油田抽油机用感应电动机三维瞬态温度场计算分析

谢颖 郭金鹏 单雪婷 蔡翔

摘要：针对传统油田用电机容易造成大功率电机拖动低负载而造成的能源浪费问题，通过对原有的Y2-200L2-6感应电动机进行改进设计，实现了小机座号感应电机输出大启动转矩的目的。建立了改进后电机的二维有限元模型，对其进行电磁性能计算，进而得到电机各部分损耗，即电机热源分布情况。对电机温度场做出合理的基本假设，并给出相应的边界条件，以电机热源为载荷条件，对改进后电机的三维瞬态温度场利用有限元法进行分析，得到电机三维温度场的分布情况。然后，搭建样机的实验测试平台，得出样机的实验结果，并与三维瞬态温度场的仿真结果进行对比，分析对比差异，以此验证计算方法的准确性与改进方案的可行性。

关键词：感应电动机;有限元;电磁场;瞬态温度场

DOI：10.15938/j.emc.2019.10.007

中图分类号：TM 343文献标志码：A 文章编号：1007-449X（2019）10-0059-09

0引言

我国石油资源较为丰富，近几年随着经济的不断发展，石油已然成为促进国民经济增长的重要能源之一。在石油开采过程中，电机启动时需要很大的转矩，为了使电机输出较高启动转矩，通常选用大功率感应电机配合游梁式抽油机设备来实现，但这是以牺牲电机的效率为代价，即所谓“大马拉小车”的现象，同时也降低了能源利用率。针对这一问题，本文对型号为Y2-200L2-6的感应电动机结构进行了改进。改进后的电机不仅可以满足油田用感应电机的高启动转矩的要求，而且低负荷运行时具有较高的效率。

由于温升对电机额定功率和运行性能有着重要的影响，所以温升问题的研究是探究感应电机在实际运行中能否安全可靠运行的必不可少条件。在温度场计算中，多采用时域数值计算法来求解传统的热路法非线性方程组，但收敛性差及较大计算量是该方法目前存在的缺陷。针对温度场的研究有很多方法，包括有限元法等。但是高速状态下的电机正面临着一大难题：如何准确分析电机的温度分布。文献[5]针对永磁同步电机的温升及损耗问题进行研究，采用的是非传统的场路耦合计算方法。利用集总参数热网络、有限元分析以及流体动力学等方法，Aldo Bogletti对电机温度场进行了研究。李俊卿教授利用流体力学和传热学的原理，提出采用混合坐标系的方法来提高大型汽轮发电机温度场计算精度。文献[8]通过对电机结构尺寸及绕组排列方式的设计，并且运用有限元法计算了舵机用永磁同步电动机三维瞬态温度场，该设计方案通过实验结果得到验证。文献[9]分别利用三维有限元模型和等效热网络温度场模型，计算了轮毂电机在额定负载运行工况下的温度分布。电机负载类型及电机转速对电机温升影响较大，针对这个问题，文献[10]采用有限元法分析计算了永磁-感应子式混合励磁电机三维瞬态温度场，并研究其影响规律。

本文以改进后的Y2-200L2-6感应电动机为例，建立了电机三维温度场计算有限元模型。电机机壳、定转子等相关部件的表面散热系数和导热系数根据相关边界条件、基本假设和测量数据确定。通过电机二维电磁场计算分析改进后电机的电磁性能，并得到电机相应的损耗数据，根据电机的热源分布，采用有限元法计算了电机的三维瞬态温度场。将得到的仿真计算结果与样机试验结果进行比较，以此验证改进后的电机的可靠性和适用性。

1实验测试设备和样机的基本参数

本文将Y2-200L2-6感应电机的传统60°相带绕组改为星三角混合接绕组，并在合理范围内增加原有电机铁心长度。通过增强电机磁场的强度和气隙磁密的大小提高电机的启动转矩，使小机座号能够输出较大的启动转矩，并且保证电机在低负载运行时的较高效率，提高能源的利用率，样机参数见表1。本文对改进后的电机进行了理論分析与实验研究，电机测试平台如图1所示。

如图1所示，实验过程中，以电涡流测功机作为负载，额定负载加载到22kW直接启动到电机运行平稳。热敏电阻作为测温元件被埋设在电机需要关注的关键测量位置，从而实现对电机温度的实时监测，测量位置包括电机定子上层绕组，即图2中的A、B两点，区别在于A点所在的定子槽位于电机顶部，而B点所在的定子槽位于电机的接线盒侧。温度数值的读取需要外部连接TM902C温度显示计。

实验过程中，也对电机机壳温度进行了测量，测试位置如图3所示（C-G），考虑到电机的端部的影响，以及定转子在机壳里面的安装位置，机壳测试点非均匀选取，其中C和D，F和C的间距为80mm;由于机壳中间位置装有定子、转子等元件，位置点的选取比较紧凑，所以轴向间距测试点位置选取减小为50mm。实验同时测量了机壳表面温度及机壳表面风速，测量工具分别是Raynger$330测温枪和KA41L风速仪。

2感应电机电磁计算

2.1定子电流

依据电机结构参数，建立的电机二维电磁场计算模型，如图4所示，电机在22kW额定负载工况下运行时的磁密分布图如图5所示。

额定负载工况下，电机定子电流仿真及实测值如图6和图7所示，由图可知，改进后的电机在22kW额定负载运行下，数值计算得到的定子电流幅值为70.2A，图7通过实验测得的电流幅值为72.7A，通过实测值与仿真结果的比较，可知误差满足工程实际需要，也证实了本文所建立的改进后电机的仿真模型的准确与合理性。

2.2损耗计算

2.2.1转子损耗

对于感应电机来说，通常是电机转子温度较高，这主要是因为其所处的位置不利散热，而其热源主要来源于转子的自身铝耗以及电机的附加损耗，由于鼠笼式感应电机转子损耗非常小，在仿真计算过程中一般可忽略不计。转子热量的传递大致可通过2种方式，一种方式是通过气隙向定子传递，另外一种方式是通过端环以及转子端面向电机两侧的空腔进行散热。

2.2.2铁心损耗

在电机损耗计算过程中，定子损耗分割为定子齿损耗和定子轭损耗，本文根据以下公式计算出电机铁心的总损耗值。