抽油机用永磁磁力耦合器试验研究

２０１４年第４３卷第１１期第６１页石油矿场机械犗犐犔　犉犐犈犔犇　犈犙犝犐犘犕犈犖犜　２０１４，４３（１１）：６１６５文章编号：１００１３４８２（２０１４）１１００６１０５抽油机用永磁磁力耦合器试验研究何富君１，仲于海１，常忠伟２，张子华１（１．东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆１６３３１８；２．大庆石化公司水汽厂，黑龙江大庆１６３７１４）摘要：针对抽油机用永磁磁力耦合器开展了有限元仿真和试验分析，建立了三维有限元仿真模型，进行了永磁磁力耦合器的传动性能仿真研究，获得了传递转矩与间隙、转速差之间的关系；建立了永磁磁力耦合器试验平台，对永磁磁力耦合器实物样机进行试验研究，验证了有限元仿真的可行性，同时验证了永磁磁力耦合器在抽油机上使用的可行性。关键词：抽油机；永磁耦合器；有限元；试验研究中图分类号：ＴＥ９３３．１　　　文献标识码：Ａ　　　犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１３８４２．２０１４．１１．０１５犚犲狊犲犪狉犮犺狅犳犘犲狉犿犪狀犲狀狋犕犪犵狀犲狋犻犮犆狅狌狆犾犲狉狅狀犗犻犾犘狌犿狆犻狀犵犕犪犮犺犻狀犲ＨＥＦｕｊｕｎ１，ＺＨＯＮＧＹｕｈａｉ１，ＣＨＡＮＧＺｈｏｎｇｗｅｉ２，ＺＨＡＮＧＺｉｈｕａ１（１．犆狅犾犾犲犵犲狅犳犕犲犮犺犪狀犻犮犪犾犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犖狅狉狋犺犲犪狊狋犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犘犲狋狉狅犾犲狌犿，犇犪狇犻狀犵１６３３１８，犆犺犻狀犪；２．犞犪狆狅狌狉犪狀犱犠犪狋犲狉犘犾犪狀狋，犇犪狇犻狀犵犘犲狋狉狅犾犲狌犿犆犺犲犿犻犮犪犾犐狀犱狌狊狋狉狔犆狅犿狆犪狀狔，犇犪狇犻狀犵１６３７１４，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｆｏｒｏｉｌｐｕｍｐｉｎｇｍａｃｈｉｎｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｅｄｄｙｃｏｕｐｌｅｒ，ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｅｓｔａｎａｌｙｓｉｓａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓｓｅｔｕｐ，ａｎｄｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｍｏｎｇｄｒｉｖｉｎｇｔｏｒｑｕｅ，ａｉｒｇａｐａｎｄｓｐｅｅｄｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ．Ａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｐｌａｔｆｏｒｍｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏｄｏｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅａｃｔｕａｌｃｏｕｐｌｅｒｐｒｏｔｏｔｙｐｅ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｈａｓｃｒｅｄｉｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄｖｅｒｉｆｉｅｓｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｕｐｌｅｒｕｓｅｄｉｎｏｉｌｐｕｍｐｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｏｉｌｐｕｍｐｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ；ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｕｐｌｅｒ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈ　　抽油机是我国油田最主要的机械采油设备，目前抽油机井总数已超过２０万台，日耗电量０．５×１０８ｋＷ·ｈ［１］。但是，抽油机在工作过程中存在以下问题：１）　要求较高的启动转矩。抽油机的转动惯量很大，且又带载启动，对电动机的启动性能要求很高，但稳定运转后要求的输出转矩比较小。为了满足大启动转矩的需要，需要配置较大功率的电动机，不但提高了装机成本而且功率因数低，效率也较低，导致能源的浪费。２）　抽油机载荷的波动性。抽油机减速器输出轴转矩呈明显的周期性变化，不但对机械系统产生载荷冲击，而且造成电动机负载的波动，影响电机寿命及节能效果。从油田节能的角度出发，将永磁耦合器应用到抽油机上，以期改善以上问题。由于永磁耦合器利用磁场实现非接触传动，不但减小载荷对电机产生的冲击，而且还具有延迟启动的特性。经过大量的调研发现，目前还没有发现在抽油机上应用此类装置。１　技术分析１．１　工作原理永磁磁力耦合器利用感应磁场实现转矩的传递　收稿日期：２０１４０５１３　作者简介：何富君（１９７０），男，黑龙江铁力人，教授，博士，主要从事油田机器人技术及油田机械装备方面的研究。功能，耦合器的驱动端和负载端分别连接导体盘和磁体盘，在工作时两盘之间必须存在转速差。当输入轴转动时，磁体盘与导体盘之间产生相对运动，导体盘切割磁力线，在导体盘中产生电涡流。电涡流产生的感应磁场会与磁体盘的永磁场相互的作用，从而驱动导体盘与磁体盘同向旋转，实现了驱动端到负载端的非接触动力传递［２３］。本文设计的永磁磁力耦合器一端与电机输出轴相连，另一端与小带轮相连，通过永磁磁力耦合器实现转矩从电机端到小带轮之间的非接触传递。１．２　结构组成抽油机用永磁磁力耦合器的结构如图１所示，主要由小带轮、输出轴、附铁盘、铜盘、磁体盘、连接板、输入轴连接端组成。小带轮与输出轴连接，输出轴又与磁体盘相连，实现动力输出；附铁盘与铜盘固连在一起，作为导体盘，２个导体盘通过连接板相连并与输入轴相连，实现动力的输入。磁体盘结构如图２所示，盘中嵌入磁铁块，相邻２块磁铁的Ｎ、Ｓ极相反，共包含６对稀土磁铁［４］，磁铁盘与输入轴相连接。１—小带轮；２—附铁盘；３—磁体盘；４—铜盘；５—输入轴连接端；６—连接板图１　抽油机用永磁磁力耦合器结构图２　磁体盘结构１．３　主要参数针对抽油机设计了一款永磁磁力耦合器样机，主要参数如表１所示。表１　永磁磁力耦合器样机主要参数结构参数尺寸／ｍｍ备注内径１３８相对磁导率：１环形铜盘外径３００电导率：５．８×１０７Ｓ／ｍ厚度５内径１０５附铁盘外径３４２Ｑ２３５Ａ厚度１２内径１２６硬铝合金磁铁盘外径２８６相对磁导率：１厚度２５电导率：３．８×１０７Ｓ／ｍ长度５０钕铁硼稀土永磁磁铁块宽度３５犅ｒ＝１．１９７Ｔ厚度２３犎ｃ＝９１４．９ｋＡ／ｍ２　有限元仿真利用ＡＮＳＯＦＴ有限元仿真软件进行有限元分析，建立的耦合器三维分析模型如图３所示，模型中将与传动性能无关的机械结构全部去掉。分别对铜盘、导体盘和附铁盘进行网格划分，如图４所示。图３　耦合器有限元模型图４　网格划分　　在模型的建立过程中需要注意以下问题：１）　运动部件需要设计专用的Ｂａｎｄ区域及运动区域，运动部件要被包含在其中，Ｂａｎｄ区域只能设置１个。２）　设置求解区域及Ｒｅｇｉｏｎ区域，求解区域设置要合理。如果过小，就会忽略穿过求解区域的磁感线，导致运算结果变小。·２６·　　　　　　　　　　　石油矿场机械　　　　　　　　　　　　　　　　２０１４年１１月　导体盘中铜盘的相对磁导率为１，电导率为５．８×１０７Ｓ／ｍ。附铁盘材料为Ｑ２３５Ａ。磁铁盘的铝合金框架的相对磁导率为１，电导率为３．８×１０７Ｓ／ｍ。磁铁盘内嵌入钕铁硼稀土永磁块，其参数为犅ｒ＝１．１９７Ｔ，犎ｃ＝９１４．９ｋＡ／ｍ。耦合器的工作性能与气隙大小、导体盘与磁体盘的转速差大小等因素密切相关。为了充分了解耦合器的工作能力和特性，分别研究了不同气隙、不同转速差对传动的影响，计算结果如图５～６所示。图５　输出转矩与转速差的关系曲线图６　输出转矩随间隙变化的关系曲线　　由图５可以看出：在相同间隙时，转速差越大，传递的转矩也越大，到转速差为２００ｒ／ｍｉｎ时达到转矩峰值；当转速差在１００ｒ／ｍｉｎ以内时，转矩随转速差变化显著，但是可以近似为线性变化。在对现有抽油机改造时，为了不产生过大的滑差，不使抽油机的冲次明显下降，应该在较低的转速差之下工作，因而耦合器不能在大转矩状态下工作。由图６可以看出：随着磁铁盘与导体盘之间间隙的增大，传递转矩快速下降，而且在６ｍｍ间隙以内，转矩随着间隙近似是按线性规律下降；在小间隙条件下，相同转差变化量时产生的转矩差要更大一些。显然，为了提高传递力矩的能力，应该减小间隙，但是，间隙过小将影响散热效果。对于抽油机，要从缓冲能力上考虑，产生较大速度差的缓冲效果较好，因而是间隙大的好一些。３　试验分析为了分析实际分析耦合器试验装置的性能，并进行有限元对比分析，对耦合器样机进行了试验研究。利用电涡流测功机作为加载装置，将变频调速电动机作为动力源，在耦合器的输入端和输出端分别连接转速、转矩传感器。试验时，调定电机的转速，利用测功机加载，在不同的载荷状态下测量耦合器的传动能力；利用耦合器输入端和输出端的传感器可以测得转速和转矩信号，从而可以获得耦合器的转速差、传动功率和传动效率。将永磁耦合器单侧间隙设定为４ｍｍ，电机同步转速为１５００ｒ／ｍｉｎ。调整测功机，从空载开始，每次增加２０Ｎ·ｍ载荷，在系统运转平稳之后采集系统数据。耦合器传动性能试验结果与有限元仿真结果对比如图７所示。图７　试验结果与仿真结果对比曲线　　由图７可以看出：有限元软件分析结果和试验测得结果的变化趋势相近，但是在数值上存在一定的差异，仿真分析结果大于试验测得的结果。主要是由于在有限元仿真时，没有考虑到发热、摩擦等方面的影响；在转速差大于２００ｒ／ｍｉｎ时，试验结果没有下降是由电机的特性决定的，电机具有承受一定过载的能力。４　永磁磁力耦合器的可行性研究４．１　传递效率永磁磁力耦合器的传递效率是其重要的工作特性，通过测试及数据分析可以得到永磁磁力耦合器的传递转矩与效率之间的关系，如图８所示。·３６·　第４３卷　第１１期　　　　　　　何富君，等：抽油机用永磁磁力耦合器试验研究图８　转矩与效率关系曲线　　由图８可以看出：当转矩为１００Ｎ·ｍ，对应的功率约为１６ｋＷ，效率最高，可以达到９７％以上；在８０～１４０Ｎ·ｍ，对应的功率为１２．６～２２．０ｋＷ，效率都超过９５％，所以该区间可以作为耦合器的工作区间；而１００Ｎ·ｍ可以作为最佳工作点。４．２　启动性能研究永磁磁力耦合器的启动性能具有非常重要的意义，可以直接决定设备的装机功率，从而影响到抽油机系统的成本及节能水平。通过试验台开展了耦合器在不同载荷下带载启动的性能研究。载荷是由调节电涡流测功机的电流实现预加载。当永磁磁力耦合器带载２６０Ｎ·ｍ，对应负载功率为４０．８ｋＷ启动时，其启动曲线如图９所示。图９　带载２６０Ｎ·ｍ启动曲线　　由图９可见：启动过程为５２００ｍｓ，当永磁磁力耦合器两端的转矩从峰值回落到相同值时，系统启动完成。在带载启动试验中，电动机启动时的输入转矩可达到３００Ｎ·ｍ，只要电动机的输出转矩超过负载工作转矩就可以实现启动。永磁磁力耦合器具有良好的启动特性，如果载荷较大，可以通过延长启动时间来完成启动。永磁磁力耦合器所能达到的峰值转矩为３００Ｎ·ｍ，对应的功率为４７ｋＷ，当负载转矩超过３００Ｎ·ｍ时，负载端将被抱死，电机端空转。当负载转矩小于３００Ｎ·ｍ时，永磁磁力耦合器就能够启动负载。当负载发生波动时，同样也具有缓冲的作用。４．３　装机功率某油田在抽油机上使用电机的功率和１个冲程内所需最大转矩计算的实际功率的对比情况如表２所示。表２　某油田使用电机情况井号电机功率／ｋＷ实际所需最大功率／ｋＷ功率利用率／％井号１３７１６．７８４５．３５井号２７５３７．５２５０．０３井号３４５１８．７６４１．６９井号４４１１９．９４４８．６３井号５３０１３．８２４６．０７　　由表１可知：抽油机上使用电机的功率是实际所需最大功率的２倍左右，这是因为抽油机在启动时需要很大的启动转矩，而且在抽油机工作时会有载荷的波动，为了满足大启动转矩的需要，需要配置较大功率的电动机。根据上述关于传递效率和带载启动的分析可知：当负载转矩小于等于３００Ｎ·ｍ，对应的功率为４７ｋＷ时，永磁磁力耦合器可以带动负载，只是延长了启动时间；油田上所用的抽油机１个冲程内所需的最大功率约２０ｋＷ，所以可以选择２２ｋＷ的电机，这样就降低了装机功率和成本。５　结论１）　永磁磁力耦合器的输