（电机与电器专业论文）永磁同步无齿轮曳引式抽油机的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ng e a r l e s sa n dt r a c t i v eo i lp u m p i n gu n i t w i t hp e r m a n e n t m a g n e t i cs y n c h r o n o u sm a c h i n e a b s t r a c t a tt h ep r e s e n tt i m e o i lp u m p i n gu n i tm e t h o di ss t i l lt h ep r i d eo fp l a c ea m o n gv a r i o u s m a n u a lr i s i n go f f - p u m p i n gm e t h o d s o fa l lo i lp u m p i n gu n i te q n i p m e n m ，a c t i v eg i r d e ro i l p u m p i n gu n i ti sw i d e l ya p p l i e d t h ei n d u c em o t o rw h i c ho i lp u m p i n gu n i tu s e s h o w e v e r , e x i s t sp r o b l e m ss u c ha sl o wl o a dm t e ，l o n gd r i v ec h a i n , b a dp l i a b i l i t y , g r e a tb u l ka n dw e i g h t i nt h el o n gs t r o k e 。l o ws y s t e me f f i c i e n c ya n d s oo n t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dan e wt y p eo f e n e r g y - s a v i n go i lp u m p i n gu n i t - p e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sg e a r l e s sd r a w i n go i l p u m p i n gu n i ta i m i n ga tt h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e t h er e s e a r c hw o r ko ft h i sp a p e ri s m a i n l yd e v e l o p e da r o u n dt h ek e yt e c h n i c a lp r o m e m so fp e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u s g e a r l e s sd r a w i n go i lp u m p i n gu n i td e s i g n s , t h em a i nw o r ki n c l u d e st h ef o l l o w i n gs e v e r a l p a r t s ： f i r s t l y , t h eg e n e r a lp r o j e c td e s i g no fp e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sg e a r l e s sd r a w i n g o i lim p i n gu n i t o i lp u m p i n gu n i ti sm a d eu po f s u p p o r t i n gf r a m e ，d r a w i n gm a c h i n e ，c h a i n w h e e l ，c o u n t e r p o i s ea n dm o v i n gf r a m ew o r k t h ep r i n c i p l eo fp e r m a n e n tm a g n e t i c s y n c h r o n o u sg e a r l e s sd r a w i n go i lp u m p i n gu n i ti st h a tt h ep l cc o n t r o l st h et r a n s d u c e r p o w e rs u p p l y , t h et r a n s d u c e rc o n t r o l ss i g n a le x p o r t i n gt ot h em o t o ro ft h ed r a w i n gm a c h i n e ， t h ep o w e ri st r a n s f e r r e df r o md r a w i n gw h e e l ，c h a i nw h e e lg r o u p ，s t e e lw i r er o p et oo i l p u m p i n gu n i t ，a n dt h eo i lp u m p i n gu n i tm o v e su p sa n dd o w n sa st h ep o s i t i v ea n dn e g a t i v e r o t a t i o no ft h ed r a w i n gm a c h i n e ，f i n i s h i n gt h eo i lp u m p i n gw o r k t h i sp a p e rg i v e st h e a s c e r t a i n i n gm e t h o do ft h eo u t p u t t o r q u ea n dp o w e ro fp e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h 枷。隅 d r a w i n gm a c h i n e s e c o n d l y ，a p p l y i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n a l y z e st h em a g n e t i cf i e l do f p e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c t l | d n o 晒m a c h i n ew h i c hu s e di no i lp u m p i n gj a c k b u i l d i n gu p m a g n e t i cs o l u t i o nm o d e l sa n du s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o dt oc o u n tt h ed i s t r i b u t i n go fu n l o a d m a g n e t i cf i e l d ，t h ed e n s i t yo fm a g n e ti na i rg a pa n du n l o a de l e c t r o m o t i v ef o r c e m e a n w h i l e ， u s i n gt h es a m ew a yt oc o u n tt h er e a lm a g n e t i cd i s t r i b u t i n gw h e nm o t o ri su n d e rl o a d t h e n , 永磁同步无齿轮曳引式抽油机的研究 c o m p u t e r i n gs t e a d y p a r a m e t e rt h a tb a s e so nt h ec o u n t d o i n gd r a ge x p e r i m e n tt ot h es a m p l e m a c h i n eb yd i r e c tc u r r e n td y n a m os e t s ，m e a s u r i n gu n l o a da n t i e l e c t r o m o t i v ef o r c ea n d a n a l y z i n gm e a s l l r er e s u l t s ，a l lr e s u l t sa r ea c c o r d i n g t od e s i g nr e q u i r e m e n t s f i n a l l y , a p p l y i n ga n s y ss o f t w a r et oa n a l y z em e c h a n i c a ls t r e s sf i e l do ft h er o t o ro f p e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sg e a f l e s sd r a w i n g - m a c h i n ea n dg i v eo u ts t t e s sa n a l y t i c f i g u r e t h i sp a p e rh a sc h a n g e dt h ed i a m e t e ro ft h er o t o rm a n yt i m e si no r d e rt og a i na o p t i m i z e dr o t o rd i m e n s i o no fo i lp u m p i n gj a c k t h eo p t i m i z e dd i m e n s i o ni s5 m ml e s st h a n t h ef o r m e ra n db e t hs t r e s sa n dd i s t o r t i o na f eu n d e rr e q u i r e m e n t g x , yw o r d s ：o i lp u m p i n gu n i t ，t r a c t i v em a c h i n e ，p e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u s m a c h i n e i v 独创性说明 本人郑重声明：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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：岛年伪 日期：2 ：! ：生 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，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。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 翩签名：阻魄犁r 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源 与世界石油资源量相比，我国具有石油资源量相对不足的缺点。我国石油资源最终 可采储量约为1 3 0 1 5 0 亿吨，仅占世界石油可采储量( 4 5 6 3 亿吨1 3 左右。到2 0 0 0 年 底，我国石油剩余可采储量为2 4 6 亿吨，仅占世界剩余可采储i ( 1 4 0 2 8 亿吨1 的1 8 。 按每平方公里国土的平均资源比较，我国石油可采资源量的丰度值约为世界平均值的 5 7 。剩余可采储量丰度值仅为世界平均值的3 7 。与世界石油资源量相比，我国具有 石油资源量相对不足的缺点。而我国石油缺口即使按比较慢的消费增长速度预测，到 2 0 1 0 _ _ 2 0 2 0 年我国石油供应缺口仍将依次为1 2 6 和2 0 5 亿吨【。因此全国各个油田务 必要增加油井的产量。我国的油田大部分为早期注水开发，油井的含水量逐年上升，要 提高原油产量，必须加大井液提升的能力。因而机采的节能成为亟待解决的问题之一。 常规有杆抽油一直是最为广泛应用的一种传统机械采油方式，也是迄今在采油工程 中一直占据主导地位的人工举升方式，据有关资料统计，目前全国有9 万多口井，其中 常规抽油机占8 0 以上，其耗电量占油田油气生产总耗电量的3 0 左右。其系统效率一 般不足3 0 ，有一些甚至在5 以下。按最新资料统计，国内有杆抽油的系统效率以大 庆油田为最高达3 0 ，胜利油田为2 4 ，也就是说整个系统工作过程中有7 0 以上的能 量做了无用功，造成了大量的浪费f 2 l 。以一口井为例，系统效率为2 0 ，油井抽油实际 用功率l o k w ，系统效率提高1 个百分点，i 天节约电约2 2 0k w h ，全年节电8 万k w h 。 目前我国的国民经济发展迅猛，能源供应紧张，例如在2 0 0 4 年电力供应缺口凸现，若 单口井的系统效率提高1 0 以上，不仅对降低原油成本和提高企业的经济效益有重要意 义，而且对缓解能源供应紧张状况上也具有重要的战略意义。 根据实验井测试数据一般常规抽油机的理论系统效率可达到5 0 6 5 ，但把油井 实测效率与理论效率相比，一般差一倍以上，有很大的节能增效潜力。因此，本课题提 出一种新型节能抽油机一永磁同步无齿轮曳引式抽油机。 在传统的抽油机看来，用电动机直接拖动这种低速的抽油机是不可能的，所以必须 在原动机与工作机之间设置一个既能减速又能增速的传动装置一减速器。抽油机减速器 永磁同步无齿轮曳引式抽油机的研究 是一个用来减速、增矩的齿轮传动装置，它是在原动机与工作机之间完成协调转速与匹 配力矩的一个传动机械。但是在机械传动过程中，齿轮传动不可避免地存在着机械磨损， 由于磨损使整个抽油机系统的效率大为降低，噪音加剧。为了减低机械磨损和传动产生 的磨擦热，润滑油的使用是必不可少，定期的更换润滑油不仅增加了日常维护费用，而 且油气、油污也会对环境造成直接污染。 当代国际先进的低速大扭矩驱动永磁同步电动机技术，已经开始淘汰机械减速机， 这样取消传统的减速机不仅可以提高机械装备的整体传动效率和功率密度，而且也是用 现代技术改造和提升传统机械装备水平的重要措旌之一。在低速大扭矩无齿轮传动系统 中，采用稀土永磁电动机取代传统的异步电动机是各国专家已经达成的共识1 3 】。其技术 关键是如何消除电机在低频时的转矩脉动问题。在控制方面，如何控制电机正反转，使 得抽油机能够长期可靠的工作。在机械方面，使得抽油机安装方便，更加有利于维护。 这种抽油机是一种新型的采油机械，它的组成结构包括机架，曳引机，滑轮，对重 和机头移动机构。其工作原理是采用c p u 技术控制电力电子电源供电，由低速大转矩 永磁同步电动机直接驱动曳引轮，动力通过曳引轮、滑轮组经钢带传递到抽油杆，使抽 油杆随着曳引机的正反转而上下往复运动，完成抽油做功。论文研究内容源自与油田合 作的抽油机技术研究项目，根据目前抽油机现状以及当今各种技术的发展，提出了新型 无齿轮曳引式的抽油机系统，研制了新的抽油机系统结构，提高了系统效率，使抽油机 的工作性能和节能指标都有了很大的提高。本课题与游梁式抽油机相比，使抽油机的传 动效率明显提高，驱动电动机的功率降低一半，系统的功率因数保持在o 9 5 以上，相同 吨位的抽油机占地面积为原来的三分之一，并且抽油机冲程次数可以随意无级调节，平 衡调节可以轻松进行，没有减速机，可以不用润滑油，给维护工作带来方便。 1 2 课题的目的和意义 抽油机是石油和天然气的主要开采机械。抽油机是有杆抽油系统的地面动力传动设 备，是构成“三抽”系统的主要组成部分。抽油机的产生和使用已经有了一百多年的历 史。发展到现在，抽油机的种类可谓繁多，主要有游梁式抽油机和无游梁式抽油机两大 类。目前普遍采用的抽油机主要为游梁式抽油机。游梁式抽油机具有结构简单，制造容 易，可靠性高、耐久性好、操作维护方便、适应现场工况、使用寿命长并且一次性投资 沈阳工业大学硕士学位论文 少等特点。游梁式抽油机利用电能转换为旋转运动，减速后再经四连杆机构转换为直线 往复运动，其传动系统能量损失高达2 8 ，加上旋转特性造成启动扭矩大，系统效率一 般不超过3 0 。这种抽油机是由三相异步电动机、皮带轮、减速机、摇臂、游梁等机构 组成。其工作原理是异步电动机通过皮带将动力传给减速机，减速机带动摇臂，迫使游 梁产生绕定点上下摆动运动，实现抽油杆的垂直往复运动。实践表明，游梁式抽油机存 在以下问题： 系统整体传动效率不足5 0 。由于游梁式抽油机的机械传动机构为异步电动机皮 带轮减速机摇臂游梁抽油杆，传动链不仅长而且相互之间的耦合效率低。皮带传动 的效率一般为0 9 左右，两级减速机的效率0 6 左右，摇臂与游梁间的传动效率一般在 0 8 左右。因此，游梁式抽油机的整体传动效率不足5 0 。 系统的功率因数平均在0 4 左右。由于游梁式抽油机的驱动采用通用系列的异步电 动机，为了满足抽油机起动力矩的需要，必须选取大1 2 个功率等级的电动机。游梁 式抽油机的负荷特点是要求的起动力矩大，但是运行时由于巨大的转动惯性，需要的功 率仅为电机额定功率的1 3 1 2 ，而异步电动机的效率和功率因数都与负载率直接相关， 所以电机的效率和功率因数都比较低。若不采取补偿措施，其功率因数仅能保持在0 4 左右，这对于油井分布地域广阔的抽油机供电系统来说，其供电线路的损耗将是非常巨 大的。 整机占地面积平均在5 0 平方米。由于游梁式抽油机机械传动结构的复杂性，决定 了其整体结构庞大，一般游梁式抽油机的平均占地面积为5 0 平方米。以辽河油田为例， 其油井绝大部分是占用耕地的，并且都是良田，占地庞大不仅给企业带来投资增加的负 担，而且对于我国人口众多的国情也是非常不利。 调整维护困难。游梁式抽油机的平衡调节是人工的重体力劳动，并且调节的程度完 全靠操作者的感觉决定。调节的不好，不仅会产生振动和噪音，而且对抽油机的使用寿 命会造成重大影响。又由于减速机等机械结构的存在，润滑油等日常维护工作量及环境 污染也十分严重。 存在上述缺点的主要原因是机械传动链的不合理所致。目前国际先进的低速大转矩 传动系统正在朝着取消机械减速机的无齿轮化方向发展，并且在电梯和数控机床等传动 永磁同步无齿轮曳引式抽油机的研究 领域得到了应用。我省是石油化工机械装备制造大省，也是这些装备的应用大省，具有 良好的生产基础和市场条件。我国加入w t o 后，石油价格已经与国际接轨，对于以电 费为主要生产成本的油田企业，能将抽油机的效率和功率因数平均提高4 0 以上，其经 济效益和社会效益都是十分重大的。从我国采油工艺技术发展要求、经济效益分析及市 场预测结果可知，新型无齿轮抽油机具有较好的适应性、先进性和经济性，是一种较好 的有发展前途的采油设备。故对本课题进行深入研究非常必要。这种永磁同步无齿轮曳 引式抽油机的优点： 节能效果好，平均节电5 0 。一是用低速大转矩稀土永磁同步电动机取代异步电动 机，改变了抽油机的运动机理，具有游梁抽油机无可比拟的动力特性：二是取消了复杂 的动力传递和转换环节，也没有减速箱、曲柄连杆、平衡块、游梁、驴头等，使整机机 械效率提高；三是采用闭环控制，可根据并况自动改变频率、电压等，功率因数9 0 以 上，方便采集抽汲参数及电参数，实现智能远程控制；四是启动电流低。降低装机容量， 有效解决了常规抽油机“大马拉小车”的问题，也降低了区块电网的设计容量。 地面抽汲参数调整方便。先进的控制系统和无触点传感技术使得油井抽汲参数做到 在线无级调整，极大地减轻操作、维修人员的劳动强度为油井的自动化管理创造了条件。 可降低电网冲击负荷。由于低速大转矩稀土永磁同步电动机启动转矩大，并且只有 异步电动机6 0 的功率，大大降低对供电电网的需求容量，为减少基本建设投资创造了 良好的条件。 防过载能力强，能适应在各种工况条件下，进行采油作业，具有良好的性能。 1 3 国内外发展现状 一百多年前，以石油制成品为动力的机器诞生后，对石油的需求飞速发展，为石油 工业的崛起提供了发展契机。伴随着石油开采业的发展，人们发现不同的油田、不同的 油井，产量有大有小，有些不能自流到地面。为此产生了解决油井生产举升的设备抽 油机。抽油机的产生和使用已经有了一百多年的历史。发展到现在，抽油机的种类可谓 繁多，主要有游梁式抽油机和无游梁式抽油机两大类。其中游梁式抽油机的应用最为广 泛，各产油国仍然在大面积使用。 4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 游梁式抽油机以特别能适应野外恶劣工作环境等明显优势，区别于其它众多类型的 抽油机。常规游梁抽油机以其结构简单、易损件少、皮实耐用、可靠性强、操作简便、 维修方便、维护费用低等特点，一直占据有杆泵采油地面设备的主导地位。由于结构不 尽合理，常规游梁抽油机无法克服大马拉小车能耗高的缺点。因此，国内外各生产厂家 先后研制出前置式抽油机、异相曲柄抽油机、空气平衡抽油机等，克服了常规游梁抽油 机的一些缺点，但仍脱离不了利用四连杆机构将旋转运动转变为往复直线运动的传动方 式，因而没有解决根本问题。特别是我国油田开发采用早期注水方式，油井含水后液量 不断提高，要求抽油机的冲程和承载越来越大，造成抽油机总重量直线上升，直接影响 开发重型抽油机【4 】。 2 0 世纪7 0 年代以来，各种形式的无游梁式抽油机应运而生，美国是最早研制无游 梁抽油机的国家，最大功率达1 7 1 k w ，最大悬点负荷2 2 7 k n ，最大冲程达2 4 4 m 。无游 梁抽油机最大优点是不用四连杆机构将旋转运动变为往复直线运动，其运动规律除上下 死点有短时间加减速运动外，大部分时间是匀速运动，使惯性载荷大幅度下降，抽油机 性能得到较大改善。无游梁抽油机容易实现长冲程，相对冲程损失小，有效冲程长。而 长冲程抽油机冲次较低，大大降低了运动系统的加速度，惯性载荷小，如链条抽油机、 皮带抽油机等。但还存在一些较大的问题，如结构复杂、运动件多、成本高，特别是大 多数采用软连接，摆动轮直径不能过大，使钢丝绳( 链条，使用寿命短。 2 0 世纪8 0 年代以后，又回到四连杆机构，创造出可变四连杆机构，可改变连杆和 后臂长度，调整力臂使净扭矩平稳，降低了启动扭矩，大马拉小车现象得到进一步改善， 如这一时期开发出异型抽油机如双驴头、弯游梁抽油机、调径变矩抽油机( 两级平衡) 、 杠铃游梁抽油机等。但这些抽油机仍未脱离电能转变为旋转运动，再用四连杆机构将旋 转运动转变为直线往复运动，只是启动扭矩有一定程度的降低，装机容量低了一个档次 而已【5 l 。 近年来，国外研究开发了各种新型抽油机，为更经济有效地开采石油做出了卓越贡 献 6 1 。国外研制的无游梁长冲程抽油机主要有法国m a p e 公司生产的液压驱动塔架长冲 程抽油机，最大冲程1 0 m ；加拿大f o r e m o s tc o 公司的h e p 液压抽油机；法埃尔夫一阿 奎坦石油公司研制的液压马达滚筒式长冲程抽油机；美国n a t i o n a ls u p p l yc o 公司研制 永磁同步无齿轮曳引式抽油机的研究 的l i f t r o n i c 链条抽油机，最大冲程2 8 m ；美国n s c o 公司生产的滚筒链条长冲程抽油机； 美国w e a t h e r f o r d 公司生产的r o t a f l e x 长冲程抽油机：美国w e s t e r ng e a rc o 长冲程无游 梁液压抽油机。国外日前正在发展气动抽油机，如美国m a r a n a t h ai n d u s t r i e s 公司研制的 p n e u l i f t 气动抽油机，它不需外部能源，利用套管作为动力源，就可平稳地举升原油， 用于富含气的油井中可显著降低采油成本。自动化和智能化抽油机也是今后抽油机的一 个发展方向。目前比较新进的有美国b a k e r 、d e l t a - x 、a p s 和n s c o 等公司生产的自动 化和智能化抽油机。 国内生产厂家研制了滚筒式抽油机，链条式抽油，液压式抽油机等。 滚筒式抽油机是利用换向机构驱动滚筒正、反转，并带动柔性件绕过天轮驱动悬点 做上下往复运动的抽油机。常用的心型滚筒和主回零扭矩换向滚筒，还有普通滚筒等几 种形式。但是由于换向系统的可靠性和寿命较低，没能在油田大面积推广。 链条式抽油机是利用轨迹链条上的特殊链节，带动往返架往复运动，从而驱动悬点 上下运动的抽油机。这种抽油机的优点是：平衡性能好，且调平衡方便，换向和工作使 往返架受侧向力小，重量轻。但移动副较多，气平衡系统有密封和失载保护问题等，因 此故障率较高。总之国内还有多种类型长冲程抽油机处于研制和试验阶段。 液压抽油机从结构原理方面打破了游梁式抽油机将电能转换为旋转运动，再利用机 械方法将旋转运动转变为往复直线运动的作法，利用液压换向实现直线往复运动，传动 效率高。但是由于其可靠性与适应性差，故液压抽油机要在油田广泛应用，还需依靠液 压技术进一步发展和提高，如高压密封件、超长液缸和耐磨液压元件等。 1 4 本课题的内容 近几年来，抽油机节能问题已日益引起人们的重视，国内的许多生产厂家i f 在不断 地应用新技术，通过进行结构优化设计和改进平衡方式等，实现抽油机节能的目的，减 小能源消耗，降低采油成木，已经有一大批新型的抽油机相继投入油田开采。研究经济、 可靠耐用、节能效果显著的抽油机有着广阔的发展前景，是一个具有现实意义的课题。 在石油机械中电力拖动系统要求是低速大扭矩传动装置，但是由于理论思想和技术 方面的原因，目前在抽油机领域中仍主要采用减速机一电动机的传统驱动模式。一方面， 由于减速机齿轮等机械的原因降低了系统的整体传动效率；另一方面，由于减速机的存 沈阳工业大学硕七学位论文 在是驱动系统的整体体积较大，或者说系统的传输力能密度较低。近年来采用机电一体 化技术，虽然在力能密度方面有所提高，但是由于其在理论思想方面仅限于机械减速机 构与电机配合的结构尺寸减小，仍未跳出减速机一电动机的传统模式的桎梏，所以效率 和力能密度亦未能令人满意。在低速平稳性、噪音以及减速机润滑和维护等方面都存在 着诸多技术问题有待解决。 永磁同步无齿轮曳引式抽油机采用国际先进的低速大转矩传动系统，取消了机械减 速机的齿轮传动机构，这种技术已经在电梯和数控机床等传动领域中得到了应用【刀。但 是永磁同步无齿轮曳引式抽油机在我国乃至世界都属于新兴技术，研究和设计这种抽油 机有着特殊的意义。 本论文具体研究内容： 抽油机的整体结构的研究及设计。 低速大转矩永磁同步电动机的设计及分析。利用有限元分析软件对低速大转矩永磁 同步电动机进行了磁场分析和参数计算。 曳引机主轴的强度分析，利用a n s y s 软件对无齿轮永磁同步曳引机转轴进行机械 应力场分析，并且给出应力分析图。 在抽油机的工作过中，电机需要频繁的正反转运行，本课题采用基于p l c 控制系 统设计。 永磁同步无齿轮曳引式抽油机的研究 2 抽油机的系统的设计 本课题研究永磁同步无齿轮曳引式抽油机的基本原理是采用低速大转矩稀土永磁 同步电动机，利用电力电子电源供电，计算机控制技术，将电子、电气，机械一体化设 计，组成低速大转矩传动系统，取消原抽油机的所有齿轮，来实现抽油系统的无齿轮传 动。其结构主要包括四部分即低速大转矩稀土永磁同步电动机、抽油杆、对重、滑轮组 和机架。 2 1 抽油机的机械结构组成 2 1 1 抽油机的机械结构组成 本课题的机械结构组成包括机架，机头移动机构，滑轮组，曳引机，抽油杆和对重； 机架上方设有机头移动机构，机头移动机构的导轨设在机架顶端，螺杆带有手柄的一端 通过槽钢固定在机架上，另一端通过固定架固定在机架上，螺杆与机头用螺母连接，机 头沿导轨前后运动：曳引机通过槽钢固定在机架的底座上，曳引机的曳引轮上钢丝绳的 一端通过滑轮组固定在机架顶部，钢丝绳的另一端通过滑轮组固定在机头上：对重安装 在滑轮6 上，悬置在机架内，沿对重导轨5 上下往复运动；抽油杆安装在滑轮1 7 上。 曳引机置于机架内部，其滑轮组结构为：机架上的滑轮7 ，对重上的滑轮6 组成滑轮组 i ：机头上的滑轮1 5 ，滑轮1 6 ，抽油杆上的滑轮1 7 组成滑轮组i i ：曳引机的曳引轮上 钢丝绳的一端依次通过滑轮组i 的滑轮7 、滑轮6 连接在机架顶端，钢丝绳的另一端依 次通过滑轮组i i 的滑轮1 5 、滑轮1 6 、滑轮1 7 接在机头上。如图2 1 所示。 2 1 2 曳引机的结构组成 永磁同步无齿轮曳引机，主要由永磁同步电动机、曳引轮及制动系统组成。永磁同 步电动机采用高性能永磁材料和特殊的电机结构设计，使其具有低速、大转矩特性。曳 引轮与抱闸轮为同轴固定连接，并直接安装在电动机的轴伸端；由电磁制动器、抱闸轮、 抱闸臂和闸瓦等组成曳引机的制动系统。整机工作原理是电动机动力由轴伸端通过曳引 轮输出扭矩，再通过曳引轮和钢丝绳的摩擦来带动抽油杆的运行。当抽油机停止运行时 则由常闭制动器通过闸瓦刹住抱闸轮，从而保持抽油杆静止不动。 8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 l o 9 l 隧乡一璋卜一斡1 一“r 、潭一j 甲l ： p 嘲； 一 r 。 ii 一 ： ! i 一1 嗲z ：l 营 bd 、 、 1 9 、 l ，一 封 。 、 卜搿 h 化 一一 一 fl 、 1 il 图2 1 抽油机的机械结构组成 f i g 2 1t h ec o n s t i t u t e so f o h - p u m p l n gm e c h a n i c a ls t r u c t u r e 1 7 曳引机的结构组成为：电动机2 5 ，电磁铁2 6 ，制动轮2 7 ，抱闸2 8 ，曳引轮4 ，旋 转轴2 9 ，手柄3 0 。旋转轴2 9 的一端安装有电动机2 5 ，另一端安装曳引轮4 ，在曳引轮 4 和电动机2 5 之间设置一制动轮2 7 ，制动轮2 7 外围安装一抱闸2 8 ，在抱闸2 8 连杆中 间的支座上固定一电磁铁2 6 ，电磁铁2 6 上设置一手柄3 0 。曳引轮4 是由电动机2 5 直 接驱动，手柄3 0 用来控制电磁铁，从而控制抱闸2 8 开启，抱闸2 8 控制制动轮2 7 ，制 动轮2 7 用于曳引轮4 的制动，通过扳动手柄，可以在任何位置锁定抽油杆。电动机2 5 采用低速大转矩永磁同步电动机，电动机2 5 的转子采用钕铁硼永磁材料，设置2 0 个磁 9 一 5 4 3 2 l 永磁同步无齿轮曳引式抽油机的研究 极；定子采用分数槽绕组，铁心沿轴向斜1 2 个定予槽；电枢绕组内电势波形采用正弦 化设计；电动机的电源采用电力电子电源供电。曳引机的正反转向通过电气来控制。如 图2 2 、2 3 所示。 麓 粥 嚣盈勰4 图2 2 曳引机结构图 f i g 2 2t h es t r u c t u r eg r a p ho fd r a w i n gm a c h i n e 2 2 永磁同步无齿轮曳引式抽油机的工作原理 抽油机的工作方式和电梯基本上相同，低速大转矩永磁同步电动机由s p w m 变频 电源供电，直接带动曳引轮曳引抽油杆运行，不但可以方便的控制电机的起停，而且还 可以对电机进行无级调速嗍。 2 2 1 抽油机系统的电气控制的实现 抽油机系统的电气控制是通过与曳引机3 同轴安装的数字式旋转编码器，p l c ，电 力电子电源组成的闭环系统来控制曳引机3 的j 下反转向。数字式旋转编码器的作用是， 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 实时检测转子磁极的位置，决定变频器的控制信号，保证变频器能够以最小的电流输出， 来实现闭环系统的最佳负载角控制，使抽油机稳定运行。编码器以每转的脉冲数反馈给 系统，而脉冲数实际上对应着转子磁极的位置。p l c 读取输入的指令，根据对重2 位置 检测信号，判断对重2 是否到达限定位置，如果到达限定位置，则给出减速并换向指令。 如果没有到达限定位置，则根据抽油机负荷检测信号判断负荷有无变化，若有变化则调 整电动机2 5 运行速度，若无变化，再根据转子磁极位置检测信号，输出变频器控制信 号，远程监控信号，故障信息经确认的故障报警信号。输出的变频器控制信号输出给曳 引机3 的电动机2 5 ，使电动机2 5 变速运动和正反转向运动，从而控制整个机械系统运 动，完成抽油做功。 图2 3 曳引机结构图 飚2 3 t h es t r u c t u r eg r a p ho f d r a w i n gm a c h i n e 篇 4 2 7 篇 永磁同步无齿轮曳引式抽油机的研究 2 2 2 悬点静载荷的大小和变化规律 当悬点从下死点上行时为上冲程，游动阀在柱塞上只压力作用下关闭，而固定阀在 柱塞下方泵筒内、外压差作用下打开。由于游动阀关闭，使悬点承受抽油杆自重彤和 柱塞上油柱重力眠，这两个载荷的作用方向均向下，使抽油杆伸长称之为抽油杆冲程 损失。同时由于固定阀打开，使油管外一定沉没度的油柱对柱塞下表面产生方向向上的 力e ，因此，上冲程时，悬点的静载荷只为 只一+ w o 一弓 ( 2 1 ) 在曳引轮的两端分别挂抽油杆和配重，在悬点向上提时，若忽略沉没度的影响，则 只一+ w o ，是抽油机对提升油柱做功，原油( 液体) 不断地被排出油管。当悬点到达上 死点，排油过程( 液体) 结束。沉没度大，冲次低，不可忽略。其上行的理论排油( 液体) 量为 q = 泌2 一矾2 如 ( 2 2 ) 式中，r 为抽油泵( 内孔) 半径；冠为抽油杆光杆半径；i l 为冲程长度；p 为油( 液体) 密度。 当悬点向下放时，柱塞下端泵筒空间为万2 i l 无抽油杆占有空间，这样上、下行程泵 筒的空间差为石【，2 一2 弦，即悬点上行泵筒内抽油杆占有一定空间，悬点下行泵筒内无 抽油杆占有空间。按油满井口原则( 忽略一切损失) ，其下行程亦应排油，其排油量为 矾2 ，这样，在上、下冲程中的总排油量为2 a 概括地说，柱塞上行时将柱塞之上 的环形等高侧冲程长度1 的液体排入输油管线，将柱塞之下的液体吸入泵内；柱塞下行 时将柱塞之下泵筒内的液体转入柱塞之上的油管内，其差值为吸入的液体排入输油管 线。也就是说，从理论上讲( 一切损失忽略不计) 排油过程贯穿上下行程。但因柱塞圆面 积远大于抽油杆光杆圆面积，所以，上提排油也远大于下放排油。随着液体的排出，悬 点载荷将有一定波动。悬点下行，游动阀打开，固定阀关闭，此时悬点上油柱载荷理论 上为零，油柱的质量加在油管上，使油管伸长称之为油管冲程损失。悬点下行时悬点载 荷只有抽油杆在油中的质量，而悬点天轮另一端配重的质量仍是抽油杆的配重加1 2 油 沈阳工业大学硕士学位论文 柱重的配重。这样，天轮反转则需做功向上提1 2 油柱重的配重f 抽油杆配重与抽油杆重 相互抵消1 。悬点向上需对1 2 油柱提升做功，悬点向下仍需对相当于1 2 油柱重的配 重提升做功，这就是抽油机1 2 油柱举升原则。该原则是在忽略了沉没度影响前提下的 一个静平衡原则唧。 2 3 永磁同步曳引机的输出转矩与功率确定 如图2 4 所示为2 ：1 绕法复绕结构示意图【1 0 l 。 m ：g g ：k n n t 2 3 、 i _ + 其中，膨一抽油杆和油注总重量 g 抽油杆重量 油注重量 m 对重质量， k 平衡系数( 对重系数一般为0 5 ) 。 钢丝绳与补偿链的重量为g ，当整个系统运动时，钢丝绳与补偿链的运动质量为 m 0 图2 4 2 ：1 绕法结构示意图 f 垮2 4t h es k e t c hm a p o f2 ：lr o u n d i n gs t r u c t u r e 永磁同步无齿轮曳引式抽油机的研究 根据图2 4 ，设在曳引机曳引力f 作用下，在时间t 内，系统以加速度a 运行，工位 移，此时绕过曳引轮的钢丝绳发生的位移为2 x 。根据能量守恒定律，曳7 1 机对系统做 的功等于系统机械能的增量。 f 2 x = ( i l f m ) g x + o 5 ( f + m + t r 。) i ，2 ( 2 4 ) ：笔dx 肚d t 。 c z s ， 1 4 。2 2 一 其中：分别为抽油杆的运行速度和加速度 将( 2 4 ) 式两边对t 微分，得 z ，警一一脚k 詈+ + m + 他k 詈 c 2 6 ) 比较( 2 6 ) 式两端，可得曳引力，为 f = o 5 【( m r e ) g + ( ，+ 肼+ 埘。k 】 ( 2 7 ) 曳引机的曳引转矩( 额定转矩) l - 0 5 肋。? 2 5 d 陟一、m ) g + 呼_ m + 肌，纠 ( 2 8 ) 一o 2 5 0 ( 1 一七) + 【( 1 + 七如+ k d 一曳引轮直径 对应的电机输出功率为( 参考( 2 8 ) 式) 只= k m m ) g + h + 卅i - m 。k p 或e o = o k ) , v g + 【( 1 + 女) + 肌。k v ( 2 9 ) 曳引机的额定转矩和功率可以根据( 2 8 ) 式和( 2 9 ) 式计算得到。 浣拜f 工业大学硕士学位论文 3 抽油机用永磁同步电动机设计 3 1 永磁同步电动机设计问题 3 1 1 转子磁路结构选择 永磁同步电动机的转子结构就定、转子的内外关系来看，可分为外转子结构和内转 子结构；按照永磁体在转子上位置的不同，永磁同步电动机的转子磁路结构可分为三种： 表面式、内置式和爪极式，本文只研究内置式转子磁路结构。按永磁体磁化方向与转子 旋转方向的关系，内置式转子磁路结构又可以分为径向式、切向式和混合式三种【1 l 】。 径向式：径向式磁路结构的特点是，每对极磁路中有两个永磁体串联起来提供磁动 势，由一个永磁体的截面积提供每极磁通，因而在磁路计算中，永磁体磁化方向的长度 应以2 带入，截面积为k 五。式中为单个永磁体磁化方向长度，又称厚度，为 单个永磁体的宽度，“为永磁体的轴向长度，该结构的优点是漏磁系数小、转轴上不 需采取隔磁措施、极弧系数易于控制、转子冲片机械强度高、安装永磁体后转子不易变 形等。结构如图3 1 所示。 切向式：切向结构的特点是，每对极磁路中只有一个永磁体提供磁动势，但由两个 永磁体并联提供磁通，因而在磁路计算中，永磁体的磁化方向长度为k ，而截面积为 2 b u l 。该结构的漏磁系数较大，制造工艺和成本较径向式有所增加。其优点是一个极 距下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可得到更大的每极磁通。尤其当电机极数较多、 径向式结构不能提供足够的每极磁通时，这种结构的优势就显得更为突出。此外，采用 该结构的永磁同步电动机的磁阻转矩可占到总电磁转矩的4 0 ，对提高电机的功率密度 和扩展恒功率运行范围都是很有利的。结构如图3 2 所示。 混合式：该结构集中了径向式和切向式的优点，但结构和制造工艺都比较复杂，制 造成本也比较高。 从s p w m 电源与p m s m 匹配运行所组成的低速大扭矩驱动系统最优化观点出发， 为保证驱动系统有足够的线性调节范围，变频器额定输出频率应尽可能高( 一般取2 5 h z 以上) ；为降低变频器的成本和损耗，要求变频器的额定输出电流要尽可能小【协“。因 此，电机在设计上要采用多极结构，以降低额定同步转速；在大扭矩情况下，减小电机 永磁同步无齿轮曳引式抽油机的研究 的额定电流，则必须使每极具有足够强的激励磁场。而对于径向磁极结构，要在中小型 电机中采用多极是不可能获得足够强的激励磁场的。因此，本文讨论的低速大扭矩永 磁同步电动机采用切向磁路结构。 图3 1 径向磁路结构 f i g 3 1 r a d i c a lm a g n e t i cc i r c u i ts t r u c t u r e 图3 。2 切向磁路结构 f i g 3 z l a n g e n tm a g n e t i cc i r c u i ts t r u c t u r e 采用图3 1 的切向磁极结构，每极激励面积是相邻两个永磁体槽深方向面积之和。 可以克服径向结构在多极时的每极激励面积不足的缺点，方便地根据需要通过调整永磁 体沿转子径向槽深来选择激励面积的大小。 3 1 2 永磁体的设计 永磁体的尺寸主要包括永磁体的轴向长度。、磁化方向长度h 。和宽度k 。永磁体 的轴向长度一般取得与电机铁心轴向长度相等或稍小于铁心轴向长度，实际上只有两个 永磁体尺寸( h u 和k ) 需要设计【1 4 】。对于这两个尺寸，应该有如下考虑： h 。的确定应使电动机的直轴电抗x 。合理，因为h 。是决定z 。的一个重要因素，而 工。又影响电动机的许多性能。 不能过薄。这主要是从两个方面来考虑：h 。太薄将导致永磁体生产的废品率上 升；将容易使永磁体产生不可逆去磁。 设计h 。，应使永磁体工作于最佳工作点。 为调整电动机的性能，常常要调整k ，因为b m 直接决定了永磁体能够提供磁通的 面积。当要求电动机磁负荷较高时，应该选择能安装k 更大的转子磁路结构。 一1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 对内置切向式转子磁路结构永磁体尺寸的预估公式为 ih 。2 1 1 k 一, k a b h “6 _ 1 6 l = 嚣老 式中，墨一电动机的饱和系数，其值为1 0 5 1 3 k 。一与转子结构有关的系数，取值为0 7 1 2 ( 3 1 ) 通过预估公式计算，样机的设计中，取h m = l o m m ， b m = 3 6 r a m 。 3 1 3 永磁体的失磁问题 低速大转矩永磁同步电动机退磁防护问题非常重要。由于抽油机需要频繁正反转起 动，所以设计上要求电机的电气时间常数和机械时自j 常数要合适。频繁正反转不可避免 地要有一定的冲击电流，所以需要进行防退磁技术研究，以提高系统的可靠性。 在退磁曲线为直线时( 如图3 3 ) ，电机空载工作点为a 点，