何富君，仲于海，常忠偉，張子華

（1.東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.大慶石化公司水汽廠，黑龍江大慶163714）①

抽油機用永磁磁力耦合器試驗研究

何富君1，仲于海1，常忠偉2，張子華1

（1.東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.大慶石化公司水汽廠，黑龍江大慶163714）①

針對抽油機用永磁磁力耦合器開展了有限元仿真和試驗分析，建立了三維有限元仿真模型，進行了永磁磁力耦合器的傳動性能仿真研究，獲得了傳遞轉(zhuǎn)矩與間隙、轉(zhuǎn)速差之間的關(guān)系；建立了永磁磁力耦合器試驗平臺，對永磁磁力耦合器實物樣機進行試驗研究，驗證了有限元仿真的可行性，同時驗證了永磁磁力耦合器在抽油機上使用的可行性。

抽油機；永磁耦合器；有限元；試驗研究

抽油機是我國油田最主要的機械采油設(shè)備，目前抽油機井總數(shù)已超過20萬臺，日耗電量0.5× 108k W·h［1］。但是，抽油機在工作過程中存在以下問題：

1） 要求較高的啟動轉(zhuǎn)矩。抽油機的轉(zhuǎn)動慣量很大，且又帶載啟動，對電動機的啟動性能要求很高，但穩(wěn)定運轉(zhuǎn)后要求的輸出轉(zhuǎn)矩比較小。為了滿足大啟動轉(zhuǎn)矩的需要，需要配置較大功率的電動機，不但提高了裝機成本而且功率因數(shù)低，效率也較低，導(dǎo)致能源的浪費。

2） 抽油機載荷的波動性。抽油機減速器輸出軸轉(zhuǎn)矩呈明顯的周期性變化，不但對機械系統(tǒng)產(chǎn)生載荷沖擊，而且造成電動機負載的波動，影響電機壽命及節(jié)能效果。

從油田節(jié)能的角度出發(fā)，將永磁耦合器應(yīng)用到抽油機上，以期改善以上問題。由于永磁耦合器利用磁場實現(xiàn)非接觸傳動，不但減小載荷對電機產(chǎn)生的沖擊，而且還具有延遲啟動的特性。經(jīng)過大量的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前還沒有發(fā)現(xiàn)在抽油機上應(yīng)用此類裝置。

1 技術(shù)分析

1.1 工作原理

永磁磁力耦合器利用感應(yīng)磁場實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的傳遞功能，耦合器的驅(qū)動端和負載端分別連接導(dǎo)體盤和磁體盤，在工作時兩盤之間必須存在轉(zhuǎn)速差。當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)動時，磁體盤與導(dǎo)體盤之間產(chǎn)生相對運動，導(dǎo)體盤切割磁力線，在導(dǎo)體盤中產(chǎn)生電渦流。電渦流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場會與磁體盤的永磁場相互的作用，從而驅(qū)動導(dǎo)體盤與磁體盤同向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了驅(qū)動端到負載端的非接觸動力傳遞［2-3］。本文設(shè)計的永磁磁力耦合器一端與電機輸出軸相連，另一端與小帶輪相連，通過永磁磁力耦合器實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩從電機端到小帶輪之間的非接觸傳遞。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

抽油機用永磁磁力耦合器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由小帶輪、輸出軸、附鐵盤、銅盤、磁體盤、連接板、輸入軸連接端組成。小帶輪與輸出軸連接，輸出軸又與磁體盤相連，實現(xiàn)動力輸出；附鐵盤與銅盤固連在一起，作為導(dǎo)體盤，2個導(dǎo)體盤通過連接板相連并與輸入軸相連，實現(xiàn)動力的輸入。磁體盤結(jié)構(gòu)如圖2所示，盤中嵌入磁鐵塊，相鄰2塊磁鐵的N、S極相反，共包含6對稀土磁鐵［4］，磁鐵盤與輸入軸相連接。

圖1 抽油機用永磁磁力耦合器結(jié)構(gòu)

圖2 磁體盤結(jié)構(gòu)

1.3 主要參數(shù)

針對抽油機設(shè)計了一款永磁磁力耦合器樣機，主要參數(shù)如表1所示。

表1 永磁磁力耦合器樣機主要參數(shù)

2 有限元仿真

利用ANSOFT有限元仿真軟件進行有限元分析，建立的耦合器三維分析模型如圖3所示，模型中將與傳動性能無關(guān)的機械結(jié)構(gòu)全部去掉。分別對銅盤、導(dǎo)體盤和附鐵盤進行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。

圖3 耦合器有限元模型

圖4 網(wǎng)格劃分

在模型的建立過程中需要注意以下問題：

1） 運動部件需要設(shè)計專用的Band區(qū)域及運動區(qū)域，運動部件要被包含在其中，Band區(qū)域只能設(shè)置1個。

2） 設(shè)置求解區(qū)域及Region區(qū)域，求解區(qū)域設(shè)置要合理。如果過小，就會忽略穿過求解區(qū)域的磁感線，導(dǎo)致運算結(jié)果變小。

導(dǎo)體盤中銅盤的相對磁導(dǎo)率為1，電導(dǎo)率為5.8 ×107S／m。附鐵盤材料為Q235A。磁鐵盤的鋁合金框架的相對磁導(dǎo)率為1，電導(dǎo)率為3.8×107S／m。磁鐵盤內(nèi)嵌入釹鐵硼稀土永磁塊，其參數(shù)為Br＝1.197 T，Hc＝914.9 k A／m。

耦合器的工作性能與氣隙大小、導(dǎo)體盤與磁體盤的轉(zhuǎn)速差大小等因素密切相關(guān)。為了充分了解耦合器的工作能力和特性，分別研究了不同氣隙、不同轉(zhuǎn)速差對傳動的影響，計算結(jié)果如圖5～6所示。

圖5 輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速差的關(guān)系曲線

圖6 輸出轉(zhuǎn)矩隨間隙變化的關(guān)系曲線

由圖5可以看出：在相同間隙時，轉(zhuǎn)速差越大，傳遞的轉(zhuǎn)矩也越大，到轉(zhuǎn)速差為200 r／min時達到轉(zhuǎn)矩峰值；當(dāng)轉(zhuǎn)速差在100 r／min以內(nèi)時，轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速差變化顯著，但是可以近似為線性變化。在對現(xiàn)有抽油機改造時，為了不產(chǎn)生過大的滑差，不使抽油機的沖次明顯下降，應(yīng)該在較低的轉(zhuǎn)速差之下工作，因而耦合器不能在大轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下工作。

由圖6可以看出：隨著磁鐵盤與導(dǎo)體盤之間間隙的增大，傳遞轉(zhuǎn)矩快速下降，而且在6 mm間隙以內(nèi)，轉(zhuǎn)矩隨著間隙近似是按線性規(guī)律下降；在小間隙條件下，相同轉(zhuǎn)差變化量時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩差要更大一些。顯然，為了提高傳遞力矩的能力，應(yīng)該減小間隙，但是，間隙過小將影響散熱效果。對于抽油機，要從緩沖能力上考慮，產(chǎn)生較大速度差的緩沖效果較好，因而是間隙大的好一些。

3 試驗分析

為了分析實際分析耦合器試驗裝置的性能，并進行有限元對比分析，對耦合器樣機進行了試驗研究。利用電渦流測功機作為加載裝置，將變頻調(diào)速電動機作為動力源，在耦合器的輸入端和輸出端分別連接轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩傳感器。試驗時，調(diào)定電機的轉(zhuǎn)速，利用測功機加載，在不同的載荷狀態(tài)下測量耦合器的傳動能力；利用耦合器輸入端和輸出端的傳感器可以測得轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信號，從而可以獲得耦合器的轉(zhuǎn)速差、傳動功率和傳動效率。

圖7 試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比曲線

將永磁耦合器單側(cè)間隙設(shè)定為4 mm，電機同步轉(zhuǎn)速為1 500 r／min。調(diào)整測功機，從空載開始，每次增加20 N·m載荷，在系統(tǒng)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)之后采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)。耦合器傳動性能試驗結(jié)果與有限元仿真結(jié)果對比如圖7所示。由圖7可以看出：有限元軟件分析結(jié)果和試驗測得結(jié)果的變化趨勢相近，但是在數(shù)值上存在一定的差異，仿真分析結(jié)果大于試驗測得的結(jié)果。主要是由于在有限元仿真時，沒有考慮到發(fā)熱、摩擦等方面的影響；在轉(zhuǎn)速差大于200 r／min時，試驗結(jié)果沒有下降是由電機的特性決定的，電機具有承受一定過載的能力。

4 永磁磁力耦合器的可行性研究

4.1 傳遞效率

永磁磁力耦合器的傳遞效率是其重要的工作特性，通過測試及數(shù)據(jù)分析可以得到永磁磁力耦合器的傳遞轉(zhuǎn)矩與效率之間的關(guān)系，如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)矩與效率關(guān)系曲線

由圖8可以看出：當(dāng)轉(zhuǎn)矩為100 N·m，對應(yīng)的功率約為16 k W，效率最高，可以達到97%以上；在80～140 N·m，對應(yīng)的功率為12.6～22.0 k W，效率都超過95%，所以該區(qū)間可以作為耦合器的工作區(qū)間；而100 N·m可以作為最佳工作點。

4.2 啟動性能

研究永磁磁力耦合器的啟動性能具有非常重要的意義，可以直接決定設(shè)備的裝機功率，從而影響到抽油機系統(tǒng)的成本及節(jié)能水平。通過試驗臺開展了耦合器在不同載荷下帶載啟動的性能研究。載荷是由調(diào)節(jié)電渦流測功機的電流實現(xiàn)預(yù)加載。

當(dāng)永磁磁力耦合器帶載260 N·m，對應(yīng)負載功率為40.8 kW啟動時，其啟動曲線如圖9所示。

圖9 帶載260 N·m啟動曲線

由圖9可見：啟動過程為5 200 ms，當(dāng)永磁磁力耦合器兩端的轉(zhuǎn)矩從峰值回落到相同值時，系統(tǒng)啟動完成。

在帶載啟動試驗中，電動機啟動時的輸入轉(zhuǎn)矩可達到300 N·m，只要電動機的輸出轉(zhuǎn)矩超過負載工作轉(zhuǎn)矩就可以實現(xiàn)啟動。永磁磁力耦合器具有良好的啟動特性，如果載荷較大，可以通過延長啟動時間來完成啟動。永磁磁力耦合器所能達到的峰值轉(zhuǎn)矩為300 N·m，對應(yīng)的功率為47 k W，當(dāng)負載轉(zhuǎn)矩超過300 N·m時，負載端將被抱死，電機端空轉(zhuǎn)。當(dāng)負載轉(zhuǎn)矩小于300 N·m時，永磁磁力耦合器就能夠啟動負載。當(dāng)負載發(fā)生波動時，同樣也具有緩沖的作用。

4.3 裝機功率

某油田在抽油機上使用電機的功率和1個沖程內(nèi)所需最大轉(zhuǎn)矩計算的實際功率的對比情況如表2所示。

表2 某油田使用電機情況

由表1可知：抽油機上使用電機的功率是實際所需最大功率的2倍左右，這是因為抽油機在啟動時需要很大的啟動轉(zhuǎn)矩，而且在抽油機工作時會有載荷的波動，為了滿足大啟動轉(zhuǎn)矩的需要，需要配置較大功率的電動機。

根據(jù)上述關(guān)于傳遞效率和帶載啟動的分析可知：當(dāng)負載轉(zhuǎn)矩小于等于300 N·m，對應(yīng)的功率為47 k W時，永磁磁力耦合器可以帶動負載，只是延長了啟動時間；油田上所用的抽油機1個沖程內(nèi)所需的最大功率約20 k W，所以可以選擇22 k W的電機，這樣就降低了裝機功率和成本。

5 結(jié)論

1） 永磁磁力耦合器的輸出轉(zhuǎn)矩隨著間隙和轉(zhuǎn)速差的不同而發(fā)生變化。當(dāng)間隙確定時，輸出轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速差的增大而增大；當(dāng)增大到永磁磁力耦合器能輸出的最大轉(zhuǎn)矩時將趨于平穩(wěn)；當(dāng)轉(zhuǎn)速差一定時，永磁磁力耦合器的輸出轉(zhuǎn)矩隨著間隙的增大而減小。

2） 對于永磁磁力耦合器的特性，有限元仿真分析結(jié)果與試驗結(jié)果總的變化趨勢是一致的，有限元仿真結(jié)果略大于試驗結(jié)果，是因為在有限元仿真分析時沒有考慮到摩擦和發(fā)熱對整個裝置的影響。在以后對永磁磁力耦合器進行研究應(yīng)用時，可以應(yīng)用有限元仿真軟件對要研究的永磁磁力耦合器的特性進行預(yù)估。

3） 永磁磁力耦合器具有良好的延遲啟動和緩沖負載波動的特性，在油田應(yīng)用中，可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的節(jié)能和降低系統(tǒng)成本。

參考文獻：

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［2］ 彭科容.永磁磁力耦合器結(jié)構(gòu)與特性研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

［3］ 張澤東.永磁磁力耦合器設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2012.

［4］ 李桃，林鶴云，黃允凱，等.基于三維運動渦流場分析的永磁渦流聯(lián)軸器特性［J］.東南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，40（2）：301-305.

Research of Permanent Magnetic Coupler on Oil Pumping Machine

For oil pumping machine application of a permanent magnet eddy coupler，the finite element simulation and test analysis are carried out.Three-dimension finite element simulation model is set up，and the driving performance is simulated to obtain the relationship among driving torque，air gap and speed difference.An experiment platform is established to do research on the actual coupler prototype.The experiment shows that the finite element simulation has credibility， and verifies the feasibility of permanent magnetic coupler used in oil pumping machine.

oil pumping machine；permanent magnetic coupler；finite element；experimental research

TE933.1

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.015

1001-3482（2014）11-0061-05

2014-05-13

何富君（1970-），男，黑龍江鐵力人，教授，博士，主要從事油田機器人技術(shù)及油田機械裝備方面的研究。