張俊斌 金顥 秦世利 滕達(dá) 單彥魁 劉佳 孫雙

摘要：針對(duì)潛油電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，提出一種改進(jìn)的基于基因鏈編碼方式的自適應(yīng)遺傳算法，對(duì)外徑為143 mm系列的大功率潛油電機(jī)進(jìn)行電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)建立潛油電機(jī)的熱網(wǎng)絡(luò)模型，推導(dǎo)出傳導(dǎo)熱阻、對(duì)流熱阻、接觸熱阻3種等效熱阻的計(jì)算公式，得出潛油電機(jī)各部分溫升計(jì)算結(jié)果。根據(jù)優(yōu)化后的電磁方案，并對(duì)潛油電機(jī)本體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，研制出高性能大功率的143G型潛油電機(jī)。經(jīng)過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)，電機(jī)主要性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并且使電機(jī)單位長(zhǎng)度輸出功率提高了20%。

關(guān)鍵詞：潛油電機(jī)； 優(yōu)化設(shè)計(jì)；基因鏈編碼；遺傳算法；熱網(wǎng)絡(luò)模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TE933.302? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.03.004

Abstract：For the optimization design of the submersible motor， an improved adaptive genetic algorithm based on gene-chain coding was proposed to optimize the electromagnetic performance of the 143 mm series submersible motor. By establishing the thermal network model of the submersible motor， the calculation methods of three equivalent thermal resistances， namely conduction thermal resistance， convection thermal resistance， and contact thermal resistance were concluded. Based on the optimized electromagnetic scheme and further optimization of the structure， a new generation of high-performance and high-power 143G submersible motor was developed. During the prototype test， the main performance indicators of the motor reached the international advanced level， and the motor's output power per unit length greatly increased by 20%.

Key words：submersible motor; optimized design; gene-chain coding; genetic algorithm; thermal network model

潛油電機(jī)是潛油電泵機(jī)組的重要組成部分，通常是三相異步鼠籠式電動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)為細(xì)長(zhǎng)型。單節(jié)電機(jī)最長(zhǎng)可達(dá)10 m，可采用2～3節(jié)的串聯(lián)形式以輸出更大動(dòng)力，靠井液流經(jīng)電機(jī)外殼體循環(huán)散熱。GB/T 16750—2015《潛油電泵機(jī)組》確定了常用潛油電機(jī)的系列。按電機(jī)最大外徑區(qū)分，潛油電機(jī)主要有95、114、138、143、188等系列。其中，143系列在大功率潛油電機(jī)中占比應(yīng)用最高，適用于177.8 mm（7英寸）及以上套管。國(guó)內(nèi)的潛油電機(jī)產(chǎn)品在最大輸出功率和性能指標(biāo)上跟國(guó)外先進(jìn)電泵產(chǎn)品相比還有差距。國(guó)外同規(guī)格的先進(jìn)潛油電機(jī)產(chǎn)品的最大功率一般大于國(guó)產(chǎn)電機(jī)20%。

電磁和本體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是潛油電機(jī)研究領(lǐng)域的前沿技術(shù)。目前，電磁優(yōu)化的研究方向集中于運(yùn)用遺傳算法、蟻群算法等，得出電磁方案最優(yōu)解。結(jié)構(gòu)優(yōu)化集中于電機(jī)的通用性和可靠性設(shè)計(jì)。

本文以143系列得潛油電機(jī)電磁和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)為研究目的，提出一種改進(jìn)的基于基因鏈編碼方式的自適應(yīng)遺傳算法，開(kāi)發(fā)全新高性能大功率潛油電機(jī)產(chǎn)品，增強(qiáng)其競(jìng)爭(zhēng)力。

1 潛油電機(jī)電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 潛油電機(jī)電磁計(jì)算特殊性

潛油電機(jī)電磁計(jì)算基本過(guò)程可參照普通異步電機(jī)，也是包括主尺寸確立、磁路計(jì)算、參數(shù)計(jì)算、運(yùn)行性能計(jì)算、啟動(dòng)性能計(jì)算等步驟，通過(guò)循環(huán)迭代計(jì)算得出可用的電磁方案，具體見(jiàn)文獻(xiàn)［1］。

潛油電機(jī)與常規(guī)三相異步電機(jī)相比，電磁計(jì)算有其特殊之處，由于電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵芯分節(jié)，因此端部漏抗計(jì)算公式需要修正。電機(jī)內(nèi)部充滿(mǎn)潤(rùn)滑油，有獨(dú)立的上下往復(fù)油路循環(huán)系統(tǒng)，因此需要對(duì)電機(jī)油摩損耗進(jìn)行計(jì)算，還需考慮轉(zhuǎn)子槽集膚效應(yīng)對(duì)電機(jī)啟動(dòng)性能造成的影響。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)潛油電機(jī)的電磁計(jì)算方法的特殊性有了一定深入的研究。文獻(xiàn)［2］對(duì)潛油電機(jī)基本電磁計(jì)算過(guò)程進(jìn)行了研究；

文獻(xiàn)［3-6］對(duì)潛油電機(jī)的機(jī)械損耗算法及隔磁段的漏抗算法、渦流損耗算法進(jìn)行了理論研究。由于潛油電機(jī)的電磁計(jì)算過(guò)程異常復(fù)雜，且有特殊之處，常規(guī)的電磁計(jì)算過(guò)程不能充分考慮潛油電機(jī)電磁計(jì)算的特殊性，需要修正常規(guī)計(jì)算的結(jié)果。并且要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電磁參數(shù)智能優(yōu)化設(shè)計(jì)，運(yùn)用專(zhuān)家知識(shí)進(jìn)行分析、判斷和處理。

遺傳算法GA（Genetic Algorithms）是一種近年來(lái)被認(rèn)為具有廣泛先進(jìn)性的自適應(yīng)性隨機(jī)搜索方法，其根本思想是模擬自然界“優(yōu)勝劣汰，適者生存”現(xiàn)象［7-8］。

傳統(tǒng)的遺傳算法采用一維染色體編碼法，當(dāng)原始群體N規(guī)模較大時(shí)，可獲得分布于整個(gè)空間的個(gè)體，對(duì)全局尋優(yōu)有利，缺點(diǎn)是使群體平均素質(zhì)降低，尋優(yōu)效率不高［9-10］。本文采用基于基因鏈編碼方式構(gòu)成原始解群，可以很好地抑制奇點(diǎn)，提高群體整體素質(zhì)，并具有優(yōu)異的全局尋優(yōu)功能，提高傳統(tǒng)編碼方式的尋優(yōu)效率。

自適應(yīng)遺傳算法是一種常規(guī)遺傳算法的改進(jìn)算法，通過(guò)對(duì)選擇算子、交叉算子和變異算子進(jìn)行修正，可以增加高適應(yīng)度個(gè)體生存概率，加快搜索過(guò)程［11-12］。

本文提出一種改進(jìn)的基于基因鏈編碼方式的自適應(yīng)遺傳算法的潛油電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行電磁計(jì)算。充分考慮了潛油電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算的特殊性，端部漏抗計(jì)算采用曲線(xiàn)插值法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的公式法。在進(jìn)行轉(zhuǎn)子槽集膚效應(yīng)計(jì)算時(shí)，將轉(zhuǎn)子槽銅條截面看作是多層矩形截面導(dǎo)體并聯(lián)，確定電抗減小系數(shù)與電阻增加系數(shù)，并且優(yōu)化了機(jī)械損耗和雜散損耗等關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算方法。

1.2 基因鏈編碼自適應(yīng)遺傳算法原理及實(shí)現(xiàn)

本文采用基因鏈編碼自適應(yīng)遺傳算法進(jìn)行潛油電機(jī)的電磁參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1）? ?步驟1。染色體編碼方式采用二進(jìn)制基因鏈編碼。

遺傳算法問(wèn)題的解向量采用二進(jìn)制代碼的基因鏈形式。基因鏈字鏈位數(shù)：設(shè)第k個(gè)設(shè)計(jì)變量xk的離散精度為xda，編碼時(shí)相應(yīng)二進(jìn)制基因子鏈位數(shù)S為：

5）? ?步驟5。以國(guó)內(nèi)電泵公司一款單節(jié)YQY143-210型電機(jī)為例，采用改進(jìn)的自適應(yīng)遺傳算法，編寫(xiě)計(jì)算程序，對(duì)基礎(chǔ)電磁方案進(jìn)行優(yōu)化。據(jù)此設(shè)計(jì)143G型潛油電機(jī)，使電機(jī)單位長(zhǎng)度輸出功率提高20%，單節(jié)最大功率252 kW。143系列潛油電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)前后參數(shù)如表1。

6）? 步驟6。根據(jù)優(yōu)化后方案計(jì)算143G型高性能電機(jī)主要性能指標(biāo)參數(shù)，并與常規(guī)143系列電機(jī)電磁計(jì)算結(jié)果作對(duì)比，如表2。

由表2可知，143G型電機(jī)的效率、功率因數(shù)、最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)及單位長(zhǎng)度輸出功率均優(yōu)于國(guó)產(chǎn)常規(guī)143電機(jī)，且最大輸出功率、效率、功率因數(shù)等不低于國(guó)外先進(jìn)電泵產(chǎn)品的指標(biāo)。

2 熱網(wǎng)絡(luò)法分析潛油電機(jī)溫升

143G型電機(jī)設(shè)計(jì)的耐溫等級(jí)應(yīng)為180 ℃。電磁計(jì)算完成后，用熱網(wǎng)絡(luò)法對(duì)143G型電機(jī)進(jìn)行溫升計(jì)算。潛油電機(jī)熱量傳導(dǎo)的物理情況十分復(fù)雜，加上制造工藝的影響，導(dǎo)致電機(jī)的溫度計(jì)算困難，具體見(jiàn)文獻(xiàn)［13-14］。潛油電機(jī)中損耗產(chǎn)生的熱量通過(guò)等效熱阻進(jìn)行傳遞，傳熱方式主要為發(fā)熱體內(nèi)部傳導(dǎo)散熱，通過(guò)與流體發(fā)生對(duì)流散熱及與其他材料接觸散熱，即傳導(dǎo)熱阻，對(duì)流熱阻，接觸熱阻3種等效熱阻。

2.1 傳導(dǎo)熱阻計(jì)算

取潛油電機(jī)中的一段建立熱網(wǎng)絡(luò)模型，為得到更加精確的數(shù)據(jù)，將機(jī)殼、定子軛部、定子齒部、定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)子鐵心分別取結(jié)點(diǎn)。在潛油電機(jī)內(nèi)部，油隙對(duì)電機(jī)散熱影響較大，徑向和軸向均取結(jié)點(diǎn)，各結(jié)點(diǎn)之間以三角形網(wǎng)絡(luò)方式傳熱。熱模型中的熱阻由于不同的傳熱方式，計(jì)算方法有所不同，主要包括傳導(dǎo)熱阻、對(duì)流熱阻、接觸熱阻3種等效熱阻。最后求解電機(jī)內(nèi)熱源，并確立邊界條件后，針對(duì)每一結(jié)點(diǎn)的熱平衡方程，可通過(guò)求解矩陣網(wǎng)絡(luò)公式得到電機(jī)熱模型的每一結(jié)點(diǎn)溫度，從而求得電機(jī)整體的溫度分布。

傳導(dǎo)熱阻如圖2所示，1～4節(jié)點(diǎn)之間的熱阻為機(jī)殼傳導(dǎo)熱阻，5～6節(jié)點(diǎn)之間熱阻為定子軛部傳導(dǎo)熱阻，7～8節(jié)點(diǎn)之間的熱阻為定子繞組傳導(dǎo)熱阻，9～10節(jié)點(diǎn)之間熱阻為定子齒部的傳導(dǎo)熱阻，11～17節(jié)點(diǎn)之間熱阻為油隙的傳導(dǎo)熱阻，18～19節(jié)點(diǎn)之間的熱阻為轉(zhuǎn)子鐵心傳導(dǎo)熱阻，20～21節(jié)點(diǎn)之間的熱阻為轉(zhuǎn)子繞組的傳導(dǎo)熱阻，22～25節(jié)點(diǎn)之間熱阻為電機(jī)軸的傳導(dǎo)熱阻，26～27、28～29節(jié)點(diǎn)之間熱阻為隔磁段的傳導(dǎo)熱阻，30～31、32～33節(jié)點(diǎn)之間熱阻為扶正軸承的傳導(dǎo)熱阻。

設(shè)置井下工作邊界條件為：井溫150 ℃，電機(jī)外殼井液流速取GB/T 16750—2015 《潛油電泵機(jī)組》規(guī)定最低值0.3 m/s。根據(jù)熱網(wǎng)絡(luò)模型編寫(xiě)潛油電機(jī)溫升計(jì)算程序。計(jì)算結(jié)果如圖3。

計(jì)算得到電機(jī)定子繞組平均溫度為175.11 ℃， 則電機(jī)定子繞組溫升=175.11-150=25.11 ℃，符合潛油電機(jī)溫升一般不超過(guò)30 ℃的經(jīng)驗(yàn)值，且電機(jī)定轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、氣隙等各部分平均溫度不超過(guò)180 ℃的電機(jī)最高耐溫等級(jí)，電機(jī)溫升合理。

3 潛油電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 潛油電機(jī)通用性設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)143型電機(jī)的單節(jié)、上下節(jié)的軸不能通用，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子總成件不能通用。新型143G電機(jī)單節(jié)、上下節(jié)軸兩端均有連接花鍵，可作為單節(jié)、上下節(jié)軸，具有互換。重新計(jì)算軸殼、接頭等零部件的長(zhǎng)度，使得定轉(zhuǎn)子總成件能夠通用，提高了舊件的利用率?？傮w結(jié)構(gòu)如圖4。

3.2 潛油電機(jī)可靠性設(shè)計(jì)

143G型潛油電機(jī)采用自鎖式扶正軸承。扶正軸承兩側(cè)用彈簧片限位在電機(jī)定子內(nèi)腔沖片的鍵槽里，優(yōu)點(diǎn)是可以避免傳統(tǒng)的橡膠T環(huán)結(jié)構(gòu)在高溫下膨脹不均勻，造成電機(jī)定轉(zhuǎn)子對(duì)中性不好的問(wèn)題，可以減少機(jī)組振動(dòng)，提高可靠性。電機(jī)轉(zhuǎn)子采用單節(jié)轉(zhuǎn)子限位結(jié)構(gòu)，每節(jié)轉(zhuǎn)子尾部配1個(gè)限位卡環(huán)。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是每節(jié)轉(zhuǎn)子的預(yù)留膨脹空間充分，避免了高溫下電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向膨脹量逐級(jí)累加造成定轉(zhuǎn)子對(duì)位不準(zhǔn)的問(wèn)題，如圖5。

4 電機(jī)的生產(chǎn)與試驗(yàn)

目前世界上對(duì)潛油電機(jī)電磁參數(shù)的智能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究大多處于理論探索階段［15］，工程樣機(jī)的制造應(yīng)用成功案例并不多。本課題依托企業(yè)的工程技術(shù)條件，成功完成了樣機(jī)的生產(chǎn)與試驗(yàn)。

143G型電機(jī)完成電磁和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，于2022-01制造完成了1節(jié)252 kW的樣機(jī)，并按GB/T 16750—2015《潛油電泵機(jī)組》的要求做了電機(jī)的室內(nèi)型式試驗(yàn)，如圖6。

型式試驗(yàn)項(xiàng)目包括：超速試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)定額定效率、功率因數(shù)、最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)、額定轉(zhuǎn)速等，具體試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)要求見(jiàn)文獻(xiàn)［16］。樣機(jī)型式試驗(yàn)結(jié)果如表3。

由表3可見(jiàn)，143G型電機(jī)的室內(nèi)型式試驗(yàn)結(jié)果完全滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)的要求，且與表2的電磁計(jì)算結(jié)果非常接近。

根據(jù)電機(jī)試驗(yàn)結(jié)果繪制電機(jī)工作特性曲線(xiàn)，如圖7。

由圖7可知，電機(jī)的輸入功率、定子電流、電機(jī)效率、功率因數(shù)與電機(jī)輸出功率的函數(shù)關(guān)系曲線(xiàn)符合常規(guī)的三相異步潛油電機(jī)工作特性的變化規(guī)律。

5 結(jié)論

1） 基于基因鏈編碼方式的自適應(yīng)遺傳算法，通過(guò)電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研制了YQY143G型高性能大功率潛油電機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和有效性，可以定型生產(chǎn)。

2） 相比國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的143系列潛油電機(jī)產(chǎn)品，143G型電機(jī)的單位長(zhǎng)度輸出功率提高20%，效率、功率因數(shù)、最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、最大電流倍數(shù)等主要性能指標(biāo)均有所提高，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

3） 本文的研究方法可以擴(kuò)展到其它系列電機(jī)產(chǎn)品，對(duì)提高我國(guó)潛油電機(jī)整體設(shè)計(jì)水平，增強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 傅豐禮，唐孝鎬．異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2007：57-60.

［2］ 徐永明．潛油電機(jī)的設(shè)計(jì)研究及其CAD軟件開(kāi)發(fā)［D］．哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2005．

［3］ 孟慶偉，孟大偉．潛油電機(jī)隔磁段渦流損耗的計(jì)算［J］．電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2006，10（2）：143-146．

［4］ Xu Yong-ming， Meng Da-wei， Wen Jia-bin. The Optimal Design for the Compound Motor with Double Speeds［C］//2010 IEEE International Conference on Intelligent Computing and Intelligent Systems （ICIS 2010）， Xiamen， Nov. 18-20， 2010， pp： 22-25.

［5］ Smdov? R A．Protecting? submersible? eletric motors from operation with anincomplete set of phases［J］．Russian Electrical Engineering，2002，73（5）：71-75．

［6］ 徐永明．潛油電機(jī)機(jī)械損耗及隔磁段電磁參數(shù)計(jì)算分析［D］．哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2008．

［7］ 陳國(guó)良， 王煦法， 莊鎮(zhèn)泉．遺傳算法及其應(yīng)用［M］. 北京：人民郵電出版社， 2001．

［8］ MAN K F，TANG K S，KWONG S. Genetic algorithms：concepts and applications［J］.IEEE Trans.Industry ELectronics， 1996， 43（5）：519-533．

［9］ 孫立志，張弓，趙紅茹，等．遺傳算法在永磁電機(jī)氣隙磁場(chǎng)中的應(yīng)用［J］．哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，32（1）：71-74．

［10］ KRISHNAKNMAR. Micro-genetic algorithm for stationary and non-Stationary function optimization［C］ //SPIE Inteleigent Control and Adaptive Systems， 1989： 289 - 296.

［11］ HOLLAND J. Adaptation in natural and artificial systems［M］.In Yovits： Self-Organizing Systems， 1962.

［12］ 于力.基于遺傳算法的中小型同步電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］. 長(zhǎng)沙： 湖南大學(xué)， 2007．

［13］ 楊雪.基于等效熱網(wǎng)絡(luò)法的潛油電機(jī)溫度計(jì)算［D］．哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2014.

［14］ 蔣治國(guó)． 潛油電機(jī)分段處電磁-熱-力耦合特性研究［D］．哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2015．

［15］ LIU Wenbiao， CAO Yangjie， ZHANG Yuan， et al. Parameters optimization of synchronous induction coilgun based on ant colony algorithm［J］. IEEE Transactions on Plasma， 2011， 39（1）： 100-104．

［16］ 全國(guó)石油鉆采設(shè)備和工具標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)．潛油電泵機(jī)組： GB/T 16750—2015 ［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016：23-34．