的熱阻由于不同的傳熱方式，計算方法有所不同，主要包括傳導熱阻、對流熱阻、接觸熱阻3種等效熱阻。最后求解電機內熱源，并確立邊界條件后，針對每一結點的熱平衡方程，可通過求解矩陣網絡公式得到電機熱模型的每一結點溫度，從而求得電機整體的溫度分布。

傳導熱阻如圖2所示，1～4節點之間的熱阻為機殼傳導熱阻，5～6節點之間熱阻為定子軛部傳導熱阻，7～8節點之間的熱阻為定子繞組傳導熱阻，9～10節點之間熱阻為定子齒部的傳導熱阻，11～17節點之間熱阻為油隙的傳導熱阻，18～19節點之間的熱阻為轉子鐵心傳導熱阻，20～21節點之間的熱阻為轉子繞組的傳導熱阻，22～25節點之間熱阻為電機軸的傳導熱阻，26～27、28～29節點之間熱阻為隔磁段的傳導熱阻，30～31、32～33節點之間熱阻為扶正軸承的傳導熱阻。

設置井下工作邊界條件為：井溫150 ℃，電機外殼井液流速取GB/T 16750—2015 《潛油電泵機組》規定最低值0.3 m/s。根據熱網絡模型編寫潛油電機溫升計算程序。計算結果如圖3。

計算得到電機定子繞組平均溫度為175.11 ℃， 則電機定子繞組溫升=175.11-150=25.11 ℃，符合潛油電機溫升一般不超過30 ℃的經驗值，且電機定轉子、轉軸、氣隙等各部分平均溫度不超過180 ℃的電機最高耐溫等級，電機溫升合理。

3 潛油電機結構優化設計

3.1 潛油電機通用性設計

傳統143型電機的單節、上下節的軸不能通用，導致定轉子總成件不能通用。新型143G電機單節、上下節軸兩端均有連接花鍵，可作為單節、上下節軸，具有互換。重新計算軸殼、接頭等零部件的長度，使得定轉子總成件能夠通用，提高了舊件的利用率。總體結構如圖4。

3.2 潛油電機可靠性設計

143G型潛油電機采用自鎖式扶正軸承。扶正軸承兩側用彈簧片限位在電機定子內腔沖片的鍵槽里，優點是可以避免傳統的橡膠T環結構在高溫下膨脹不均勻，造成電機定轉子對中性不好的問題，可以減少機組振動，提高可靠性。電機轉子采用單節轉子限位結構，每節轉子尾部配1個限位卡環。該結構的優點是每節轉子的預留膨脹空間充分，避免了高溫下電機轉子軸向膨脹量逐級累加造成定轉子對位不準的問題，如圖5。

4 電機的生產與試驗

目前世界上對潛油電機電磁參數的智能優化設計研究大多處于理論探索階段［15］，工程樣機的制造應用成功案例并不多。本課題依托企業的工程技術條件，成功完成了樣機的生產與試驗。

143G型電機完成電磁和結構設計后，于2022-01制造完成了1節252 kW的樣機，并按GB/T 16750—2015《潛油電泵機組》的要求做了電機的室內型式試驗，如圖6。

型式試驗項目包括：超速試驗、溫升試驗、振動試驗，測定額定效率、功率因數、最大轉矩倍數、堵轉轉矩倍數、堵轉電流倍數、額定轉速等，具體試驗方法和標準要求見文獻［16］。樣機型式試驗結果如表3。

由表3可見，143G型電機的室內型式試驗結果完全滿足國標的要求，且與表2的電磁計算結果非常接近。

根據電機試驗結果繪制電機工作特性曲線，如圖7。

由圖7可知，電機的輸入功率、定子電流、電機效率、功率因數與電機輸出功率的函數關系曲線符合常規的三相異步潛油電機工作特性的變化規律。

5 結論

1） 基于基因鏈編碼方式的自適應遺傳算法，通過電磁優化設計和結構優化，研制了YQY143G型高性能大功率潛油電機。試驗結果驗證了設計的合理性和有效性，可以定型生產。

2） 相比國內傳統的143系列潛油電機產品，143G型電機的單位長度輸出功率提高20%，效率、功率因數、最大轉矩倍數、堵轉轉矩倍數、最大電流倍數等主要性能指標均有所提高，達到了優化設計的目標。

3） 本文的研究方法可以擴展到其它系列電機產品，對提高我國潛油電機整體設計水平，增強國際競爭力具有重要意義。

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