143G型高性能大功率潜油电机优化设计

张俊斌 金颢 秦世利 滕达 单彦魁 刘佳 孙双

摘要：针对潜油电机优化设计问题，提出一种改进的基于基因链编码方式的自适应遗传算法，对外径为143 mm系列的大功率潜油电机进行电磁优化设计。通过建立潜油电机的热网络模型，推导出传导热阻、对流热阻、接触热阻3种等效热阻的计算公式，得出潜油电机各部分温升计算结果。根据优化后的电磁方案，并对潜油电机本体结构进一步优化，研制出高性能大功率的143G型潜油电机。经过样机试验，电机主要性能指标均达到设计要求，并且使电机单位长度输出功率提高了20%。

关键词：潜油电机； 优化设计；基因链编码；遗传算法；热网络模型

中图分类号：TE933.302    文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2023.03.004

Abstract：For the optimization design of the submersible motor， an improved adaptive genetic algorithm based on gene-chain coding was proposed to optimize the electromagnetic performance of the 143 mm series submersible motor. By establishing the thermal network model of the submersible motor， the calculation methods of three equivalent thermal resistances， namely conduction thermal resistance， convection thermal resistance， and contact thermal resistance were concluded. Based on the optimized electromagnetic scheme and further optimization of the structure， a new generation of high-performance and high-power 143G submersible motor was developed. During the prototype test， the main performance indicators of the motor reached the international advanced level， and the motor's output power per unit length greatly increased by 20%.

Key words：submersible motor; optimized design; gene-chain coding; genetic algorithm; thermal network model

潜油电机是潜油电泵机组的重要组成部分，通常是三相异步鼠笼式电动机，结构为细长型。单节电机最长可达10 m，可采用2～3节的串聯形式以输出更大动力，靠井液流经电机外壳体循环散热。GB/T 16750—2015《潜油电泵机组》确定了常用潜油电机的系列。按电机最大外径区分，潜油电机主要有95、114、138、143、188等系列。其中，143系列在大功率潜油电机中占比应用最高，适用于177.8 mm（7英寸）及以上套管。国内的潜油电机产品在最大输出功率和性能指标上跟国外先进电泵产品相比还有差距。国外同规格的先进潜油电机产品的最大功率一般大于国产电机20%。

电磁和本体结构的优化设计是潜油电机研究领域的前沿技术。目前，电磁优化的研究方向集中于运用遗传算法、蚁群算法等，得出电磁方案最优解。结构优化集中于电机的通用性和可靠性设计。

本文以143系列得潜油电机电磁和结构优化设计为研究目的，提出一种改进的基于基因链编码方式的自适应遗传算法，开发全新高性能大功率潜油电机产品，增强其竞争力。

1 潜油电机电磁优化设计

1.1 潜油电机电磁计算特殊性

潜油电机电磁计算基本过程可参照普通异步电机，也是包括主尺寸确立、磁路计算、参数计算、运行性能计算、启动性能计算等步骤，通过循环迭代计算得出可用的电磁方案，具体见文献［1］。

潜油电机与常规三相异步电机相比，电磁计算有其特殊之处，由于电机定转子铁芯分节，因此端部漏抗计算公式需要修正。电机内部充满润滑油，有独立的上下往复油路循环系统，因此需要对电机油摩损耗进行计算，还需考虑转子槽集肤效应对电机启动性能造成的影响。近年来，国内外对潜油电机的电磁计算方法的特殊性有了一定深入的研究。文献［2］对潜油电机基本电磁计算过程进行了研究；

文献［3-6］对潜油电机的机械损耗算法及隔磁段的漏抗算法、涡流损耗算法进行了理论研究。由于潜油电机的电磁计算过程异常复杂，且有特殊之处，常规的电磁计算过程不能充分考虑潜油电机电磁计算的特殊性，需要修正常规计算的结果。并且要进一步实现电磁参数智能优化设计，运用专家知识进行分析、判断和处理。

遗传算法GA（Genetic Algorithms）是一种近年来被认为具有广泛先进性的自适应性随机搜索方法，其根本思想是模拟自然界“优胜劣汰，适者生存”现象［7-8］。

传统的遗传算法采用一维染色体编码法，当原始群体N规模较大时，可获得分布于整个空间的个体，对全局寻优有利，缺点是使群体平均素质降低，寻优效率不高［9-10］。本文采用基于基因链编码方式构成原始解群，可以很好地抑制奇点，提高群体整体素质，并具有优异的全局寻优功能，提高传统编码方式的寻优效率。

自适应遗传算法是一种常规遗传算法的改进算法，通过对选择算子、交叉算子和变异算子进行修正，可以增加高适应度个体生存概率，加快搜索过程［11-12］。

本文提出一种改进的基于基因链编码方式的自适应遗传算法的潜油电机优化设计方法，进行电磁计算。充分考虑了潜油电机设计计算的特殊性，端部漏抗计算采用曲线插值法代替传统的公式法。在进行转子槽集肤效应计算时，将转子槽铜条截面看作是多层矩形截面导体并联，确定电抗减小系数与电阻增加系数，并且优化了机械损耗和杂散损耗等关键参数的计算方法。

1.2 基因链编码自适应遗传算法原理及实现

本文采用基因链编码自适应遗传算法进行潜油电机的电磁参数优化设计。

1）   步骤1。染色体编码方式采用二进制基因链编码。

遗传算法问题的解向量采用二进制代码的基因链形式。基因链字链位数：设第k个设计变量xk的离散精度为xda，编码时相应二进制基因子链位数S为：

5）   步骤5。以国内电泵公司一款单节YQY143-210型電机为例，采用改进的自适应遗传算法，编写计算程序，对基础电磁方案进行优化。据此设计143G型潜油电机，使电机单位长度输出功率提高20%，单节最大功率252 kW。143系列潜油电机优化设计前后参数如表1。

6）  步骤6。根据优化后方案计算143G型高性能电机主要性能指标参数，并与常规143系列电机电磁计算结果作对比，如表2。

由表2可知，143G型电机的效率、功率因数、最大转矩倍数、堵转转矩倍数、堵转电流倍数及单位长度输出功率均优于国产常规143电机，且最大输出功率、效率、功率因数等不低于国外先进电泵产品的指标。

2 热网络法分析潜油电机温升

143G型电机设计的耐温等级应为180 ℃。电磁计算完成后，用热网络法对143G型电机进行温升计算。潜油电机热量传导的物理情况十分复杂，加上制造工艺的影响，导致电机的温度计算困难，具体见文献［13-14］。潜油电机中损耗产生的热量通过等效热阻进行传递，传热方式主要为发热体内部传导散热，通过与流体发生对流散热及与其他材料接触散热，即传导热阻，对流热阻，接触热阻3种等效热阻。

2.1 传导热阻计算

取潜油电机中的一段建立热网络模型，为得到更加精确的数据，将机壳、定子轭部、定子齿部、定子绕组、转子绕组、转子铁心分别取结点。在潜油电机内部，油隙对电机散热影响较大，径向和轴向均取结点，各结点之间以三角形网络方式传热。热模型中的热阻由于不同的传热方式，计算方法有所不同，主要包括传导热阻、对流热阻、接触热阻3种等效热阻。最后求解电机内热源，并确立边界条件后，针对每一结点的热平衡方程，可通过求解矩阵网络公式得到电机热模型的每一结点温度，从而求得电机整体的温度分布。

传导热阻如图2所示，1～4节点之间的热阻为机壳传导热阻，5～6节点之间热阻为定子轭部传导热阻，7～8节点之间的热阻为定子绕组传导热阻，9～10节点之间热阻为定子齿部的传导热阻，11～17节点之间热阻为油隙的传导热阻，18～19节点之间的热阻为转子铁心传导热阻，20～21节点之间的热阻为转子绕组的传导热阻，22～25节点之间热阻为电机轴的传导热阻，26～27、28～29节点之间热阻为隔磁段的传导热阻，30～31、32～33节点之间热阻为扶正轴承的传导热阻。

设置井下工作边界条件为：井温150 ℃，电机外壳井液流速取GB/T 16750—2015 《潜油电泵机组》规定最低值0.3 m/s。根据热网络模型编写潜油电机温升计算程序。计算结果如图3。

计算得到电机定子绕组平均温度为175.11 ℃， 则电机定子绕组温升=175.11-150=25.11 ℃，符合潜油电机温升一般不超过30 ℃的经验值，且电机定转子、转轴、气隙等各部分平均温度不超过180 ℃的电机最高耐温等级，电机温升合理。

3 潜油电机结构优化设计

3.1 潜油电机通用性设计

传统143型电机的单节、上下节的轴不能通用，导致定转子总成件不能通用。新型143G电机单节、上下节轴两端均有连接花键，可作为单节、上下节轴，具有互换。重新计算轴壳、接头等零部件的长度，使得定转子总成件能够通用，提高了旧件的利用率。总体结构如图4。

3.2 潜油电机可靠性设计

143G型潜油电机采用自锁式扶正轴承。扶正轴承两侧用弹簧片限位在电机定子内腔冲片的键槽里，优点是可以避免传统的橡胶T环结构在高温下膨胀不均匀，造成电机定转子对中性不好的问题，可以减少机组振动，提高可靠性。电机转子采用单节转子限位结构，每节转子尾部配1个限位卡环。该结构的优点是每节转子的预留膨胀空间充分，避免了高温下电机转子轴向膨胀量逐级累加造成定转子对位不准的问题，如图5。

4 电机的生产与试验

目前世界上对潜油电机电磁参数的智能优化设计研究大多处于理论探索阶段［15］，工程样机的制造应用成功案例并不多。本课题依托企业的工程技术条件，成功完成了样机的生产与试验。

143G型电机完成电磁和结构设计后，于2022-01制造完成了1节252 kW的样机，并按GB/T 16750—2015《潜油电泵机组》的要求做了电机的室内型式试验，如图6。

型式试验项目包括：超速试验、温升试验、振动试验，测定额定效率、功率因数、最大转矩倍数、堵转转矩倍数、堵转电流倍数、额定转速等，具体试验方法和标准要求见文献［16］。样机型式试验结果如表3。

由表3可见，143G型电机的室内型式试验结果完全满足国标的要求，且与表2的电磁计算结果非常接近。

根据电机试验结果绘制电机工作特性曲线，如图7。

由图7可知，电机的输入功率、定子电流、电机效率、功率因数与电机输出功率的函数关系曲线符合常规的三相异步潜油电机工作特性的变化规律。

5 结论

1） 基于基因链编码方式的自适应遗传算法，通过电磁优化设计和结构优化，研制了YQY143G型高性能大功率潜油电机。试验结果验证了设计的合理性和有效性，可以定型生产。

2） 相比国内传统的143系列潜油电机产品，143G型电机的单位长度输出功率提高20%，效率、功率因数、最大转矩倍数、堵转转矩倍数、最大电流倍数等主要性能指标均有所提高，达到了优化设计的目标。

3） 本文的研究方法可以扩展到其它系列电机产品，对提高我国潜油电机整体设计水平，增强国际竞争力具有重要意义。

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