机车电传动
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永磁电机在钻井装备中的应用特点及关键

  【摘要】电机是一种以磁场作为传输媒介,将电能和机械能进行相互转化的电磁装置。而在电机之内可以通过两种方法建立起将电能量转化为气隙磁场,一种是感应电机,另一种就是永磁电机。永磁电机相对于其他的电机来说具有质量轻体积小效率高的独特优势,同时最重要的是它具有可以提供低速度大扭矩的输出特性。本文主要对永磁电机的主要特点以及结合钻井装备的工况应用进行阐述。


  【关键词】永磁电机;应用;钻井装备


  由于近年来随着我国经济的高速发展,但是能源却逐渐匮乏的缘故,人们对于电机以及电机的驱动系统技术的质量要求越来越高。为了能够更好地响应国家节能减排的号召,人们致力于研究并其普遍推广应用的高效节能的电机。


  1.永磁电机的发展及其优势


  每一个事物的发展都与其组成结构有关,永磁电机也不例外。例如永磁材料的正确选用,永磁材料的好坏以及永磁材料的防腐能力永远都是永磁电机成功的关键因素。由此可见,永磁材料的发展与永磁电机的发展是密不可分的。2100多年前,我国科学家利用永磁材料所具有的特殊磁特性制作成了指南针,成为我国四大发明之一,被广泛地应用到了军事、航海当中。随着各种不同材料制成的电机以及电流交磁器等各种发明的迅速出现和发展,使得人们对永磁材料的构成和制造技术都进行了深入的研究。永磁电机发展最快的是近十几年来,尤其是NdFeB即钕铁硼这一永磁材料的问世之后,其最大的磁能积几乎比过去增加了2.5倍。这种材料是迄今为止人们所发现的磁性最强的磁性材料。


  永磁电机主要是使用永磁体将电能量转化为气隙磁场。它虽与感应电机的工作原理一样,但是由于它使用的这种永磁材料很容易被充分地磁化,因此省去了电励磁所使用到的滑环、电刷以及励磁线圈,使得电机结构得到了进一步优化升级,大大节省了能源。而永磁体材料尤其是铁和钕等等金属材料的性能到不断的提高和完善,使得大电流的脉冲充磁技术大大进步,并且由于价格逐渐降低的原因,使得永磁体被人们广泛应用到电机技术当中[1]。


  2.钻井装备的要求


  据历年来的统计,我国的钻井费用约占到总投资的50%。随着经济全球一体化不断发展,我国的石油产业实施低成本的战略已经成为了基本战略之一。因为钻井的成本主要包括两个方面,一个方面是钻井直接使用到的成本;另一个方面是辅助成本,主要指的是运输成本以及施工费用。同时由于按照钻井正常的工作范围而言,标准的井深的范围下限是额定井深的60%-70%,换句话来说,我国目前的钻机绝大部分都是在标准的井深范围的下限以下工作,但是我国的传统钻机多为体积大、效率低、耗电大的机器设备,这在一定程度上会加大开发成本。因此提高钻井装备与技术是降低生产成本的主要发展方向。


  钻井设备与技术的加强应从工作可靠、功能实用、移运性能好、自动化程度高、体积小等等这几个方面进行研究。因为体积小质量高的钻井设备会由于方便运输的原因,不仅仅减少了运输费用,移运性能也得到了加强。但并非是体积小其自动化程度以及实用功能会因此降低,采用新型的磁性材料可以大大提高钻井设备的优势。


  3. 永磁电机在钻井装备中的应用


  传统电机输出功率不足,以及体积过大运输不便等原因逐渐被体积小功率高的永磁电机所取代。这是由于永磁电机所使用到的永磁体代替了传统使用的电励磁,一定程度上减少了在磁电流产生磁场时定子的绕组损耗。根据实验证明,永磁电机的额定功率相对于感应电机的额定功率提高了7%左右。因此永磁电机由于比感应电机具有效率高的原因,大大减少了钻井设备当中的电力消耗程度,大大节约了能源资源。


  因为钻井设备必须需要大容量的感应电机才能够满足设备的运行要求,但是传统的感应电机较永磁电机的启动转矩倍数小很多,当进入钻井设备的正常运行状态时电机却由于功率效率因数较低的缘故而处于轻载运行的状态,增加了无功消耗情况的发生,不能够很好的满足钻井设备的运行需求,同时电能耗费巨大开采成本过高。而永磁电机即使在额定的负载范围都具有比较高的效率,且启动转矩倍数相对于感应电机大很多,因此永磁电机大扭矩的特性符合了石油钻井设备运行要求,而且其的低速特性使得设备直接驱动成为了可能[2]。


  4.结束语


  由于永磁材料的磁性能较其他材料优异,它在经过充磁后无需再外加能量便能够建立起强大永久的磁场。因此使用了永磁材料的永磁电机并不仅仅具有效率足够高的优点,更是由于它体积小、结构简单、运行可靠的强大优势。它拥有着传统电励磁电机无法比较的高性能。永磁电机并非仅仅适用于钻井当中,同时这种永磁材料还能够制作成能够满足特点的运行需求的电机,例如一些汽车专用电机。虽然永磁电机具有高效率的工作能力,但是要运行到钻井设备当中仍需要注意一些细节问题。例如永磁电机的启动转矩倍数较大,因此适合需要使用大容量的钻井设备。否则也只是浪费了永磁电机本身所具有的额定功率,容易出现“大马拉小车”的情况,这也是永磁电机运用于钻井中的关键点之一。


  我国资源能源丰富,但是传统的钻井设备会使得钻井工程在开发过程当中无形的损耗掉很多资源,而永磁电机所使用到的永磁材料独具的优势很大程度地减少了资源的无形耗费,使得开发成本大大降低。因此将永磁电机运用到钻井工程当中是势不可挡的。


  参考文献


  [1] 唐丽婵,齐亮。 永磁同步电机的应用现状与发展趋势 [J]. 装备机械,2011,01,7.


  [2] 于兴军,魏培静,丛万生,张青锋,严小妮,田凤仙。 永磁电机在钻井设备中的应用探讨 [J]. 石油矿场机械,2010,11,80.


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