抽油机用高启动转矩感应电机设计与研究

谢颖　蔡翔　单雪婷　郭金鹏

摘 要：基于星三角混合连接绕组的特点和设计方法，以解决油田中使用大功率电机拖动低负载问题为目的对一台传统的三相感应电机的绕组与铁心进行了适当的设计改进。利用有限元方法对改造前后的电机磁场和启动性能进行了分析，结果显示改进后电机具有更好的启动性能且谐波含量更低，验证了改进方法的正确性。结合实验计算了改进后电机的负载特性，其结果表明该电机在拖动较低负载运行时仍具有较高效率，符合高启动转矩节能电机的设计要求。结合抽油机实际运行工况，利用有限元仿真在抽油机工况下改进后电机的负载性能。将改进后电机与大机座、高功率电机在制造成本上进行比较，以此验证该优化设计方案在节约成本上的突出优势。

关键词：感应电机;星三角混合连接绕组;启动转矩;负载特性

DOI：10.15938/j.jhust.2019.03.011

中图分类号： TM343.3

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2019）03-0066-08

Abstract：This paper is based on the characteristics and design methods of the star delta mixed winding in order to solve the problem of low load loading by using high power motor in oil field， and some design and improvement of the winding and core in a traditional threephase induction motor are carried out. The finite element method is used to analyze the magnetic field and the starting performance of the motor before and after the improvement. The results show that the improved motor has better starting performance and lower harmonic. It verifies the correctness of the improved method. The load characteristics of the modified motor are calculated by the experiment. The result shows the motor still has high efficiency when driving the low load and meets the design requirements of the high starting torque energy saving motor. In order to verify the optimization of the design cost savings in the outstanding advantages， the improved motor and the large base， highpower motor in the manufacturing cost comparison.

Keywords：Induction motor; star triangle mixed connection winding; starting torque; load performance

0 引 言

三相感应电机具有运行性能优异、结实耐用、可靠性高、调速范围广、控制装置简单、制造成本低等优点而被广泛运用在各个工业生产场合中。虽然感应电机具备诸多优点，但是在一些特定场合中，仍然存在着一些不足。为了提升感应电机的运行性能，国内外学者对感应电机的改进与优化进行大量的研究[1-4]，文[5-6]运用低谐波绕组对感应电机进行改进，以达到提高电机运行性能的目的，文[7-8]通过改进鼠笼型感应电机的转子槽型来提高电机的启动转矩。还有更换电机所使用的硅钢片、采用铜转子以及使用磁性槽楔来提升感应电机运行效率[9-11]。此外改变绕组连接方式也是提高电动机运行性能方法之一，星三角混合连接绕组具有谐波磁势含量低、低损耗等特点，能够有效提升电机性能，文[12-13]介绍了星三角混合连接绕组特点与优势及其对电机效率的影响。油田的工作环境决定了特殊的负载条件，在抽油机用感应电机的场合，常使用大功率电机以满足高启动转矩的要求，而在正常运行时不可避免的出现大功率电机带动较低负载的情况，即常说的“大马拉小车”，以至

电机运行时效率过低，造成不必要的能源浪费[14-17]。为了解决上述问题，本文利用与传统60°相带绕组不同的星三角混合连接绕组对感应电机进行设计改造，使其在启动时具备较高的启动转矩，而负载运行时仍能以较高效率拖动低负载。利用有限元对改进前后电机磁场进行对比计算来验证星三角混合连接绕组的特点，通过对比来验证改进后电机具备更好的启动性能，结合实验验证电机在低负载运行时仍具有较高效率。最后将改进后的电机与满足油田工况的大机座、高功率的电机进行节材对比。

1 星三角混合连接绕组

星三角混合连接绕组就是将普通的60°相带的三相绕组分成两套三相绕组，这两套三相绕组在空间相位上相差30°电角度，电流在时间相位上也相差30°，其中一套采用星形接法，另一套采用角形接法。星三角混合连接绕組存在两种连接方式：一种为星三角串联绕组，如图1（a）所示;另一种为星三角并联绕组，如图1（b）所示，由于星三角并联接法容易产生绕组内部环流问题，本文采用的是星三角串联接法。

从图1中可以看出星三角串联绕组的连接方式使得星形部分绕组中的相电流在时间上滞后于三角形部分相应的绕组中相电流30°电角度，并且使得星接相电流有效值为角接的3倍。因此，在绕组设计时，需要保证角接绕组部分中的线圈匝数为星形的3倍，同时星接部分的导线截面积为角接部分的1/3倍，这样可以保证星、三角两个部分绕组的电流密度相同，并且每槽中磁、热负荷大小一致。由于三相绕组磁势中，谐波的次数为：

γ=6k±1（1）

其中k=0，1，2，…，由于星接绕组和角接绕组存在着空间上30°电角度的相位差，两部分的相电流在时间上同样存在着30°电角度的相位差，当三相合成磁场建立，对于k=0，2，4，6，…时，γ=1，11，13，…等次数的谐波，在星三角两个绕组部分中是同相位的，会导致这些次谐波相互叠加，加强了基波磁场。而对于k=1，3，5，7…时，相对应的次数的谐波在星三角两个绕组中存在着180°的相位差，因此这些次谐波会得到相互抵消和削弱，即5，7，17，19…次谐波可以得到极大的削弱，从而改善了气隙磁场的波形，并使由谐波所引起的附加损耗下降。

2 高启动转矩感应电机的设计

2.1 绕组设计方案

与常规绕组不同，由于星三角混合连接绕组分为星接部分与角接部分两套绕组，星接和角接两套绕组时间和空间上均相差30°电角度，两部分产生的旋转磁场共同作用合成电机磁场，因此应当考虑两部分绕组对整个计算的影响。为了简化运算，将两部分绕组的各个系数进行等效，星三角混合连接绕组的等效分布因数以及每相等效串联匝数为[18]：

当αy=αΔ=3，NΔ=3Ny时，由之前结果可得，星接部分和角接部分的总安匝数相等，5、7次谐波得到极大的削弱甚至是消除，其他6k+1（k=奇数时）次谐波也得到了极大地削弱， 特别当q为偶数时根据式（2），6k+1等次谐波能够得到有效的消除[19]。

因此在绕组设计中，NΔ，Ny，αy，αΔ，q等参数的选择对谐波含量以及谐波的大小有着重要的影响，综上选择αy=αΔ=3，NΔ=3Ny这样的配比最为理想。但在实际生产中，在有些情况下由于多种原因很难保证槽内安匝数，则可以根据所要求削弱的谐波次数综合考虑其他因素来选择合适的匝数和并联支路数。因此本文采取αy=αΔ=3，NΔ=3N的配比，以一台Y200l26的三相感应电机为例，对绕组进行改进。

2.2 样机参数及实验平台

改进前后样机基本数据尺寸如表1所示，将定子绕组由之前的双层叠绕组改为星三角混合连接绕组，绕组具体连接示意图如图2所示，其中星接部分匝数为9，角接部分匝数为16。并且由于改接后线负荷有所增加，适当更改绕组线径大小以此增大绕组对电流的承受能力，将原来的1～1.12和1～1.18改为2～1.5和2～1.12。将铁心长度也进行适当增加，由之前的185mm增加为245mm。除此之外其他部分均不变，完全利用Y系列电机成套的生产模具和材料。

本文针对改进后电机运行性能进行了实验，图3为实验测试平台和实验仪器。图4为测试软件以及涡流测功机控制器。通过MAGTROL涡流测功机作为负载与被测样机直接相连，利用MTESE测试平台软件及其DSP6001控制器控制测功机转矩，根据负载变化结合功率分析仪测量电机电流，效率，功率因数等数据。

3 改进前后电机对比分析

3.1 绕组系数对比

星三角混合连接绕组的实质是有若干个同心线圈的型式连接而成，可以合理选择匝数和并联支路数来消除特定次数谐波使得磁动势为更加理想的正弦波。由于未改造之前的Y200l26电机的绕组接法为双层叠绕组，可由式（14）得到双层叠绕组的基波和各次谐波绕组系数[20]：

3.2 改进前后电机磁场计算

本文建立了电机的模型如图5，分别对改进前后电机在额定负载工况下进行仿真计算，得到的磁场计算结果如图6所示。图7、8为三种情况下气隙磁密波形以及其谐波分析对比。

根据图7、8可以看出，星三角混合连接绕组除基波增大外，还使得17、19等次谐波得到了有效的削弱，波形得到了改善，气隙磁密波更加贴近正弦波。改进后电机由于铁心加长，基波增加，虽然某些次谐波也有所增加，但是极大的提升了气隙磁密，符合电机高启动转矩的要求。

3.3 电机启动性能计算

电机的启动性能主要包括启动电流倍数和启动转矩倍数，由之前磁场计算结果可以看出经过星三角混合连接绕组改进的电机气隙磁密有所提升，磁密波形得到了改善，电机启动转矩势必会得到提高。在额定负载的情况下，分别对Y200l26电机在改进前后两种情况下的启动过程进行仿真，结果如表3和图9、10所示：

通过对比转矩、转速仿真图及表3，可以看出，改进后的电机启动时间短、启动转矩大，符合高启动转矩节能电机设计的要求。尽管启动电流有所增大，但通过绕组的线径的适当改造可确保在启动电流增大的前提下，电机也可以安全稳定的运行。

3.4 电机负载性能计算

在额定负载的工况下，改进后电机的额定点性能如表4所示，改进后电机较改进前并无太明显的提升，但是在油田这种特殊的工作环境下，电机所带动的负载多为周期性变化负载，除了在电机启动时需要带动较大的负载外，电机运行时所需要的转矩远远小于电机启动时的转矩，功率仅为额定功率的30%～40%，相当于轻载，与大功率电机带动低负载的运行不同，改进后电机功率较小，启动结束后仍能以较高的效率带动同样大小负载。

机械特性能够反映电机负载能力，根据计算改进电机的机械特性如图11所示，其中最大转矩点位于860rpm处，额定运行点位于980rpm处。根据对比结果可以看出，改进后电机无论是最大转矩还是启动转矩均高于改进前电机，符合高啟动转矩电机的设计目的。电机在不同功率下的效率和功率因数如图12、13所示。根据实验和计算的对比结果可以得出星三角混合连接绕在15～30kW之间都能保持较高的效率运行。

3.5 抽油機工况下改进电机负载性能

在抽油机系统中，主要包括的传动环节包括减速箱，曲柄及四连杆机构、平衡块及抽油杆等部分如图3所示。由于存在上下冲程以及考虑到油井深浅和油液面高低，抽油机的负载始终处于动态变化当中。上冲程中电动机可能处于重载状态，而在下冲程中，电动机可能处于轻载或者发电状态。因此在实际计算电动机负载时应当考虑到各个传动部件对系统影响，具体的计算方式使将先不考虑平衡块所产生的力矩，将上下冲程的力矩等效到悬点，之后在考虑平衡块的作用，平衡块在上冲程过程中向下运动，产生的力矩能抵消一部分阻力矩;而在平衡块在下冲程的过程中向上运动，产生的为阻力矩。最后综合悬点等效力矩和平衡块等效力矩，可以得出，整个系统在一个冲次的力矩变化。在仅考虑一个冲次的时间范围内，假设上下冲程各0.5s，并且油井中油动液面为400m，泵深800m的条件下，上冲程悬点等效为2800Nm，下冲程悬点等效力矩为-2750Nm，平衡块等效力矩为500Nm，减速器传动比为100。考虑起动过程，对负载条件进行了仿真，结果如图14、15、16所示。

仿真结果较符合抽油机工作实际负载情况，该过程由于包含启动过程，上下冲程时间较长，在电机启动后，实际一个冲次的时间要小于包含起动过程的时间。在仅考虑上冲程的条件下，对改进前后的Y200L26电动机进行仿真计算，得出的上冲程转矩对比如图17，转速对比如图18所示。在一定的负载条件下改进后的电机具有较高的启动转矩并且启动时间较短，而改进前电机则需要长时间的启动过程才能进入稳定运行状态。

3.6 改进电机节材计算

改进后电机启动转矩较大，能够较好的满足油田等特殊工况要求。由于改进后电机启动性能完全优于同机座号电机，因此将改进后电机与更大机座号电机的启动性能进行比较，由于油田电机多采用六极或者八极，所以将改进后电机与Y225m6、Y250m6以及Y280s6各型号电机的启动性能进行计算比较，结果如表5所示。

由表5可以改进后Y200l26电机启动转矩优于30kW的Y225m6电机，与45kW的Y280s6电机启动转矩相当，而在启动电流方面，虽然改进后的Y200l26的启动电流相比原电机有所增大，但远小于Y280s6。综上，可以看出改进后电机的启动性能优异。在实际生产中，除了感应电机性能外，电机价格也是影响电机使用的重要因素，电机价格受到电机成本影响。电机生产的成本估算根据硅钢片的重量，绕组铜线用量，铝用量，绝缘用量，轴重量，铸件量及其风扇和风扇罩等其他部分的用量以及总共工时决定。工时一定的条件下，根据机械工业部中准价格表，各个电机的成本价格如表6所示。根据表中内容可以看出改进后电机成本价格远远低于45kW电机，此外改进电机仅需要变更绕组和适当增加铁心长度，无需重新开模，便于实际生产。

4 结 论

根据上述的结果本文得出如下的结论：

1）星三角混合连接绕组连接方式与传统60°相带绕组相比，具有增强基波、削弱谐波的作用。经计算星三角串联绕组的基波绕组系数更大，5、7次谐波绕组系数较小。

2）改进后Y200l26电机极大地提升了气隙磁密中，虽然有些次谐波有所增加，但是基波得到了增强，削弱了17、19等特定的谐波，改善了气隙磁密的波形，符合高启动转矩电机设计要求。

3）根据计算结果表明改进后电机启动能力得到了较大的提升，改进后22kW电机的启动性能与同系列45kW电机和更大机座号电机相当，启动性能优异。负载运行时改进前后电机性能变化不大，但结合油田实际运行时负载条件，改进后电机在轻载运行时仍能够满足高效率运行。

4）根据本文设计方法改进后电机在油田等特殊工况下可以取代更大机座号电机，相比大机座高功率电机大大降低了功率的消耗，改造方法简单，并且在电机生产中节约材料，极大降低了电机成本，在实际生产有十分重要的意义。

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（编辑：关 毅）