（电气工程专业论文）潜油电机机械损耗及隔磁段电磁参数计算分析.pdf

摘要 潜油电机机械损耗及隔磁段电磁参数计算分析 摘要 潜油电机作为潜油电泵机组的动力部分，是一种立式三相异步电动机，工 作于数千米井下的特殊环境中，定转子采用分段的细长结构，气隙中充满专用 润滑油。转子由同轴的若干个独立的笼型转子单元组成，每两个单元之间装有 扶正轴承；与扶正轴承相对应的定子铁心处装有隔磁段。显然，普通三相感应 电动机的通用设计方法不再完全适合潜油电机，但是目前国内外还没有一种完 善的充分考虑其特殊结构和工作环境的设计方法，多数仍是采用传统普通异步 电机设计方法，这在工程实践中很难满足实际准确度需求，误差很大。 本文根据国内外潜油电机设计的研究现状，分析了目前设计中所存在的问 题。针对设计中的关键技术问题，结合其结构特点运用电磁场理论、流体理论 等技术理论对潜油电机的设计方法进行了深入具体的研究，形成了具有高准确 度的设计方法。 首先研究了气隙中充满专用润滑油后对潜油电机机械损耗的影响，着重分 析了电机高速旋转时润滑油对转子形成的油摩损耗，采用流体力学的原理并结 合潜油电机稳态运行时止推轴承动块、静块及扶正轴承的摩擦损耗的经验公式 得到了潜油电机机械损耗的准确计算方法，通过对实例的计算、实验对比，证 明了该方法的有效性。 分析了潜油电机隔磁段处漏磁对电机性能参数的影响，定义了潜油电机特 有的隔磁段漏抗。建立了隔磁段三维有限元模型，通过求解其中的磁场储能来 获得该漏抗值，实验证明隔磁段漏抗对电机的性能参数有较大的影响，在电机 的设计中必须考虑。 同时利用有限元模型，在保证计算结果正确的前提下，对定转子铁心磁导 率的非线性做了简化后计算了转子扶正轴承中的附加涡流损耗。分析了采用现 有钢外套扶正轴承的潜油电机其附加损耗对电机效率的影响，并研究了采用新 型具有大电阻率而又不导磁的合金材料制造扶正轴承外套时，可将该损耗显著 降低，对电机效率影响可忽略不计。 结合潜油电机直径很小长度很大难以采用传统斜槽，文中通过将转子槽中 心线与键中心线设计成某一定特定角度，转子铁心叠压时分别采用冲片的正反 面，形成不同的转子铁心，安装在扶正轴承的两侧，在整个电机中起到了等效 哈尔滨理工大学工学博士学位论文 斜槽的作用。 研制了两台模拟实验样机，样机设计时考虑了既能够反映所要研究的问题 又要结构简单易于制造。两台实验样机采用相同的电磁设计方案，不同的结构 设计。样机由两段组成，输出功率6k w ，电压2 9 0v ，总装完成后电机的长度 是1 6m 。样机中一台定转子之间装有隔磁段和扶正轴承；另一台样机没有扶正 轴承，转子分段处用卡簧固定。 样机制造完成后，首先应用前文所述方法对样机的扶正轴承附加涡流损耗 及其机械损耗进行了理论计算。购置了相关实验设备并分别对两台样机进行了 实验，分析两组实验数据，得到了扶正轴承附加涡流损耗和机械损耗的实验值。 最后对比相关参数的计算值与实验值表明，考虑本文所提出的参数后的计算结 果更加接近实验值，直接验证了研究内容的正确性。对样机的定子隔磁段漏抗 进行了间接验证，证明了文中所述理论计算方法具有很高的准确度。 在上述研究基础上，对潜油电机隔磁段漏抗做了应用研究，深入研究了隔 磁段漏抗随电机功率等级、隔磁段宽度、隔磁段数量以及扶正轴承与相邻两段 转子相对位置的变化，对现有各功率等级潜油电机在不同隔磁段宽度下的隔磁 段漏抗做了大量的计算，得到潜油电机漏抗曲线族，为今后潜油电机的设计提 供了可靠的依据。 论文的研究成果为潜油电机的设计提供了参考，并考虑到今后产品的批量 生产，提出了电机结构中的通用性、适应性和可靠性的设计。所提出的方法和 研究成果不仅具有理论意义，而且具有较高的实用价值。 关键词潜油电机；机械损耗；隔磁段漏抗；扶正轴承附加涡流损耗；模拟实 验样机 摘要 c a l c u l a t i o na n d a n a l y s i so fm e c h a n i c a ll o s sa n d e l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r i nm a g n e t i ci s o l a t e d s e g m e n t f o rs u b m e r s i b l em o t o r a b s t r a c t a st h ed r i v ep a r to fs u b m e r s i b l ep u m ps e t , s u b m e r s i b l em o t o ri sak i n do fv e r t i c a l t h r e e - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r ，w o r k i n gi nv e r ys p e c i a ls i t u a t i o n ，t h eb o s o mo fo i l w e l l 。t h o u s a n d so fm e t e r su n d e rg r o u n d ms t a t o ra n dr o t o ra r es l e n d e ra n d s e p a r a t e d ；t h eg a pi sf u l lo fs p e c i a ll u b eo i l 1 1 1 er o t o ri n c l u d e ss e v e r a lc a g e - t y p e r o t o ru n i t s ；t h e r ei sb e a t i n gb e t w e e ne v e r yt w ou n i t s ；c o r r e s p o n d i n gt ot h er o t o r b e a r i n g ，t h e r ea r em a g n e t i ci s o l a t e ds e g m e n t si nt h es t a t o rc o r e o b v i o u s l y , c o m m o n c a l c u l m i o nm e t h o df o rg e n e r a lt h r e e - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o ri sn o tc o m p l e t e l y s u i t a b l ef o rs u b m e r s i b l em o t o r , b u tt i l ln o wt h e r ei sn o tad e s i g nm e t h o di n s i d eo r o u t s i d eo fc h i n at h a tc a np e r f e c t l yc o n s i d e rt h es p e c i a ls t r u c t u r ea n dw o r k i n g s i t u a t i o n t r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o df o rg e n e r a la s y n c h r o n o u sm o t o ri su s e di nm o s t o c c a s i o n s ，t h ee r r o ri sb i ga n dt h ep r a c t i c a la c c u r a c yr e q u i r e m e n ti sh a r dt ob e s a t i s f i e di ne n g i n e e r i n g p r a c t i c e a c c o r d i n gt on o w a d a y si n t e r n a t i o n a ls t u d ys t a t u so fs u b m e r s i b l em o t o r ，t h e p r o b l e m se x i s ti np r e s e n td e s i g nm e t h o da r ea n a l y z e d f o rt h ep i v o t a lt e c h n o l o g y p r o b l e m si nd e s i g n , c o m b i n e dw i t hi t s s t r u c t u r ec h a r a c t e r ，e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d t h e o r y ，l i q u i dt h e o r ya n de t c a r ea p p l i e dt ot h o r o u g h l ya n dc o n c r e t e l ys t u d yt h e d e s i g nm e t h o do fs u b m e r s i b l em o t o r , a n dt h eh i g ha c c u r a c yd e s i g nm e t h o di s f o r m e d w h e nt h eg a pi s 觚lo fs p e c i a ll u b eo i l ，t h ei n f l u e n c et ot h em e c h a n i c a ll o s so ft h e s u b m e r s i b l em o t o ri ss t u d i e d ；t h eo i lf r i c t i o nl o s sf o r m e db yl u b eo i lw i mr o t o ra st h e m o t o rr e v o l v e sw i t hh i g hs p e e di sa n a l y z e de m p h a t i c a l l y ；h y d r o m e c h a n i c a lt h e o r y a n de m p i r i c a lf o r m u l af o rf r i c t i o nl o s so ft h r u s tb e a r i n gs h o e ，s t a t i cb l o c ka n dr o t o r b e a r i n gu n d e rw o r k i n gc o n d i t i o no ft h em o t o ra r ea d o p t e d ，t h ea c c u r a t ec a l c u l m i o n m e t h o do fm e c h a n i c a ll o s so fs u b m e r s i b l em o t o ri sa c q u i r e d ，a n dt h ee f f e c t i v e n e s so f - i i i 哈尔滨理下大学t 学博士学位论文 t h i sm e t h o dh a sb e e np r o v e db ye x p e r i m e n t sa n dc a l c u l a t i o n so f e x a m p l e t h el e a km a g n e ti n f l u e n c eo fm a g n e t i ci s o l a t e d s e g m e n tt ot h ep e r f o r m a n c e p a r a m e t e ro fs u b m e r s i b l em o t o ri sa n a l y z e d ，a n dt h ec o n c e p to fl e a k a g er e a c t a n c ei n m a g n e t i ci s o l a t e ds e g m e n ti sd e f i n e d t h e3 df e mm o d e lo fm a g n e t i ci s o l a t e d s e g m e n ti ss e tu p ，a n dt h el e a k a g er e a c t a n c ei sa c h i e v e db ys o l v i n gt h es t o r e de n e r g y o ft h em o d e l i ti sp r o v e db ye x p e r i m e n tt h a tt h ei n f l u e n c eo f l e a k a g er e a c t a n c ei n m a g n e t i ci s o l a t e ds e g m e n tt ot h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro ft h em o t o ri sc l e a ra n d m u s tb ec o n s i d e r e di nt h ed e s i g no ft h em o t o r m e a n w h i l e ，u n d e rt h ep r e m i s eo fg u a r a n t e e i n gt h ec a l c u l a t i o nr e s u l ti sr i g h t ，t h e n o n l i n e a r i t yo fm a g n e t i cc o n d u c t i v i t yo ft h es t a t o rc o r ea n dr o t o rc o r ei ss i m p l i f i e d a n dt h ea d d i t i v el o s si nr o t o r b e a r i n gi s c a l c u l a t e d b yf e mm o d e l f o rt h e s u b m e r s i b l em o t o rw i t hs t e e lo u t e rs p a c er o t o rb e a r i n g t h ei n f l u e n c eo fa d d i t i v el o s s t ot h ee f f i c i e n c yo fm o t o ri sa n a l y z e d i ti ss t u d i e dt h a t ，w h e nn e w t y p ea l l o ym a t e r i a l 、航t hb i gr e s i s t i v i t ya n dw i t h o u tm a g n e t i cp e r m e a b i l i t yi su s e dt op r o d u c et h eo u t e r s p a c er o t o rb e a r i n g t h el o s si sr e d u c e do b v i o u s l ya n dt h ei n f l u e n c et ot h em o t o r e f f i c i e n c yc a n b ei g n o r e d a st h ec h a r a c t e r i s t i co fs u b m e r s i b l em o t o rw i t l ls m a l ld i a m e t e ra n d b i gl e n g t ht h a t t r a d i t i o n a ls k e w e ds l o ti sh a r dt ob ea d o p t e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ea n g l eb e t w e e n t h el i n eo fr o t o rs l o tc e n t r ea n dt h el i n eo fk e yc e n t r ei sd e s i g n e dw i t hs o m es p e c i a l d e g r e e f r o n ta n db a c ko fi r o ns h e e ta r eu s e ds e p a r a t e l yw h e nm a k i n gt h er o t o ri r o n c o r e ，a n dd i f f e r e n tr o t o rc o r e sa r ef o r m e da n di n s t a l l e da tt h et w os i d e so ft h er o t o r b e a t i n g ，s ot h ef u n c t i o no fs k e w e ds l o ti sa t t a i n e df o rt h ew h o l em o t o r t w os e t so fs i m u l a t e de x p e r i m e n ts i m u l a t e dm o d e la r ed e v e l o p e d ，n o to n l yt h e s t u d i e dp r o b l e m sa r ec o n s i d e r e dw h e nd e s i g n i n gt h es a m p l em o t o r , b u ta l s ot h e s t r u c t u r es h a l lb ee a s yt ob em a n u f a c t u r e d f o rt h et w os e t so fm o d e l ，t h es a m e e l e c t r o - m a g n e t i cd e s i g ns c h e m eb u td i f f e r e n ts t r u c t u r ed e s i g n sa r eu s e d t h es a m p l e h a st w os e c t i o n s ，o u t p u tp o w e r6 k w ：v o l t a g e2 9 0 v , t h el e n g t ho ft h ew h o l e a s s e m b l e dm o t o ri s1 6 m f o ro n es a m p l e ，m a g n e t i ci s o l a t e ds e g m e n ta n dr o t o r b e a t i n ga r ei n s t a l l e da tt h es u b s e c t i o no ft h es t a t o ra n dr o t o r ；f o rt h eo t h e ro n e ，n o r o t o rb e a r i n gi si n s t a l l e da tt h es u b s e c t i o nb u te i r c l i pt of i x a f t e rt h es a m p l e sa r ec o m p l e t e d ，t h ea d d i t i v el o s si nr o t o rb e a r i n ga n dm e c h a n i c a l l o s sa r et h e o r e t i c a l l yc a l c u l a t e db yt h em e t h o ds t a t e da b o v e t h er e l a t e de x p e r i m e n t e q u i p m e n t sa r ep u r c h a s e da n dt h ee x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tf o rt h et w os a m p l e s ， i v 摘要 t w og r o u p so ft e s td a t aa r ea n a l y z e da n dt h ee x p e r i m e n t a lv a l u e so fa d d i t i v el o s si n r o t o rb e a r i n ga n dm e c h a n i c a ll o s sa r ea c q u i r e d a tl a s t ，c o m p a r i n gt h ec a l c u l a t i o n v a l u e 谢t l lt h ee x p e r i m e n t a lv a l u eo ft h er e l a t e dp a r a m e t e r s ，i ts h o w st h a t ，t h e c a l c u l a t i o nr e s u l tw h i c hc o n s i d e r st h ep a r a m e t e r sr a i s e di nt h i sd i s s e r t a t i o nc a nr e a c h t h ee x p e r i m e n t a lv a l u e sc l o s e r t h ec o r r e c t n e s so ft h es t u d yc o n t e n ti sp r o v e dd i r e c t l y t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o di st e s t i f i e dw i t hv e r yh i g l la c c u r a c yb yi n d i r e c t e x p e r i m e n to fl e a k a g er e a c t a n c ei nm a g n e t i ci s o l a t e ds e g m e n to fs a m p l e s b a s e do nt h er e s e r c ha b o v e ，t h eu n i v e r s a l i t yr e s e a r c ho fl e a k a g er e a c t a n c ei n m a g n e t i ci s o l a t e ds e g m e n to fs u b m e r s i b l em o t o ri s c a r r i e d o u t i ti ss t u d i e d p r o f o u n d l yt h a th o wt h el e a k a g er e a c t a n c ei nm a g n e t i ci s o l a t e ds e g m e n tc h a n g e s 谢t l lt h em o t o rp o w e rr a t e ，t h ew i d t ho fm a g n e t i ci s o l a t e ds e g m e n t ，t h eq u a n t i t yo f m a g n e t i ci s o l a t e ds e g m e n ta n dt h er e l a t i v ep o s i t i o no fr o t o rb e a r i n ga n dt h en e a rt w o s e c t i o no fr o t o r s f o re a c hp o w e rr a t eo fn o wa v a i l a b l es u b m e r s i b l em o t o r , l a r g e a m o u n to fc a l c u l a t i o n so fl e a k a g er e a c t a n c ei nm a g n e t i ci s o l a t e ds e g m e n tu n d e r d i f f e r e n tw i d t ho fm a g n e t i ci s o l a t e ds e g m e n th a v eb e e nd o n e ，a n dt h el e a k a g e r e a c t a n c ec u r v eg r o u po fs u b m e r s i b l em o t o ri sa c h i e v e d ，w h i c hw i l lp r o v i d er e l i a b l e f o u n d a t i o nf o rs u b m e r s i b l em o t o rd e s i g ni nf u t u r e r e s e a r c ha c h i e v e m e n to ft h i sd i s s e r t a t i o np r o v i d e dt h er e f e r e n c ef o rt h ed e s i g no f s u b m e r s i b l em o t o r c o n s i d e r i n gb a t c hp r o d u c t i o no ft h ep r o d u c ti nf u t u r e ，t h e u n i v e r s a lp r o p e r t y ，f l e x i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yd e s i g no ft h em o t o rs t r u c t u r ei sp r o v i d e d t h ep r o v i d e dm e t h o da n ds t u d ya c h i e v e m e n tn o to n l yh a v et h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e b u ta l s ov e r yh i g hp r a c t i c a lv a l u e s u b m e r s i b l em o t o r k e y w o r d ss u b m e r s i b l em o t o r ；m e c h a n i c a ll o s s ；l e a k a g er e a c t a n c ei nm a g n e t i c i s o l a t e ds e g m e n t ；a d d i t i v el o s si nr o t o rb e a r i n g ；s i m u l a t e de x p e r i m e n t m o d e l v 哈尔滨理工大学博士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文潜油电机机械损耗及隔磁段 电磁参数计算分析，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读博士学位期 间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：绷 嗍磁月，吉 哈尔滨理工大学博士学位论文使用授权书 潜油电机机械损耗及隔磁段电磁参数计算分析系本人在哈尔滨理工大学 攻读博士学位期间在导师指导下完成的博士学位论文。本论文的研究成果归哈 尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全 了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内 容。 本学位论文属于 作者签名： 导师 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密团。 镓棚 1 日期：2 柝7 月，日 日期：州年7 月砂日 第1 章绪论 第1 章，绪论 1 1 课题研究的目的和意义 我国各主要油田经过近半个世纪的开采已进入中后期，油田开发进入高含 水期。传统的游梁式抽油机耗费钢材多，难以适应丛式斜井、水平井，难以适 应油田开采中后期稠油层、低渗透油层、高渗透油层剩余油和固体相混合的井 况，在这种情况下，继续使用游梁式抽油机浪费能源降低油田经济效益。与之 相比，潜油电机驱动潜油电泵的无杆采油其优势就显现出来了：费材少、节能、 能适应各种复杂的井况、能达到高扬程大排量。这些优点大大促进了潜油电泵 的发展，它也越来越受到各国油田的青睐。目前使用潜油泵采油是已经成为油 气生产中高产稳产的重要手段，在采油中占有举足轻重的地位，各大油田都在 大力推广。特别在国外，潜油电泵的装机容量超过了生产现场的总装机容量的 2 0 2 】 潜油电机作为潜油电泵机组的动力部分，是保障整个机组正常运转的关键， 其性能直接影响整个电泵机组的质量和寿命，同时影响到原油产量及采油成本。 潜油电机是一种立式三相异步电动机，工作于井下数千米的特殊环境中，定转 子采用分段的细长结构。转子由同轴的若干个独立的笼型转子单元组成，每两 个单元之间装有扶正轴承；与扶正轴承相对应的定子铁心处装有隔磁段嘲，气隙 充满专用润滑油。显然，普通三相感应电动机的通用设计方法不再完全适合潜 油电机，设计中必须充分考虑隔磁段和扶正轴承所引起的漏抗和涡流损耗对电 机性能的影响。但是目前国内外还没有一种完善的充分考虑其定转子分段的特 殊结构和工作环境的设计方法，多数仍是采用传统普通异步电机设计方法，这 在工程实践中很难满足实际准确度需求，误差很大。 一目前我国仅有大庆油田力神泵业有限公司和胜利油田泵业有限公司两家公 司能够生产潜油电机，面且主要是仿制国外产品，没有自主知识产权，并且所 生产电机性能无法与国外同类产品相比。这很难适应我国加入w t o 之后的市 场竞争，是制约我国潜油电机甚至整个潜油电泵机组发展的瓶颈，迫切需要自 主研究形成高设计准确度、简单易行的潜油电机设计方法，开发具有自主知识 产权的潜油电机。 潜油电机的设计必须根据客观实际，通过对其建立三维有限元数学模型并 哈尔滨理工大学工学博士学位论文 求解三维电磁场分析定子隔磁段、转子扶正轴承对潜油电机性能的影响：求解 电机气隙的流体场分析润滑油对其机械损耗的影响，结合电机特殊的工作环境 与结构，对现有通用普通感应电机设计方法进行改进和修正，形成准确的设计 方法。该课题的研究将有助于提高我国目前的潜油电机的设计水平，增强我国 潜油电机产品的竞争力，改善潜油电机的性能，降低其制造成本等等，将会给 国内潜油电机行业带来非常可观的经济效益和社会效益，具有重要的理论意义 和工程实用价值。 1 2 潜油电机的结构特点 潜油电机作为潜油电泵的重要组成部分，是随着潜油电泵的广泛应用而逐 步发展起来的。潜油电机最早是由前苏联人as 艾路托诺夫提出并首先制造的， 开始时用于抽地层中的水和油以及矿井里的水。1 9 2 3 年as 艾路托诺夫将其介绍 到美国。1 9 2 6 年美国开始在坎隆斯的鲁塞尔油田应用潜油电机，从此潜油电机 开始在世界各地推广应用。我国从1 9 8 0 年后才开始使用潜油电机，主要是引进 美国雷达公司、森垂利夫特公司以及o d i 公司的产品“。 1 2 ，1 潜油电机基本结构 潜油电机就本质而言仍为三相异步电动机，只是结构与工作环境特殊。潜 油电机工作在油井下几千米深的地方，是潜油电泵的动力机，驱动潜油电泵抽 取地下的原油。特殊的工作环境决定了潜油电机具有特殊的结构构成。潜油电 机是一种立式工作的三相异步电动机。它采用定转子分段的细长结构，各定子 段之间轴向用非磁性材料连接，各转子段之间有扶正轴承，定转子之间充满专 用润滑油”1 ，其结构如图i - 1 所示。 图1 1 潜油电机结构示意图 f i 9 1 1s t r u c t u r es k e t c h m a p o f s u b m e r s i b l e m o t o r 12 11 定子 潜油电机的定子铁心主要由硅钢片和铜片组成。铜片按一定要求放置于两 第1 章绪论 节硅钢片段之间，称为隔磁段。细长的结构为下线方便，定子绕组采用单层同 心式；机壳采用有弹性的钢质合金的圆管精加工后成为一个细长的钢筒，用以 固定和支撑定子铁心和连接上、下接头。图1 2 为定子冲片图，图1 3 为定子结 构图。 图1 2 定子铁心冲片 f i g 1 - 2s t a t o ri r o ns 仃u c t l l r eo f s u b m e r s i b l em o t o r 12 3 厂一厂 专吣l | l i毋_ _ _ _ 圈 _ = 贮穸歪l _ _ _ 。 川 l譬曳挈h 疆锈锈缪爱麓彬8 绣彰筋o z o 麓耗麓秘挽g 韶 l 一机壳；2 铁心；3 一定子绕组 图1 3 潜油电机定子结构 f i g 1 - 3t h es t a t o rs t r u c t u r eo f s u b m e r s i b l em o t o r 1 2 1 2 转子 潜油电机转子分节，由多个的转子节、扶正轴承和转轴组成，如图l - 4 所 示。各小节转子采用鼠笼结构，转子冲片采用圆形闭口槽，转子绕组采用铜导 条，如图1 5 所示。扶正轴承由铜套( 内套) 和钢套( 外套) 两部分构成，用 以在定子内腔中支撑每节转子，使之不与定子内腔表面摩擦，保证定转子之间 气隙均匀，提高电机的运行可靠性，如图1 6 所示。转轴为空心，上按一定间 隔开有通至转轴中心空腔的轴孔，用来润滑扶正轴承的内外套并作为润滑油的 流道。 1 2 1 3 上、下接头 哈尔滨理工大学下学博十学位论文 潜油电机的上接头又叫电机头，用来安装止推轴承，限制转子的轴向运动 及引出电机定子绕组与电缆连接的引出线；下接头主要用来密封电机内腔及连 接星点或测试引出线。 l234567 891 0 一一广i 、一r rrr 一 、 、 、 l 一轴；2 一卡簧；3 一转子总成；4 一转子键；5 一转子轴承键； 6 一垫片；7 - 转子扶正轴承：8 一端环；卜绝缘垫片；l 卜两半环； 图l - 4 潜油电机转子结构 1 一s h a r ：2 - - c i r c l i p ：3 - r o t o rs a ：4 1 0 t o rk e y ：5 一m t o rb e a r i n gk e y ： 6 - - w a s h e r ：7 一r o t o rb e a r i n g ；8 - e n dc o l l a r ；9 - - - i n s u l a t i o nw a s h e r ； l 伊r o t o rc o l l a r ； f i g 1 4t h er o t o rs t r u c t u r eo fs u b m e r s i b l em o t o r 图i - 5 转子铁心冲片 f i g 1 - 5 r o t o ri r o ns t r u e t u r eo f s u b m e r s i b l em o t o r 1 2 1 4 止推轴承 潜油电机是一种立式悬垂电机，为了承受整个转子的重量，使电机转子在 固定位置上正常工作，在电机的上接头里装有一个滑动轴承，它除了承受转子 的重量外，还可以承受由于转轴的偏置而产生的径向拉力，这个轴承就是止推 轴承。它也是由两部分组成：静块和动块。固定在电机上接头里的部分是静块， 与转轴固定在一起且共同旋转的是动块，如图卜7 所示。止推轴承正常工作磨 损较少，但如果设计不合理、组装不正确、定转子铁心没对齐，将会受到单边 第l 章绪论 磁拉力，磨损往往很严重，甚至可能在极短时间内完全烧毁。 口， u 医物 搠锄 乏坳酽 眩物 a ) 铜内套b ) 钢外套 图l 石潜油电机转子扶正轴承结构 f i g 1 - 6t h er o t o rb e a r i n gs t r u c t u r eo fs u b m e r s i b l em o t o r 2 l 一静块；2 一动块 图卜7 潜油电机止推轴承结构 f i g 1 - 7t h eb e a r i n go fs u b m e r s i b l em o t o r 1 2 2 潜油电机的结构特点 潜油电机是潜油电泵专用的电动机，除了具有普通三相异步电动机的特点 外，又有自己的结构特点嘲。 1 2 2 1 细而长的结构 潜油电机要下到套管内径为1 2 7 3 4 0 m m 的油井内驱动潜油离心泵抽取原 油，因而其外径受到限制。众所周知，当电机的外径确定后，其功率的大小将 由长度来决定。因此为保证潜油电机具有一定的负载能力，使其有足够的输出 功率只能增加电机的长度。普通异步电动机定子铁心长径比一般为1 左右，而 潜油电机的定子铁心长径比为5 0 左右，甚至更高。最长的潜油电机可达1 0 m 哈尔滨理工大学。f ：学博十学位论文 以上。 1 2 2 2 定、转子分段 潜油电机细长的结构特点，必须加强转子的支撑，另外潜油电机多为2 极， 转速很高，为保证转子运转的可靠性并考虑到制造细长整体转子的困难，以及 电机气隙均匀、定转子不会摩擦，潜油电机转子采用多支点的径向支承，支承 点就是扶正轴承。整个转子由多段相同的小转子串联组成，每段转子就是一个 小电机，每两段之间放置扶正轴承。每段转子的长度取决于转轴的挠度。 潜油电机的定子铁心也具有分段的特点，由磁性材料硅钢片和非磁性的铜 片交替叠压而成，并压入细长的机壳内。根据转子段和扶正轴承的长度，每叠 压一段硅钢片后，叠压一段铜片，保证对应扶正轴承处的是无磁性区域。 1 2 2 3 特殊的油路循环系统 潜油电机长期工作于油井中，环境温度高，转子采用多点径向支承，径向 支承大多位于定、转子之间，轴承空隙很小，因此潜油电机各部分的散热和润 滑就显得十分重要和必要。必须加强各部件的冷却和润滑。所以潜油电机中设 计了一个特殊的油路，以对它进行冷却和润滑。 1 油路循环系统的组成 油路循环系统主要有循环动力源、油道、流体介质等组成。在最初的潜油 电机设计中，油路循环系统的循环动力源是由设置在上部或下部与转轴固定在 一起的特殊的打油叶轮提供的。随着潜油电机设计的更新换代，到上世纪8 0 年 代，其动力源是由上部改进后的止推轴承提供的，油路循环的油道是由转轴的 空心腔、径向轴孔及气隙连通而成的。其流体介质是特殊的潜油电机润滑油， 这种润滑油不仅要具有一定的粘度，还得具有较高的绝缘强度等级。 2 油路循环过程 潜油电机正常运行时，密封在电机内部的润滑油随着转子带动止推轴承的 动块( 或专门的打油叶轮) 高速旋转，将气隙中的电机润滑油强引通过转轴的 径向油孔压入转轴的空心腔内，再从其上端出口再流回到气隙中去。这样：气 隙_ 转轴的轴孑l _ 转轴的上端出口_ 气隙，形成了油路循环的闭合回路。循环 的不间断往复，不但润滑了电机内部的各种运动部件，同时又把电机内部的热 量通过电机的两端及定子铁心传给机壳散到油井的井液中去了，实现了润滑和 冷却的双重目的。 1 2 2 4 潜油电机的串联运行 由于电机的细长结构，要整体制造大功率的潜油电机，其长度是可想而知 的，不但给电机的有关部件( 如转轴、机壳) 的制造带来工艺上难以实现的困 第1 章绪论 一难，而且给安装、运输带来很多不便，所以大功率的潜油电机是由相同规格的 两台或是多台功率相同或不同的潜油电机串联来实现的。定子绕组之间的连接 多采用插入式连接方法，轴与轴之间则采用花键套连接，首尾的连接则采用法 兰连接。 1 2 2 5 潜油电机的保护器 在潜油电机的上部( 或电机头的上部) 装有一个特殊的保护器，用以严格 密封转动的部件防止井内液体侵入潜油电机内腔，同时起着平衡潜油电机内外 的压差，和平衡潜油电机由于起停引起的电机润滑油膨胀和冷却，承受离心泵 剩余轴向推力。 1 3 潜油电机国内外研究现状 1 3 1 国外潜油电机的研究现状 潜油电机作为潜油电泵的重要组成部分，是随着潜油电泵的广泛应用而逐 步发展起来的。潜油电机的国外研究现状从所查的外文资料看这方面的文章很 少，国外所发表的相关论文主要是潜油电机在潜油电泵中的应用以及整个潜油 电泵系统的建模仿真肛1 。仅有的几篇讨论潜油电机本体的文献，均是孟加拉工 程技术大学的m a c h o u d h u r y 发表的，主要侧重于潜油电机运行条件和起动参 数n 卜”1 。没有发现讨论潜油电机设计及优化、潜油电机定子隔磁段转子扶正轴承 对电机性能参数影响、潜油电机机械损耗计算等方面的文章。 1 3 2 国内潜油电机的研究现状 我国从1 9 8 4 年开始研制潜油电机，但从1 9 9 0 年后才开始推广使用。目前 仅有两家公司能够生产潜油电机，而且主要是仿制国外产品。 我国目前尚未有企业或科研院所系统深入的开展潜油电机的设计研究，以 往所发表的文献绝大多数仅是局限于潜油电机的原理及应用介绍、潜油电机的 测试控制等等，很少有潜油电机设计方面的文章。论述潜油电机设计的文章也 仍是采用传统异步电机的设计方法，只是通过局部调整定转子冲片尺寸、气隙 长度、绕组型式及匝数来实现性能上的一些改进n 埔1 。哈尔滨理工大学的电机 c a d 研究课题组针对潜油电机的特殊结构对其端部漏抗、涡流损耗、机械损耗 开展了较为深入的研究，并且得到了有益的结论n 蝴3 。 哈尔滨理t 大学t 学博十学1 1 i 7 ：论文 1 4 潜油电机设计中存在的问题 潜油电机目前国内外还没有一种完善的充分考虑其定转子分段的特殊结构 和工作环境的设计