苗永刚
中国石油化工股份有限公司中原油田分公司 河南省濮阳市457001
摘要：电动潜油螺杆泵结合了潜油电机和螺杆泵特点，克服了地面驱动螺杆泵抽油杆偏磨、脱杆且不适应于斜井和定向井的弊端，同时又发挥螺杆泵对高稠油、高含气、高含砂井较强适应性的特点。常规电动潜油螺杆泵采用行星齿轮减速器，由于受到油井套管内径的限制，其在使用中存在承载能力差、故障率高、可靠性低的问题。通过对比磁齿轮减速和行星齿轮减速，详细阐述了配套设计方案，重点介绍磁齿轮减速器的工作特性，进一步确保磁齿轮减速电动潜油螺杆泵设计的可行性。
关键词：潜油螺杆泵；磁齿轮；减速；转子
随着采油工业的发展，油井朝着深井、超深井、定向井、丛式井、斜井和水平井等高难度油井方向发展，油质朝着开采高粘度稠油、高含气、高含水、高含蜡、高含砂等石油方向发展，油田朝着低渗透率油田、小块油田和枯竭井油层等高难度油田方向发展，因此无论在技术上还是在经济效益上都要求采油设备能适应复杂的采油环境。
杆式抽油泵在抽稠油时经常会出现光杆、抽油泵下行困难。在含砂油井中杆式抽油泵和电潜泵会出现砂卡。螺杆泵则可以较好地应用于含砂井、稠油井的开采，但地面驱动螺杆泵常抽油杆接箍松脱和螺纹损坏，在水平井和定向井中还存在抽油杆、油管偏磨等问题。电动潜油螺杆泵机组是一种无杆采油系统，与其他采油设备相比具有适应井液范围广、没有杆柱磨损、易于管理、高效节能等优点。尤其适用于稠油井、含砂井、含气井、水平井和定向井的采油作业。
目前电动潜油螺杆泵传动主要采用常规潜油电机通过行星齿轮减速器减速驱动螺杆泵方案。该方案的优点是能在降低电机转速的同时提高单螺杆泵的输入扭矩，缺点是系统结构复杂、效率低、检泵周期短，而且由于行星齿轮减速器的尺寸受到油井套管内径的限制，故其在使用中存在承载能力差、故障率高、可靠性低的问题。
针对机械齿轮减速器的缺点，决定采用磁齿轮减速器代替机械齿轮减速器，与机械齿轮减速器相比，磁齿轮因依靠电磁力传递扭矩，具有非接触传递扭矩功能、能量损耗小、转速比恒定、固有的过载保护、运行平稳、振动较小、无需润滑等优势。新的电动潜油螺杆泵方案为常规潜油电机加磁齿轮减速器加螺杆泵的组合结构。
一、 磁齿轮减速电动潜油螺杆泵设计方案
如图1所示，磁齿轮减速电动潜油螺杆泵从井底到地面依次由井下监控装置、潜油电机、保护器、磁齿轮减速器、挠性轴、螺杆泵、潜油电缆、井口装置、接线盒和变频控制系统组成。井下监控装置、潜油电机、保护器、磁力减速器、挠性联轴器、泵吸入口、螺杆泵都是法兰连接；潜油电机输出轴经过保护器和磁力减速器后，利用挠性联轴器通过泵吸入口直接与螺杆泵转子轴相连；挠性联轴器、磁力减速器输出轴和螺杆泵同轴安装，保证螺杆泵的偏心运行；提供动力和控制的潜油电缆连接地面的变频器控制系统和接线盒，并经过井口装置向下与潜油电机相连接。
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二、螺杆泵轴向力分析［1］
井下驱动螺杆泵需要专门设计承载装置来承担螺杆泵的轴向力。螺杆泵的定子轴向力主要分三部分：
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式中：Gc为密封腔室中液体在衬套中移动时对定子作用的轴向力，当定子衬套于转子采用过盈配合时，Gc=0；Gf为当转子表面沿定子衬套作相对滑动时，定子所受的半干摩擦力以及由于转子对衬套的“迎面效应”而引起的转子传递给衬套轴线方向的作用力；Gp为由泵排出口端和吸入端的液体压力差所产生的轴向力。
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式中：D为定子直径，mm；δ为定、转子之间的过盈量，取δ=0.40mm；e为转子偏心距。
根据目前大多数螺杆泵的规格型号，按较大数值进行计算，一般在G=6～8t左右。
三、螺杆泵扭矩分析
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四、磁齿轮减速器的设计
磁齿轮的啮合与普通齿轮的啮合有根本的不同。普通齿轮啮合时，啮合的两个齿轮总是彼此错开的，只有一条线接触，通过接触材料的弹力传递机械力，实现传动。磁齿轮啮合实质上是两个磁极的圆柱面相互对齐。当磁齿对齐时，两个面的重合部分面积最大，其磁路的磁阻也最小。若偏离这个位置，磁阻就要增大，磁力线就要被扭曲。扭曲的磁力线会产生切向分力。该切向分力使磁力线缩短，也就是使传动得意实现。传动是靠磁力作用。另一个明显的特点是，磁齿轮啮合时，彼此是无接触的，中间还存在一定的气隙。故磁齿轮的传动不存在摩擦力。
磁齿轮减速器组成主要有内转子、外转子调制环和永磁体。如图2所示［2］，该拓扑由两个永磁转子和一个由铁磁块与非导磁块相间组成的磁场调制环组成，其中，两永磁转子极数与转速不同，磁场调制环位于两个永磁转子中间。调制环通过铁磁块与非导磁块相间的结构引入气隙磁导谐波，进而通过气隙磁导谐波对两转子产生的磁场进行极数及电频率的调制，使得两转子虽然极数不同，但加装调制环后能产生恒定转矩，并可以通过调整高速转子极对数、低速转子极对数和调制环铁磁块数的组合来改变该拓扑齿轮的速比。基于磁场调制原理的磁齿轮由于其内、外转子上的永磁体都参与了转矩传递，因此其的转矩密度可达100kNm/m3，与机械齿轮的转矩密度相当。在设计的过程中，根据减速器的力矩要求选择适当的磁体尺寸、直径和长度。永磁体采用高性能钕铁硼材料。
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由图2可知低速外转子有较多磁极，高速内转子具有较少磁极，调制环磁极块的数目等于告诉内转子磁极对数与低速外转子磁极对数之和。磁齿轮利用其调制环对高速内转子及低速外转子上的永磁体所产生的磁场调制作用，使所调制的磁场空间谐波数目匹配，致使内、外永磁转子按一定的传输比相互作用。
［3］具有p对磁极的转子以速度ω旋转时，磁场经过静止的调磁环调制后，在气隙中形成一个空间分布磁场。该气隙磁场所包含的谐波数目：
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式中：m=1，3，5，…，∞；k=0，±1，±2，…，±∞；p为磁齿轮转子极对数；N为调制环调磁铁块数目；
谐波磁场的旋转速度：
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式中：ω为内、外转子任一个转子旋转速度；为调制环旋转速度。
综合式（6）、式（7）可以得到磁齿轮传动装置的传输比。由式（7）可以看出，当没有调制环时，即k=0，所对应的磁场的转速与转子的转动速度是相同的。而当有调制环引入时，即k≠0，所得到的磁场转速与转子的转动速度是不同的。因此，若以不同的转速传递转矩，另一个永磁体转子的极对数就必须与k≠0时的一个空间的极对数相匹配。当m=1,k=-1时，由调制环调制后可得到最高的同步谐波，因此另一个转子的极对数就必须等于N-p。此时调制环静止不动（即=0），内、外转子按一定转速比例运转，因此可以得出磁齿轮的传输比：
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本文设定磁齿轮高速内转子磁极对数为4，低速外转子永磁体极对数为30，调制环块数为34，故传输比为7.5：1。潜油电机经过磁齿轮减速能够满足驱动螺杆泵的需求。
五、结论认识
本文分析并设计了一种磁齿轮减速的电动潜油螺杆泵，进行了螺杆泵轴向力、扭矩的计算，设计了磁齿轮的传输比为7.5：1。为今后的磁齿轮减速电动潜油螺杆泵机组的具体选型有很大帮助。磁齿轮减速装置与电动潜油螺杆泵的配合具有很好的应用前景。
参考文献：
［1］韩修廷，王秀玲，焦振强.螺杆泵采油原理及应用［M］.哈尔滨：哈尔滨理工大学出版社，1998
［2］宁文飞，包广清，李树豹，曹 卫.磁场调制式同心齿轮的结构优化和参数分析［J］磁性材料及元器件，2013.2 44（1）20-27
［3］刘细平，易 靓，刁艳美，左亮平.磁齿轮传动永磁同步风力发电机分析［J］微特电机，2012， 41（7），34-37