CN114513103A - 一种抽油机用无刷永磁力矩电机及速度时变控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种抽油机用无刷永磁力矩电机及速度时变控制方法，本发明电机包含一套散热系统，非驱动端端盖组件上开设有进风孔，驱动端端盖上开设有出风孔，风扇安装在非驱动端端盖主体内圆内。本发明的电机基于抽油机负载的变化，采用转速时变控制方法，避免电机失步和工作于发电状态。本发明提出的抽油机用无刷永磁力矩电机及速度时变控制方法能够提高电机转矩密度，提高系统效率，实现抽油机节能高效运行。

Description

一种抽油机用无刷永磁力矩电机及速度时变控制方法
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别是涉及一种抽油机用无刷永磁力矩电机（高转矩密度抽油机）及速度时变控制方法。
背景技术
在游梁式抽油机上，半直接驱动低速永磁同步电动机的应用取消了皮带轮传动机构，提高了抽油机的系统效率。但抽油机平衡块与减速箱间的有限空间对半直接驱动低速永磁同步电动机的厚度提出了极高的要求，提高电机转矩密度是降低电机厚度的一个有效方法，转矩密度的提高必然带来电机发热量的增加，因此，研究散热好、转矩密度高的抽油机永磁力矩电机具有工程价值。
目前抽油机井应用变频控制模式多为变频恒速模式，由于抽油机在上下冲程中存在不平衡现象，导致抽油机在上冲程过程中以较高速度运行，驱动电机可能处于发电状态，浪费了大量的电能。为此，专利（申请号：201610344720 .9、202110327280 .7）提出了分段调速模式提高系统效率，虽然上冲程和下冲程时的电机运行速度不同，但在整个上冲程期间（或下冲程期间）的电机转速是相同的，还是不能保证电机完全处于电动状态。
发明内容
本发明的目的是提供一种高转矩密度抽油机用永磁力矩电机及速度时变控制方法，在不增加电机尺寸和不提高电机运行温度的前提下增加电机的转矩（或功率）；同时，在不增加控制系统成本前提下通过软件使电机运行速度时变，避免电机失步和防止运行于发电状态，提高抽油机系统效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种抽油机用无刷永磁力矩电机，包括机座、定子、转子、驱动端端盖、非驱动端端盖组件、风扇、轴承和滤网，机座的一端固定有非驱动端端盖组件，机座的另一端固定有驱动端端盖，机座内壁上固定有定子，驱动端端盖与非驱动端端盖组件均通过轴承连接转子，定子与转子之间有空隙，转子上固定风扇，所述风扇采用螺栓通过转子上的螺纹孔固定，机座外壁上设置底脚，所述电机包含一套散热系统，非驱动端端盖组件上开设有进风孔，驱动端端盖上开设有出风孔，风扇安装在非驱动端端盖主体内圆内。
进一步的，所述驱动端端盖包括驱动端端盖主体、出风孔和驱动端端盖防水檐；所述驱动端端盖主体包括驱动端端盖主体外圆、驱动端端盖主体内圆和驱动端端盖主体斜肩，驱动端端盖主体外圆和驱动端端盖主体内圆通过驱动端端盖主体斜肩相连接；在驱动端端盖主体斜肩上沿径向R开有若干出风孔，驱动端端盖防水檐位于出风孔外侧；装配驱动端端盖时，驱动端端盖防水檐位于底脚的正上方。
进一步的，所述非驱动端端盖组件包括非驱动端端盖和风扇罩；非驱动端端盖包括非驱动端端盖主体、进风孔、非驱动端端盖防水檐；所述非驱动端端盖主体包括非驱动端端盖主体外圆、非驱动端端盖主体内圆和非驱动端端盖主体斜肩,在非驱动端端盖主体斜肩处开有若干进风孔；非驱动端端盖防水檐位于进风孔外侧，风扇罩与非驱动端端盖防水檐相贴合；装配非驱动端端盖组件时，非驱动端端盖防水檐位于底脚的正上方。
进一步的，风扇罩内侧设置有滤网，滤网与风扇罩相贴合。
进一步的，所述定子包括线圈和铁心，铁心上设置定子齿，线圈套置于定子齿上，在相邻的定子齿间放置霍尔元件，霍尔元件包含霍尔元件A、霍尔元件B、霍尔元件C；线圈组成A、B、C三相绕组，霍尔元件A、霍尔元件B、霍尔元件C共同测量转子的相对位置。
一种抽油机用无刷永磁力矩电机的速度时变控制方法，所述方法包括下述步骤：
步骤（1）、启动电机控制程序，设置所述电机的初始时的设定转速nSET=n0；
步骤（2）、获取所述电机的第j次适时转速nj，j为大于等于1的正整数；
步骤（3）、获取所述电机的第j+1次适时转速nj+1；
步骤（4）、如果nj+1＜nj，判断抽油机处于下冲程，所述电机设定转速nSET=n0；如果nj+1≥nj，判断抽油机处于上冲程，改变所述电机的设定转速nSET= nj+1；
步骤（5）、重复步骤（2）至步骤（4）。
进一步的，步骤（2）和步骤（3）中的第j次适时转速nj和第j+1次适时转速nj+1可通过霍尔元件获取，或者运用速度无传感器控制技术，在线估计所述电机的第j次适时转速nj和第j+1次适时转速nj+1。
优点效果：
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
（1）本发明的抽油机用无刷永磁力矩电机通过增设一套散热系统，对电机内部进行通风冷却，提高了电机的散热能力，进而增加了电机的转矩密度；
（2）采用实现速度时变控制，使电机的给定速度时刻跟随电机实际运行速度，避免所述电机失步和运行于发电状态，保证高系统效率。
附图说明
为更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明抽油机用无刷永磁力矩电机结构示意图；
图2为本发明抽油机用无刷永磁力矩电机空气流通路径示意图；
图3为本发明抽油机用无刷永磁力矩电机驱动端端盖结构示意图；
图4为本发明抽油机用无刷永磁力矩电机非驱动端端盖组件示意图；
图5 为本发明抽油机用无刷永磁力矩电机非驱动端端盖结构示意图；
图6 为本发明抽油机用无刷永磁力矩电机的定子结构示意图；
图7为本发明抽油机用无刷永磁力矩电机的转子结构示意图；
图8为本发明抽油机用无刷永磁力矩电机速度时变控制方法框图；
图9为用于执行本发明速度时变控制方法的拓扑电路；
其中：1-机座、11-底脚、2-定子、21-线圈、22-铁心、23-子齿、24-霍尔元件、241-霍尔元件A、242-霍尔元件B、243-霍尔元件C、3-转子、31-螺纹孔、4-驱动端端盖、41-驱动端端盖主体、411-驱动端端盖主体外圆、412-驱动端端盖主体内圆、413-驱动端端盖主体斜肩、42-出风孔、43-驱动端端盖防水檐、5-非驱动端端盖组件、50-非驱动端端盖、51-非驱动端端盖主体、511-非驱动端端盖主体外圆、512-非驱动端端盖主体内圆、513-非驱动端端盖主体斜肩、52-进风孔、53-非驱动端端盖防水檐、54-风扇罩、6-风扇、64-扇叶、7-轴承、8-滤网。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-2所示，一种抽油机用无刷永磁力矩电机，包括机座1、定子2、转子3、驱动端端盖4、非驱动端端盖组件5、风扇6、轴承7和滤网8，机座1的一端固定有非驱动端端盖组件5，机座1的另一端固定有驱动端端盖4，机座1内壁上固定有定子2，驱动端端盖4和非驱动端端盖组件5均通过轴承7连接转子3，定子2与转子3之间有空隙，转子3上固定风扇6，所述风扇6采用螺栓通过转子3上的螺纹孔31固定。机座1外壁上设置底脚11，所述电机包含一套散热系统，非驱动端端盖组件5上开设有进风孔52，驱动端端盖4上开设有出风孔42。
如图3所示，所述驱动端端盖4包括驱动端端盖主体41、出风孔42和驱动端端盖防水檐43；所述驱动端端盖主体41包括驱动端端盖主体外圆411、驱动端端盖主体内圆412和驱动端端盖主体斜肩413，驱动端端盖主体外圆411和驱动端端盖主体内圆412通过驱动端端盖主体斜肩413相连接；在驱动端端盖主体斜肩413上沿径向R开有若干出风孔42，驱动端端盖防水檐43位于出风孔42外侧，即电机的外侧，驱动端端盖防水檐43能够防止水滴进入出风孔42；装配驱动端端盖4时，驱动端端盖防水檐43位于底脚11的正上方，其目的也是防止水滴进入出风孔42。
如图4-5所示，所述非驱动端端盖组件5包括非驱动端端盖50和风扇罩54；非驱动端端盖50包括非驱动端端盖主体51、进风孔52、非驱动端端盖防水檐53；所述非驱动端端盖主体51包括非驱动端端盖主体外圆511、非驱动端端盖主体内圆512和非驱动端端盖主体斜肩513,在非驱动端端盖主体斜肩513处开有若干进风孔52；非驱动端端盖防水檐53位于进风孔52外侧，即电机的外侧，非驱动端端盖防水檐53的作用是防止水滴进入进风孔52；风扇罩54与非驱动端端盖防水檐53相贴合；装配非驱动端端盖组件5时，非驱动端端盖防水檐53位于底脚11的正上方，防止水滴进入进风孔52。
所述滤网8置于风扇罩54内侧，与风扇罩54相贴合，滤网8的作用是过滤空气，除去空气中的粉尘颗粒；如图7所示，所述风扇6采用螺栓通过转子3上的螺纹孔31固定。
如图他1-2所示，本发明电机包含一套散热系统，其空气流通路径为：转子3转动带动风扇6的扇叶64转动，经扇叶64驱动，通过非驱动端端盖50上的进风孔52进入电机内部，外部空气经非驱动端端盖组件5的风扇罩54、滤网8进入风扇6旋转域，在电机内部与发热部件进行热交换后，通过驱动端端盖4上的出风孔42排出；通过温度场仿真，相对于不含该散热系统的电机而言，含有该散热系统的电机温升降低了约25K，也就是说含有该散热系统的电机的厚度可以设计得更薄。
如图6所示，所述定子2包括线圈21和铁心22，铁心22上设置定子齿23，线圈21套置于定子齿23上，在相邻的定子齿23间放置霍尔元件24，霍尔元件24包含霍尔元件A241、霍尔元件B242、霍尔元件C243；线圈21组成A、B、C三相绕组，霍尔元件A241、霍尔元件B242、霍尔元件C243共同测量转子3的相对位置，以确定线圈21A、B、C三相绕组的通电规则，同时，霍尔元件24还可测量电机的适时转速。
如图8和图9所示，本发明的速度时变控制方法通过图9的拓扑电路实现，图9中的“速度时变控制算法”和“采样、控制、驱动”主要由CPU（中央处理器）来完成，当然还得辅以外围电路或器件。所述电机的速度时变控制方法包括：基于抽油机负载的变化，以及所述电机的转速变化，判断抽油机处于上冲程还是下冲程状态，修改电机运行速度设定值，使电机的给定速度时刻跟随电机实际运行速度，避免所述电机失步和运行于发电状态。一般而言，抽油机上冲程工作期间，抽油杆的重力拖动电机运行于发电状态，电机发出的电能被电机绕组吸收变成了热能，本控制方法不断改变电机的给定速度，使电机的给定速度无限接近实际运行速度，避免电机发电。
具体为，所述电机速度时变控制方法包括下述步骤：
步骤（1）、启动电机控制程序，设置所述电机的初始时的设定转速nSET=n0；
步骤（2）、获取所述电机的第j次适时转速nj，j为大于等于1的正整数；
步骤（3）、获取所述电机的第j+1次适时转速nj+1；
步骤（4）、如果nj+1＜nj，判断抽油机处于下冲程，所述电机设定转速nSET=n0；如果nj+1≥nj，判断抽油机处于上冲程，改变所述电机的设定转速nSET= nj+1；
步骤（5）、重复步骤（2）至步骤（4）。
所述电机的适时转速n可通过霍尔元件24获取，也可运用速度无传感器控制技术，在线估计所述电机的转速n。
本电机配合本控制方法的传动装置在东营DXX53C1井上取代原装置运行，日耗电量由原装置的130kW降低到75kW，两种装置的供电电压均为380V，原电机的上冲程电流为28-29A，下冲程电流为16-17A；新电机的上冲程电流为28-29A，下冲程电流为21-22A。
本发明的电机相对于传统抽油机直接驱动永磁电机温升降低了25K左右，电机具有更高的转矩密度，或电机设计得更薄；本发明的速度时变控制方法能够根据单井实际工况自动调整电机的速度给定，最大提高系统的效率。通过数十口井的现场试验测试结果统计，采用本发明的电机和控制方法，系统节能15%~30%之间。

Claims (7)

1.一种抽油机用无刷永磁力矩电机，包括机座（1）、定子（2）、转子（3）、驱动端端盖（4）、非驱动端端盖组件（5）、风扇（6）、轴承（7）和滤网（8），机座（1）的一端固定有非驱动端端盖组件（5），机座（1）的另一端固定有驱动端端盖（4），机座（1）内壁上固定有定子（2），驱动端端盖（4）与非驱动端端盖组件（5）均通过轴承（7）连接转子（3），定子（2）与转子（3）之间有空隙，转子（3）上固定风扇（6），所述风扇（6）采用螺栓通过转子（3）上的螺纹孔（31）固定，机座（1）外壁上设置底脚（11），其特征在于：所述电机包含一套散热系统，非驱动端端盖组件（5）上开设有进风孔（52），驱动端端盖（4）上开设有出风孔（42），风扇（6）安装在非驱动端端盖组件（5）的非驱动端端盖主体内圆（512）内。
2.根据权利要求1所述的抽油机用无刷永磁力矩电机，其特征在于：所述驱动端端盖（4）包括驱动端端盖主体（41）、出风孔（42）和驱动端端盖防水檐（43）；所述驱动端端盖主体（41）包括驱动端端盖主体外圆（411）、驱动端端盖主体内圆（412）和驱动端端盖主体斜肩（413），驱动端端盖主体外圆（411）和驱动端端盖主体内圆（412）通过驱动端端盖主体斜肩（413）相连接；在驱动端端盖主体斜肩（413）上沿径向R开有若干出风孔（42），驱动端端盖防水檐（43）位于出风孔（42）外侧；装配驱动端端盖（4）时，驱动端端盖防水檐（43）位于底脚（11）的正上方。
3.根据权利要求1所述的抽油机用无刷永磁力矩电机，其特征在于：所述非驱动端端盖组件（5）包括非驱动端端盖（50）和风扇罩（54）；非驱动端端盖（50）包括非驱动端端盖主体（51）、进风孔（52）、非驱动端端盖防水檐（53）；所述非驱动端端盖主体（51）包括非驱动端端盖主体外圆（511）、非驱动端端盖主体内圆（512）和非驱动端端盖主体斜肩（513），在非驱动端端盖主体斜肩（513）处开有若干进风孔（52）；非驱动端端盖防水檐（53）位于进风孔（52）外侧，风扇罩（54）与非驱动端端盖防水檐（53）相贴合；装配非驱动端端盖组件（5）时，非驱动端端盖防水檐（53）位于底脚（11）的正上方。
4.根据权利要求3所述的抽油机用无刷永磁力矩电机，其特征在于：风扇罩（54）内侧设置有滤网（8），滤网（8）与风扇罩（54）相贴合。
5.根据权利要求1所述的抽油机用无刷永磁力矩电机，其特征在于：所述定子（2）包括线圈（21）和铁心（22），铁心（22）上设置定子齿（23），线圈（21）套置于定子齿（23）上，在相邻的定子齿（23）间放置霍尔元件（24），霍尔元件（24）包含霍尔元件A（241）、霍尔元件B（242）、霍尔元件C（243）；线圈（21）组成A、B、C三相绕组，霍尔元件A（241）、霍尔元件B（242）、霍尔元件C（243）共同测量转子（3）的相对位置。
6.一种如权利要求1所述的抽油机用无刷永磁力矩电机的速度时变控制方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
步骤（1）、启动电机控制程序，设置所述电机的初始时的设定转速nSET=n0；
步骤（2）、获取所述电机的第j次适时转速nj，j为大于等于1的正整数；
步骤（3）、获取所述电机的第j+1次适时转速nj+1；
步骤（4）、如果nj+1＜nj，判断抽油机处于下冲程，所述电机设定转速nSET=n0；如果nj+1≥nj，判断抽油机处于上冲程，改变所述电机的设定转速nSET= nj+1；
步骤（5）、重复步骤（2）至步骤（4）。
7.根据权利要求6所述的抽油机用无刷永磁力矩电机的速度时变控制方法，其特征在于，步骤（2）和步骤（3）中的第j次适时转速nj和第j+1次适时转速nj+1可通过霍尔元件（24）获取，或者运用速度无传感器控制技术，在线估计所述电机的第j次适时转速nj和第j+1次适时转速nj+1。
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