1、 - 1 - 常州纺织服装职业技术学院继续教育学院 毕业论文 （ 10 届） 题 目 :同步电机螺杆泵地面装置设计 姓 名 : 王 帅 系 别 : 机电一体化 专业班级 ： 10数机大专班 指导教师 : 张翠芬 完成时间 : 2014年 5 月 1 日 - 2 - 摘 要 ： 椐目 前的实际应用及有关资料显示，螺杆泵的应用范围很广，它的特点是流量平稳、压力脉动小、有自吸能力、噪声低、效率高、寿命长、体积小、工作可靠。突出的优点是输送介质时不形成涡流、可输送粘度范围宽广的各种介质，既可以输送各种粘度的润滑性或腐蚀性介质，也可以输送各种粘度的非牛顿液体，还可以气液混输、固液混输。它广泛应用于海上平
2、台工程、石油化工、航运、电力、机械液压系统、食品、造纸、制糖、军工和污水处理等工业部门。本篇文章主要从螺杆泵在石油化工方面的用途进行研究设计。 螺杆泵专用同歩电动机是一种立式工作的三相 动机，它采 用定转子分段的细长结构，各定子段之间轴向用非磁性材料连接，有扶正轴承，定转子之间充满专用润滑油，转子上则镶嵌有体。 文章根据螺杆泵专用同步电动机的特殊结构研究了其定转子分段、内充润滑油的特点对电机设计及性能的影响。 经过分析电 机采用 36槽 10 极结构，定子绕组采用了分数槽绕组；由于此种电机主要尺寸比范围较大，定子内径不易确定，本文给出了简单可行的确定电机定子内径法。分析了温度对螺杆泵专用同步电
3、动机的性能影响：通过研究分析得出螺杆泵专用同步电动机的端部漏抗随转子段数增加的变化规律，并得到计算公式；给出了螺杆泵专用 同步电动机机械损耗的简便计算方法；文章给出了体的选择方法和体的放置方式 ;并利用 Matlab 编制了螺杆泵专用同步电动机的电磁计算程序， 得出样机的性能 参数：利用 Ansoft对样机进行了仿真，得出了气隙磁密、反电势等波形，并仿真得出了隔磁桥宽度对电机性能的影响。 关键词 ： 同步电动机 螺杆泵 Matlab Ansoft - 3 - 目 录 摘 要 . - 2 - 目 录 . - 3 - 绪 论 . - 4 - 1.1 课题来源 . - 4 - 1.2 选题依据 .
4、- 4 - 1.3 课题意义 . - 5 - 1.5 本课题研究的内容 . - 5 - 第二章 螺杆泵同步电动机的结构和设计特点 . - 7 - 2 螺杆泵专用同歩电动机的设计特点 . - 9 - 第三章 螺杆泵专用同步电动机设计 . - 12 - 3.1 电磁负荷的确定 . - 12 - 3.2 主要尺寸的确定 . - 12 - 3.3 气息和定子 槽型的确定： . - 14 - 第四章 螺杆泵专用同步电动机实验结果 . - 16 - 4.1 螺杆泵专用同步电动机的实验 . - 16 - 4.2 实验数据与设计值和原异步螺杆泵电动机的对比 . - 20 - 表 4.4 样机试验数据与计算机数
5、据对照表 . - 20 - 致 谢 . - 21 - 参考文献 . - 21 - 附录 1 电路原理图 . - 22 - - 4 - 同步电机螺杆泵地面装置设计 绪论 1.1 课题来源 本课题来源于河南科技大学自考本科毕业论文设计要求，现行的螺杆泵电动机为三相异步电动机，由于异步电动机转速较高，且自身存在的一些弱点（如转差等 ， 使其运行效率较低。而同步电动机的性能则明显优于异步电动机。为了适应社会需求，本课题进行同步电动机驱动螺杆泵地面装置设计。 1.2 选题依据 在目前的机械采油方式中，使用较多的是有杆泵采油系统 。随 着我国石油工业的发展，定向井、水平井等新技术的应用，难动用含砂 井、稠
6、油井逐渐增多，给现在使用有杆抽油泵的油井带来了较多的问题。特别是有杆抽油设备在稠油重负荷井中，经常会造成光杆下行困难等；在含沙井 中，还会出现砂卡。 螺杆泵是一种井下大排量举升 油 无杆采油设备，是油田一种重要的机械采油设备。 我国采用螺杆泵实践证明，螺杆泵具有结构简单、效率高、抽油量大、 维护保养简单方便、占地面积小、 容易实现自动控制等特点，已经成为我国油田稳产、高产和获得更好经济效益的采油设备。目前，我国各油田在用螺杆泵数量已超过刀 此为保证螺杆泵电机具有一定的负载 能力，使其有足够的输出功率只能靠增加电机的长度。普通电动机定子铁心长径比一般为 1左右，而嫘杆 电机的定子铁心长径比为 5
7、0左右，甚至更高。 2定转子分析：螺杆泵电机细长的结构特点，决定了必须加强转子的支撑，为保证螺杆泵电机转子运转的可靠性并考虑到制造细长整体转子的困难，以及电机气隙均匀、定转子不会摩擦，螺杆泵电机转子采用多支点的径向支承，支承点就是扶正轴承。整个转了 -由多节相同的小转子串联组成，每节转子就是一个小电机，每两节之间放置扶正轴承。每节转 子的长度取决于转轴的挠度。 螺杆泵电机的定子铁心也具有分节的特点，由磁性材料硅钢片和非磁性的铜片交替叠压而成，并压入细长的机壳内。根据转子节和扶正轴承的长度，每叠压 一 段硅钢片后，叠压一段铜片，作为扶正轴承支承处的无磁性区域。组装时，转子的转子节与定子的定子铁心
8、硅钢片段是平齐的，整个螺杆泵电机是由数个相同的小同步电动机串联而组成的。 3特殊的油路循环系统 :螺杆泵电机长期工作于油井中，环境温度高， 转子采用多点径向支承，径向支承大多位于定、转子之间，轴承空隙很小，因此螺杆泵电机各部分的散热和润滑- 9 - 就显得十分必 要和重要。必须加强各部件的冷却和润滑。所以螺杆泵电机中设计了一个特殊的油路，以对它进行冷却和润滑。 （ 1）油路循环系统的组成 :油路循环系统主要有循环动力源、油道、流体介质等组成。在最初的螺杆泵电机设计中，油路循环系统的循环动力源是由设置在上部或下部与转轴固定在一起的特殊的打油叶轮提供的。随着螺杆泵电 的更新换代，到上世纪 80年代
9、，其动力源是由上部改进后的止推轴承提环的油道是由转轴的空心腔、径向轴孔及气隙等连通而成的；其流体介质是 特殊 的螺杆泵电机润滑油，这种润滑油不仅要具有一定的粘度，还得具有较高的绝缘强度等级。 （ 2）油路循环过程 :螺杆泵电机正常运 行时，密封在 电机内部的润滑油随着转子带动止推轴承的动块旋转，将气隙中的电机润滑油强引通过转轴的径向油孔压入转轴的空心腔内，再从其上端出口流回 到气隙中去， 这样：气隙一转轴的轴孔一转轴的上端出口一气隙，形成了油路循 环的闭合回路。循环的不间断往复，不但润滑了电机内部的各种运动部件， 同时又把电机内部大量 的热量通过电机的两端及定子铁心传给机壳散到油井的井液中去了
10、，实现了润滑和冷却的双重目的。 螺杆泵的串联运行：由于电机的细长结构，要整体制造大功率的螺杆泵，其长度是可想而知的，不但给电机的有关部件（如转轴、机壳）的制造带来工艺上难以实现的闲难，而且给安装、运输带来很多不便，所以大功率的螺杆泵电机是由相同规格的两台或是多台功率相同或不同的螺杆泵电机串联来实现的。定子绕组之间的连接多采用插入式连接方法，轴与轴之间则采用花键套连接，首尾的连接则采用法兰连接。 2.2 螺杆泵专用同歩电动机的设计特点 螺杆泵电机连续工作在数千米深的井下，环境比较恶劣，具有高温、高压和腐蚀性等特点，对电机的正常工作影响很大。 目前，我国生产的螺杆泵电机一般采用 F 级绝缘，其最高
11、容许温度为 155 ，适合在温度为 50 100 的井下工作。由于螺杆泵电机在结构和使用方面具有以上特点，故在电磁设计方面也有其特殊性口。 2.2.1 整体与单段电机的关系 从结构和原理上看，整台螺杆泵电机相当于一组同轴的多台小同步电动机，我们将这些结构形状、尺寸以及性能完全相同的电动机，称为单段电机。各单段电机定子绕组间以串联方式联接。由于电机长细比很大，故可忽略绕组端部对电机的影响。这样，由多个单段电机构成的整体电机与单段电机之间存在着以下关系： （ 1） 整体 电机额定功率为所有单段电机额定功率之和。 （ 2）整体电机与单段电机的额定电流相同，而整体电机额定电段电机额定电压之和。 （ 3
12、）整体电机电参数标么值及主要性能指标 (如效率、最大转矩倍数、及温升等 ) 与单段电机相同。 由此可见，只要使单段电机性能最佳， 则整体电机性能然最佳。 所以，设计螺杆泵电机时可从设计单段电机着手，这样做不仅给设计工作带来方便，而且可由此单段电机派生出多种规格的螺杆泵电机，以满足不同油井的需要。 2.2.2 主要尺寸与参数、性能的关系 与一定规格油井套管配套使用的螺杆泵电机，其机壳外径尺寸基本上 是一个定值，而与其相应的定子铁心外径尺寸也基本上为定值。设计螺杆泵电机时， 如选择相同的气 隙磁通密度 B4和电流密度 J，则大体上有如下关系： (1）电机功率 P 与长度 L 成正比，即 P L；
13、（ 2）电机有效材料的重量 G成本 C 及电机损耗 P与长度 L 成正比，即 G C P L,而单位功率的有效材料重量 G/P成本 C/P 及损耗 P/P与长度 L 无关。 (3)当电枢直径 D1 和绕组每相串联匝数 N 定时，则电机的定子电阻 R，直轴 X。 和交轴电抗 Xq 和漏抗 Xs 均 与长度 L 成正比，即 Rs Xd Xq Xs L，通常取 Zn=Un/In为阻抗基值， Zn L，故电机电阻、交、直轴电抗和漏抗的表么值与长度 L 无关。 4因参数决定性能，故在上述条件下，螺杆泵电机的主要性能指标也与长度 L 无关。 2. 2. 3 端部漏抗计算 电机绕组端部漏抗是相应于绕组端部匝
14、链的漏磁场的电抗。电机绕组端部形状十分复杂，并且随着绕组型式不同而有较大的差别，其邻近金属构件对漏磁场的分布影响很大，而构件本身又- 10 - 随电机形式的不同而异，因此准确计算电机端部漏抗的比漏磁导是比较困难的。大多是在前人研究经验公式的基础上进行校正。 端部漏抗的计算最早是由 P.L.Alger 提出的： 将电机的两端部合二为一即（设想把铁心移走 ，再把整个端区电流代之以两个等效电流（轴向与周向），分别计算由该两电流激发的磁场和相应的电抗一轴向电流分量激发的像有效部分气隙的旋转磁场， 感应了电势电抗；而把两端的两周向电流看作是两根平行的输电线，再根据电工基础中有关概念导出电抗，最后进行叠加
15、的简化，其系 试验的统计平均值。 螺杆泵电机由于结构的特殊性 .定子绕组端部漏磁场应分为两大部分： 常规端部绕组匝链的漏磁场，即普通电机端部绕组空间漏磁场；隔磁段部分穿过定子铜片的绕组匝链的漏磁场。分别求解之后对其进行累加得到 螺杆泵电机定子端部漏抗值。 对于第一部分 ，定 子端部漏抗可以采用中小型三相异步电动机电磁计算程序进行计算。螺杆泵电机定子段与段之间是用非磁性材料铜片）隔开的，从磁路的角度看，整个定子可把各段叠加而求得，铁心的有效长应等于总轴长度减掉因隔磁段而引起的损失宽度，即： Ief=L-nv1bv1+2 其中， L为总定子铁芯长； nv1 为定子隔磁段数； bv1 隔磁段损失宽度
16、； 为单 边气隙长。本文如无特殊说明，变量单位均为国际标准单位。线圈端部轴向投影长为 : Fd=LesinA0 (2.2) 其中， sinA0=(b1+b2)/(b1+b2+b3) (2.3) CosA0=（ 1- sinA02） 1/2 （ 2.4） Le=t1/2 cosA0 (2.5) T1=（ D1+2h3+b1/2+h12） 2p (2.6) =y/mq (2.7) 其中， b1 为定子齿数， p 为电机极对数， D1 为电机定子内径， y 为跨距， m 为相数， q 为每级 每相槽数，其他各参数如图 2.4 所示： 图 2.4 定子槽尺寸 由于样机的绕组为双层叠绕组 则定子端部漏抗为： Xe1=1.2(d+0.5f4)Cx/ l ef (2.8) 其中 Cx=4pfu0lef(Kdp1N)2 /p (2.9)
