0 引言

游梁式抽油机主要通过三相异步电动机驱动抽油杆工作，电动机恒速运转，通过胶带轮和减速机减速，使抽油杆沿着垂直方向往复运动。抽油杆在下降时轻载工作，在上升时重载工作。因此，抽油机的负载随每一次的工作循环不断变化。随着地下原油储量的逐年减少，抽油机重载工作的次数逐渐减少，大部分时间是轻载甚至空载工作。

抽油机利用平衡块来减小上、下冲程载荷的波动，平衡块的上升与下落在电机的载荷曲线上出现2个峰值，这使抽油机启动时的惯性矩较大，并伴有瞬间的冲击。为顺利启动，避免抽油杆卡死，一般按最大扭矩选配电机，而抽油机启动后正常工作时，平均转矩与峰值的最大转矩相比又较低，造成了电机额定功率浪费；其次，随着油井负载情况的变化，为避免因启动困难烧毁电机，在油井载荷变大时能正常启动，装机功率不得不留有较大的裕度。低负载率运行造成电机功率因数小，效率低，电能浪费。抽油机载荷的周期性波动造成电机转矩波动，也增加了电机损耗的概率。因此，研究游梁式抽油机的节能降耗技术具有重要意义^[1-7]。

永磁传动技术以其高效的节能特点，优异的传动性能，可靠的安全保障，良好的经济适用性，已被广泛应用于发电、冶金、石化和煤矿等行业，在游梁式抽油机的节能改造项目上，采用先进的永磁传动技术是十分理想的选择方案。

1 永磁传动技术的基本原理^[8-17]

镶嵌有强力稀土永磁材料的永磁盘产生强磁场，电机转动时带动导体盘转动，切割导体盘与永磁盘之间的磁力线产生涡电流，该涡电流在导体盘上产生反向磁场，反向磁场产生引力拉动永磁盘转动，实现从电机到负载的转矩传输。但这种运动不同步，导体盘的转速高于永磁盘的转速，这二者之间的差称为滑差。在电动机全速转动时, 永磁传动器的滑差在1%~4%之间。在电动机和负载之间没有机械连接, 以滑差自动调整传递的扭矩，允许电机空载启动，具有软启动功能，并能减小电机负载峰值，从而节约电能并延长电机的工作寿命。因此，将永磁传动器应用于游梁式抽油机后，可以选用小功率电机来提高负载率，减轻电网负担；电机线损的减小可大量减少无功损耗；电机启动电流的减小则减少了电能损耗；另外，还可减小启动时对传动胶带的张力冲击，从而延长胶带寿命。综上所述可知，永磁传动器用于游梁式抽油机可改善抽油机运行特性，降低抽油机的使用成本，而且永磁传动器可适应较为恶劣的工作环境，可以在采油厂这种露天工作场所运行。

2 用于带传动的永磁传动器 2.1 结构

为了将永磁传动技术成功应用到油田抽油机上，一种专门应用于带传动的永磁传动器^[15]应运而生。该类型永磁传动器主要由永磁盘和导体盘2部分组成 (见图 1)。永磁盘直接固定在电机轴上，导体盘与输出轴连接后通过内部的轴承也固定在电机轴上，2块导体盘之间夹着永磁盘，导体盘与永磁盘之间有磁场气隙。这样，使用该永磁传动器就可以方便地对现有设备进行改造，不需要对现有电机和供电电源进行任何形式的改动。同时，永磁传动器可容许较大的安装对中误差，大大简化了安装调试过程，具有较低的维护保养费用，可节省运行和维护成本。

2.2 工作原理^[16]

永磁传动器稳定工作时，输入功率与输出功率之间的关系为：

(1)

式中:P_i为传动器的输入功率；P_o为传动器的输出功率；P_s为传动器发热损失的功率。

电机转矩与传动器输出转矩之间的关系为:

(2)

式中:T_i为电机转矩；T_o为传动器的输出转矩；ω_i为电机的转速；ω_o为传动器的输出转速；ω_s为导体盘与永磁盘的转速差 (滑差)。

在传动计算中，功率、转矩和转速的关系为:

(3)

由式 (1)~式 (3) 可得:

(4)

由式 (4) 可以看出，导体盘与永磁盘的转速差ω_s越大，永磁传动器损失的功率越多，传递功率的效率越低。因此，在设计时应尽量保证永磁传动器稳定工作时转速差较小。

2.3 选型分析

在油田实际生产中，抽油机需求电机的功率P_r与抽油机的载荷、冲次和冲程有关，可按下式计算^[12]：

(5)

式中:m_e为等值扭矩，即曲柄轴的均方根扭矩，N·m；n为曲柄轴的转速，r/min；η为效率。

油田抽油机主要使用18.5、22.0、30.0、37.0和55.0 kW的电机，抽油机装机功率与这5种规格电机功率对应关系见表 1。

根据油田的实地调查，电机的装机功率远大于抽油机的正常工作功率。以大庆油田采油六厂的9-2101油井为例进行现场安装测试。该油井原装机功率为55.0 kW，根据表 1的功率对应关系与现场实际使用的电机功率范围，同时参考台架试验的测试数据，选用37 kW电机以及相应功率的永磁传动器来进行节能改造。该永磁传动器的输出功率与转差率的关系如图 2所示。从图可见，随着转差率的上升，电机由轻载启动到负载工作，永磁传动器的输出功率也随之上升。

永磁传动器的转差率为^[12]：

(6)

式中：s为转差率；n₁为输入转速，r/min；n₂为输出转速，r/min。

永磁传动器的传递转矩为^[12]：

(7)

式中：T为永磁传动器传递的转矩，N·m；P为永磁传动器输入的功率，kW；n_m为传动器的输出转速，r/min。

由式 (6) 可知，当输入端的转速不变时，转差率增大，即表示输出端的转速相应地降低。由式 (7) 可知，当输入功率保持不变时，永磁传动器输出的转速越低，则得到的转矩越高，即传递的转矩值不断增大。当输出转速稳定后，传递转矩的提升意味着得到的输出功率也随之不断升高。

2.4 安装

该类型永磁传动器具有结构紧凑、占用空间小以及安装方便的优点，不需要对抽油机做任何改造，就可以在现有抽油机上直接安装并投入运行，大大简化了安装调试过程。安装步骤如下：

(1) 先将电机上原有胶带轮拆下，将永磁传动器安装到电机轴上。

(2) 再将拆下的原胶带轮安装到永磁传动器的输出轴上，用带轮挡盖轴向固定。

(3) 将已经安装好的胶带轮与原胶带连接，调整胶带的张紧，最后紧固电机的地脚螺栓，即可完成安装。

3 节能原理分析

永磁传动器连接在电机与负载之间，当电机启动时，由于永磁传动器是非接触式的软连接，所以导体盘与永磁盘之间的转差率非常大，永磁传动器在工作范围之外，负载并未传递到电机输出轴，不会影响电机启动。因为转差率随负载的大小自动改变，所以电机启动后在极短时间内转差率达到永磁传动器正常工作范围，开始传递电机输出转矩，软启动性能随之改善，这使得选用小功率异步电机成为可能。另外，小功率电机的损耗比大功率电机小，这也实现了节能。

由于永磁传动器的转差率随负载自动变化，在抽油杆上升时负载增加，速度降低，运行平稳，永磁传动器转差率增大。根据式 (7) 可知，在电机端输出功率不变的情况下，永磁传动器输出转矩增大。由于永磁传动器可帮助调节转速，此时电机不需额外输出功率，可以节省电能；在抽油杆下降过程中负载减小，可在重力作用下加快速度而不受电机转速的牵制，相当于减小了转差率，永磁传动器的输出转矩随之减小，但足以应付当前负载工况，电机输出端的转矩减小，电机转速不变，则电机输出功率相应减小，也起到了节省电能的作用。

由于永磁传动技术主从动间由气隙磁场传递转矩，而非机械直连传动，所以电机在启动之时是空载。这样不仅减小了电机的启动电流，也减小了启动负载对电机的冲击，从而节约电能并延长电机的使用寿命。

综上所述，永磁传动器能改善采油系统运行特性，具有节能效果。

4 现场测试情况

在大庆油田采油六厂某抽油机驱动电机上安装永磁传动器前、后测得的生产数据见表 2。从表可以看出，由于油位高度变化而导致冲次与日产液量前、后稍有变化，但变化值较小，可认为冲次和日产液量基本保持不变；安装永磁传动器后，抽油机启动电流减小了19.96%，运行电流减小了30.38%，有功功率减小了10.76%，功率因数增加了29.70%，节能效果明显；电机的负载率增加，效率提高。

抽油机电机在油田的使用情况见表 3。抽油机选配的电机额定功率可按式 (5) 计算，而表 3中的计算功率根据发热条件计算而得。显然，该功率远远小于抽油机的装机功率，这是因为考虑了抽油机长时间运行后的实际工况和设备老化所带来的负载增加，以及需要大力矩启动的问题，造成抽油机所配电机的功率留有一定裕量。而使用永磁传动器传递转矩以后，可以减小电机运行时的电流，在电压不变的情况下，可降低装机功率以达到节能的目的。同时，启动电流的减小反映了良好的软启动和空载启动的特性，对需要大力矩启动和工作载荷变化幅度较大的抽油机非常适用，有利于缓解大启动电流对电网的冲击，在油田集中使用效果明显。另外，还可以根据表 3计算功率来选择电机，为抽油机电机的节能选型提供一种切实可行的方案。

5 结束语

针对游梁式抽油机工作载荷波动和装机功率偏大的问题，基于永磁传动技术的工作原理及节能特点，提出了采用永磁传动技术来降低抽油机装机功率的节能改造方案。介绍了永磁传动器的结构及工作原理，通过对永磁传动器的选型及节能原理进行分析，获得了永磁传动器的功率、转矩与转差率之间的关系。最后对抽油机驱动电机上安装永磁传动器前、后所采集的生产数据进行测试。测试结果表明：安装永磁传动器后，电机启动电流降低了19.96%，运行电流降低了30.38%，有功功率减小了10.76%，功率因数增加了29.70%，节能效果明显，电机的负载率增加，效率提高。研究结果为游梁式抽油机系统的节能降耗开辟了一条新途径。