汪東欣，楊金龍，石建飛，張福軍（.黑龍江八一農(nóng)墾大學信息技術學院，大慶63000；.大慶油田電力集團宏偉熱電廠）

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鋁制潛油電機性能研究與分析

汪東欣1，楊金龍2，石建飛1，張福軍1
（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學信息技術學院，大慶163000；2.大慶油田電力集團宏偉熱電廠）

摘要：隨著潛油電泵機組在油田的不斷應用，其生產(chǎn)成本已經(jīng)成為各生產(chǎn)廠商不得不考慮的一個主要問題?，F(xiàn)以近年來鋁制電機的發(fā)展及應用為前提，研究分析鋁制電機在潛油電機當中的應用，并以一臺43 kW的潛油電機為例，在分析其主要成本明細的基礎上，得出鋁制繞組與鑄鋁鼠籠對潛油電機主要性能參數(shù)的影響情況。

關鍵詞：潛油電機；鋁制繞組；鑄鋁鼠籠

隨著石油資源的日益減少和開采含水率的不斷上升，在石油開采方面，不斷追尋工作效率高、使用壽命長、經(jīng)濟性能優(yōu)的開采技術，由于潛油電泵機組工作揚程和生產(chǎn)壓差較大，地面工藝簡易便于管理等優(yōu)點，已經(jīng)成為提升油井產(chǎn)量的主要趨勢之一。

但相比傳統(tǒng)采油機，潛油電泵機組成本較高，成為制約其廣泛應用的主要原因之一。潛油電泵機組主要由潛油電機、潛油離心泵、保護器和分離器四大部分組成，而在這四大部分當中，潛油電機作為驅動裝置直接影響到整臺機組的效率和產(chǎn)量，其價格也是四大部分當中最貴的，大約占50%甚至更高。所以，在保證其工作性能指標和產(chǎn)品壽命基本不變的前提下研制低成本潛油電機是降低成本的重要手段。

近年來，鋁制電機在保持同等性能的前提下，大大節(jié)約了電機成本，被廣泛地應用到各種不同類型的機械裝置當中，有效地提高了機械裝置的經(jīng)濟性能。鋁制潛油電機主要考慮將潛游電機的繞組與鼠籠條更換為鋁制材料，從而達到降低成本的目的。

1　潛油電機材料成本分析

1.1潛油電機結構

潛油電機的工作原理與三相異步電動機的工作原理基本相同，只是其結構與工作環(huán)境有一定的特殊性。首先，潛油電機屬于井下裝置，一般工作在油井下幾千米深的地方，通過其驅動，使螺桿泵旋轉工作，將井下原油被提升到地面。這種特殊的工作環(huán)境決定了潛油電機具有特殊的結構特點，由于油井直徑的限制，潛油電機只能制作成細長結構，屬于一種立式工作的三相異步電動機，而為了加工方便以及在旋轉時不至于產(chǎn)生較大的偏心，潛油電機定轉子一般采用分段式結構，各定子段之間用非磁性材料進行連接，各轉子段之間安裝扶正軸承確保其不偏心，定轉子之間充滿專用潤滑油，其具體結構如圖1所示。

圖1　潛油電機結構示意圖Fig.1Schematic diagram of submersible motor structure

1.2潛油電機成本明細

以一臺43 kW的潛油電機為研究對象，對現(xiàn)有產(chǎn)品進行成本分析，其主要成本比例如表1所示。

表1　43kW的潛油電機主要成本比例Table 1Main cost ratio of 43 kW submersible motor

根據(jù)上表可以發(fā)現(xiàn)，影響潛油電機成本的主要因素有銅片、定子鋼片、電機軸、電機殼、電磁線以及轉子總成等，其中電磁線與籠型轉子成本大約占電機整體成本的15%左右，是鋁制潛油電機降低成本的有效途徑之一。其余部件對潛油電機成本也會產(chǎn)生影響，但其材料很難進行改進，比如電機軸、電機殼是在保證強度要求的基礎上進行選取的；定子鋼片一般都是根據(jù)不同硅鋼片性價比綜合選取的等等。

2　鋁制潛油電機性能研究與分析

根據(jù)以上關于潛油電機成本明細的分析，主要針對潛油電機繞組與鼠籠條進行鋁制電機的性能研究與分析。

2.1鋁線繞組

傳統(tǒng)的潛油電機一般采用漆包銅線作為電機的繞組，但隨著漆包銅線的價格不斷上漲，電機制造成本不斷增加，考慮將價格便宜、性能比銅線略差的鋁線用做電機繞組，必然會降低電機成本。但是使用鋁線也會帶來一定的問題。

（1）溫升的影響。用鋁線做電機繞組，在保證其原有尺寸不變的情況下，由于鋁的電阻率高，將會導致溫升增加，嚴重的話可能會影響到電機的壽命。

（2）壽命的影響。鋁的耐腐蝕性能較差，尤其是井下這種高溫環(huán)境下，會生成三氧化二鋁，因此要對裸露的鋁線或接頭處進行嚴密封裝，以減少電蝕及氧化對其壽命的影響。另外，鋁線機械強度較軟，漆皮的附著力相比不如銅線，裝機時需要注意嚴禁嚴扁和刮傷。

（3）槽滿率的影響。利用鋁線來代替銅線時，如果想要得到和銅線是相同的溫升，其線徑需要選擇合理，一般比銅線直徑增大20%～30%，在不改變潛油電機操行尺寸的前提下，勢必會造成下線的困難，接頭處容易出現(xiàn)問題，但也可利用AMP壓接端子連接以減少接頭處的問題。另外，鋁線容易斷，韌性不強，下線時應多注意避免折斷。

（4）效率的影響。如果僅僅是采用原來的尺寸，電機的效率必然會受到一定的影響，但如果能利用更大的線徑和更多的匝數(shù)也可得到同樣的效率，另外，也可通過增加鐵芯長的方式來彌補。

以上四點從定性的角度分析了鋁線繞組可能對潛油電機產(chǎn)生的影響，下面以一臺43 kW潛游電機為例來具體說明在更換為鋁線繞組后對其性能的影響。

潛油電機徑向尺寸由于受到井口的限制，一般很難對其進行改變，同時為保證制造工藝的可行性，在不改變定子槽型和槽滿率的情況下，單純將定子銅繞組換為定子鋁繞組，通過電磁計算可以得到變化前后的性能參數(shù)如表2所示。

表2　潛油電機定子銅、鋁繞組性能比較Table 2Performance comparison of copper and aluminum coil for submersible motor

由表2可以看出，在保持原有尺寸的基礎上，各項性能參數(shù)均有一定下降，但下降比例均很小，根據(jù)天津貴金屬交易所2014年7月8日現(xiàn)貨銅與現(xiàn)貨鋁的報價，現(xiàn)貨銅為43 974元·t-1，而現(xiàn)貨鋁僅為11 838元·t-1，電機的材料成本可有效降低，故在電機性能滿足要求的情況下，可采用鋁線繞組直接代替。

同時，在采用鋁線繞組的時候，除了需要考慮其性能指標變化之外，還要考慮溫升的影響，故需要進行溫度校核。在保持原有尺寸的基礎上，即不同材料時所需體積相同，假定定子繞組由銅線換為鋁線時產(chǎn)生的熱量不變，根據(jù)溫升的計算公式VT=Q/cm可知，鋁繞組相對銅繞組的溫升大小主要取決于兩種材料的比熱容及密度，即：

其中：CCu、CAl—銅與鋁的比熱容，J·kg-1·℃-1；

ρCu、ρAl—銅與鋁的密度，kg·m-3；

由上式可以看出，在保持原有尺寸及發(fā)熱量不變的基礎上，鋁繞組的溫升大致是銅繞組溫升的1.46倍，但實際情況下由于鋁繞組的電阻率大于銅繞組，其會產(chǎn)生更多的熱量，所以，鋁繞組的溫升起碼是銅繞組溫升的1.46倍以上。一般潛油電機采用的是B級絕緣，限值工作溫度為130℃，故在采用鋁制繞組時，需要適當增加絕緣等級。

2.2鑄鋁鼠籠

潛油電機的轉子普遍設計成鼠籠結構，轉子的籠型繞組實質上是一個自閉合的繞組，它由籠條和兩端的環(huán)形端環(huán)構成，傳統(tǒng)的潛油電機為保證質量的可靠性，一般采用銅條插入轉子槽內，再在兩端焊上端環(huán)的結構。但由于近年來銅價的不斷上升，為了節(jié)約電機成本，考慮將銅條鼠籠用鑄鋁鼠籠來進行替換，在保持其他參數(shù)均不發(fā)生變化的情況下，銅條鼠籠和鑄鋁鼠籠的性能參數(shù)如表3所示。

表3　潛油電機銅條鼠籠和鑄鋁鼠籠性能比較Table 3Performance comparison of submersible motor copper bar cage and cast aluminum squirrel cage

由表3可以看出，鑄鋁鼠籠的潛油電機性能上并沒有較銅條鼠籠的潛油電機下降太多。同樣，對兩種情況的成本進行分析計算，如表4所示。

表4　潛油電機銅條鼠籠和鑄鋁鼠籠價格比較Table 4Price comparison of submersible motor copper bar cage and cast aluminum squirrel cage

由表4可以看出，鋁條鼠籠成本遠遠低于銅條鼠籠電機成本。但鑄鋁轉子的質量也會有所下降，最突出的表現(xiàn)就是轉子內部存在的氣孔的問題，其次就是轉子內部的籠條細條、斷條、夾渣以及端環(huán)部分的縮孔、冷裂、熱烈、缺肉等。這些問題的產(chǎn)生，最終導致整機的電氣性能下降、轉速不夠、效率降低。

3　結論

針對潛油電機特點，在分析其主要成本的基礎上，對鋁制潛油電機的性能進行分析和研究。全文主要針對鋁制繞組與鑄鋁鼠籠兩方面進行研究，定性分析出鋁制電機對電機性能的影響，并通過對一臺43 kW型潛油電機的計算，得出在采用鋁制繞組和鑄鋁鼠籠情況下，電機效率、功率因數(shù)、最大轉矩倍數(shù)、啟動轉矩倍數(shù)、啟動電流倍數(shù)以及轉差率等主要性能參數(shù)的變化情況。為日后進一步分析鋁制潛油電機提供了依據(jù)。

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Performance Research and Analysis on Aluminum Submersible Motor

Wang Dongxin1，Yang Jinlong2，Shi Jianfei1，Zhang Fujun1
（1.College of Information and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319; 2.Hongwei Thermal Power Plant of Daqing Oilfield Power Group）

Abstract:With the development of electrical submersible pump units in the oil field，the production cost had become a major issue that all manufacturers had to consider.The article researched on the application of aluminium motor in the submersible motor on the basis of development and application of aluminum motor.Using 43 kW submersible motor as example，the main performance parameters of the aluminum windings and cast aluminum squirrel cage was obtained on the basis of the main cost breakdown.

Key words：submersible motor;aluminium windings;cast aluminum squirrel cage

中圖分類號：S141

文獻標識碼：A

文章編號：1002-2090（2016）01-0080-04

doi:10.3969/j.issn.1002-2090.2016.01.018

收稿日期：2015-01-22

基金項目：黑龍江省教育廳科學技術研究項目（12541590）；黑龍江八一農(nóng)墾大學“校內培育課題資助計劃”（XZR2014-13）。

作者簡介：汪東欣（1986-），男，講師，哈爾濱理工大學畢業(yè)，現(xiàn)主要從事電機方面的教學與研究工作。