1、特種電機(jī)及控制課程研究報(bào)告題目如：關(guān)于面裝式永磁伺服電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩問(wèn)題2016/2017學(xué)年 第 二 學(xué)期課程名稱 特種電機(jī)及控制 學(xué)生姓名 黃鑫 班級(jí)學(xué)號(hào) 1601班201610103 導(dǎo)師姓名 安躍軍教授 任課教師 安躍軍教授 第一章 緒論11.1課題背景11.2 課題意義11.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀21.3.1 潛油電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀21.3.2 永磁潛油電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀31.3.2 高溫潛油電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀4第二章 潛油電機(jī)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)特點(diǎn)52.1 潛油電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)52.2 潛油電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)62.3 潛油電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)72.3.1 整體與單段電機(jī)的關(guān)系72.3.2 主要尺寸與參數(shù)、性能的關(guān)系8

2、2.4 潛油電機(jī)損耗的計(jì)算82.4.1 繞組損耗82.4.2 鐵心損耗92.4.3 機(jī)械損耗102.4.4 雜散損耗10第三章 電機(jī)材料的高溫特性113.1 金屬導(dǎo)電材料的高溫特性113.2 磁性材料的高溫特性123.2.1 磁性材料的居里溫度123.2.2 電機(jī)導(dǎo)磁材料的高溫特性123.2.3永磁材料的高溫性能13第一章 緒論1.1課題背景隨著石油工業(yè)的發(fā)展，石油鉆井技術(shù)也得以進(jìn)步和發(fā)展，更多的深井、超深井（6000m以上）、高溫（170-190）油井也投入開(kāi)發(fā)，并且越來(lái)越多的采用潛油電泵生產(chǎn)1。例如，勝利油田樁西古潛山油藏，位于濟(jì)陽(yáng)坳陷沾化凹陷東部，油藏埋藏深在3500-4500 m以下。

3、單井產(chǎn)量普遍較低，井底溫度高，一般在150-180。油井深（3500-4500m），溫度高。井底溫度對(duì)于潛油電泵，潛油電機(jī)的材料、性能要求是非常嚴(yán)格的。在高溫條件下，普通潛油電機(jī)絕緣性能下降，容易擊穿燒毀。潛油電泵機(jī)組使用壽命普遍較短，從統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)中可以看出電氣故障占70%。綜合分析主要原因是在高溫下電泵機(jī)組的電氣性能急劇下降，故障率升高，最終導(dǎo)致頻繁故障2。通用的潛油電機(jī)是異步電動(dòng)機(jī)，效率和功率因數(shù)都比較低，耗電量大，導(dǎo)致油田電費(fèi)支出龐大。同時(shí)，其通常為兩極簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速較高。現(xiàn)有的高溫下的潛油電機(jī)也基本上均是三相異步電動(dòng)機(jī)。這種高溫的工作環(huán)境，對(duì)電機(jī)的絕緣強(qiáng)度和電機(jī)材料的導(dǎo)電導(dǎo)磁性能均有著

4、巨大的影響，進(jìn)而影響著電機(jī)的各相運(yùn)行性能3。目前，針對(duì)高溫潛油電機(jī)的研究，主要集中在電機(jī)的耐高溫能力與減少電機(jī)的溫升兩個(gè)方面，如：高溫電機(jī)絕緣強(qiáng)度的優(yōu)化以提高耐高溫能力，機(jī)械結(jié)構(gòu)配合與潤(rùn)滑的優(yōu)化設(shè)計(jì)以減少機(jī)械損耗、分析溫升的最高點(diǎn)以有針對(duì)性的加強(qiáng)絕緣優(yōu)化等4。而針對(duì)高溫潛油電機(jī)性能變化的分析研究較少。當(dāng)下，在高溫潛油電機(jī)的設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，亦是主要考慮絕緣強(qiáng)度和溫升兩個(gè)主要因素，對(duì)高溫電機(jī)的實(shí)際使用，采用的方法主要是降低功率使用的方法。而這種使用方法不能有效的發(fā)揮電機(jī)的性能而達(dá)到物盡其用。1.2 課題意義異步起動(dòng)永磁潛油電機(jī)與三相感應(yīng)潛油電機(jī)相比有很多優(yōu)勢(shì)。不僅能減少噪聲污染、改善電網(wǎng)質(zhì)量，更重

5、要的是節(jié)能。異步起動(dòng)永磁潛油電機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)如下5：1.效率高 異步起動(dòng)永磁潛油電機(jī)因沒(méi)有轉(zhuǎn)差損耗、轉(zhuǎn)子損耗以及勵(lì)磁損耗，其效率比同規(guī)格的感應(yīng)潛油電機(jī)要高出7%-10%。2.功率因數(shù)高 異步起動(dòng)永磁潛油電機(jī)的功率因數(shù)高出同規(guī)格容量感應(yīng)潛油電機(jī)的10%左右。由于功率因數(shù)高可以改善電網(wǎng)性能。3.改善供電電纜性能 異步起動(dòng)永磁潛油電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)不由勵(lì)磁電流供給，而主要由電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體提供，所以可減少總供電電流，供電電纜性能得以改善。4.運(yùn)行穩(wěn)定性高 感應(yīng)潛油電動(dòng)機(jī)有轉(zhuǎn)差率，由于潛油電機(jī)具有分段結(jié)構(gòu)，各分段轉(zhuǎn)子的最佳工作點(diǎn)轉(zhuǎn)差率不同，造成過(guò)載單元出現(xiàn)故障，最后整臺(tái)潛油電機(jī)將會(huì)報(bào)廢。但異步起動(dòng)永磁潛油

6、電機(jī)工作狀態(tài)中其穩(wěn)定性明顯優(yōu)于感應(yīng)式潛油電機(jī)，由于供給的電源頻率保持不變，其轉(zhuǎn)速不會(huì)隨負(fù)載變化而波動(dòng)，各轉(zhuǎn)子單元轉(zhuǎn)速一致，所受力矩也一樣。異步起動(dòng)永磁潛油電動(dòng)機(jī)的同步性能使得其比三相感應(yīng)潛油電機(jī)要容易控制，其過(guò)載能力比相應(yīng)的感應(yīng)潛油電機(jī)更強(qiáng)。5.節(jié)約空間資源 由于異步起動(dòng)永磁潛油電機(jī)采用了高性能的永磁材料，要比同極數(shù)、同容量的感應(yīng)潛油電機(jī)的重量和體積減小10%左右。能減少了異步起動(dòng)永磁潛油電機(jī)的占地面積，減輕了機(jī)械結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)。1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1 潛油電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀潛油電機(jī)是潛油電泵系統(tǒng)中最為重要的組成部分，它帶動(dòng)電泵抽取地下原油，為整個(gè)系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，同時(shí)也是設(shè)計(jì)要求中最高的一

7、部分。隨著潛油螺桿泵的大量投產(chǎn)，與其相關(guān)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)越來(lái)越得到重視，潛油電機(jī)也逐漸發(fā)展起來(lái)6-10。潛油電機(jī)是由A.S艾路托諾夫提出并首先制造的。1926年應(yīng)用到油田當(dāng)中，之后，潛油電機(jī)的技術(shù)不斷完善，在全球得到了廣泛的應(yīng)用。目前潛油電機(jī)的發(fā)展方向主要分為兩個(gè)方面：一是永磁化，二是變頻化。永磁同步潛油電機(jī)具有較高效率，并且電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，同時(shí)可以改善電網(wǎng)的供電水平，而不足則是永磁同步潛油電機(jī)不具有自起動(dòng)能力，但是如果采用變頻器供電，利用變頻起動(dòng)，可以完全克服這一缺點(diǎn)。同時(shí)，在正常運(yùn)行時(shí)，還可以根據(jù)井下的狀況來(lái)調(diào)整變頻器的輸出頻率，進(jìn)而調(diào)整永磁同步潛油電機(jī)的運(yùn)行速度，這樣可以使電機(jī)始終工作在較為適

8、宜的條件下，減少了機(jī)組的磨損，從而延長(zhǎng)其工作時(shí)間。1.3.2 永磁潛油電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀永磁潛油電機(jī)主要包括驅(qū)動(dòng)離心泵的高速潛油永磁同步電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)螺桿泵的低速潛油永磁同步電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)方式包括變頻起動(dòng)和異步起動(dòng)兩種。國(guó)外潛油永磁同步電機(jī)開(kāi)發(fā)主要在俄羅斯，而有成熟產(chǎn)品并且在世界各地油田應(yīng)用的主要是俄羅斯的RITEK JSC、Borets、Novomet三家公司11-14。1990年，俄羅斯利用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)潛油泵進(jìn)行采油；2000年，俄羅斯專家開(kāi)始研究設(shè)計(jì)永磁潛油同步電機(jī)；2001年，俄羅斯RITEK-ITC公司開(kāi)發(fā)出世界第一臺(tái)永磁潛油同步電機(jī)，其調(diào)速范圍為15003600 r/min，主要用于驅(qū)動(dòng)潛油

9、離心泵或加齒輪減速器驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油，同轉(zhuǎn)速下功率密度為三相異步電機(jī)兩倍，工作有效長(zhǎng)度減少一半，便于井下安裝作業(yè)；同年，RITEK-ITC公司開(kāi)發(fā)了轉(zhuǎn)速為100500 r/min直接驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油的低速大扭矩永磁潛油同步電動(dòng)機(jī)15；2002年，RITEK-ITC公司生產(chǎn)的潛油永磁同步電機(jī)開(kāi)始裝備到油井上進(jìn)行采油作業(yè)。2006年，俄羅斯Borets公司開(kāi)始研發(fā)永磁潛油同步電機(jī)，分別研發(fā)了驅(qū)動(dòng)電潛離心泵用高速潛油永磁同步電機(jī)（4極）和驅(qū)動(dòng)螺桿泵用低速潛油永磁同步電機(jī)（10極）16，轉(zhuǎn)子、定子鐵心均為硅鋼片疊壓而成，采用永磁體內(nèi)置式，漏磁系數(shù)小、轉(zhuǎn)軸上不需要采取隔磁措施、極弧系數(shù)易于控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)

10、子機(jī)械強(qiáng)度高，且安裝永磁體后轉(zhuǎn)子不易變形。Novomet公司也開(kāi)發(fā)出了高速和低速兩種永磁潛油同步電機(jī)。Schlum berger公司在蒸汽輔助重力泄油的井中安裝了450多臺(tái)RedaHotline型耐高溫電潛泵系統(tǒng)17，其井筒溫度高達(dá)218（425）。隨著新型電機(jī)保護(hù)器的伸縮式金屬膨脹室、耐高溫軸承、橡膠和電纜系統(tǒng)（據(jù)2008年5月世界石油介紹）的研制，RedaHotline系統(tǒng)的運(yùn)行壽命已達(dá)4.5年。Baker Hughes舉升中心研制出耐超高溫電潛泵系統(tǒng)，采液溫度可達(dá)250（482），所使用的電機(jī)為450SP ESP型，其額定功率為540 hp。為達(dá)到該目標(biāo)，買進(jìn)了一臺(tái)新一代的加熱裝置，對(duì)電

11、潛泵進(jìn)行試驗(yàn)，使接近水平定位的采液溫度高達(dá)300 （572）。電潛泵部件的超高溫度礦場(chǎng)試驗(yàn)計(jì)劃在2009年的第二個(gè)季度進(jìn)行。舉升中心研制的超高溫電潛泵系統(tǒng)的采液溫度可達(dá)250（482）。國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)的鄭砥中等在1996年設(shè)計(jì)了潛油永磁同步電機(jī)18-20。設(shè)計(jì)了額定轉(zhuǎn)速300 r/min的9槽8極潛油永磁同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子采用永磁體表貼式結(jié)構(gòu)。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)與勝利油田泵業(yè)有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了潛油螺桿泵專用稀土永磁同步電機(jī)21。采用10極36槽分?jǐn)?shù)槽繞組，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為永磁體內(nèi)置徑向式，同時(shí)轉(zhuǎn)子上裝有起動(dòng)繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的異步起動(dòng)功能；沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)與大慶油田有限責(zé)任公司合作開(kāi)發(fā)了直驅(qū)螺桿泵用潛油永磁同步電

12、機(jī)22-23，采用8極24槽整數(shù)槽繞組，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為永磁體內(nèi)置切向式，轉(zhuǎn)子上未安裝起動(dòng)繞組，需變頻起動(dòng)。1.3.2 高溫潛油電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于高溫環(huán)境下電機(jī)使用的研究大多是從電機(jī)的耐高溫能力和高溫安全性的角度出發(fā)，如高溫電機(jī)的絕緣強(qiáng)度選擇、絕緣材料的修改、電機(jī)的機(jī)械連接結(jié)構(gòu)、軸承潤(rùn)滑、連接線的焊接等。通過(guò)查閱相關(guān)外文文獻(xiàn)獲悉，在美國(guó)、德國(guó)、俄羅斯等幾個(gè)潛油電機(jī)技術(shù)最先進(jìn)的國(guó)家中，對(duì)于潛油電機(jī)的研究，主要針對(duì)的是電機(jī)設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法標(biāo)準(zhǔn)相一致，而對(duì)電機(jī)在高溫環(huán)境下的研究分析較少24-28。實(shí)際工程中對(duì)高溫環(huán)境下使用的電機(jī)，基本上采用提高絕緣強(qiáng)度、降低電機(jī)容量的方法。在高溫環(huán)境下，對(duì)于潛

13、油電機(jī)的研究主要集中在對(duì)電機(jī)絕緣強(qiáng)度的選擇、軸承等部件的抗損壞處理、軸承潤(rùn)滑劑材料的使用以及高溫環(huán)境下潛油電機(jī)易損壞的部位和注意事項(xiàng)等。我國(guó)自上個(gè)世紀(jì)六十年代開(kāi)始研究潛油電泵，到1981年開(kāi)始先后從美國(guó) ReDa、Centrilift、ODI 等潛油電泵制造商引進(jìn)成套潛油電泵采油設(shè)備，經(jīng)過(guò)近 30 年的消化吸收和自主研發(fā)，電泵行業(yè)完成了從引進(jìn)、消化到自主研制的發(fā)展歷程。與此同時(shí)，鑒于國(guó)內(nèi)潛油電泵應(yīng)用的實(shí)際情況，電泵企業(yè)在產(chǎn)品的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化研究方面，取得了很大成就，各大油田在潛油電泵的排量、揚(yáng)程和最大投影尺寸上，都形成了系列產(chǎn)品，逐步形成了具有中國(guó)特色的潛油電泵系列產(chǎn)品、技術(shù)和工藝。在

14、耐高溫潛油電機(jī)的研制方面，1992 年哈爾濱工業(yè)高等專科學(xué)校與大慶電動(dòng)潛油泵研究所共同研制了新型高溫潛油電動(dòng)機(jī)，該機(jī)與多級(jí)離心泵組成電動(dòng)潛油泵，潛入幾百米到幾千米深的油井中，能長(zhǎng)期、連續(xù)可靠地抽取井下原油或其它井液，井液溫度可達(dá) 9012029。2001 年，周海等人對(duì)潛油電機(jī)在高溫條件下絕緣材料老化的理論作了分析與研究并在此基礎(chǔ)上優(yōu)選潛油電機(jī)的絕緣材料，使其耐溫在 120150之間30。2004 年 7 月，梅思杰等人對(duì)潛油電泵機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)、組成和目前的發(fā)展方向作了系統(tǒng)詳細(xì)的闡述，對(duì)高溫情況下潛油電機(jī)的耐溫難題提出幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)和指導(dǎo)意見(jiàn)，有助于今后進(jìn)行此類研究。第二章 潛油電機(jī)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)特點(diǎn)

15、2.1 潛油電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)現(xiàn)行常用潛油螺桿泵機(jī)組的電動(dòng)機(jī)一般為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的兩極異步三相鼠籠式電動(dòng)機(jī)，潛油電機(jī)定子的外殼是鋼管，其內(nèi)部壓裝有由硅鋼片組成的長(zhǎng)度為0.32-0.45mm的定子鐵心。兩極定子繞組，通常制成各段共用。轉(zhuǎn)子也由多段組成，每一段的長(zhǎng)度與定子鐵心長(zhǎng)度一致。各段轉(zhuǎn)子之間裝有中間滑動(dòng)軸承，它支靠在定子的非磁性物上，以防止定子和轉(zhuǎn)子接觸。同時(shí)，改善電動(dòng)機(jī)的性能。潛油電機(jī)為密閉式，定子轉(zhuǎn)子的間隙間充滿電機(jī)油，起到絕緣、潤(rùn)滑、散熱作用。潛油電機(jī)主要由以下四部分組成31。定子：潛油電機(jī)的定子鐵心主要由硅鋼片和硅銅片組成。硅銅片按一定要求放置于兩節(jié)硅鋼片段之間；定子繞組采用單層疊繞組；機(jī)殼采

16、用有彈性的鋼質(zhì)合金的圓管精加工后成為一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的鋼筒，用以固定和支撐定子鐵心和連接上、下接頭。如圖2-1。1-定子鐵心；2-機(jī)殼；3-線圈端部圖2-1定子結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)子：永磁潛油電機(jī)轉(zhuǎn)子分節(jié)，由許多小的轉(zhuǎn)子節(jié)、扶正軸承和轉(zhuǎn)軸組成。各小節(jié)為獨(dú)立單元；扶正軸承由銅套（內(nèi)套）和鋼套（外套）兩部分構(gòu)成，用以在定子內(nèi)腔中支撐每節(jié)轉(zhuǎn)子，使其不與定子內(nèi)腔表面摩擦，保證定轉(zhuǎn)子之間氣隙均勻，提高電機(jī)的運(yùn)行可靠性。轉(zhuǎn)軸為空心，上按一定間隔開(kāi)有通至轉(zhuǎn)軸中心的空腔，用來(lái)潤(rùn)滑扶正軸承的內(nèi)外套，并作為潤(rùn)滑油的流道。如圖2-2。1-轉(zhuǎn)軸；2-端環(huán)；3-扶正軸承；4-鐵心圖2-2轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖上、下接頭：永磁潛油電機(jī)的上接頭又稱電機(jī)頭

17、，用來(lái)安裝止推軸承，限制轉(zhuǎn)子的軸向運(yùn)動(dòng)及引出電機(jī)定子繞組與電纜連接的引出線；下接頭主要用來(lái)密封電機(jī)的內(nèi)腔及連接星點(diǎn)或測(cè)試引出線。止推軸承：永磁潛油電機(jī)是一種立式懸垂電機(jī)，為了承受整個(gè)轉(zhuǎn)子的重量，使電機(jī)轉(zhuǎn)子在固定位置上正常工作，在電機(jī)的上接頭里安裝一個(gè)滑動(dòng)軸承，它除了承受轉(zhuǎn)子的重量外，還可以承受由于轉(zhuǎn)軸的偏置而產(chǎn)生的徑向拉力，這個(gè)軸承就稱止推軸承。1-扶正軸承銅套；2-扶正軸承鋼套圖2-3永磁潛油電機(jī)轉(zhuǎn)子扶正軸承結(jié)構(gòu)圖2.2 潛油電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)細(xì)而長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)：永磁潛油電機(jī)要下到套管內(nèi)徑為0.127-0.34m的油井內(nèi)驅(qū)動(dòng)潛油螺桿泵抽取原油，因而其外徑受到限制。當(dāng)電機(jī)的外徑確定后，其功率的大小將由電

18、機(jī)長(zhǎng)度來(lái)決定。因此為保證永磁潛油電機(jī)具有一定的負(fù)載能力，使其有足夠的輸出功率。只能增加電機(jī)的長(zhǎng)度。普通電動(dòng)機(jī)定子鐵心長(zhǎng)徑比一般為1左右，而潛油電機(jī)的定子鐵心長(zhǎng)徑比為50左右，甚至更高。定、轉(zhuǎn)子分節(jié)：由于永磁潛油電機(jī)細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定了必須加強(qiáng)轉(zhuǎn)子的支撐，為保證潛油螺桿泵電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性并還要考慮到制造細(xì)長(zhǎng)整體轉(zhuǎn)子的困難，以及電機(jī)氣隙均勻、定轉(zhuǎn)子不會(huì)摩擦，永磁潛油電機(jī)轉(zhuǎn)子采用多支點(diǎn)的徑向支承，支承點(diǎn)就是扶正軸承。每節(jié)轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度取決于轉(zhuǎn)軸的撓度。永磁潛油電機(jī)的定子鐵心也具有分節(jié)的特點(diǎn)，由磁性材料硅鋼片和非磁性的銅片交替疊壓而成，并疊壓入細(xì)長(zhǎng)的機(jī)殼內(nèi)。整個(gè)永磁潛油電機(jī)是由數(shù)個(gè)相同的小型永磁同步

19、電動(dòng)機(jī)串聯(lián)而組成的。特殊的油路循環(huán)系統(tǒng)：永磁潛油電機(jī)長(zhǎng)期工作于油井中，工作環(huán)境溫度高，轉(zhuǎn)子采用多點(diǎn)徑向支承，徑向支承大多位于定、轉(zhuǎn)子之間，軸承空隙很小，因此永磁潛油電機(jī)各部分的散熱和潤(rùn)滑就十分必要和重要。必須加強(qiáng)各部件的冷卻和潤(rùn)滑。所以永磁潛油電機(jī)中設(shè)計(jì)了一個(gè)特殊的油路，以對(duì)其進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑。油路循環(huán)過(guò)程：氣隙-轉(zhuǎn)軸的軸孔-轉(zhuǎn)軸的上端出口-氣隙，形成油路循環(huán)的閉合回路。循環(huán)的不間斷往復(fù)，不但潤(rùn)滑電機(jī)內(nèi)部的各種運(yùn)動(dòng)部件，同時(shí)又把電機(jī)內(nèi)部大量的熱量通過(guò)電機(jī)的兩端和定子鐵心傳給機(jī)殼散到油井的井液中，實(shí)現(xiàn)了潤(rùn)滑和冷卻的雙重目的。永磁潛油電機(jī)的串聯(lián)運(yùn)行：由于電機(jī)的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，要整體制造大功率的永磁潛油電機(jī)

20、，其長(zhǎng)度是非常長(zhǎng)的，不但給電機(jī)的有關(guān)部件（如轉(zhuǎn)軸、機(jī)殼）的制造帶來(lái)工藝上的困難，而且給安裝、運(yùn)輸帶來(lái)諸多不便，所以大功率的永磁潛油電機(jī)是由相同規(guī)格的兩臺(tái)或是多臺(tái)功率相同或不同的永磁潛油電機(jī)串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。定子繞組之間的連接多采用插入式連接方法，軸與軸之間則采用花鍵套連接，首尾的連接則采用法蘭連接。2.3 潛油電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)2.3.1 整體與單段電機(jī)的關(guān)系從結(jié)構(gòu)和原理上看，整臺(tái)永磁潛油電機(jī)相當(dāng)于一組同軸的多臺(tái)小同步永磁電動(dòng)機(jī)，將這些結(jié)構(gòu)形狀、尺寸以及性能完全相同的電動(dòng)機(jī)，稱為單段電機(jī)。各單段電機(jī)定子繞組間以串聯(lián)方式聯(lián)接。由于電機(jī)長(zhǎng)細(xì)比很大，故可忽略繞組端部對(duì)電機(jī)的影響。這樣，由多個(gè)單段電機(jī)構(gòu)成的整

21、體電機(jī)與單段電機(jī)之間存在著以下關(guān)系：（1）整體電機(jī)額定功率是所有單段電機(jī)額定功率之和。（2）整體電機(jī)和單段電機(jī)的額定電流相同，而整體電機(jī)的額定電壓為各單段電機(jī)額定電壓之和。（3）整體電機(jī)電參數(shù)標(biāo)么值及主要性能指標(biāo)（如效率、最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、及溫升等）與單段電機(jī)相同。由此可見(jiàn)，只要單段電機(jī)性能最佳，則整體電機(jī)性能一定最佳。所以，設(shè)計(jì)永磁潛油電機(jī)時(shí)可從設(shè)計(jì)單段電機(jī)入手，這樣做不僅給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)極大的方便，而且可由此單段電機(jī)可派生出多種規(guī)格的永磁潛油電機(jī)，以滿足不同油井的需要。2.3.2 主要尺寸與參數(shù)、性能的關(guān)系與一定規(guī)格油井套管配套使用的潛油電機(jī)，其機(jī)殼外徑尺寸基本上是一個(gè)定值，而與其相應(yīng)的定子鐵心

22、外徑尺寸也基本上為定值。設(shè)計(jì)永磁潛油電機(jī)時(shí)，如選擇相同的氣隙磁通密度和電流密度，則大體上有如下關(guān)系：（1）電機(jī)功率P與長(zhǎng)度L成正比，即。（2）電機(jī)有效材料的重量G、成本C及電機(jī)損耗與長(zhǎng)度L成正比，即而單位功率的有效材料重量、成本及損耗與長(zhǎng)度L無(wú)關(guān)。（3）當(dāng)電樞直徑Di和繞組每相串聯(lián)匝數(shù)N一定時(shí)，則電機(jī)的定子電阻Rs，直軸Xd，和交軸電抗Xq和漏抗Xs均與長(zhǎng)度L成正比，即，通常取為阻抗基值，故電機(jī)電阻、交、直軸電抗和漏抗的標(biāo)么值與長(zhǎng)度L無(wú)關(guān)。（4）因參數(shù)決定性能，故在上述條件下，永磁潛油電機(jī)的主要性能指標(biāo)也與L無(wú)關(guān)。2.4 潛油電機(jī)損耗的計(jì)算潛油電機(jī)的熱量來(lái)自于電機(jī)內(nèi)的各種損耗，根據(jù)損耗產(chǎn)生部位

23、的不同，電機(jī)內(nèi)的損耗常分為四種：繞組損耗、鐵心損耗、機(jī)械損耗和雜散損耗32。2.4.1 繞組損耗繞組損耗又稱銅耗，它是電流流經(jīng)定、轉(zhuǎn)子繞組的電阻所產(chǎn)生的損耗。對(duì)于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子繞組損耗是電流流經(jīng)導(dǎo)條所產(chǎn)生的損耗。通過(guò)以上分析可知，定子繞組損耗可按公式計(jì)算：式中 m為比例系數(shù)，對(duì)于交流永磁同步電機(jī)，常取為3 ；I1定子電流（A）；R1定子繞組電阻（）。轉(zhuǎn)子鑄鋁由于只在啟動(dòng)過(guò)程中有電流通過(guò)，等到穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子電流為0，銅耗較小，所以假設(shè)轉(zhuǎn)子銅耗為0。2.4.2 鐵心損耗鐵心損耗在永磁同步電機(jī)中占有重要的地位，準(zhǔn)確掌握鐵心損耗對(duì)于高效率電機(jī)的設(shè)計(jì)以及避免永磁體退磁都具有重要的意義。永磁同步電機(jī)的鐵心損

24、耗與電機(jī)所用硅鋼片的材料有關(guān)，并隨著電機(jī)的工作負(fù)載和溫度而不斷變化。永磁同步電機(jī)的定子齒部和定子軛部的磁密飽和嚴(yán)重，而且具有大量的磁通諧波。所以，要準(zhǔn)確計(jì)算永磁同步電機(jī)的鐵心損耗非常困難。在工程應(yīng)用上，經(jīng)常采用異步感應(yīng)電機(jī)鐵心損耗計(jì)算公式，并對(duì)其進(jìn)行修正。異步感應(yīng)電機(jī)鐵心損耗的計(jì)算可依據(jù)電機(jī)空載運(yùn)行的定子軛磁通密度Bde、定子齒磁通密度Bdc，并查出與定子鐵心所用材料相對(duì)應(yīng)的比損耗，再乘以軛部、齒部的對(duì)應(yīng)體積，最后引入軛部、齒部修正系數(shù)Kde、Kdc進(jìn)行修正。定子軛部體積Vde按公式計(jì)算：式中，A為定子軛部截面積；hde為定子軛部計(jì)算高度；p為極對(duì)數(shù)。定子軛部損耗Pde按公式計(jì)算：式中，為與定

25、子軛磁通密度Bde對(duì)應(yīng)的比損耗。定子齒部體積Vdc按公式計(jì)算：式中,Adc為定子齒部截面積；L為定子繞組平均半匝長(zhǎng)；p為極對(duì)數(shù)。定子齒部損耗Pdc按公式計(jì)算：式中，為與定子齒磁通密度Bdc對(duì)應(yīng)的比損耗。定子鐵心Pfe總損耗：式中，Kde為定子軛部鐵心損耗修正系數(shù)；Kdc為定子齒部鐵心損耗修正系數(shù)。2.4.3 機(jī)械損耗根據(jù)本文潛油電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，其機(jī)械損耗主要有以下三部分組成：（1）轉(zhuǎn)子與潤(rùn)滑油之間的摩擦損耗；（2）扶正滑動(dòng)軸承摩擦損耗；（3）止推軸承的止推滑板和軸向支撐滑板之間的摩擦損耗。由于材料的熱膨脹作用，電機(jī)的接觸距離減小，相應(yīng)的機(jī)械損耗增加，使電機(jī)的效率降低。本文假設(shè)機(jī)械損耗為恒定

26、值，不隨溫度變化。2.4.4 雜散損耗雜散損耗是由于磁場(chǎng)高次諧波和開(kāi)槽引起的高次諧波在鐵心中產(chǎn)生的損耗，其計(jì)算非常困難且難以得到準(zhǔn)確的結(jié)果。在工程實(shí)際中，通常用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算而對(duì)于永磁同步電機(jī)的雜散損耗，目前還無(wú)法通過(guò)準(zhǔn)確的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，在工程應(yīng)用中，通常可以取為銅損、鐵心損耗和機(jī)械損耗三者和的 7% 。第三章 電機(jī)材料的高溫特性3.1 金屬導(dǎo)電材料的高溫特性銅及其合金由于其自身具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，是電工領(lǐng)域主要的導(dǎo)電材料，是制備各種電氣設(shè)備必不可少的優(yōu)選材料不同合金元素及合金含量的銅合金，其常溫電阻率不同。通常情況下，銅及其合金的電阻率隨溫度的升高而增大。但是，不

27、同合金材料其電阻率隨溫度的變化規(guī)律不同。下面對(duì)純銅及其合金的高溫性能做分別分析33。通常，合金材料的添加會(huì)使銅的電阻率增加。不同的合金材料和合金含量對(duì)銅合金電阻率的影響不同。一般情況下，合金含量的增加使得銅合金的電阻率成線性增加。由于合金成分會(huì)增加銅的電阻率，在實(shí)際工程中，通常選用純銅作為電氣設(shè)備的導(dǎo)電材料。純銅作為導(dǎo)電材料，電阻率是主要的性能參數(shù)。電機(jī)中，定轉(zhuǎn)子繞組導(dǎo)電材料的選擇也是純銅。因此，異步電機(jī)的定轉(zhuǎn)子電阻隨溫度的變化而變化，主要變化因素是純銅的電阻率。明確純銅電阻率隨溫度的變化規(guī)律，是分析異步電機(jī)電阻溫度變化的主要內(nèi)容。大量研究和實(shí)驗(yàn)表明，純銅的電阻率隨溫度變化近似地呈現(xiàn)線性變化趨

28、勢(shì)，其高溫段電阻率隨溫度變化曲線的線性度略微下降。然而，對(duì)于電機(jī)的繞組導(dǎo)體而言，高溫異步電機(jī)的工作環(huán)境溫度相對(duì)材料本身而言仍然屬于低溫段。因此，在分析異步電機(jī)定轉(zhuǎn)子電阻溫度變化時(shí)，純銅的電阻率隨溫度變化曲線可以近似的被認(rèn)為是一條直線。這種特性可用一個(gè)電阻率溫度系數(shù)來(lái)表示，它等于溫度每變化一度所產(chǎn)生的電阻值變化，即：式中，為電阻率溫度系數(shù)；為T1溫度下的電阻率；為T0溫度下的電阻率。由公式可以得出：3.2 磁性材料的高溫特性3.2.1 磁性材料的居里溫度居里溫度是指磁性材料在鐵磁體和順磁體之間發(fā)生改變的溫度，即鐵磁材料從鐵磁相轉(zhuǎn)變成順磁相的相變溫度34。當(dāng)溫度低于居里溫度時(shí)，鐵磁材料表現(xiàn)其鐵磁性

29、能；當(dāng)溫度超過(guò)居里溫度時(shí)，鐵磁材料失去其鐵磁性能，轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾朋w。居里溫度反應(yīng)了磁性材料的磁學(xué)性質(zhì)，與其結(jié)構(gòu)（如晶粒大小，結(jié)晶方向和受應(yīng)力狀態(tài)等）無(wú)關(guān)，是磁性材料的重要本征特性之一。常見(jiàn)磁性材料的居里溫度為：鐵的居里溫度約為770，鈷的居里溫度約為1115，鎳的居里溫度約為 360。磁性材料的居里溫度是由其本身材料及分子結(jié)構(gòu)決定的32。溫度的升高會(huì)加劇分子的熱運(yùn)動(dòng)。溫度的升高會(huì)使得金屬電子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，進(jìn)而影響磁疇的有序排列。當(dāng)溫度沒(méi)有達(dá)到磁性材料的居里溫度時(shí)，自由電子熱運(yùn)動(dòng)的能量不足以破壞磁疇的有序排列，磁性材料對(duì)外仍然呈現(xiàn)出磁性。然而，隨著溫度的升高，部分磁疇受到溫度的影響，磁疇被破壞，磁性材料的導(dǎo)磁能力發(fā)生改變，飽和磁化強(qiáng)度下降，磁導(dǎo)率下降35。當(dāng)溫度達(dá)到某一個(gè)特定溫度時(shí)，磁性材料的所有磁疇完全被破壞，磁性材料失去其導(dǎo)磁能力，這個(gè)溫度就是磁性材料的居里溫度。由于磁性材料內(nèi)部分子磁疇的熱運(yùn)動(dòng)受溫度影響。磁性材料的相關(guān)磁性參數(shù)會(huì)隨著溫度發(fā)生變化。經(jīng)過(guò)大量理論與實(shí)驗(yàn)分析，通常情況下，隨著溫度的升高磁性材料的飽和磁化強(qiáng)度