（油气田开发工程专业论文）提高潜油电机性能的工艺研究与应用.pdf

r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no ft e c h n o l o g yt oi m p r o v e t h e e l e c t r i cs u b m e r s i b l em o t o r l iz h e ( o i la n dg a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yv i c e - p r o f e s s o rc h e nd e - c h u n a b s t r a c t e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p ( e s ni su s e da sam o r ei m p o r t a n to i l p r o d u c t i o ni nt h em e d i a t ea n du p p e rp e r i o do fz h o n g y u a no i lf i e l d e s p m o t o r s c a p a b i l i t yd i r e c t l yd e c i d e st h eg o o do rb a df u n c t i o no fe s pu n i t s a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c e sa n dr e s e a r c h e s e s pm o t o r su s e di nl l i g h t e m p e r a t u r ew e l l sa o f t e nb r o u g h to nm a n yt e c h n i c a lp r o b l e m ss u c h 勰 b e i n gb u r n to u t ，i t si n s u l a t i o nm a t e r i a l sb e i n ga g e d ，i t sr o t o rw e a r i n gs t a t o r , i t sa x l e t r e e sb e i n gd i s a b l e da n dl a r g ee l e c t r i cp o w e rc o n s u m p t i o nc o s t so f t h e c a b l e ，s oe s pm o t o r sc a nn o tw o r ke f f e c t i v e l y a i m i n ga ta b o v e m e n t i o n e d m a n yt e c h n i c a lp r o b l e m s ，t h ep a p e rh a sd o n er e s e a r c h e ss u c ha sd e s i g n i n g n e wp r o p e re s pm o t o r p a r a m e t e r si nv i r t u eo fe l e c t r o m a g n e t i ct h e o r y , o p t i m i z i n gt h ed i p p i n gi n s u l a t i o nl a c q u e ra n ds e l e c t i n gi n s u l a t i o nm a t e r i a lo f e s pm o t o r s , s t u d y i n gt h es p e c i a ll u b r i c a n ts t r u c t u r ea n dt h ef a v o r a b l e t o l e r a n c ed e s i g nt or o t o r sa n ds t a t o r s ，c a r r y i n go u tt h ea n a l y s i so ft h ec a b l e e l e c t r i cp o w e rc o n s u m p t i o nc o s t si ne s pu n i ta n dw r i t i n gt h ep i v o t a l w o r k i n gp r o c e d u r e so fe s pm o t o r s o nt h eb a s i so ft e s t i nd o o ra n d a p p l i c a t i o ni nt h el o c a t i o n s i tc a nr e s i s t18 0 a n dc o n t r i b u t et ot h er a i s eo f o i lf i e l de x p l o i t a t i o ne f f i c i e n c ya n de c o n o m i cb e n e f i t s k e yw o r d s ：e s pm o t o r , h i g ht e m p e r a t u r e ，c a p a b i l i t y , i m p r o v e m e n t , a p p l i c a t i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即； 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：兰业 导师签名： 城f - 月ie 1 硼【工月1 日 中国打油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 概述 中原油田作为开发中后期的断块低渗透油田，中深度以上的油层已 动用。要保持油阳稳产，持续开发，动用深层油藏势在必行。由于这些 层位埋藏深，温度高，目前现有的采油设备已不能满足要求，需要更高 扬程、更高耐温的采油设备。 潜油电泵采油是作为油阳中后期丌发的一种重要采油方式，它具有 扬程高、排量大、工作性能稳定等诸多优点，目i j 中原油田共有电泵井 3 0 0 余口，占全油田油井的1 0 左右，其产量占油田总产量的2 0 以上， 由此可见潜油电泵采油在中原油田的原油上产中发挥着举足轻重的作 用。而作为潜油电泵机组重要组成部件的潜油电机，其性能直接决定着 潜油电泵机组工作稳定的好坏。 根据中原油田的情况，深层油藏油井环境温度都在1 3 0 以上，加 上潜油电机自身近3 0 的温升，要求潜油电泵机组在下入深层油藏油井 以下时，能够达到1 8 0 的耐温等级。由于潜油电机在井下长期运行， 环境温度较高，因此电机各部件之间需要电机油末进行涧滑和冷却。在 电机润滑油循环过程中，电机油是从电机轴的中心孔进入，然后靠离心 作用从甩油孔中进入到各个轴承间隙，达到润滑及降低温升的作用【3 1 。 但是由于重力作用，电机油往往沉淀在潜油电机底部，潜油电机上部的 轴承在潜油电机运行过程中得不到有效涧滑及降温，因此轴承始终处在 超负荷超高温的条件下运行。如上部的止推轴承，甚至位于转子中间的 转子轴承及铜套，都经常出现损坏粘结或严重偏磨现象，最终导致潜油 电机烧坏，整套潜油电泵机组停止工作，造成很大的经济损失。据统计， 潜油电机自身故障原因8 0 都是由于潜油电机温升高而得不到有效润滑 中国行油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 降温引起的。由于潜油电机转子轴承及铜套出现损坏粘结或严重偏磨现 象，而导致定子扫膛现象严重，造成定子钢片、转子节在修理电机时无 法再次应用，报废率高。在以上潜油电机本身固有故障的基础上，还存 在着一个更无法回避的既定因素，即由高温引起的潜油电泵系统动力电 缆的电力消耗【5 】。因为动力电缆为潜油电机提供电力，在输电过程中有 功率损耗是不可避免的，随着深度的加深，温度的升高，电缆的功率损 耗直线上升，使原油采出成本中电力成本上升很快，有必要在研究潜油 电机的同时，开展研究电缆功率损耗的问题。 研究和生产实践表明，在原油生产过程中，使用普通的潜油电机易 出现潜油电机绝缘材料老化、潜油电机烧坏、潜油电机轴承失效及定子 扫膛等技术难题和故障，从而导致潜油电机无法正常而高效工作。同时 由于高温引起动力电缆功耗增加而导致潜油电泵机组的电力成本增加。 故有必要对潜油电机的基本电磁理论、结构、加工组装工艺及性能参数 进行分析，特别是对由于高温引起的动力电缆功耗进行分析，合理设计 其结构、电磁性能参数及加工工艺，以满足现有的深层高温油井丌采所 需要的潜油电泵机组，并降低动力电缆的电力功耗，这对降低油田开采 成本和提高油用万采经济效益具有重要的意义。 对于以上技术难题，亟待解决的问题是：如何设计潜油电机的电磁 参数? 如何对其定子硅钢片进行设计，降低铁耗，减少发热? 如何对定、 转子配合及轴承的设计完善，减少扫膛的几率? 如何设计其润滑降温结 构与工艺，从而有效降温和润滑，以减少轴承的疲劳失效? 对于这一系 列问题，过去基本上没有作过系统的研究，存在着较大的空白与发展空 间。 长期以束，以上的技术难题一直影响和制约着潜油电泵在中原油田 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 原油上产中的作用。随着中原油田以后的发展，在合理利用已有的多种 有效采油方式的基础上，加大原油上产的力度，无疑将借助潜油电泵这 种强有力的助上产的机械采油方式。故针对潜油电机的技术难题进行研 究具有重要的现实和指导意义。 1 2 主要研究目标 针对目前潜油电机在使用过程中存在的耐温等级较低、润滑降温效 果差及动力电缆电力消耗大的技术难题，进行潜油电机电磁性能参数理 论分析研究，设计其高电压低电流的电力参数：进行潜油电机的耐高温 部件性能研究；进行潜油电机的润滑降温结构与工艺研究设计；进行潜 油电泵系统动力电缆电力消耗分析；进行潜油电机关键工序设计研究等， 从而使潜油电机具有耐高温、润滑降温效果好、节能降耗及高效的性能， 以满足现有的实际生产需求。 1 3 主要研究内容 1 3 1 潜油电机电磁性能参数研究与设计 根据电机电磁设计理论、潜油电机的结构特点和使用要求，以及 g b t 1 6 7 5 0 1 3 潜油电泵机组中有关潜油电机性能参数的规定，从 潜油电机的性能、结构特点、工作原理和电机电磁设计理论入手，确定 电机的硅钢片、铜片的尺寸与转子尺寸配合合理，绕组的线径、匝数等 参数达到最佳设计方案，电机在满负荷运转时，达到效率、功率因数最 大。 根据电机电磁原理，在电机的几何尺寸确定的情况下，电磁负荷a 与气隙磁密b 。决定着电机的主要性能参数。设计电机时应从电机综合技 术经济指标出发来选取最合适的a 与b 。值，以便使制造和运行的总费用 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 最小，而且性能良好。 1 3 2 潜油电机耐高温部件研究与设计 为保证潜油电机在高温下长期可靠地运行，需对潜油电机的相关耐 高温部件进行研究，主要通过改善潜油电机的浸漆工艺和优选潜油电机 耐高温部件的材料两种方案来实施潜油电机的耐高温工艺研究，而且在 实际的潜油电机组装过程中综合以上两种方案，从而可以极大地提高潜 油电机的耐高温性能，以满足其工作的需要。 1 3 3 潜油电机润滑降温结构及工艺设计研究 为了解决电机温升高的技术难题，需要加强电机润滑冷却系统的作 用，改进各级轴承的工作状态，主要从以下设计思路来考虑：在电机转 动中，设置一个部件，使得在电机内部使处于电机底部的润滑油沿内腔 由下而上举升到电机上部，上下循环，一方面使各级轴承得到润滑，另 一方面起到降低电机工作温度的作用。通过该工艺技术的研究，可以大 大延长潜油电机的运转寿命。 1 3 4 潜油电泵系统动力电缆电力消耗分析研究 动力电缆为潜油电机提供电力，在输电过程中有功率损耗是不可避 免的，随着温度的升高，电缆的功率损耗直线上升，使原油开采成本中 电力成本上升很快，在保证电气参数符合要求的前提下。设计潜油电机 时应尽可能提高效率，效率的提高意味着电机的节能。 电流在电缆中产生的损耗为： p 电缆= 3 1 2 r ( 卜1 ) 式中 珞境一电缆功率损耗，k w ； ，一电缆电流，a ； r 一电缆电阻，q 。 潜油电机主要参数变化是：额定电压u 提高，额定电流i 降低，电 4 中国石油大学( 华东) 硕十论文第1 章前言 机运行电流下降，电缆电流也随之下降，故电缆损耗也随之下降。 1 3 5 潜油电机工序流程设计 针对潜油电机在实际制造过程中的有关要求与措施，主要进行了潜 油电机工序流程和关键工序设计，从而有利于指导耐高温潜油电机的实 际生产，为其质量的保证奠定了唪实的工艺基础。 1 3 6 现场应用与检验 开发研制的潜油电机通过试验并的试验，取得预期的试验效果后， 投入到现场应用，并根据现场反馈的信息不断加以改进与完善，从而使 其更加具备性能参数合理、结构工艺完善、现场应用效果良好的优点。 1 4 关键技术 ( 1 ) 潜油电机高电压低电流电磁性能参数设计研究： ( 2 ) 潜油电机耐高温部件试验与优选研究： ( 3 ) 潜油电机润滑降温结构与工艺研究； ( 4 ) 潜油电泵系统动力电缆耗损与潜油电机电磁参数关系的研究以 及潜油电泵系统节能降耗的研究； ( 5 ) 潜油电机关键工序流程设计与研究。 1 5 预期完成成果 完成研究的所有相关理论研究和试验研究及研究报告，实现潜油电 机自身工艺与结构优化的结合，达到其耐高温的工况需求；潜油电机室 内试验参数指标达到g b t 1 6 7 5 0 1 3 潜油电机的各项指标要求，具备现 场应用的条件；研究成果在现场应用后，效果良好，并不断完善总结， 具备现场扩大试验的条件，获得广泛推广应用的意义。 5 中国i 釉人学( 华尔) 硕十论文第2 章满油电机耐高温技术发展现状 第2 章潜油电机耐高温技术发展现状 2 1 国外发展现状 国外，由于其材料和加工工艺的先进程度大大高于国内，目前国外 在潜油电机的设计与研究上主要着重于分析潜油电泵系统的工况及改善 上，同时对其复杂井况( 如高温、电缆电力消耗等) 及时改进潜油电机 的绝缘材料、加工工艺等，以达到改善潜油电机适合不同工况条件下币 常和高效工作的目的。 b r o w n ，k e 对在井温较高( 1 4 9 ) 的条件下对潜油电机的绝缘 材料、电缆的联结部位及配备的保护器作了改进和设计，从而使其满足 上述工况条件下的工作【捌。 n o l e n ，k b a n dg i b b s ，s g 对潜油电机和动力电缆的匹配与 选择作了详细的阐述，即潜油电机额定功率可以有不同的电压额定值， 电压应根据电缆的规格和长度来选择，动力电缆的电压降耗损应小于潜 油电泵系统总能耗的1 0 ，在深层油井中，通常选择高电压，以降低动 力电缆的电压降耗损2 0 1 。 r i c h a r dk o n o i l 对潜油电机的性能工作参数受电压波动而造成其 故障作了阐述，为了提高动力指标以及根据无效功率的耗损情况来满足 电力系统的要求，为潜油电泵系统设计配备了局部横向补偿装置，从而 达到了改善其工况，降低其故障几率，减少其电力消耗，提高开采经济 效益的目的【2 】。 上述国外应用潜油电泵的实例和过程控制说明，其在潜油电机设计 和应用上取得了一定的经验和成果，但还未将潜油电机自身电磁参数设 计、结构与电力消耗紧密结合，达到有效匹配。 6 中国f i 油人学( 华东) 硕士论文第2 章满油电机耐高温技术发展现状 2 2 国内发展现状 潜油电机是驱动潜油电泵转动的原动力，潜油电机绝缘材料的绝缘 等级制约了潜油电机运行时的温升。据查，目前国内还没有耐温1 8 0 的潜油电泵机组，4 种生产厂家生产的潜油电泵机组的参数见表2 一l 。 表2 - 1 潜油电泵机组参数表 序号生产厂家适用井温( ) 1 中原油田电潜泵技术研究所 1 3 0 2重庆l2 0 3 肚利 l2 0 4 大庆 13 0 目i j i 国内对潜油电机的耐高温技术研制主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 1 9 9 4 年8 月，在机电新产品导报上报道一种用于井温1 2 0 的 h 级潜油电机，对其具体结构和性能参数指标未作详细的介绍”。 ( 2 ) 1 9 9 5 年，郑砥中对潜油电机的主要尺寸设计进行分析研究，同 时对其主要尺寸与性能、参数的关系做了分析，并提出新的主要尺寸设 计方法，具有实际的指导和借鉴意义，但其所设计的潜油电机并未涉及 到其相应的耐温及其它绝缘性能的研究与介绍等内容【i o 】。 ( 3 ) 2 0 0 2 年，中原油田电潜泵技术研究所杨立昌、张艳玲等人对潜 油电机的浸漆工艺进行合理改进，并对此做了分析试验和对比，获得潜 油电机在浸漆组装工艺方面的实际经验，有利于现场的实际应用。 ( 4 ) 2 0 0 1 年，周海等人对潜油电机在高温条件下绝缘材料老化的理 论作了分析与研究，并在此基础上优选潜油电机的绝缘材料，使其耐温 在1 2 0 1 5 0 c 之间【1 2 】。 ( 5 ) 2 0 0 4 年7 月，梅思杰等人对潜油电泵机组的基本结构、组成和 7 中国行油人学( 华东) 硕十论文第2 章满油电机耐高温技术发展现状 目前的发展方向作了系统详细的阐述，对高温情况下潜油电机的耐温难 题提出几点认识和指导意见，有助于今后进行此类研究【1 3 l 。 综合起来可以看到，国内在潜油电机耐高温设计研究上主要作了以 下几个方面的工作与研究：潜油电机主要结构尺寸的设计：潜油电机主 要结构尺寸与其电磁性能参数的关系；潜油电机绝缘材料的合理选择； 潜油电机浸漆工艺改进设计等。 所有这些研究结果显示，在较高温的井况条件下，进行潜油电机的 主要结构尺寸与电磁性能参数的关系研究以及绝缘材料和浸漆工艺的合 理选择可以有效地提高和改进潜油电机的工作性能，但其最优耐温等级 和性能未得以开发利用，存在着一定的缺陷与不足。而且随着油田开发 的进一步深入，油井温度会逐步提高，从而对潜油电机的使用会越来越 不利。 针对我国目前只对潜油电机自身的电磁参数、绝缘材料和浸漆工艺 进行研究，但未对潜油电机结构原理配套研究，因此开展潜油电机润滑 结构工艺的配套研究，使其在满足工况条件下更优工作，达到耐高温和 潜油电泵系统节能降耗的要求，从而提高油井丌采效率和经济效益。 8 中国石油大学( 华东) 硕十论文第3 章潜油电机设计研究的基本理论 第3 章潜油电机设计研究的基本理论 3 1 潜油电机系统组成 潜油电机主要是由定子系统、转子系统以及止推轴承组成，其主要 功能是将地面电源通过变压器、控制屏和潜油动力电缆输送的电能使电 机轴转动，从而带动多级电动潜油离心泵转动，将电能转化为机械能， 使电动潜油离心泵把井液举升到地面，从而实现采油的目的【2 1 。 3 1 1 定子系统 主要包括定子铁芯、定子绕组及电机壳体。它是用来产生旋转磁场的。 定子铁芯是由互相绝缘的硅钢片叠成的，定子铁芯分段叠成后压入电机壳 体，端部用卡簧固定。如果所需电机功率较大，电机定子一股是分节，然 后串接而成。定子绕组e 自- - - - 相电磁线按一定的绕组规律组成，经过浸漆工 艺处理后应具有耐油、水、温度、压力的综合性能，并且具有良好的绝缘 性能。其主要性能由定子系统的电磁性能参数、绝缘材料和浸漆工艺决定。 3 1 2 转子系统 主要由转子铁芯、转子绕组、短路环、扶正轴承和电机轴组成，转 子系统是产生感应电流而受力转动，并输出机械转矩的部分。转子和定 子一样分节，每节转子用键固定在电机轴上，每节转子上下端各有一个 扶正轴承。转子固定在电机轴以后，为防止转子串动，两端用卡簧固定。 电机轴是空心轴，以便电机油循环。 3 1 3 止推轴承 潜油电机是一个立式悬挂结构，为承受转子的重量，使潜油电机转 子在固定位置工作，潜油电机上部有一个止推轴承来承受潜油电机的轴 向力。为消除由于电机轴磨损而引起的径向力对止推轴承的影响，在各 个转子之l 日 加一个扶正轴承。止推轴承主要由动块和静块组成，动块由 9 中国石油人学( 华东) 硕十论文第3 章滞油电机设计研究的基本理论 钢件经表面淬火精磨而成，静块由特殊合会材料或特殊加工工艺制成【7 1 。 3 2 潜油电机工作原理分析 潜油电机属异步感应电动机。异步感应电动机转子槽内有导体，导 体两端用短路环连接起来，形成一个闭合的绕组。当给定子加上对称的 三相交流电压后，定子三相绕组中便有对称的三相电流通过，它们联合 产生一个定子旋转磁场，其磁力线切割转子导体而感应电势。在该电势 的作用下，转子导体内便有电流通过，电流的有功分量与电势同相位。 于是，出电磁定律可知，转子导体电流与旋转磁场相互作用使转子导体 受到电磁力。在该电磁力的作用下，电动机转子就转动起来，其转向与 旋转磁场的方向相同。这时，如果在转子轴上加上机械负载，电动机就 拖动负载旋转，输出机械功率，也就是说，电动机把电能转换成机械能。 潜油电机是两极、三相、鼠笼式异步感应电动机，其主要结构和工 作原理与常用的异步电动机相同，为适应油井条件，潜油电机具有外廓 尺寸细长、转子和定子分节、潜油电机严格密封及润滑油循环系统特殊 等特点【1 1 。潜油电机通过敷设在油管上的电缆将电能传递到潜油电机， 潜油电机将电能转换成机械能再传递到多级离心泵，通过多级离心泵叶 导轮的旋转将原油举升到地面。潜油电机工作原理如图3 一l 。 通电产生 二= ：二定子二相绕组 二二： 旋转磁场r 、 1 产生一) ，1感应电流 带动电泵转动，实现采油 图3 - 1 潜油电机工作原理 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章潜油电机设计研究的基本理论 3 3 潜油电机设计理论 潜油电机为两极三相鼠笼式异步电动机，其工作电压、电流、单节 额定功率及工作频率都在一定的范围之内，主要采用电磁理论与原理进 行设计，结构特点是长细比大。 3 3 1 磁负荷与气隙磁密的选择 根据电机电磁原理，在电机几何尺寸确定的基础上，电磁负荷a 和 b 与气隙磁密b 。决定着潜油电机的主要性能参数指标。气隙磁密b t 不 变时，电磁负荷a 和b 过低，则会降低材料的利用率，使铁耗增加；电 磁负荷a 和b 过高，则会使电磁绕组材料用量、电枢单位表面上的铜耗 及绕组温升增加，潜油电机的最大转矩、起动转矩和起动电流降低。故 电磁负荷a 和b 的选择不能太小也不能太大，必须在一定范围之内。当 电磁负荷a 和b 不变时，气隙磁密bs 过低，则会使电磁材料得不到充分 利用；气隙磁密b 。过高，则会使电枢基本铁耗增加，磁路的饱和程度和 气隙磁位降增加，从而导致励磁电流增加而使功率因数恶化。所以电磁 负荷a 和b 不变时，气隙磁密b 。选择适当能使电磁材料得到充分合理利 用，铁耗和磁路的饱和程度得到有效控制，从而获得比较理想的潜油电 机功率因数。在其它电磁参数变化的情况下，气隙磁密b 。应基本保持稳 定不变。 3 3 2 彳的确定 主要尺寸比五的计算公式 五= 0 r ( 3 一1 ) 式中五一尺寸比，常数； 0 铁芯有效长度，m ； f 一极距，m 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章潜油电机设计研究的基本理论 反映了潜油电机的几何形状尺寸关系。其与潜油电机的性能参数、 结构工艺及经济效益有着非常直接的关系。如果入较大，则：电机将细 长，其它结构部件的尺寸变小，整机的重量较轻，单位功率的材料消耗 少，成本降低。附加铁耗会适当降低，机械损耗减少，端部铜耗减少， 电机整机总损耗降低，效率增加【1 4 1 。转子的转动惯量与圆周速度减少， 有利于高速运转下的潜油电机正常高效工作。 3 3 3 主要尺寸与气隙的确定 ( 1 ) 主要尺寸的确定 由电机电磁理论，决定电机主要尺寸的基本关系式为 d ；0 = c p 疗 ( 3 2 ) 式中见一电机内径，m ； 0 铁芯有效长度，m ； c 。一电磁负荷系数，常数； p 一电机计算功率，k w ； 疗一电机转速，r r a i n 。 电机计算功率p = ( 1 一气) 晶e c o s 妒 ( 3 3 ) 式中p 。一电机计算功率，k w l 气一系数，常数； 凡一电机额定功率，k w ； ，7 一电机效率，常数； c o s 西一电机功率因数，常数。 c a 只在较小的范围内变化，因此对功率和转速一定的电机，其主要 尺寸d n 和l c f 基本上将由电磁负荷a 和b 。值的大小确定。依据制造和运 行经验积累的数据来选取电磁负荷a 和b 。，将a 控制在1 6 5 1 0 3 a m 、 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章潜油电机设计研究的基本理论 气隙磁密b 。在0 5 0 8 t 范围内。确定后a 和ba ，根据p 和转速n ， 确定电机的主要尺寸d i 和k ( 2 ) 气隙的选取 气隙6 尽可能选得小，以便降低电机空载电流，从而提高功率因数 c o s 巾。但气隙不能过小，否则除影响机械可靠性外，还会使谐波磁场及 谐波漏抗增大，导致起动转矩和最大转矩减小，谐波转矩和附加损耗增 加，进而造成较高温升和较大噪音。经过综合考虑和反复核算，确定气 隙为l m m 。 3 3 4 定子绕组与铁心的设计 ( 1 ) 定子槽数的选择 在极数、相数既定的情况下，电机定子的槽数决定于每极每相的槽 数q l ，q l 的大小对电机的参数、附加损耗、温升及绝缘材料的消耗量等 都有影响。当采用较大的q l 时，由于定子谐波磁场减小，使附加损耗降 低，谐波漏抗减小；每槽导体数减少，使槽漏抗减小，同时槽数增多， 槽高与槽宽的比值相应增大，使槽漏抗增大；槽中线圈边的总散热面积 增加，有利于散热；绝缘材料用量和加工工时增加，槽利用率降低。选 择槽数时应对各方面的因素综合考虑，将q l 确定为3 ，定子槽数为1 8 。 ( 2 ) 定子绕组形式、每相串联导体数、每槽导体数的计算 根据设计经验和生产实际情况，绕组型式确定为单层同心式。然后 由计算式计算出每相串联导体数n 。 _ = ，7 c o s 加- d i ，爿玛厶r ( 3 - 4 ) 式中 ，一每相串联导体数，导体数相； 玎一电机效率，常数； c o s 一电机功率因数，常数； 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章潜油电机设计研究的基本理论 d ，一电机内径，m ； 4 - - 电磁负荷，a m ； m ，一导体电流系数，常数； i x w 一导体电流，a 。 由计算式计算出每槽导体数卜s l 虬= 嘲口l m l ，z l ( 3 5 ) 式中 j ，一每槽导体数，导体数槽； m 。一导体电流系数，常数； “一导体电磁系数，常数； 虬。一每相串联导体数，导体数相； z | 一定子匝数，常数。 由计算式计算出每相串联匝数n l l = m 1 1 2 ( 3 6 ) 式中 r 一每相串联匝数，匝数相； 。一每相串联导体数，导体数相。 ( 3 ) 电流密度的选择及线规、并绕根数和并联支路数的确定 电流密度j l 的选择对电机的性能及成本影响极大，所以必须对 效率、制造成本、使用寿命、散热条件、绝缘等级、导线材料等方 面进行全面考虑。选用较大的j i 值，导体截面减小，可节省材料、 降低成本，但同时却导致了损耗和温升增大，效率、寿命和可靠性 降低。根据设计经验，在6 1 0 6 7 5 1 0 6a m 2 范围内选择j l 。 j l 选定后，由计算式估算导线截面积 4 l = a i m l 以 ( 3 7 ) 式中 一。，一导线截面积，m 2 ； 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章潜油电机设计研究的基本理论 一定子电流，a ； 巩一导体电磁系数，常数； ，。一并绕根数，常数； 一电流密度，a m 2 。 ( 4 ) 定子冲片的设计 定子槽必须有足够大的截面积，使每槽所有导体能不太困难地嵌进 去。槽满率表示槽内导体的填充程度，在潜油电机中，其值不应大于7 0 。 由于半闭口梨形槽可以减少铁心表面损耗和齿内脉振损耗，并使有效气 隙长度减小，功率因数得到改善，而且梨形槽的槽面积利用率较高，冲 模寿命较长，槽绝缘的弯曲程度较小，不易损伤，所以把定予槽形设计 为半闭口梨形槽，其结构如图3 _ 2 所示。 图3 - 2 定予槽形 确定槽形尺寸时除考虑槽满率s f 值外，齿部和轭部的磁密要适 当，齿部有足够的机械强度、轭部有足够的刚度。然后根据槽形尺 寸关系确定定子槽形其它尺寸。 3 3 5 转予绕组与铁心的设计 ( 1 ) 转子槽数的选择 根据电机定转子槽数的配合关系以及对电机性能的影响，通过计算， 确定转子槽数为1 6 。 ( 2 ) 转子槽形尺寸的确定 由于转子硅钢片尺寸的限制，将转子槽形设计为圆形。 1 s 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章潜油电机设计研究的基本理论 考虑到转子电流1 2 和定子电流i l 的相位不同，并根据电流的折算， 转子电流1 2 的计算式为 1 2 - - 3 k i l l i z 2 ( 3 8 ) 式中 ，2 转子电流，a ； k 。一匝数系数，常数： l 。一定子每相串联电流，a ； t 一每相串联匝数，匝数相； z 2 一转子匝数，常数。 导条的截面积由下式求得 a j = 1 2 以 ( 3 9 ) 式中 a 。一导条的截面积，m 2 ； 厶一转子电流，a ； 厶一导条磁场电流密度，a m 2 。 3 3 6 工作性能的计算 ( 1 ) 功率因数c o s 妒= i i ，1 1 ( 3 - 1 0 ) 式中c o s 矽一电机功率因数，常数； ，i p 一定子有功功率电流，a ； j ：一定子绕组漏磁电流，a 。 ( 2 ) 效率叩= ，暑用，i 输入 ( 3 1 1 ) 式中卵一效率，常数； 斥用一电机的有用功率，k w p 输 一电机的输入功率，k w 。 3 3 7 电磁参数的调整和优化 电磁参数得出后，把运算结果和性能要求及电机生产制造完成后的 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章潜油电机设计研究的基本理论 试验数据相对照，对定转子硅钢片尺寸、线径、匝数、定转子长度等进 行调节。参数调节的原则是在保证电机总体性能的前提下减少材料用量， 最大限度地降低制造成本，并使其工艺性能达到最佳。根据电机设计原 理，在定转子磁密和电热负荷控制在允许范围内的条件下，适当减少绕 组匝数和定转子长度，以提高电机的起动转矩、最大转矩、功率因数和 效率，降低用铁量和用铜量【4 】。经过对各个参量的反复调节，优化设计， 最后计算出铁芯尺寸合理，起动转矩、最大转矩、功率因数和效率较高， 其它性能都符合标准规定的电磁参数。 设计出一种电机的电磁参数后，根据电机设计类比法计算出其它功 率电机的参数，即同一系列不同功率的电机，绕组匝数与线径的平方成 反比，定转予长度与绕组匝数成反比。由此可知，功率低的电机线径小、 匝数多、长度小，而功率大的电机线径大、匝数少、长度大。 根据电机基本电磁关系，电机的计算功率p 和电枢电势e 和电流i 的乘积成正比。在频率、转速和级数一定时，e 和电枢的串联匝数n 及 磁通由的乘积成正比，即 e 茁m ( 3 1 2 ) 式中e 一电枢电势，v ： 一电枢的串联匝数，常数； 西一磁通，w b 。 以妒= 删。代入上式，得 e 芘鲥r 式中e 一电枢电势，v ； n - - 电枢的串联匝数，常数； 丑一磁路中铁内的磁密，t ： 1 7 ( 3 - 1 3 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章潜油电机设计研究的基本理论 彳。一磁路中铁的截面积，m 2 。 由于电机尺寸已经确定，则磁路中铁的截面积a f 。不变，而b 岛， 则有eo c n ( 3 1 4 ) 式中e 一电枢电势，v ； 一电枢的串联匝数，常数。 同时e 与定子相电压u k 的关系式为 e = k e u ( 3 1 5 ) 式中e 一电枢电势，v ； 疋一满载电势系数，其值在0 8 5 0 9 5 范围内变化不大； 一定子相电压，v 。 因此定子相电压啦n ( 3 1 6 ) 式中k 一定子相电压，v ； 一电枢的串联匝数，常数。 该式说明当定子电压提高时，为了产生一定的感应电势，绕组匝数 必须相应增加。定子槽满率的计算式为 s = n a , t a , ( 3 1 7 ) 式中s ，一定子槽满率，常数； 一电枢的串联匝数，常数； 以一绕组导线截面积，m 2 ； z 一定子槽有效截面积，m 2 。 定子槽满率在设计中应控制在一定数值左右，太小则不利于材料的 充分利用，太高则会造成穿线困难，甚至穿不进去。而a d 1 即当 定子电压提高，绕组匝数增加时，绕组线径应相应减少 线负荷a 与电枢的串联匝数n 及定子相电流i 豹计算公式关系为 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章潜油电机设计研究的基本理论 a朋(3-18) 式中 彳一电磁负荷，a m s 一电枢的串联匝数，常数； ，一定子相电流，a 。 因电机尺寸不变，同时a 基本不变，于是，i u m , 即定子电压提 高后，定子电流随之降低，同时相应地应增加绕组匝数，减少绕组线径。 3 3 8 潜油电机实际电磁参数指标 通过对潜油电机基本理论、电磁参数及电磁参数调整与优化的理论 研究分析，在实际设计耐高温潜油电机电磁参数的过程中，采用逐项计 算的方法，先确定潜油电机的几何主要尺寸、电磁线线径及三相绕组结 构尺寸，然后对潜油电机的额定功率、额定电压、额定电流、效率、功 率因数、起动转矩倍数、最大转矩倍数及额定转数进行计算与设计，其 相应的电磁性能参数指标见表3 - i 。 表3 - i潜油电机电磁性能参数表 额定额定额定 效率功率 起动最大额定 功率 电压 电流转矩 转矩转速 ( k w ) ( v )( a ) ( )因数 倍数倍数( r m i n ) 3 01 1 0 02 57 6 5 o 8 4 2 8 5 2 4 8 2 8 5 2 4 51 6 0 02 57 9 20 8 5 12 7 22 2 92 8 5 l 5 01 7 0 02 57 9 8 o 8 6 2 2 6 2 0 8 2 8 4 4 5 52 0 0 02 58 1 3o 8 72 2 52 0 62 8 3 8 6 52 3 0 0 2 58 3 4 0 8 7 6 2 2 5 2 0 72 8 3 1 通过查阅g b t 1 6 7 5 0 1 3 潜油电泵机组中有关潜油电机性能参 数的规定，对潜油电机的重要参数如效率、功率因数、起动转矩、最大 转矩的设计值与标准值做出对比分析，其相应的情况见表3 2 。 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章潜油电机设计研究的基本理论 表3 - 2 设计值与标准值对比表 额定 效率( )功率因数起动车；矩倍数最大转矩倍数 功率标准 设计标准 设计标准设计标准 设计 ( k w ) 值值值 值值值值值 3 07 5 57 6 50 7 9 5 o 8 41 82 8 52 o2 4 8 4 57 77 9 2o 8 20 8 5 11 82 7 22 o2 2 9 5 07 7 57 9 80 8 2 50 8 61 82 2 6 2 o 2 0 8 5 57 88 1 3o 8 3o 8 71 _ 82 2 5 2 o 2 0 6 6 5 7 9 8 3 40 8 50 8 7 61 82 2 52 o2 0 7 由表3 - 1 和表3 2 可以看出，潜油电机的效率、功率因数、起动转 矩和最大转矩都高于标准值，从潜油电机功率消耗分析可知，其具有电 力消耗低、潜油电机系统占有无功功率少的优点。 3 。4 潜油电机耐温部件性能研究 为保证电机在高温下长期可靠地运行，需对潜油电机的相关耐高温 部件进行研究，主要通过改善潜油电机的浸漆工艺和优选潜油电机的耐 高温部件的材料两种方案来实施潜油电机的耐高温工艺。同时在实际的 潜油电机组装过程中综合以上两种方案，从而可以极大地提高潜油电机 的耐高温性能，以满足其工作需要。 在高温油井中应用潜油电机会造成其绝缘漆、电机油、绝缘块及“0 ” 环的急剧老化，从而导致潜油电机整体性能下降，甚至造成潜油电机烧 坏，潜油电泵机组不能正常或高效工作。 3 4 1 潜油电机浸漆工艺研究 在潜油电机的制造过程中，浸漆处理是潜油电机制造中很关键的工 序，目前该工序采用电加热短路烘干法，其相应的温度控制过高或过低 均会使浸漆效果变差，从而造成潜油电机耐温性能降低。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章潜油电机设计研究的基本理论 经过研究和试验，采用如下的浸漆工艺： 一次浸漆过程为：潜油电机定子预热，预热温度1 0 0 1 2 0 ，时 间为5 小时。预热后的定子上好浸漆工装，接通浸漆管线。开动真空泵 抽真空，真空度为0 2 m p a 。打开输漆开关进行输漆，待浸漆完全充满潜 油电机后，关闭出漆口阀门，关掉真空泵。浸漆时间为3 0 分钟4 0 分 钟，第一阶段烘烤温度为7 0 1 2 8 0 c ，时间为2 小时3 小时；第二阶 段烘烤温度为1 4 0 1 5 0 ，时间为5 小时。同时采用一次浸漆过程为 二次浸漆过程，二次浸漆相对于一次浸漆的优点在于进一步提高了电机 绝缘的耐潮性和化学稳定性，改善了电机绝缘的电气性能，增加了绕组 的导热能力，提高了电机绝缘的耐热性能，加强了绕组的机械强度，该 工艺可以大大提高浸漆工艺的质量，保证电机的性能。 鉴于h 级潜油电机的运转环境及潜油电机本身温升，经试验论证， 选用改性聚酰亚胺及其复合制品为绝缘漆，其耐热指数在1 8 0 ( 2 以上，。 经过上述浸漆工艺后，使潜油电机定子达到以下技术性能： ( 1 ) 冷态绝缘电阻应大于2 0 0 0 m q ； ( 2 ) 冷态直流电阻三相不平衡度应不大于2 ； ( 3 ) 耐压试验时施加( 2 u 靛e + 1 0 0 0 ) v 电压，1 分钟不击穿； ( 4 ) 用过规检查定子内腔，能顺利通过。 3 4 1 潜油电机耐高温部件的优选及室内试验 潜油电机耐温部件主要包括电机油、绝缘漆、绝缘块及“0 ”环， 在优选材料的基础上，对其进行了高温模拟性能试验，主要运用试验类 比的方法以确定这些部件在实际井下运行时的性能变化及绝缘老化情 况，其相应的性能试验及具体试验数值对比分析见第5 章室内试验测试 部分，从中可以看出优选的耐高温部件性能满足高温的工作需要。 2 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章潜油电机设计研究的基本理论 3 5 潜油电机润滑降温结构工艺研究 为保证潜油电机在高温工况下高效工作，须进一步对潜油电机的润 滑降温结构工艺作深入的研究与设计，在以上潜油电机自身电磁性能参 数和绝缘材料研究与试验的基础上进行综合配套研究，使其耐高温性能 更加优化，从而进一步满足在高温条件下持续高效工作。 3 5 1 理论分析研究 由于潜油电机在井下长期运行，环境温度较高，因此潜油电机各部 件之间需要电机油来进行润滑和冷却。在潜油电机润滑油循环过程中， 电机油是从电机轴的中心孔进入，然后靠离心作用从甩油孔中进入到各 个轴承间隙，达到润滑及降低温升的作用。但是由于重力作用，电机油 往往沉淀在电机底部，潜油电机上部的轴承在潜油电机运行过程中得不 到有效润滑及降温，因此轴承始终处在超负荷超高温的条件下运行。如 上部的止推轴承，甚至位于转子中间的转予轴承及铜套，都会出现损坏 粘结或严重偏磨现象，最终导致电机烧坏，整套潜油电泵机组停止工作。 同时由于转子与定子之间结构尺寸受潜油电机总体直径的限制，会存在 定子扫膛现象，造成转子和硅钢片的损坏而无法再次修理利用，导致比 较大的经济损失。据统计，潜油电机自身故障原因8 0 都是由于潜油电 机温升高而得不到有效润滑降温引起的。其主要现象影响因素分析如下： ( 1 ) 止推轴承磨损。现象；止推轴承动、静块磨损。原因分析： 潜油电机内部空间小，因此散热较大直径电机差，使得止推轴承在运转 时温升过高。潜油电机的止推轴承直径小，但其受力与大直径电机相 比而言，轴承相对受力增加，磨损加重。电机轴装配止推轴承处无轴 孔，轴承得不到充分冷却，使其工作状况恶劣，加重磨损。 ( 2 ) 扶正轴承铜套磨损。现象：铜套磨损变形。原因分析：在高速 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章潜油电机设计研究的基本理论 运转过程中，铜套可能得不到充分冷却润滑，导致磨损严重。 ( 3 ) 定子扫膛。现象：转子上会有多条刮痕。原因分析：铜套磨 损后，导致转子在定子腔内摆动，与定子内腔摩擦，造成扫膛现象。 壳体长且薄，在外力的作用下容易变形，造成转子扫膛。 ( 4 ) 密封问题。现象：在头部及底部轴承座与壳体连接处有漏失现 象。原因分析：壳体的倒角大，头部密封处无止口设计，导致“o ”环 密封效果不佳。 3 5 2 结构工艺设计 ( 1 ) 确定电机定子材料，降低铁耗 电机定予钢片材料的不同，铁耗也不同。选择其材料是很关键的， 材料选择不恰当会导致其定子发热过高，影响电机的正常运转。 根据设计手册对材料性能的界定，并考虑成本，选择d r y 0 5 0 ，为 热轧电机硅钢片，其硅的质量分数为1 一2 的低硅钢片，具有高的b s 和好的力学性能，铁耗为2 w k g ，可以达到材料的要求“7 l 。 ( 2 ) 电机轴结构设计 由于潜油电机外径小，内部空间有限，为防止运转过程中内部发热 过高，轴承磨损严重，因此在电机轴每个轴承的部位增加甩油孔，使得 每个轴承都加强了润滑冷却，从而可以避免轴承失效的现象，延长电机 的运转周期。增加轴孔处主要位于止推轴承动块装配处，以及头部、底 座等铜套装配处，特别是止推轴承部位，止