[发明专利]一种新型抽油机用盘式永磁电机设计

说明书

本发明公开一种新型抽油机用盘式永磁电机设计方法，该方法是针对提高传统游梁式抽油机的效率并简化系统结构，提出了用盘式永磁电机直接替代原系统的三相感应电机及减速机构，新系统采用背靠背双盘式永磁电机直接驱动连杆。考虑盘式永磁电机磁场分布的特点，采用三维有限元方法分析了该电机一对极下气隙中的磁通密度，计算了空载电动势、转矩与轴向吸力，其中电机转矩和空载电动势与样机实验值相吻合，证明了三维有限元分析的结果比传统设计方法更准确。盘式永磁电机驱动的新型抽油机结构简单，效率高，并能够在低速时提供大转矩，有利于抽油机的起动。本研究对游梁式抽油机的设计具有一定的参考价值。

技术领域

本发明属于电机设计领域，尤其涉及一种新型抽油机用盘式永磁电机设计方法。

背景技术

游梁式抽油机具有结构简单、使用方便、现场适应性好和可靠性高等优点，在采油生产设备中占90 %以上。它的驱动系统通常采用三相感应电动机，减速后再由四连杆机构转换为直线往复运动。电机在理想情况下的效率为90%左右，功率因数大多小于0.4，传动系统能量损失有时高达28%，因此系统效率一般不超过30%，电能浪费现象很严重，这也是油田中存在的普遍现象。为了节约能源、提高系统的效率，需要提高电机的效率、减速机构与转换机构的效率及其调速器的性能。

目前，一种趋势是采用永磁电机取代原来的三相感应电机，提高电机效率；另一种趋势是去掉中间的减速及转换机构，采用直接驱动的直线电机。目前采用的形式既有直线感应电机，也有直线永磁电机。尽管采用直线电机系统效率提高较多，但抽油机结构需要作较大的修改。结合前两种趋势各自的优点，提出采用盘式永磁电机(也称为轴向磁场永磁电机) 直接替代原系统的三相感应电机及减速机构。目前国内外还没有见到盘式永磁电机应用于抽油机的文献报道，因此研究在该新应用条件下的盘式永磁电机是重要的，也具有实际意义。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供了一种新型抽油机用盘式永磁电机设计方法，该方法是针对提高传统游梁式抽油机的效率并简化系统结构，提出了用盘式永磁电机直接替代原系统的三相感应电机及减速机构，新系统采用背靠背双盘式永磁电机直接驱动连杆。考虑盘式永磁电机磁场分布的特点，采用三维有限元方法分析了该电机一对极下气隙中的磁通密度，计算了空载电动势、转矩与轴向吸力，其中电机转矩和空载电动势与样机实验值相吻合，证明了三维有限元分析的结果比传统设计方法更准确。盘式永磁电机驱动的新型抽油机结构简单，效率高， 并能够在低速时提供大转矩，有利于抽油机的起动。

本发明采用的技术方案是，一种新型抽油机用盘式永磁电机设计方法，包括电机系统结构、电机特性分析以及样机实验结果。

所述电机系统结构，新结构中两个盘式永磁电机取代了传统结构中的三相感应电机与减速机构，由电机直接带动连杆驱动抽油杆。该电机具有永磁电机的特点，能够在低速时输出大转矩，满足抽油机低速运动的要求。安装在主轴上的转子和定子均为圆盘形状，盘面平行，两者对应设置之间有一定的气隙，定子固定于机座，转子安装于主轴作转动体，与转子盘面周向分布的永磁磁钢相对应，定子齿槽位于盘面与主轴相垂直。连杆机构安装在转子的外径上。定子包括定子铁芯与电枢绕组，定子槽形为半闭口梨形槽，槽宽在定子内外径处相等，而齿在外径处宽内径处小，定子绕组嵌于沿定子电枢盘面周向分布的齿槽内。转子包括转子铁芯与永磁体。为了尽量削弱齿槽效应，永磁体斜过一个定子槽距。当盘式永磁电机的定子线圈通以一定频率的交流电时，在电机气隙中产生一个旋转磁场，与同步转子励磁磁场相互作用，产生电磁转矩，通过连杆带动游梁，便可驱动抽油杆上下运动。新系统取消了低效率的减速机构，方便取代原来的三相感应电机，消除了机械减速机构的损耗与限制。尽管仍然需要连杆机构，但是控制系统可以实时调节电机的输出功率，提高电动机本身的运行效率，提高抽油的速度，使抽油机与电动机保持良好的功率匹配，可提高效率，节约用电。