潜油螺杆泵驱动电机设计与热分析

论文摘要

随着油田开采的不断深入,传统的游梁式采油系统已经难以适应油田开采中后期复杂的井况,而由异步电机驱动的潜油螺杆泵采油系统因电机转速较高,难以适应高粘度油和高含砂油等复杂井况。所以,研究开发低转速、大扭矩、高效节能的潜油螺杆泵永磁同步电机具有重要意义。潜油螺杆泵永磁同步电机是一种立式的悬垂电机,它采用定、转子分段的细长结构,各段定子铁心之间用隔磁段铜片隔开,各段转子之间用扶正滑动轴承支撑,转子上贴有永磁体,定、转子间装有润滑油。针对潜油电机的结构特点,本文提出了两种电机总体结构方案,并对两种方案进行了对比分析,从而确定电机的总体结构方案。根据总体结构方案,对电机的定子、转子、上下接头和止推轴承等零部件进行了基本结构设计。鉴于潜油电机定、转子分段的细长特点,本文利用ANSYS有限元软件对电机转轴进行了模态分析,计算电机转轴在稳态运行过程中的固有频率和振型,从而确定电机转轴工作过程中可能发生共振的转速区域。单边磁拉力易对潜油电机转轴的挠度产生较大影响,本文对电机单节转子的单边磁拉力进行了计算,并通过有限元静力学分析法对电机转轴在单边磁拉力作用下的变形进行了分析。潜油电机运行过程中内部的发热和散热过程比较复杂。本文对电机在井温70 oC时稳态运行过程中的绕组损耗、铁心损耗和机械损耗进行了计算,通过流体力学知识确定了电机稳态运行过程中各表面的传热系数,建立了电机二维、三维稳态温度场模型,对电机稳态温度场进行了计算,并与理论计算值进行了对比分析。通过表面传热系数和绝缘材料对电机温度变化影响的分析,掌握电机的散热情况。最后,将潜油电机和螺杆泵、控制器等连接在一起搭建潜油电机地面损耗和温度测试实验平台,并利用地面损耗和温度测试实验测得的数据及ANSYS有限元软件对潜油电机进行了暂态温度场分析,将分析结果与实验数据进行了对比,以掌握电机从起动到稳态运行过程中的发热和散热情况。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 潜油螺杆泵采油系统简介
• 1.3 潜油电机国内外发展现状
• 1.4 电机温度场国内外研究现状
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 潜油电机基本结构设计及动力学仿真
• 2.1 引言
• 2.2 潜油螺杆泵异步电机简介
• 2.3 潜油电机基本结构设计
• 2.3.1 潜油电机总体结构方案
• 2.3.2 潜油电机定子基本结构设计
• 2.3.3 潜油电机转子基本结构设计
• 2.3.4 潜油电机上、下接头和止推轴承基本结构设计
• 2.4 潜油电机转子系统动力学仿真
• 2.4.1 模态分析原理与电机振动分析
• 2.4.2 ANSYS 模态分析方法简介
• 2.4.3 电机转轴模态分析
• 2.5 单边磁拉力对潜油电机的影响
• 2.6 本章小结
• 第3章 潜油电机温度场有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 传热学基本定律
• 3.2.1 热传递的基本方式
• 3.2.2 导热微分方程和边界条件
• 3.3 潜油电机损耗的计算
• 3.3.1 绕组损耗
• 3.3.2 铁心损耗
• 3.3.3 机械损耗
• 3.4 潜油电机材料的导热系数及表面传热系数
• 3.4.1 电机材料的导热系数
• 3.4.2 电机各部分的表面传热系数
• 3.5 潜油电机二维稳态温度场分析
• 3.5.1 求解区域和基本假设
• 3.5.2 二维稳态温度场分析的数学模型和边界条件
• 3.5.3 二维稳态温度场的分析结果
• 3.6 潜油电机定子三维稳态温度场分析
• 3.6.1 求解区域和基本假设
• 3.6.2 定子三维稳态温度场分析的数学模型和边界条件
• 3.6.3 定子三维稳态温度场的分析结果
• 3.6.4 潜油电机温度场分布的影响因素
• 3.7 本章小结
• 第4章 潜油电机地面温度测试实验
• 4.1 引言
• 4.2 潜油电机温度测试实验
• 4.2.1 潜油电机损耗测试
• 4.2.2 潜油电机温度测试
• 4.3 潜油电机暂态温度场计算
• 4.3.1 热源的确定
• 4.3.2 相关系数的确定.
• 4.3.3 暂态温度场分析结果
• 4.4 潜油电机温度测试实验与有限元分析的对比
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢