直线电磁抽油机的设计

直线电磁抽油机的设计

r-lid式挤出机的特点是结构简单、易于制造、维护方便、可靠性好等。但它们的不足之处是:①须借助减速器和四连杆机构等中间环节把电动机的旋转运动变为直线运动,因而驴头悬点运动的加速度较大,平衡效果差;②使用减速器和四连杆机构等较多的中间环节,造成系统效率很低;③在长冲程时体积变得庞大且笨重,使用材料多,造价高。由于有杆抽油设备受油井载荷特性和其自身特点的影响,使其系统的效率低下。目前,在我国的大部分油田,采油设备的能耗已占油田总能耗的1/3左右,出现了高能耗、低产出的现象,电费支出惊人。为改变这种现象,目前主要采用高转差(或超高转差)电动机、变频调速电动机、永磁同步电机、大起动力矩多速电动机等。此外,在采用绕线式异步电机、Y/Δ转换电动机、节能蓄能器等实现节能方面也做了大量的研究工作。目前油田用电动机的节能方法主要有两个:一是通过改变电源或进行结构设计上的改进来改变油田用电机的外机械特性,从而改变电机与抽油机的系统配合,提高系统效率,达到节能的目的;二是通过提高电动机的负荷率、功率因数提高电机本身的效率来实现节能。此外,通过对抽油机加装超越离合器、为游梁式抽油机配置弹簧等方法实现节能。这些努力都是在原有的游梁式抽油机的基础上实施的改良。因而,这些方法不能摆脱其固有的缺点。为此笔者结合直线电机技术和有杆采油技术,提出了以直接驱动为目的的直线电磁抽油机的构想。1变化幅度减弱直线电磁抽油机的总体结构如图1所示。整个系统由机架、横梁、平衡重物、滚轮、钢丝绳、大推力直线电机及其驱动控制系统等几部分组成。在该系统中仍然利用平衡重物的升降来改变位能在系统内部的分配以实现平衡,从而使直线电机在上、下冲程里的推力幅值的变化幅度减小,也就是通过选择适当的平衡重使抽油杆自重升降所消耗的能量减少到最小值,这样就提高了系统的稳定性和效率。为了使电磁抽油机具有更广泛的适应性和可控性,在整体结构的设计上采取模块化的方案。可以通过改变直线电机定子长度的方法来调整直线电磁抽油机的最大冲程;而冲次的调节可以通过对抽油机上、下冲程的运行速度的控制很方便地实现。这种方案也完全符合抽油机向长冲程、低冲次方向发展的趋势。此外,可以按有杆抽油系统载荷随上、下冲程位置不同而变化的规律,调节直线电机的推力指标,使之与载荷的变化情况相适应,从而使直线电机的出力与载荷达到尽可能好的匹配,这样可以大大提高系统的效率。另外,针对目前世界上大量使用的游梁式抽油机,也可以在原有的基础上进行改造,即采用直线电机进行驱动,而保留原来的旋转平衡方式和游梁、驴头等机构。2大相冲程线电阻器的开发2.1实验装置的设计直线电机也有很多种类型。在有杆抽油系统中,采用哪种形式的直线电机作为驱动源,目前还没有可以借鉴的例子。由于有杆抽油系统的载荷在一定范围内做周期性的变化,而且悬点和抽油杆柱的运动速度也是周期性变化,由各种类型电机的效率曲线的对比可知,直流电机的效率曲线在高效区相对平滑。也就是说,当输出转矩或推力在一定范围内变化时,直流电机的平均效率较高。所以在本模型设计中仍采用直流直线电机。模型样机采用稀土永磁材料钕、铁、硼作为永久磁极,与电磁式直流电机相比有很多优越性:①单位体积的出力较大;②稀土永磁体的退磁曲线呈线性,无须进行稳定处理,抗去磁能力强,适于在具有较强去磁的动态条件下工作(这也适合直线电磁抽油机频繁启动的特点);③无励磁绕组,结构简单,节省了用铜量,降低了能耗,提高了效率和可靠性。由于直线电机与旋转电机结构上的差异,即由于铁心及绕组在纵向和横向的断开,导致了直线电机存在边端效应。这些边端效应都是以增加附加损耗、减少直线电机的有效输出为结果的,有时严重影响了直线电机的性能和指标。为此,本样机中采用圆筒型的结构,以消除横向边端效应,同时也便于加工。在本实验装置中采用如图2所示结构的动线圈型直线电机。电机的整体结构采用模块化的设计方案,以便于在工作中调整系统的参数指标,同时降低了工艺难度。圆筒型的定子铁轭同时作为电机的外壳,由多段低碳钢管同轴压装到一起而成。定子内腔粘贴永磁体,永磁体的极性在轴向上相间分布。在圆周方向上由多块相同充磁方向的小块磁钢拼装成圆环型磁极,内圆周为N(或S)极。这样在定子内腔就形成了N—S极相间分布的环型磁极,并且在整个行程上的结构是一致的。设计的电机各项参数:外径为170mm,定子内径为126mm,动子行程为200mm,气隙磁密的平均值为0.85T,极距为35mm,每相线圈数为3,定子极数为12,槽数为27,每槽导体数为25,绕组电流为5A,每对极下齿槽数为9,绕组电阻为2.44Ω。2.2电机产生的推力和电流导体在磁场中受力可用下式进行计算:f=BIL(1)f=BΙL(1)式中B为导体所处位置的磁密,T;L为导体的有效长度,mm;I为导体中流过的电流,A。设电机在圆周方向各处的气隙磁密是相同的,动子外径为D,则每匝线圈所受的电磁力为fc=πDBgIc(2)fc=πDBgΙc(2)式中Bg为气隙磁密;Ic为线圈中的电流。每个线圈的受力为fw=πDWcBgIc(3)fw=πDWcBgΙc(3)式中Wc为每个线圈的匝数。一个线圈在轴向不同位置时,由于所处气隙磁密不同,所以受力也不同。设气隙磁密的平均值为Bav,则线圈在任何位置受力的平均值为fw=πDWcBavIc(4)fw=πDWcBavΙc(4)动子轴向分布多个线圈的总匝数为W,则动子受到的总电磁力为f=πDWBavIc(5)f=πDWBavΙc(5)电机绕组连接成一对支路。线圈电流是电机总电流的1/2。设电枢电流为I,则f=π2DWBavI(6)f=π2DWBavΙ(6)导体在磁场中运动产生的电势可表示为e=Bglv(7)e=Bglv(7)式中l为导体的有效长度,v为导体运动速度。同上述受力的分析相似,每匝线圈产生的电势为Ec=πDBgv(8)Ec=πDBgv(8)每个线圈各匝是串联的,产生的电势之和为Ew=πDWcBgv(9)Ew=πDWcBgv(9)线圈产生的平均电势为Ew=πDWcBavv(10)Ew=πDWcBavv(10)由于电机绕组连接成一对支路,每个支路串联的匝数为总匝数的1/2,所以产生的总电势为E=π2DWBavv(11)E=π2DWBavv(11)若定义C=πDWBav/2为这种电机的电机常数,则电机的总推力为F=CI(12)F=CΙ(12)电机反电势为E=Cv(13)E=Cv(13)设动子轴向有P对极,极距为τ,电机常数也可以表示为C=WP2PτπDτBav=PAϕ(14)C=WΡ2ΡτπDτBav=ΡAϕ(14)式中A为动子的轴向单位长度匝数,A=W/(2Pτ);ϕ为每极磁通量,ϕ=πDτBav。由上述分析可知,这种电机产生的推力和电势与气隙磁密、总匝数、动子外径、每极磁通量、轴向线负荷、极对数等均成正比关系。图3给出了两轮模型样机的电流?推力特性曲线。3悬点速度的数值仿真利用目前感应电机驱动的有杆抽油系统动态参数的计算机仿真方法,研究了直线电机直接驱动的有杆抽油系统的动态参数的变化规律及其工作状况。这个新系统由直线电机系统、主体框架机构、抽油杆柱、油管柱等7个子系统所组成。在建立这一新系统的仿真模型时,假设:①不考虑系统中地面传动装置各传动副间的间隙与传动件的弹性变形;②油管下端锚定,不考虑油管内液柱与油套环空液柱的振动;③抽油杆柱与油管柱同心;④油井是垂直的。在上述假设的条件下,以悬点为分界点分别建立各子系统或模块的力学与数学模型。直线电机是一个机电系统,因而它的运行方程可以由电系统的电压平衡方程式和机械系统的力平衡方程式来组成。电机的电势平衡方程式为u=RI+LdIdt+E(15)u=RΙ+LdΙdt+E(15)式中u为电机的端电压,L为绕组电感,R为电机绕组的电阻,I为绕组电流,E为反电势。直线电机的力平衡方程式为md2xdt2+Ddxdt+Kx=F±FJ±mg(16)md2xdt2+Ddxdt+Κx=F±FJ±mg(16)式中m为动子和平衡重物的质量,D为粘性阻尼系数;K为弹簧的刚度;F为直线电机输出推力;FJ为负载力(悬点载荷)。在本系统中,由于电机是垂直放置的,因而电机动子自重和平衡重物的作用一样要参与做功。考虑到直线电机的支撑采用直线轴承,根据模型的假设条件:D=0,K=0,由直线电机的运行方程组可以方便地推导出直线电机的状态方程,即用状态变量表示的一组一阶微分方程式为⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪dIdt=1L(u−RI−E)dxdt=vdvdt=1m(F±mg∓FJ)(17){dΙdt=1L(u-RΙ-E)dxdt=vdvdt=1m(F±mg∓FJ)(17)由于调整冲次(就是调整直线电机运行速度)属于系统的外部活动,所以,悬点速度的变化规律为v=f(t)。在研究抽油杆柱的纵向振动时,采用传统的阻尼—弹簧—质量系统,只考虑单级杆柱的情况。各单元的仿真模型的综合构成了系统的仿真模型。本文选定一口典型油井,并据此设计了工程用直线电机的基本参数,采用MATLAB语言编写了仿真程序。悬点速度按梯形规律变化时的仿真结果如图4至图7所示。油井的基本参数:泵径为36mm,下泵深度为1600m,动液面深度为1400m,井液密度为0.95t/m3,油管直径为62mm,光杆冲程为3m,冲次为6次/min,抽油杆柱直径为22mm,抽油杆材料密度为7880kg/m3。工程用直线电机基本参数:外径为550mm;定子内径为400mm;动子行程为3000mm;平均气隙磁密度为0.75T;极距为76.5mm;动子有效长度为1080mm;每槽导体数27;槽数63;槽距17mm;线规:1×7mm,单线;电压为750V;电枢回路总电阻为1.245Ω;最大推力为25kN。由仿真结果可以看出(悬点速度按三角形和正弦规律变化情况未给出),悬点运动速度按梯形规律变化时,悬点载荷的最大值和载荷的变动范围最小,直线电机推力的最大值约为17kN,系统的运行平均效率比较高,但悬点载荷和电机推力的变化稍微剧烈。这种特性也有利于系统的起动过程。4直线电磁抽油机系统的应用(1)提出了以直线电机直接驱动的直线电磁抽油机的研究方案。突破了在游梁式抽油机上进行改良的模式的限制,将大功率直线电机技术同采油工艺技术有机结合起来,为解决有杆采油技术存在的问题,探索了一条新的途径。(2)设计了直线电磁抽油机系统的总体结构,研制了小比例模型样机。新系统具有结构简单、传动链短、冲程、冲次可以方便调节、占地面积小、适应性强等优点,尤其适用于海上采油平台、丛式井等环境。研制了抽油机用九相永磁无刷直流直线电机的小尺寸模型样机。实验研究表明,测试结果与理论分析、计算结果有很好的一致性,说明了理论分析和计算方法的