一种高起动转矩多速电动机及其电磁设计的制作方法

1.本技术涉及油田开采设备的领域，尤其是涉及一种高起动转矩多速电动机及其电磁设计。


背景技术：

2.高起动转矩多速电动机是根据抽油机负载的特殊状况开发的电动机，该电动机采用槽号相位图法设计的新型换相变极双速电机，经过优化设计，使电动机具有高起动转矩高效节能等特点。
3.现有的公开号为cn109391069a的中国专利公开了一种油田用异步电动机，具体为包括套壳，套壳一侧的中部固定套装有第一纠偏装置，且套壳内腔的中部固定套装有磁铁，磁铁内侧的中部活动套装有感应线圈，且感应线圈内侧的中部固定套装有输出轴，输出轴一侧的顶部和底部均开设有凹槽，且两个凹槽的一侧均活动套装有第一弹簧，两个凹槽内部的另一侧均卡接有卡杆，输出轴的外部活动套装有扇叶。
4.针对上述中的相关技术，发明人认为上述油田用异步电动机能解决现有的异步电动机转轴损坏后不便于进行更换的问题，但是我国油田大多为低渗贫油田和开采后期的低产油井，当抽汲参数冲程、冲次调整不合理，不能满足井下液面动态平衡状况，致使空抽现象严重，造成大量无功损耗，浪费国家的电力投资。


技术实现要素：

5.根据油田生产状况，对电动机进行有级调速调参，平衡井下液压状况，降低配套功率，减少自身空载损耗，节约国家的电力投资，本技术提供一种高起动转矩多速电动机及其电磁设计。
6.第一方面，本技术提供一种高起动转矩多速电动机电磁设计，采用如下的技术方案：一种高起动转矩多速电动机电磁设计，采用如下的技术方案：s1高起动转矩多速电动机电磁设计准则,通过对油田抽油机的负载特点和对双速电动机的转矩、效率及功率因数的分析，总结得到了油田抽油机用高起动转矩双速电动机的设计准则；s2提高高起动转矩多速电动机技术措施，由于抽油机对电动机起动转矩要求较高，正常运行时又常常处于轻载状态，因此设计中重点考虑起动转矩、最小转矩，综合分析；s3高起动转矩多速电动机的主要技术指标包括起动性能，还包括电动机在输出功率、电压及频率为额定时，其效率和补偿后的功率因数的保证值。
7.通过采用上述技术方案，高起动转矩多速电动机，不仅根据生产状况手动或遥控进行有级调速调参，平衡井下液压状况，避免空抽现象，同时降低了配套功率，减少自身空载损耗，又提高了电网质量，实现双重节能，我国各大油田普遍使用异步电动机，存在严重的“大马拉小车”现象，采用高效节能电动机，将采油这一高能耗产业的电能损耗降下来，可
以缓解我国电力不足的情况，具有节约国家电力投资的效果。
8.可选的，步骤s1中的设计准则包括感应电动势小于并接近于额定电压，以保证电动机具有高的功率因数和较宽经济运行范围；还包括提高双速下的基波绕组分布系数。
9.通过采用上述技术方案，高起动转矩多速电动机采用槽号相位图法设计的变极绕组，优点是保证双速下的各相线圈电动势基波含量力求集中，同时提高双速下的基波绕组分布系数，降低磁动势谐波含量，避免电动机在起动过程中出现爬行现象，使双速下气隙磁密比合理，变速切换可靠性高，在每极磁通量一定的情况下，提高绕组分布系数可以减少匝数，定子电阻和漏抗都会减小，有效的提高双速电动机的起动转矩和效率，尤其对低速档的起动转矩、最大转矩及输出功率有直接的影响。
10.可选的，步骤s1中的设计准则还包括变极绕组磁动势谐波分析计算。
11.通过采用上述技术方案，变极绕组气隙磁功势，除p对极基波外，还在着各种极对数v＜p低次谐波和v＞p的高次谐波，不仅谐波次数较多而且谐波幅值较大，对电动机的起动、振动、噪声、温升有很大影响。因此必须对设计方案进行谐波含量分析，即对三相绕组磁动势的谐波含量进行定量计算，并采取措施，削弱影响电动机起动性能的与基波同转向的高次谐波。
12.可选的，步骤s2中的综合分析包括合理调整双速下的气隙磁密比值，减小定子绕组匝数，提高双速下定子绕组的基波绕组分布系数。
13.通过采用上述技术方案，合理的气隙磁密比将会对双速下的起动转矩，最大转矩及输出功率有直接的影响，高起动转矩多速电动机定子绕组采用合理连接方法，高速档每相串联匝数较少，低速档串联一调整绕组，让多极数的每相匝数nⅱ较多，使其电势系数keⅱ较低，从而有效的调整高、低速下的气隙磁密比值。
14.可选的，步骤s2中的综合分析还包括提高功率因数的措施，感应电动机功率因数的高、低与定子电流无功含量i1q的大小直接有关。
15.通过采用上述技术方案，要提高cosφ，应设法降低im或i1x，以降低i1q，采取的措施有缩小定、转子槽面积，减小气隙，降低各部分磁密，适当增加匝数以降低激磁电流im；增大定、转子槽宽，减小槽高以降低xδ,降低电控电流ix，采用控制系统进行无功补偿，控制系统主电路，并联补偿相量简图，达到节能目的。
16.可选的，步骤s2中的综合分析还包括扩大经济运行的范围，感应电动机的损耗包括可变损耗和不变损耗，可变损耗包括铜耗和杂散损耗，不变损耗包括机械损耗和铁耗。
17.通过采用上述技术方案，要保证宽广的经济运行范围，就要使高、低下的输出功率的定子电流最小，这样可使得效率和功率因数尽可能的高，减小损耗可以从两方面着手：一是，减少不变损耗，也就是减小铁耗，减小铁耗就要减小各部分磁密，起动转矩会下降，因此要综合考虑。二是，减小可变损耗，双速电机杂散损耗主要是由高次谐波引起的，谐波含量过大时，变故绕组的设计将失去实用价值，因此在确定变极绕组中各段线圈组的线圈号后，即对其三相绕组磁动势的谐波含量进行定量计算，并采取措施降低谐波含量。
18.可选的，步骤s2中的综合分析还包括磁动势谐波含量的计算，为方便于比较，把ν对极磁动势谐波用基波幅值的百分数表示，称为ν对称的磁动势谐波含量。
19.通过采用上述技术方案，采取措施降低谐波含量，进而降低杂散损耗，有效的办法
是采取合理的绕组排列及有针对性的选择合适的节距，以保证双速下均有较高的分布系数和节距系数，降低谐波，减少定子匝数，降低杂散损耗和定子铜耗，提高效率。
20.第二方面，本技术提供一种高起动转矩多速电动机，采用如下的技术方案：一种高起动转矩多速电动机，包括电机和电气控制箱，电机靠近电气控制箱的一侧开设有竖直的滑槽，电机靠近电气控制箱一侧的底部固设有置于滑槽底部的支撑块，电气控制箱靠近电机的一侧固设有滑块，滑块置于滑槽内且与滑槽相互适配，电气控制箱远离电机的一侧铰接有控制门。
21.通过采用上述技术方案，操作员在安装电机和电气控制箱的时候，将滑块正对滑槽的一端，从滑槽的端部位置处将滑块滑动安装至滑槽内，直至滑块与支撑块相互抵触在一起，再通过电气控制箱自身的重力，完成电机与电气控制箱之间的连接，通过打开控制门，方便操作员对电气控制箱内的转换开关拨动，实现转速变换，也可通过遥控器进行控制，电气控制箱内的电气控制系统具有断相、过载、短路、电流跟踪批示、故障记忆、电流调节等功能。
22.可选的，所述电气控制箱靠近电机的一侧上设有锁紧装置，锁紧装置连接电气控制箱与电机。
23.通过采用上述技术方案，操作员通过锁紧装置，进一步的将电气控制箱与电机稳定的锁紧在一起，进一步提高电机与电气控制箱之间连接的稳定性。
24.可选的，所述电气控制箱的两侧分别设有开口朝下的通风孔，电气控制箱的顶部固设有遮雨板。
25.通过采用上述技术方案，通风孔有利于散失电气控制箱内部产生的热量，同时通风孔朝下，减少了雨水等进入电气控制箱内部的可能性，遮雨板也起到遮风挡雨的作用，对电气控制箱进行进一步的保护。
26.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：1.高起动转矩多速电动机，不仅根据生产状况手动或遥控进行有级调速调参，平衡井下液压状况，避免空抽现象，同时降低了配套功率，减少自身空载损耗，又提高了电网质量，实现双重节能，我国各大油田普遍使用异步电动机，存在严重的“大马拉小车”现象，采用高效节能电动机，将采油这一高能耗产业的电能损耗降下来，可以缓解我国电力不足的情况，具有节约国家电力投资的效果；2.操作员在安装电机和电气控制箱的时候，将滑块正对滑槽的一端，从滑槽的端部位置处将滑块滑动安装至滑槽内，直至滑块与支撑块相互抵触在一起，再通过电气控制箱自身的重力，完成电机与电气控制箱之间的连接，通过打开控制门，方便操作员对电气控制箱内的转换开关拨动，实现转速变换，也可通过遥控器进行控制，电气控制箱内的电气控制系统具有断相、过载、短路、电流跟踪批示、故障记忆、电流调节等功能。
附图说明
27.图1是本技术实施例一种高起动转矩多速电动机电磁设计的感应电动机的简化相量图。
28.图2是本技术实施例一种高起动转矩多速电动机电磁设计的控制系统主电路图。
29.图3是本技术实施例一种高起动转矩多速电动机电磁设计的并联补偿相量简图。
30.图4是本技术实施例一种高起动转矩多速电动机的整体结构示意图。
31.图5是本技术实施例一种高起动转矩多速电动机中电机与电气控制箱之间俯视角的连接结构示意图。
32.图6是本技术实施例一种高起动转矩多速电动机中电机与电气控制箱之间仰视角的连接结构示意图。
33.附图标记说明：1、电机；11、滑槽；12、支撑块；2、电气控制箱；21、滑块； 22、控制门；23、通风孔；24、遮雨板；3、锁紧装置；31、锁紧螺栓。
具体实施方式
34.以下结合全部附图对本技术作进一步详细说明。
35.本技术实施例公开一种高起动转矩多速电动机电磁设计。
36.一种高起动转矩多速电动机电磁设计，设计方案如下：s1高起动转矩多速电动机电磁设计准则，通过对油田抽油机的负载特点和对双速电动机的转矩、效率及功率因数的分析，总结得到了油田抽油机用高起动转矩双速电动机的设计准则：
①
感应电动势小于并接近于额定电压，以保证电动机具有高的功率因数和较宽经济运行范围。
37.②
提高双速下的基波绕组分布系数。高起动转矩多速电动机采用槽号相位图法设计的变极绕组，其优点是：保证双速下的各相线圈电动势基波含量力求集中，同时提高双速下的基波绕组分布系数，降低磁动势谐波含量，避免电动机在起动过程中出现爬行现象，使双速下气隙磁密比合理，变速切换可靠性高。在每极磁通量一定的情况下，提高绕组分布系数可以减少匝数，定子电阻和漏抗都会减小，有效的提高双速电动机的起动转矩和效率。尤其对低速档的起动转矩、最大转矩及输出功率有直接的影响。
38.③
变极绕组磁动势谐波分析计算。变极绕组气隙磁功势，除p对极基波外，还在着各种极对数v＜p低次谐波和v＞p的高次谐波，不仅谐波次数较多而且谐波幅值较大，对电动机的起动、振动、噪声、温升有很大影响。因此必须对设计方案进行谐波含量分析，即对三相绕组磁动势的谐波含量进行定量计算，并采取措施，削弱影响电动机起动性能的与基波同转向的高次谐波。
39.④
进行工艺设计，提高工效，嵌线流程要求清晰，有条理，便于规模生产。
40.s2提高高起动转矩多速电动机技术措施，由于抽油机对电动机起动转矩要求较高，正常运行时又常常处于轻载状态，因此设计中重点考虑起动转矩、最小转矩，综合分析，确定采取以下措施：
①
合理调整双速下的气隙磁密比值，减小定子绕组匝数，提高双速下定子绕组的基波绕组分布系数，对于感应电机气隙磁密每极磁通将(2)式代入(1)式可得
设注脚i代表高速档(低极数)，注脚i代表低速档(高极数)，确保双速电动机双速下均有较高的起动转矩值，最大转矩及输出功率，关键是调整双速下气隙磁密化值即：双速电动机φ电磁转矩与气隙磁密之比的关系为：而输出功率与气隙磁密之比的关系可表示为：可见，合理的气隙磁密比将会对双速下的起动转矩，最大转矩及输出功率有直接的影响，dyg系列电动机定子绕组采用合理连接方法，高速档每相串联匝数较少，低速档串联一调整绕组，让多极数的每相匝数nⅱ较多，使其电势系数keⅱ较低，从而有效的调整高、低速下的气隙磁密比值。
41.②
提高功率因数的措施。
42.参照图1，感应电动机功率因数的高、低与定子电流无功含量i1q的大小直接有关。
43.要提高cosφ，应设法降低im或i1x，以降低i1q，采取的措施有缩小定、转子槽面积，减小气隙，降低各部分磁密，适当增加匝数以降低激磁电流im；增大定、转子槽宽，减小槽高以降低xδ,降低电控电流ix。
44.参照图2和图3，采用控制系统进行无功补偿，电流i1是电阻性负荷电流ir与电感性电流i1l的相量和，电阻性电流与电压同相，感性电流il滞后于电压u90
°
， i1与u的相位差为φ1,并联电容器后，由于电容性电流ic超前于电压u90
°
，其相位正好于il相反，可以抵消一部分感性电流，此时的合成电流i1减少到i2，i2与电压的相位差，由φ1减少φ2，功率因数由cosφ1提高到cosφ2，达到节能目的。
45.③
扩大经济运行的范围。感应电动机的损耗包括可变损耗和不变损耗，可变损耗包括铜耗和杂散损耗，不变损耗包括机械损耗和铁耗。要保证宽广的经济运行范围，就要使高、低下的输出功率的定子电流最小，这样可使得效率和功率因数尽可能的高，减小损耗可以从两方面着手：一是，减少不变损耗，也就是减小铁耗，减小铁耗就要减小各部分磁密，起动转矩会下降，因此要综合考虑。二是，减小可变损耗，双速电机杂散损耗主要是由高次谐波引起的，谐波含量过大时，变故绕组的设计将失去实用价值，因此在确定变极绕组中各段线圈组的线圈号后，即对其三相绕组磁动势的谐波含量进行定量计算，并采取措施降低谐波含量。
46.其中基波分布系数的计算，变极绕组对双速下均三相对称，因此只需对其中一相求该相绕组的所有线圈槽相量的槽号和与算术和之比，即可得到分布系数。槽相量的相量和为其xuv＝σcosβuxyuv＝σsinβux
基波分布系数其中变极绕组磁动势谐波的分布系数计算，双速绕组在pi极为基波的运行状态下，对 pi极而而言是三相对称的，但对ν对极谐波可能三相不对称，这时就得将其对称分量法求出正序分量和负序分量，进而求出其“三相综合正序分布系数”和“三相综合负序分布系数”,其表达式如下：,其表达式如下：对除基波外的谐波综合正负序分布系数用上式进行计算，若得出的正、负序分布系数均不为0，则某些极对数的谐波可能出现三相不对称，若某一个ν对极的谐波三对称时，则上式计划结果必定有一个为0。
47.④
磁动势谐波含量的计算。为方便于比较，把ν对极磁动势谐波用基波幅值的百分数表示，称为ν对称的磁动势谐波含量谐波含量同转向高次谐波含量最好控制在5％以内，以保证电动机起动过程中不出现低速爬行现象，当同转向高效谐波含量接近或大于10％时，变极方案将不予采用，谐波含量计算分析是高起动转矩多速电机设计时非常重要的一个环节，根据分析情况，采取措施降低谐波含量，进而降低杂散损耗，有效的办法是采取合理的绕组排列及有针对性的选择合适的节距，以保证双速下均有较高的分布系数和节距系数，降低谐波，减少定子匝数，降低杂散损耗和定子铜耗，提高效率。
48.s3高起动转矩多速电动机主要技术指标：
①
起动性能，该系列电机的起动转矩倍数，机座号在250以下的≥2.6倍，机座号在280 以上的≥2.3倍。
49.②
电动机在输出功率、电压及频率为额定时，其效率和补偿后的功率因数的保证值应符合表1中的规定。
50.表1
本技术实施例还公开一种高起动转矩多速电动机。
51.参照图4，一种高起动转矩多速电动机，包括电机1和电气控制箱2，电机1与电气控制箱2安装连接在一起。通过电气控制箱2实现转速变换，也可通过遥控器进行控制，电气控制箱2内的电气控制系统具有断相、过载、短路、电流跟踪批示、故障记忆、电流调节等功能。
52.参照图5，电机1靠近电气控制箱2的一侧开设有两个竖直的滑槽11，电气控制箱2靠近电机1的一侧固设有两个竖直的滑块21，滑块21的位置与滑槽11的位置正对，滑块21置于滑槽11内且与滑槽11相互适配。操作员在安装电机1和电气控制箱2的时候，将滑块21正对滑槽11的一端，从滑槽11的端部位置处将滑块21滑动安装至滑槽11内，方便对电机1与电
气控制箱2进行安装和拆卸。
53.参照图5和图6，电机1靠近电气控制箱2一侧的底部固设有置于滑槽11底部的支撑块12，当滑块21与支撑块12相互抵触在一起，此时支撑块12对滑块21起到位置限定的作用，进一步保证滑块21与滑槽11之间连接的稳定性。
54.参照图4，电气控制箱2远离电机1的一侧铰接有控制门22，操作员通过打开控制门22，方便对电气控制箱2内的转换开关进行拨动。
55.参照图5，电气控制箱2靠近电机1的一侧上安装有锁紧装置3，锁紧装置3连接电气控制箱2与电机1。操作员通过锁紧装置3，进一步的将电气控制箱2与电机1 稳定的锁紧在一起。
56.参照图5，锁紧装置3包括锁紧螺栓31，锁紧螺栓31与电机1螺纹连接，同时锁紧螺栓31的端部穿过电机1且与电气控制箱2的外侧壁抵触。通过锁紧螺栓31与电气控制箱2外侧壁的抵触，进一步提高电气控制箱2与电机1之间锁紧的牢固性。
57.参照图4，电气控制箱2的顶部固设有遮雨板24，遮雨板24能有效的防止雨水落到电气控制箱2内，提高电气控制箱2在雨天下工作的稳定性和安全性。
58.参照图4，电气控制箱2的两侧分别设有开口朝下的通风孔23，通风孔23将电气控制箱2的内部与外界相互连通起来，进而有利于散失电气控制箱2内部产生的热量，同时通风孔23朝下，又能减少雨水进入电气控制箱2内部的可能性，提高电气控制箱 2的安全性。
59.本技术实施例一种高起动转矩多速电动机的实施原理为：操作员将滑块21正对滑槽11，将滑块21安装到滑槽11内，直至滑块21与支撑块12抵触，此时将锁紧螺栓31拧紧在电机1上，锁紧电气控制箱2的位置，最后打开控制门22，对电气控制箱 2内的转换开关进行拨动使用。
60.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。