张東星

（贵州装备制造职业学院，贵州 贵阳551400）

现阶段，中国经济正处于经济飞速发展期，石油也成了急缺的资源，然而各大油田都已经或即将步入高含水的中后期，潜油电泵采油作为目前国内外各大油田的主要采油方式，是石油稳产高产的重要保证。然而传统采油系统所用的电机为异步潜油电机，大多都处于较低的功率因数下运行，尤其在异常工况时系统的运行效率更低，因此如何改善潜油电机的性能以提高运行效率，是潜油电机未来发展的一个重要方向。

由于永磁同步电机具有诸多的优点，且已在交通、医疗等多个领域得到广泛应用。因此，永磁潜油电机的研制就具有一定的科研应用价值。

本文就永磁潜油电机和传统异步潜油电机的性能做对比分析，并通过分析国内外永磁潜油电机的研究现状及应用中存在的问题，提出相应解决办法，为永磁潜油电机的进一步研发与应用提供理论参考。

1 两种潜油电机的对比分析

传统的异步潜油电机为立式悬挂结构，其定子、转子为等长度多级串联式，并且定子与转子间充满着电机油，起润滑、散热、绝缘作用。而永磁潜油电机是在异步潜油电机的基本结构特点的基础上尽量利用已有的配件，从而保证原有的加工工艺、原材料等基本不变，它们最大的差别就是转子结构的变化，即永磁潜油电机转子开二极永磁体镶嵌槽，镶嵌永磁磁条，压装工艺与成型工艺不变。

由于永磁同步电机与异步电机的原理不同，因而在运行性能上有所差别，主要表现在：调速范围宽，且转速不随负载变化；系统过载能力强、稳定性高；超前的功率因数，有利于供电电网的功率因数优化；运行电流低，能耗低。某油田常用电泵机组在配套了两种电机时的运行数据对比如表1所示，可以看出，永磁潜油电机具有明显的节能效果，平均节能可达20%。

通过以上对比分析可知，由于永磁潜油电机拥有着优良的性能特点，不但可以大幅度降低用电量，并且对高温、稠油井尤其适用，因而值得在国内外采油系统中规模化推广应用。

表1 两种电机的节能效果对比

2 永磁潜油电机国内外发展现状

目前，国外研究开发永磁潜油电机的历史可以追溯到2000年，由RITEK JSC 公司设计研发的用于驱动潜油离心泵采油的调速范围为1500～3600 r/min 的永磁潜油电机以及直驱螺杆泵的低速大扭矩永磁潜油电机。Borets 公司也研制了高速四极永磁潜油电机和低速十极永磁潜油电机，该电机的最大特点是转子永磁体是内置径向式的结构。Novomet公司设计了四极和十四极两种结构的永磁潜油电机，其特点是针对电机运行中的振动问题，优化并改进了电机的转子结构和扶正轴承。

而国内对于永磁潜油电机的研究也取得了一定的成果，其中哈尔滨工业大学是最早开展相关研究工作的单位，郑砥中团队设计了一种内置式结构的永磁潜油电机，利用有限元分析了该电机的相关磁场数值，并计算了相关的电机参数，同时也针对电机的起动进行了仿真分析，然而并没有相关样机试验与应用的研究报告。而后又设计并试制了一台面贴式永磁潜油电机的样机，并搭建了温度测试实验平台，但是由于电机在测试中出现故障，因而没能测得电机的稳态温度值等相关数据。

除此之外，国内的其他科研院校也进行了相关的研发设计，如沈阳工业大学研制了永磁体内置径向式和永磁体内置切向式的两种永磁潜油电机；中国石油大学的科研团队也试制了一台12 极36 槽整数槽绕组的样机，相关试验的运行结果表现良好；浙江大学的钱庆镳教授团队也进行了相关研究并发明了一些相关的实用专利。虽然该技术的相关研究已经有了很多成果，但是离大规模的推广使用还有一定的距离，因为永磁潜油电机自身还有许多亟待解决的问题。

3 存在的问题及解决办法

由于永磁同步电机本身较电励磁同步电机及异步电机在原理上就有较多的难点，而且潜油电机的结构又不同于一般的电机，当应用于潜油电机采油系统中时则某些问题会更加突出。虽然国内外相关学者在永磁潜油电机的研发与应用方面取得了一定的成果，但针对相关问题的设计方法及实际应用运行状况的报道少之又少，因此要真正实现潜油电机的永磁化，进而大面积取代异步潜油电机，应从以下两个方面展开深入研究。

3.1 自起动问题

由于一般永磁同步电机均不能自启动，需借助变频电源以低频启动，这是开发设计永磁潜油电机的难点之一。而潜油电机通常情况下总是带负载直接起动，因此需要在起动过程中有着足够大的起动转矩和牵入同步转矩，而牵入同步转矩的大小决定着能否把电机牵入同步运行，从而实现潜油电机永磁化的价值。因此通过对电机起动时的机械特性曲线分析可知，为了获得好的起动性能，可以提高额定电压或调整定子绕组结构，如减少每项匝数；选用矩形深槽以增强肌肤效应，减少漏抗；并对转子的电阻及永磁体用量进行合理的设计。

3.2 永磁体的热稳定性、化学稳定性问题

由于潜油电泵机组工作在1000～3000 m 的深井中，并且处于高温、高腐蚀性的恶劣环境中，其工作温度一般都高于90 ℃，再加上电机的温升问题，那么电机很容易发生退磁现象，甚至产生不可逆的退磁。另外电机中始终会有部分井液通过密封保护器泄漏进入，其腐蚀性物质也会严重影响磁性能，从而导致电机可能无法正常稳定运行。因此有必要研究永磁潜油电机在油井下的发热和散热的机理问题，求解永磁潜油电机的电磁场模型，进行必要的数值模拟，并对井下运行系统进行仿真分析，以对电机性能作出更好的把握与预测，根据实际试验数据及工作环境设计合理的电机参数及结构是解决问题的关键。

4 结语

本文从结构类型、性能特点、试验应用等方面对永磁潜油电机和异步潜油电机做了对比分析，指出了永磁潜油电机的优势所在，尤其是在节能方面值得在油田系统中推广应用；分析了国内外永磁潜油电机的发展现状，提出了潜油电机在实现永磁化的开发应用过程中所需要深入研究的问题，并给出了一些相应的解决措施，为永磁潜油电机的进一步研发及应用提供了一些理论参考。