游梁式抽油机专用电动机的设计

游梁式抽油机专用电动机的设计
0 引言
利用游梁式抽油机采油是世界石油工业传统的采油方式之一，也是迄今在采油工程中一直占主导地位的采油方式。

游梁式抽油机具有：惯性力矩较大，启动困难；周期性冲击载荷；连续工作在室外环境等特点。

因此，要求用于拖动该设备的电动机应具有较大的启动力矩、较软的机械特性、全天候连续工作等基本条件。

API规范11L6《游梁式抽油机用电动机规范》将NEMA设计 D电动机作为基本设计，并对转差率、温升作出了明确要求。

国家发展和改革委员于2005年发布了中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T 6636-2005《游梁式抽油机用电动机规范》，本标准修改采用API规范11L6：1993《游梁式抽油机用电动机规范》（英文版），包括其《游梁式抽油机用电动机规范增补》的内容。

1 产品的型号表示方法
根据BG4831-2000《电动机产品型号编制方法》的规定，并考虑与已有的YH系列高转差率电动机相区别，国产游梁式抽油机专用电动机型号的表示方法如下：
─□
极数
中心高
游梁式抽油机专用高转差电动机代号
2 产品的主要特点
API规范11L6对电动机的基本设计（包括标准电动机规范、电气性能和特性执行标准、工作条件、启动特性、绝缘系统、机械结构及材料选择等）、试验内容及方法均作了详细的规定。

依据这个标准生产的YCH系列游梁式抽油机专用电动机，与依据JB/T 6449-92生产的YH系列（IP44）高转差率三相异步电动机相比，其主要性能、结构特点如下：
⑴连续工作制、转差率5-8%、F级绝缘不超过B级温升；
⑵堵转转矩倍数≥2.75；
⑶使用系数为1.15；
⑷堵转电流符合NEMA设计 D；
⑸每相绕组内至少安装一个密封的温度检测器进行保护，当绝缘系统达到最高工作温度时驱动打开电动机控制电路，停止电动机运行；
⑹ 9根绕组引出线，可形成4种不同的输出转矩，使电动机与负载达到合理的匹配；
⑺电机中装有空间加热带，保证电机停止运行状态下内部温度比环境温度高5℃，防止凝露；
⑻端盖上设有润滑油注入孔和废油排除孔，可在不拆卸电机的情况下更换润滑脂；
⑼ 绝缘系统必须通过ASTM B117-90《盐雾试验的标准试验方法》所规定的盐雾试验；
⑽ 标准产品为锥型轴伸，便于皮带轮的装卸。

也可根据用户要求提供英制直轴伸和公制直轴伸；
⑾ 机座、端盖采用铸造铝合金材料，具有良好散热性能及可靠的防腐性能；
⑿ 额定满负荷运行的工作条件为：环境温度-25℃到+40℃；最大海拔高度1000米；户外严酷环境（包括刮沙尘或大雪、腐蚀性气体、高湿度环境和周期性载荷）；全电压直接启动；皮带传动载荷。

产品结构见图一，主要性能参数见表一。

3 关键技术、工艺难点及解决方案
3.1 关键技术及解决方案
3.1.1 F 级绝缘等级的电动机，其转差率在5-8%、满载连续运
图一 YCH系列电动机结构图
行的情况下不超过B级温升，且保证堵转转矩倍数≥2.75、堵转电流符合NEMA设计D是产品设计的关键技术。

3.1.2 依据电动机理论可知，电动机的堵转转矩、堵转电流、转差率、温升存在着相互关联的关系，为了同时满足API规范11L6的标准要求，在设计过程中分别采取了如下解决方案：
⑴合理的选择转子槽型和导条结构、编制了特殊转子电动机电磁计算程序
为了使堵转转矩、转差率、堵转电流等参数达到标准要求，转子设计采用特殊槽型和梳齿型导条结构，该种槽型和导条结构与转子电阻的关系无可借鉴的计算公式，而转子电阻又是决定电动机转差率等物理量的重要参数。

我们利用有限元分析方法找到转子电阻与转子槽型、导条结构的关系曲线，再利用最小二乘法，对有限元分析的结论进行拟合，得到了转子结构尺寸与转差率等参数的解析式，编制了该种电动机的电磁计算程序。

经型式检验验证这种算法和程序具有足够的工程精度，利用此电磁计算程序已经成功的完成了系列产品设计工作。

⑵采用热导率高的铝合金作为机座、端盖材料，有效的控制了电动机的温升
随着电动机转差率的提高，其转子铝耗和热量必然增加。

为了有效的控制电动机的温升，采用了热导率高于灰铸铁3.5倍的铝合金作为机座和端盖的材料，同时增加散热片数量、加大散热片高度增加了散热面积，并合理的选择定转子导体电密，有效的控制了电动机的温
升。

⑶设计采用H级的绝缘结构，有效保证产品的使用寿命
为了保证产品在抽油机特定的环境下使用的可靠性和使用寿命，电动机的核心部件—定子绕组采用温度指数为200℃的QZY/QXY双复合电磁线；槽绝缘、相绝缘增加一层H级绝缘的聚酰亚胺薄膜；采用真空压力浸漆工艺，形成无气隙绝缘。

这种绝缘结构及绝缘处理工艺所形成产品的可靠性和使用寿命已在本公司生产其它电机产品上得到验证。

3.2 工艺难点及解决方案
3.2.1 与普通电动机不同的梳齿型导条转子铸铝和薄壁大直径铝合金机座的铸造是该产品制作的工艺难点。

3.2.2根据转子与机座的结构特点分别采取如下解决方案：
⑴用高压铸造机采取高速充型、迅速增压的工艺，解决了梳齿型导条转子铸铝问题
转子的梳齿型导条完全在硅钢片组成的转子铁心内成型，铁心相当于铸造中的镶嵌件。

该镶嵌件热容量很大，高温铝液在细小曲折的导条形成空腔内受到较大的充型阻力会很快凝固，压力较低情况下，导条不仅不能在压力下结晶，就是完全充型也很困难。

我们利用5000KN全立式压力铸造机，采用10MP a压力高速充型，充型后迅速增压至20MP a保压的工艺，成功的解决了梳齿型导条转子铸铝的难题，保证了转子质量。

⑵用低压铸造机，采用定压力液面加压系统解决了薄壁大直径
铝合金机座的铸造问题
该系列电动机机座最大直径为φ550毫米，毛坯重量90公斤，铸件壁厚不均，最薄处3毫米，最厚处50毫米，我们使用1.5米起模行程的低压铸造机，采用0.133kP a /S的充型速度，充型后迅速增压至0.15MP a保压的工艺，并在金属模的排气通道上采取了相应的措施，成功的解决了薄壁大直径铝合金机座的铸造问题。

⑶转子高压铸造和机座低压铸造的控制过程均由单片机组成的电气系统自动完成，动作的可靠性和控制精度均得到了有效的保证。

4 产品实物质量检测结果及用户使用情况
4.1产品实物质量检测结果
4.1.1主要性能参数检测结果
依据API规范11L6规定的检验方法及考核内容，石油工业机械产品质量监督检验站对YCH电动机样机的机械结构、电气性能进行了检测，各项指标均达到考核标准，结论为合格。

其中电气性能检测结果与API规范11L6 标准对比见表一。

API规范11L6规定“额定功率由用户选定，200HP（150 kW）及以下”，根据用户需求我们选择了15 kW和33 kW两种功率等级；功率因数、效率两项参数，API 规范11L6及其引用标准（NEMA设计 D）均未给出保证值，因此这两项参数依照行业标准SY/ T 5226 《CJT系列抽油机节能拖动装置》考核，并执行该标准的容差。

表一 YCH系列电动机检测结果与API规范11L6标准对比表
4.1.2盐雾试验结果
盐雾试验是API规范11L6规定必须进行检测的项目。

上海电器科学研究所依据BG/T7060-94《船用旋转电机基本技术要求》、GB/T2423.17《电工电子产品基本环境试验规程》对YCH电动机绝缘系统进行了盐雾试验检测，检测结果均为合格，检测报告编号：AT04181。

该报告经API审核员与ASTM B117-90《盐雾试验的标准试验方法》进行比对，确认有效。