潜油永磁同步直线电机模拟负载测试平台

潜油永磁同步直线电机模拟负载测试平台

马宝忠 1，刘兴旺 1，王秀和 2，王旱祥 3，王新庆 3

1. 山东威马泵业股份有限公司，山东 济南 271000；

2. 2、山东大学，山东 济南 250000；

3. 3、中国石油大学（华东），山东 青岛 266000

摘要：潜油永磁同步直线电机驱动柱塞泵采油作为一项新技术已逐渐在油田推广应用，为了切实评估新型电机的性能及可靠性，为实际应用及设计优化提供参考依据，设计了本套模拟负载测试平台。本测试平台包括潜油永磁同步直线电机、平台机架、模拟负载、电机控制系统、电机工作环境控制系统、数据采集系统。本测试平台可有效开展不同工况下潜油永磁同步直线电机性能测试，验证潜油永磁同步直线电机设计的有效性和可靠性，对潜油永磁同步直线电机技术的发展起到积极作用。

随着油田的不断开发，大斜度井、水平井等油井逐渐增多，有杆采油系统很难满足新的开采需求。潜油永磁同步直线电机驱动柱塞泵采油技术可应用于大斜度井、水平井的开采，同时其自动化程度高，冲次、冲程可自适应调整，尤其适用于低产浅井。但在使用过程中出现推力不足、推力波动大、温升过高问题。为适应多井深、多井况的采油需求，我公司联合多家科研院所进行了潜油永磁同步直线电机相关研究，并开发了新型高电磁密度潜油永磁同步直线电机，为展开与油田采油相关的空载/负载测试，准确评估该电机的性能及可靠性，搭建了本文所述的潜油永磁同步直线电机模拟负载测试平台，开展不同工况下的综合测试及研究，将实验结果与理论分析计算进行对比，验证理论设计与计算的有效性，促进潜油永磁同步直线电机的优化及改进。

1 实验原理

图1潜油永磁同步直线电机模拟负载测试平台原理图

潜油永磁同步直线电机模拟负载测试平台原理如图1所示。

系统主要由潜油永磁同步直线电机、机架、模拟负载、电机控制系统、电机工作环境控制系统、数据采集系统等组成。

电机控制系统可调节驱动参数使潜油永磁同步直线电机处于多种工作状态。

潜油永磁同步直线电机是本测试平台的测试对象，也是测试中的动力源，测试时潜油永磁同步直线电机固定于电机套筒内，其动子与电机套筒的滑动密封杆连接，钢丝绳经3组定滑轮一端连接滑动密封杆另一端连接模拟负载配重，动子向左运动时将拉动配重向上运动，匀速运动时配重的重量即为潜油永磁同步直线电机实际负载。模拟负载配重底部设有阻尼缓落器，用于模拟潜油永磁同步直线电机的空载行程。

电机工作环境控制系统可调节潜油永磁同步直线电机工作环境温度，改变循环油性质（砂、蜡、气含量以及粘稠度等）可模拟测试不同井况时潜油永磁同步直线电机的工作性能。

数据采集系统可同时测量相应工况下潜油永磁同步直线电机的电压、电流、功率、效率、功率因数等参数。

2 测试系统设计

2.1 潜油永磁同步直线电机

实验采用的是自主研制的分数槽潜油永磁同步直线电机，结构如图2所示。

图2 潜油永磁同步直线电机结构示意图

本电机的主要创新点有：①采用了全新的结构，从结构上提高电机的推力密度②改进了线圈的散热结构，提高散热能力③优选了绝缘材料和永磁体，提高电机的温度耐受度④引入了防固体颗粒进入、动定子耐磨耐蚀技术，提高了电机的可靠性。

基于Maxwell软件进行了潜油永磁同步直线电机电磁参数设计及优化（如图3/4），分析了电机的推力、效率、温升等指标。

图3 推力优化设计

图4 磁密云图 图5局部磁力云图

2.2电机控制系统

该系统通过控制电机的工作频率改变电机动子的运动速度。为适应多型号电机的多行程测试需求，行程不再采用脉冲数控制，而是通过置于电机套筒上的磁性开关判断行程到位进而给变频器信号改变运动方向。

2.3机工作环境控制系统

该系统由电由油箱、加热棒、电极套筒及油路构成，加热棒置于油箱内，测温器置于电机套筒回油口，当温度低于设定值时温控器控制加热棒加热，达到设定温度后加热棒断电。

改变循环油性质（砂、蜡、气含量以及粘稠度等）可模拟测试不同井况时潜油永磁同步直线电机的工作性能。

2.4数据采集系统

该系统在面板实时显示当前工况下的电压、电流、动子运动速度、行程、冲次数，温度传感器实时采集油箱及电机壳表面的温度。所采集到的所有参数均可通过软件绘制历史曲线。

3平台测试

该电机的技术指标主要有：推力、运动速度、效率、温升。

3.1推力测试

推力测试时先设定电机环境温度为井况温度，逐步增加模拟负载配重重量，测试空载至满载时各频率下的电压、电流数据，绘制曲线。以我公司新型潜油永磁同步直线电机验证机举例，其负载、电流、频率曲线如图5所示。

图5潜油永磁同步直线电机验证机负载、电流、频率曲线

3.2运动速度

动子匀速运动速度可由行程、运动时间确定：

v1=L’/t’

式中，v₁为匀速运动速度，L’为匀速运动距离，t’为匀速运动时间。

动子理论匀速运动速度可按下式计算：

v2=2fτ

式中，v₂为匀速运动速度，f为频率，τ为动子极距。

匀速运动速度偏差率可按下式计算：

ξ=（v₁-v₂）/v₂×100%

式中，ξ偏差率，v₁为匀速运动速度，v₂为匀速运动速度。

由于本电机为永磁同步电机，匀速运动速度与频率有严格的线性关系，一般不会出现偏差，抽样检测即可。

3.3效率

理论设计时，潜油永磁同步直线电机效率可由输出功率和损耗功率确定：

η=[P_out/(P_out+P_loss)]×100%

式中，P_out为电机输出功率，P_loss为相应工况下电机损耗功率。

电机运行过程中功率损耗主要由铜耗P_cu、铁耗P_fe、机械损耗P_fw、杂散损耗P_s四部分组成：

P_loss=P_cu+P_fe+P_fw+P_s

实际测试时，精确测量各项损耗非常困难，可根据电机的输入和输出功率计算电机效率。

电机输入功率P₁为：

P₁=U×I×cosφ_N

式中，U为电机匀速时的电压值，I为电机匀速时的电流值，cosφ_N为电机的功率因数。

电机输出功率P₂为：

P₂=v₁×F

式中，P₂为电机输出功率，v₁为动子匀速运动速度，F为负载。

实测电机效率为：

η₁=P₂/P₁×100%

3.4温升

进行此测试时需将温控系统关闭，仅保留测温功能，将油箱、油路、电机套筒内循环油置于环境温度，并记录环境温度T₁，按特定工况运行潜油永磁同步直线电机，记录各时间段时的温度并绘制温度变化曲线，温度上升并趋于平缓后记录温度T₂，温升为：

ΔT=T₂-T₁

式中，ΔT=为温升值，T₁为初始环境温度，T₂为温度趋于平缓后的温度。

4结语

本测试平台可有效开展不同工况下潜油永磁同步直线电机性能测试，验证潜油永磁同步直线电机设计的有效性和可靠性，对潜油永磁同步直线电机技术的发展起到积极作用。

参考文献

1. 崔俊国，高翔，邹文强，等.潜油永磁同步电机直驱螺杆泵采油实验平台[J].实验技术与管理，2020,37[9]:122-126

2. 李一，圆筒型永磁直线电机样机改进设计[D].沈阳工业大学博士学位论文，2016:5-23

3. 叶云岳，直线电机技术的研究发展与应用综述[J].电气技术发展综述，2004,16(3):262-265

4. 罗辞勇，李竹天，等.异形永磁体圆柱型直线电机的优化设计[J],电工技术学报，2017,32(17):78-95

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