馮靜（大慶油田有限責任公司第三采油廠）

1998年由美國馬格納福斯提出了一種全新的渦流式磁力耦合器，可以對離心式風機泵實現(xiàn)調(diào)速功能，人們稱其為磁力耦合器[1]。

2007年國內(nèi)引進了美國磁力耦合裝置，在水泵和風機調(diào)速改造上得到良好的應(yīng)用。它具有壽命高、節(jié)能、對電網(wǎng)沖擊小、對泵軸和電動機軸的沖擊小等優(yōu)勢，成為中國節(jié)能事業(yè)中的一個重要領(lǐng)域。

1 現(xiàn)狀

大慶油田在進入三次采油階段時期，自主創(chuàng)新了三元復(fù)合驅(qū)采油技術(shù)。試驗表明該技術(shù)可比聚驅(qū)提高采收率10%，比水驅(qū)提高采收率20%以上，是大慶持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)保障。游梁式抽油機是三元復(fù)合驅(qū)采油技術(shù)中重要的設(shè)備，但在實際生產(chǎn)過程中，游梁式抽油機電動機存在幾個問題：電動機啟動時，轉(zhuǎn)動慣量大，帶載啟動，啟動力矩大，需要很大的啟動功率；電動機用電功率因數(shù)低，效率低；抽油機工作載荷呈周期性變化，對機械系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊載荷，影響電動機壽命。為了解決這些問題，降低電動機裝機功率，結(jié)合永磁耦合器原理，需研發(fā)適用于游梁式抽油機的新型磁力耦合器[2-3]。

2 工作原理及創(chuàng)新點

2.1 工作原理

磁力耦合器是由兩個獨立的，沒有任何接觸的轉(zhuǎn)體組成，這兩個轉(zhuǎn)體之間有一定的空氣間隙。其中一個帶銅盤的鋼制轉(zhuǎn)動體與電動機輸出端聯(lián)結(jié)（稱為導(dǎo)體轉(zhuǎn)子），另一個帶永磁材料的鋁制轉(zhuǎn)動體與負載輸入端聯(lián)結(jié)（稱為永磁轉(zhuǎn)子）。電動機轉(zhuǎn)動過程中，導(dǎo)磁體通過切割永磁體的磁力線產(chǎn)生的磁感應(yīng)力[4]，實現(xiàn)電動機與負載之間的扭矩傳遞。

當導(dǎo)體轉(zhuǎn)子隨電動機軸旋轉(zhuǎn)時，與電動機同步轉(zhuǎn)速，此時導(dǎo)體轉(zhuǎn)子的銅導(dǎo)體切割磁力線，從而形成渦電流。渦電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場[5]與永磁轉(zhuǎn)子固有磁場相互作用，傳遞扭矩，從而帶動永磁轉(zhuǎn)子同向旋轉(zhuǎn)，磁力耦合器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 磁力耦合器結(jié)構(gòu)

磁力耦合器與抽油機皮帶連接，位于井口裝置后側(cè)。結(jié)構(gòu)上導(dǎo)體轉(zhuǎn)子的銅導(dǎo)體內(nèi)圈與永磁轉(zhuǎn)子的外圈徑向正投影，但不接觸，二者之間設(shè)計出一定的間隙，此間隙也被稱為“氣隙”，因此實現(xiàn)了電動機與負載由原來的硬（機械）連接變?yōu)檐洠ㄈ嵝裕┻B接。同時，隨著負載的變化，永磁轉(zhuǎn)子和導(dǎo)體轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速會發(fā)生變化，二者之間的轉(zhuǎn)速差稱為“滑差”，這也是磁力耦合器的“柔性”所在。

2.2 技術(shù)創(chuàng)新難點的解決途徑

1）利用磁場作用傳遞轉(zhuǎn)矩，電動機與負載之間軟連接，可實現(xiàn)抽油機的柔性啟動；抽油機原有的皮帶連接結(jié)構(gòu)為動力機供給動力，經(jīng)減速器將動力機的高速轉(zhuǎn)動變?yōu)槌橛蜋C曲柄低速轉(zhuǎn)動，并由曲柄-連桿-游梁機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)槌橛蜋C驢頭的上、下往復(fù)運動，經(jīng)懸繩器總成帶動深井泵工作。利用磁渦流感應(yīng)耦合的軟連接取代傳統(tǒng)的機械硬連接，實現(xiàn)了負載柔性啟動。

2）運行過程中可根據(jù)負載特性自動調(diào)整滑差，以適應(yīng)負載扭矩；在安裝于電動機軸一側(cè)的永磁轉(zhuǎn)子和安裝于負載軸一側(cè)的導(dǎo)體傳子直接耦合的環(huán)形氣隙中，采用可以調(diào)節(jié)位置的磁屏蔽式套筒來調(diào)節(jié)永磁轉(zhuǎn)子和導(dǎo)體轉(zhuǎn)子之間的磁耦合強度來實現(xiàn)對負載扭矩進行調(diào)整的裝置。

3）緩沖上下沖程換向過程對電動機的沖擊，提高電動機運行穩(wěn)定性能，延長電動機使用壽命[6-7]。

4）可以降低電動機裝機功率，實現(xiàn)節(jié)能10%～30%?？墒闺妱訖C降檔使用，降低電動機裝機功率，提高電動機功率因數(shù)，將原來的5型抽油機的電動機額定功率由22 kW可以改變?yōu)槭褂?.5 kW的磁力耦合器，可大幅度的實現(xiàn)節(jié)能的目的。

3 現(xiàn)場試驗

在大慶油田某采油廠5型抽油機上原來功率分別為45 kW和22 kW的電動機上安裝試驗了30 kW和7.5 kW的磁力耦合器，電動機均實現(xiàn)了降檔使用。節(jié)能改造至今抽油機和磁力耦合器工作狀態(tài)穩(wěn)定，運轉(zhuǎn)良好。該裝置現(xiàn)場安裝情況見圖2，現(xiàn)場僅需換下原來皮帶輪，直接安裝永磁耦合器即可，不改變原安裝基礎(chǔ)，不改變原參數(shù)，不改變原運行維護方式，不增加任何電氣附件[8]。

圖2 現(xiàn)場安裝情況

從游梁式抽油機電動機節(jié)能及改善抽油機運行工況的角度出發(fā)，在調(diào)速永磁渦流技術(shù)基礎(chǔ)上，研制了磁力耦合器，并將其引入到電動機對抽油機的驅(qū)動環(huán)節(jié)[9-10]。在某采油廠選擇抽油機A井、B井應(yīng)用磁力耦合器進行現(xiàn)場試驗，試驗數(shù)據(jù)見表1。通過3169鉗形電能分析儀、秒表、電磁流量計和水分測量儀，分別測試得出有功功率、無功功率、沖次、產(chǎn)液量和含水率。

表1 試驗數(shù)據(jù)

A井有功節(jié)電率為9.84%，無功節(jié)電率為56.11%，綜合節(jié)電率為12.11%；B井有功節(jié)電率為27.82%，無功節(jié)電率為22.28%，綜合節(jié)電率為27.62%，A井日節(jié)電130.788 kWh，B井日節(jié)電145.833 kWh，節(jié)能效果良好。

4 結(jié)論

1）安裝簡便，故障率低，可靠性高，壽命長。加裝磁力耦合器后，利用磁渦流感應(yīng)耦合的軟連接取代傳統(tǒng)的機械硬連接，實現(xiàn)負載柔性啟動機組啟動力矩降低，從而縮短了電動機啟動時間，降低了電動機啟動電流和對電網(wǎng)的沖擊，緩沖負載的沖擊振動，提高傳動系統(tǒng)的使用壽命。

2）可使電動機降檔使用，降低電動機裝機功率，提高電動機功率因數(shù)，可達到10%以上的節(jié)能率。