抽油机用永磁磁力耦合器试验研究

何富君，仲于海，常忠伟，张子华

（1.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318；2.大庆石化公司水汽厂，黑龙江大庆163714）①

抽油机用永磁磁力耦合器试验研究

何富君1，仲于海1，常忠伟2，张子华1

（1.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318；2.大庆石化公司水汽厂，黑龙江大庆163714）①

针对抽油机用永磁磁力耦合器开展了有限元仿真和试验分析，建立了三维有限元仿真模型，进行了永磁磁力耦合器的传动性能仿真研究，获得了传递转矩与间隙、转速差之间的关系；建立了永磁磁力耦合器试验平台，对永磁磁力耦合器实物样机进行试验研究，验证了有限元仿真的可行性，同时验证了永磁磁力耦合器在抽油机上使用的可行性。

抽油机；永磁耦合器；有限元；试验研究

抽油机是我国油田最主要的机械采油设备，目前抽油机井总数已超过20万台，日耗电量0.5× 108k W·h［1］。但是，抽油机在工作过程中存在以下问题：

1） 要求较高的启动转矩。抽油机的转动惯量很大，且又带载启动，对电动机的启动性能要求很高，但稳定运转后要求的输出转矩比较小。为了满足大启动转矩的需要，需要配置较大功率的电动机，不但提高了装机成本而且功率因数低，效率也较低，导致能源的浪费。

2） 抽油机载荷的波动性。抽油机减速器输出轴转矩呈明显的周期性变化，不但对机械系统产生载荷冲击，而且造成电动机负载的波动，影响电机寿命及节能效果。

从油田节能的角度出发，将永磁耦合器应用到抽油机上，以期改善以上问题。由于永磁耦合器利用磁场实现非接触传动，不但减小载荷对电机产生的冲击，而且还具有延迟启动的特性。经过大量的调研发现，目前还没有发现在抽油机上应用此类装置。

1 技术分析

1.1 工作原理

永磁磁力耦合器利用感应磁场实现转矩的传递功能，耦合器的驱动端和负载端分别连接导体盘和磁体盘，在工作时两盘之间必须存在转速差。当输入轴转动时，磁体盘与导体盘之间产生相对运动，导体盘切割磁力线，在导体盘中产生电涡流。电涡流产生的感应磁场会与磁体盘的永磁场相互的作用，从而驱动导体盘与磁体盘同向旋转，实现了驱动端到负载端的非接触动力传递［2-3］。本文设计的永磁磁力耦合器一端与电机输出轴相连，另一端与小带轮相连，通过永磁磁力耦合器实现转矩从电机端到小带轮之间的非接触传递。

1.2 结构组成

抽油机用永磁磁力耦合器的结构如图1所示，主要由小带轮、输出轴、附铁盘、铜盘、磁体盘、连接板、输入轴连接端组成。小带轮与输出轴连接，输出轴又与磁体盘相连，实现动力输出；附铁盘与铜盘固连在一起，作为导体盘，2个导体盘通过连接板相连并与输入轴相连，实现动力的输入。磁体盘结构如图2所示，盘中嵌入磁铁块，相邻2块磁铁的N、S极相反，共包含6对稀土磁铁［4］，磁铁盘与输入轴相连接。

图1 抽油机用永磁磁力耦合器结构

图2 磁体盘结构

1.3 主要参数

针对抽油机设计了一款永磁磁力耦合器样机，主要参数如表1所示。

表1 永磁磁力耦合器样机主要参数

2 有限元仿真

利用ANSOFT有限元仿真软件进行有限元分析，建立的耦合器三维分析模型如图3所示，模型中将与传动性能无关的机械结构全部去掉。分别对铜盘、导体盘和附铁盘进行网格划分，如图4所示。

图3 耦合器有限元模型

图4 网格划分

在模型的建立过程中需要注意以下问题：

1） 运动部件需要设计专用的Band区域及运动区域，运动部件要被包含在其中，Band区域只能设置1个。

2） 设置求解区域及Region区域，求解区域设置要合理。如果过小，就会忽略穿过求解区域的磁感线，导致运算结果变小。

导体盘中铜盘的相对磁导率为1，电导率为5.8 ×107S／m。附铁盘材料为Q235A。磁铁盘的铝合金框架的相对磁导率为1，电导率为3.8×107S／m。磁铁盘内嵌入钕铁硼稀土永磁块，其参数为Br＝1.197 T，Hc＝914.9 k A／m。

耦合器的工作性能与气隙大小、导体盘与磁体盘的转速差大小等因素密切相关。为了充分了解耦合器的工作能力和特性，分别研究了不同气隙、不同转速差对传动的影响，计算结果如图5～6所示。

图5 输出转矩与转速差的关系曲线

图6 输出转矩随间隙变化的关系曲线

由图5可以看出：在相同间隙时，转速差越大，传递的转矩也越大，到转速差为200 r／min时达到转矩峰值；当转速差在100 r／min以内时，转矩随转速差变化显著，但是可以近似为线性变化。在对现有抽油机改造时，为了不产生过大的滑差，不使抽油机的冲次明显下降，应该在较低的转速差之下工作，因而耦合器不能在大转矩状态下工作。

由图6可以看出：随着磁铁盘与导体盘之间间隙的增大，传递转矩快速下降，而且在6 mm间隙以内，转矩随着间隙近似是按线性规律下降；在小间隙条件下，相同转差变化量时产生的转矩差要更大一些。显然，为了提高传递力矩的能力，应该减小间隙，但是，间隙过小将影响散热效果。对于抽油机，要从缓冲能力上考虑，产生较大速度差的缓冲效果较好，因而是间隙大的好一些。

3 试验分析

为了分析实际分析耦合器试验装置的性能，并进行有限元对比分析，对耦合器样机进行了试验研究。利用电涡流测功机作为加载装置，将变频调速电动机作为动力源，在耦合器的输入端和输出端分别连接转速、转矩传感器。试验时，调定电机的转速，利用测功机加载，在不同的载荷状态下测量耦合器的传动能力；利用耦合器输入端和输出端的传感器可以测得转速和转矩信号，从而可以获得耦合器的转速差、传动功率和传动效率。

图7 试验结果与仿真结果对比曲线

将永磁耦合器单侧间隙设定为4 mm，电机同步转速为1 500 r／min。调整测功机，从空载开始，每次增加20 N·m载荷，在系统运转平稳之后采集系统数据。耦合器传动性能试验结果与有限元仿真结果对比如图7所示。由图7可以看出：有限元软件分析结果和试验测得结果的变化趋势相近，但是在数值上存在一定的差异，仿真分析结果大于试验测得的结果。主要是由于在有限元仿真时，没有考虑到发热、摩擦等方面的影响；在转速差大于200 r／min时，试验结果没有下降是由电机的特性决定的，电机具有承受一定过载的能力。

4 永磁磁力耦合器的可行性研究

4.1 传递效率

永磁磁力耦合器的传递效率是其重要的工作特性，通过测试及数据分析可以得到永磁磁力耦合器的传递转矩与效率之间的关系，如图8所示。

图8 转矩与效率关系曲线

由图8可以看出：当转矩为100 N·m，对应的功率约为16 k W，效率最高，可以达到97%以上；在80～140 N·m，对应的功率为12.6～22.0 k W，效率都超过95%，所以该区间可以作为耦合器的工作区间；而100 N·m可以作为最佳工作点。

4.2 启动性能

研究永磁磁力耦合器的启动性能具有非常重要的意义，可以直接决定设备的装机功率，从而影响到抽油机系统的成本及节能水平。通过试验台开展了耦合器在不同载荷下带载启动的性能研究。载荷是由调节电涡流测功机的电流实现预加载。

当永磁磁力耦合器带载260 N·m，对应负载功率为40.8 kW启动时，其启动曲线如图9所示。

图9 带载260 N·m启动曲线

由图9可见：启动过程为5 200 ms，当永磁磁力耦合器两端的转矩从峰值回落到相同值时，系统启动完成。

在带载启动试验中，电动机启动时的输入转矩可达到300 N·m，只要电动机的输出转矩超过负载工作转矩就可以实现启动。永磁磁力耦合器具有良好的启动特性，如果载荷较大，可以通过延长启动时间来完成启动。永磁磁力耦合器所能达到的峰值转矩为300 N·m，对应的功率为47 k W，当负载转矩超过300 N·m时，负载端将被抱死，电机端空转。当负载转矩小于300 N·m时，永磁磁力耦合器就能够启动负载。当负载发生波动时，同样也具有缓冲的作用。

4.3 装机功率

某油田在抽油机上使用电机的功率和1个冲程内所需最大转矩计算的实际功率的对比情况如表2所示。

表2 某油田使用电机情况

由表1可知：抽油机上使用电机的功率是实际所需最大功率的2倍左右，这是因为抽油机在启动时需要很大的启动转矩，而且在抽油机工作时会有载荷的波动，为了满足大启动转矩的需要，需要配置较大功率的电动机。

根据上述关于传递效率和带载启动的分析可知：当负载转矩小于等于300 N·m，对应的功率为47 k W时，永磁磁力耦合器可以带动负载，只是延长了启动时间；油田上所用的抽油机1个冲程内所需的最大功率约20 k W，所以可以选择22 k W的电机，这样就降低了装机功率和成本。

5 结论

1） 永磁磁力耦合器的输出转矩随着间隙和转速差的不同而发生变化。当间隙确定时，输出转矩随着转速差的增大而增大；当增大到永磁磁力耦合器能输出的最大转矩时将趋于平稳；当转速差一定时，永磁磁力耦合器的输出转矩随着间隙的增大而减小。

2） 对于永磁磁力耦合器的特性，有限元仿真分析结果与试验结果总的变化趋势是一致的，有限元仿真结果略大于试验结果，是因为在有限元仿真分析时没有考虑到摩擦和发热对整个装置的影响。在以后对永磁磁力耦合器进行研究应用时，可以应用有限元仿真软件对要研究的永磁磁力耦合器的特性进行预估。

3） 永磁磁力耦合器具有良好的延迟启动和缓冲负载波动的特性，在油田应用中，可以实现整个系统的节能和降低系统成本。

参考文献：

［1］ 武卫丽，焦培林，彭利果，等.抽油机节能技术研究综述［J］.重庆科技学院学报：自然科学版，2009，11（4）：111-113.

［2］ 彭科容.永磁磁力耦合器结构与特性研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

［3］ 张泽东.永磁磁力耦合器设计与关键技术研究［D］.沈阳：沈阳工业大学，2012.

［4］ 李桃，林鹤云，黄允凯，等.基于三维运动涡流场分析的永磁涡流联轴器特性［J］.东南大学学报：自然科学版，2010，40（2）：301-305.

Research of Permanent Magnetic Coupler on Oil Pumping Machine

For oil pumping machine application of a permanent magnet eddy coupler，the finite element simulation and test analysis are carried out.Three-dimension finite element simulation model is set up，and the driving performance is simulated to obtain the relationship among driving torque，air gap and speed difference.An experiment platform is established to do research on the actual coupler prototype.The experiment shows that the finite element simulation has credibility， and verifies the feasibility of permanent magnetic coupler used in oil pumping machine.

oil pumping machine；permanent magnetic coupler；finite element；experimental research

TE933.1

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.015

1001-3482（2014）11-0061-05

2014-05-13

何富君（1970-），男，黑龙江铁力人，教授，博士，主要从事油田机器人技术及油田机械装备方面的研究。