油田抽油機用感應電動機三維瞬態溫度場計算分析

　　摘要：針對傳統油田用電機容易造成大功率電機拖動低負載而造成的能源浪費問題，通過對原有的Y2-200L2-6感應電動機進行改進設計，實現了小機座號感應電機輸出大啟動轉矩的目的。建立了改進后電機的二維有限元模型，對其進行電磁性能計算，進而得到電機各部分損耗，即電機熱源分布情況。對電機溫度場做出合理的基本假設，并給出相應的邊界條件，以電機熱源為載荷條件，對改進后電機的三維瞬態溫度場利用有限元法進行分析，得到電機三維溫度場的分布情況。然后，搭建樣機的實驗測試平臺，得出樣機的實驗結果，并與三維瞬態溫度場的仿真結果進行對比，分析對比差異，以此驗證計算方法的準確性與改進方案的可行性。

　　關鍵詞：感應電動機;有限元;電磁場;瞬態溫度場

　　《江蘇電機工程》(雙月刊)創刊于1982年，是江蘇省電力公司和江蘇省電機工程學會主管、江蘇省電力科學研究院和江蘇省電機工程學會編輯工作委員會主辦的全國性科學技術刊物，本刊為國際大16開本，彩色封面插頁。

　　0引言

　　我國石油資源較為豐富，近幾年隨著經濟的不斷發展，石油已然成為促進國民經濟增長的重要能源之一。在石油開采過程中，電機啟動時需要很大的轉矩，為了使電機輸出較高啟動轉矩，通常選用大功率感應電機配合游梁式抽油機設備來實現，但這是以犧牲電機的效率為代價，即所謂“大馬拉小車”的現象，同時也降低了能源利用率。針對這一問題，本文對型號為Y2-200L2-6的感應電動機結構進行了改進。改進后的電機不僅可以滿足油田用感應電機的高啟動轉矩的要求，而且低負荷運行時具有較高的效率。

　　由于溫升對電機額定功率和運行性能有著重要的影響，所以溫升問題的研究是探究感應電機在實際運行中能否安全可靠運行的必不可少條件。在溫度場計算中，多采用時域數值計算法來求解傳統的熱路法非線性方程組，但收斂性差及較大計算量是該方法目前存在的缺陷。針對溫度場的研究有很多方法，包括有限元法等。但是高速狀態下的電機正面臨著一大難題：如何準確分析電機的溫度分布。文獻[5]針對永磁同步電機的溫升及損耗問題進行研究，采用的是非傳統的場路耦合計算方法。

　　利用集總參數熱網絡、有限元分析以及流體動力學等方法，Aldo Bogletti對電機溫度場進行了研究。李俊卿教授利用流體力學和傳熱學的原理，提出采用混合坐標系的方法來提高大型汽輪發電機溫度場計算精度。文獻[8]通過對電機結構尺寸及繞組排列方式的設計，并且運用有限元法計算了舵機用永磁同步電動機三維瞬態溫度場，該設計方案通過實驗結果得到驗證。文獻[9]分別利用三維有限元模型和等效熱網絡溫度場模型，計算了輪轂電機在額定負載運行工況下的溫度分布。電機負載類型及電機轉速對電機溫升影響較大，針對這個問題，文獻[10]采用有限元法分析計算了永磁-感應子式混合勵磁電機三維瞬態溫度場，并研究其影響規律。

　　本文以改進后的Y2-200L2-6感應電動機為例，建立了電機三維溫度場計算有限元模型。電機機殼、定轉子等相關部件的表面散熱系數和導熱系數根據相關邊界條件、基本假設和測量數據確定。通過電機二維電磁場計算分析改進后電機的電磁性能，并得到電機相應的損耗數據，根據電機的熱源分布，采用有限元法計算了電機的三維瞬態溫度場。將得到的仿真計算結果與樣機試驗結果進行比較，以此驗證改進后的電機的可靠性和適用性。

　　1實驗測試設備和樣機的基本參數

　　本文將Y2-200L2-6感應電機的傳統60°相帶繞組改為星三角混合接繞組，并在合理范圍內增加原有電機鐵心長度。通過增強電機磁場的強度和氣隙磁密的大小提高電機的啟動轉矩，使小機座號能夠輸出較大的啟動轉矩，并且保證電機在低負載運行時的較高效率，提高能源的利用率，樣機參數見表1。本文對改進后的電機進行了理論分析與實驗研究，電機測試平臺如圖1所示。

　　如圖1所示，實驗過程中，以電渦流測功機作為負載，額定負載加載到22kW直接啟動到電機運行平穩。熱敏電阻作為測溫元件被埋設在電機需要關注的關鍵測量位置，從而實現對電機溫度的實時監測，測量位置包括電機定子上層繞組，即圖2中的A、B兩點，區別在于A點所在的定子槽位于電機頂部，而B點所在的定子槽位于電機的接線盒側。溫度數值的讀取需要外部連接TM902C溫度顯示計。

　　實驗過程中，也對電機機殼溫度進行了測量，測試位置如圖3所示(C-G)，考慮到電機的端部的影響，以及定轉子在機殼里面的安裝位置，機殼測試點非均勻選取，其中C和D，F和C的間距為80mm;由于機殼中間位置裝有定子、轉子等元件，位置點的選取比較緊湊，所以軸向間距測試點位置選取減小為50mm。實驗同時測量了機殼表面溫度及機殼表面風速，測量工具分別是Raynger$330測溫槍和KA41L風速儀。

　　2感應電機電磁計算

　　2.1定子電流

　　依據電機結構參數，建立的電機二維電磁場計算模型，如圖4所示，電機在22kW額定負載工況下運行時的磁密分布圖如圖5所示。

　　額定負載工況下，電機定子電流仿真及實測值如圖6和圖7所示，由圖可知，改進后的電機在22kW額定負載運行下，數值計算得到的定子電流幅值為70.2A，圖7通過實驗測得的電流幅值為72.7A，通過實測值與仿真結果的比較，可知誤差滿足工程實際需要，也證實了本文所建立的改進后電機的仿真模型的準確與合理性。

　　2.2損耗計算

　　2.2.1轉子損耗

　　對于感應電機來說，通常是電機轉子溫度較高，這主要是因為其所處的位置不利散熱，而其熱源主要來源于轉子的自身鋁耗以及電機的附加損耗，由于鼠籠式感應電機轉子損耗非常小，在仿真計算過程中一般可忽略不計。轉子熱量的傳遞大致可通過2種方式，一種方式是通過氣隙向定子傳遞，另外一種方式是通過端環以及轉子端面向電機兩側的空腔進行散熱。

　　2.2.2鐵心損耗

　　在電機損耗計算過程中，定子損耗分割為定子齒損耗和定子軛損耗，本文根據以下公式計算出電機鐵心的總損耗值。