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[摘 要]目前我国许多老油田已经进入了高含水开发后期，油井采出液中含油量少，造成机采系统成本高，其中机采系统消耗的电能在原油成本中所占比例已经超过了30%，本文通过稀土永磁同步电动机在杏北1-3区的应用，分析了该电机的结构特点及其节能原理，分析了该电机与普通Y系列电机相比较具有的优点，认为其节能效果显著，具有很好的推广应用价值。
[关键词]电动机；结构特点；节能原理；推广应用
中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）33-0306-01
随着油田开发的不断深入，油井产能逐渐下降，机械采油已经基本取代了自喷采油。抽油机采油是目前油田的主要开采手段之一，利用率高达90%以上。然而，随着油田开发时间的延长，开采成本越来越高，其中机采系统消耗的电能在原油成本中所占比例已经超过了30%。一般游粱式抽油机的负载是不断变化的，每一冲次中负载变化两次，重载时间很短，为克服抽油机在起动时出现的阻尼现象，在选用配套电动机功率时留有很大的功率裕度（例如抽油机的配套电动机功率为55KW，而平均负载在20KW左右），而抽油机配套的电动机平均负载不足30%。
多年来抽油机配套电动机一直采用Y系列异步电动机，其起动转矩倍数只有1.8倍，在选用电动机时考虑到抽油机的特殊工况，由于起动转矩限制，不得不提高装机功率，造成“大马拉小车”现象，稀土永磁同步电动机就是根据抽油机特殊工况和克服Y系列电机的诸多缺点而研制的，其最大起动转矩倍数为3.8倍，大起动扭矩既降低了电动机的装机功率，又有效降低了电机的运行损耗，从根本上解决了抽油机用电动机的“大马拉小车”现象。
1、稀土永磁同步电动机结构特点及节能原理
1.1 稀土永磁同步电动机结构特点
稀土永磁同步电动机同异步电动机的外型尺寸及安装尺寸保持一致，定子部分基本与异步电动机相同，转子为永磁结构，采用特殊材料锻铸加工而成，为实芯高强度刚性结构，它既是磁路的铁芯部分又兼做电路的绕组，二者合为一体，效率高性能稳定。稀土永磁同步电动机转子的磁钢腔体容量充分，可嵌入足量的磁钢，能够保证电机效率高效率运转，同时由于转子的磁钢镶嵌在隔磁材料组成的腔体内与外界不导通，更换磁钢时打开腔体即可更换，维修十分方便，并且没有退磁现象，保证了电机高效稳定运转。
1.2 稀土永磁同步电动机节能原理
稀土永磁同步电动机高效节能原理是，电动机转子内镶入经过充磁的具有最理想磁滞回线材料-钕铁硼，使得转子自身具有高强度磁场，电动机工作时省却了给转子励磁形成扭矩所消耗电量，从而达到节能的目的。
2、稀土永磁同步电动机与普通Y系列电机相比具有如下优点：
2.1 起动方式简单、效率高
稀土永磁同步电动机为同步工作方式，转子转速与定子旋转磁场完全同步，与异步电动机相比无转差损耗，与普通同步电动机相比，转子不需要外加励磁电源，消除了励磁损耗。永磁同步电动机的额定效率可达94%，高于普通电机4个百分点。抽油机用永磁同步电动机轻载时的效率高于额定值，可达96%左右，并且最高效率区恰好位于电机的平均负载率所在的区域，使高效区得到了展宽。大大提高了整个冲程内的平均运行效率，而异步电动机轻载时的效率远低于其额定值。两者在整个负载变化范围内的平均效率差值高达12%。因此节电效果显著。
2.2 起动力矩大、过载能力强、装机功率降低
稀土永磁同步电动机采用异步起动方式，可以直接起动。为了从根本上解决抽油机用电机的“大马拉小车”现象，稀土永磁同步电动机的起动力矩和过载能力均提高了1-2个机坐型号，最大起动转矩倍数为3.8倍，既降低了电机的装机功率，又有效降低了电机的运行损耗，所以降低了电网和变压器上的运行损耗，解决了机采系统配电网优化运行的一个关键问题。
2.3 运行效率高
稀土永磁同步电动机的功率因数通过转子永磁体磁场来决定，因此可获得任意高的功率因数。通过优化设计，稀土永磁同步电动机的额定功率因数设计在0.98左右，轻载时高于此值。在一定范围内可以起到补偿电容器的作用，从而保证在整个冲程内的自然平均运行功率在0.9以上，由于Y系列异步电动机的平均运行功率因数在0.4左右，因此无功节电效果相当显著。
2.4 挖掘电网潜在容量
稀土永磁同步电动机应用后，电机的视在功率降低了50%以上，也就是说有一半左右的电网容量被重新开发，相当于电网供电能力增加一倍，极大提高电网的利用率。充分挖掘了电网的潜在容量。
2.5 起动、运行电流低，对电网冲击小
Y系列异步电动机起动电流倍数一般在7-9倍额定电流，而稀土永磁同步电动机的起动电流倍数在4-5倍额定电流。由于起动电流低，大大降低了起动瞬间对电网的冲击，同时运行过程中运行电流低，运行平稳，降低了6KV线路的线损（线损与运行电流的平方成正比）。降低了电网的运行损耗。
3、现场应用情况及经济效益分析
自2004年12月以来共安装永磁电机20台，统计20口井的电机，更换前全部为Y系列异步电动机，功率因数由原来的0.37提高到0.83，系统效率由原来的27.92%提高到30.67%，平均运行电流下降了19A。
综合节电情况：
根据下列公式及表中数据计算得综合节电率为19.27%， 20口井累计年节电量28.032×104KWh，年节电费用13.0349万元。
4、结论及认识
稀土永磁同步电动机在实际应用中具有以下特点：
（1）起动方式简单、效率高、节电效果显著
（2）起动力矩大、过载能力强、可替代比它大1～2功率等级的异步电动机
（3）额定功率因数高，平均运行功率高，在一定范围内可以起到补偿电容器的作用
（4）起动、运行电流低，对电网冲击小，电网利用率高
综上所述，在油田机采系统推广应用稀土永磁同步电动机不但对企业的经济效益带来巨大收益，同时具有深远的社会效益，大力研究和推广稀土永磁同步电动机对促进企业的技术进步，克服产能不节能的观念，提高经济效益有着重要的现实意义。
[关键词]电动机；结构特点；节能原理；推广应用
中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）33-0306-01
随着油田开发的不断深入，油井产能逐渐下降，机械采油已经基本取代了自喷采油。抽油机采油是目前油田的主要开采手段之一，利用率高达90%以上。然而，随着油田开发时间的延长，开采成本越来越高，其中机采系统消耗的电能在原油成本中所占比例已经超过了30%。一般游粱式抽油机的负载是不断变化的，每一冲次中负载变化两次，重载时间很短，为克服抽油机在起动时出现的阻尼现象，在选用配套电动机功率时留有很大的功率裕度（例如抽油机的配套电动机功率为55KW，而平均负载在20KW左右），而抽油机配套的电动机平均负载不足30%。
多年来抽油机配套电动机一直采用Y系列异步电动机，其起动转矩倍数只有1.8倍，在选用电动机时考虑到抽油机的特殊工况，由于起动转矩限制，不得不提高装机功率，造成“大马拉小车”现象，稀土永磁同步电动机就是根据抽油机特殊工况和克服Y系列电机的诸多缺点而研制的，其最大起动转矩倍数为3.8倍，大起动扭矩既降低了电动机的装机功率，又有效降低了电机的运行损耗，从根本上解决了抽油机用电动机的“大马拉小车”现象。
1、稀土永磁同步电动机结构特点及节能原理
1.1 稀土永磁同步电动机结构特点
稀土永磁同步电动机同异步电动机的外型尺寸及安装尺寸保持一致，定子部分基本与异步电动机相同，转子为永磁结构，采用特殊材料锻铸加工而成，为实芯高强度刚性结构，它既是磁路的铁芯部分又兼做电路的绕组，二者合为一体，效率高性能稳定。稀土永磁同步电动机转子的磁钢腔体容量充分，可嵌入足量的磁钢，能够保证电机效率高效率运转，同时由于转子的磁钢镶嵌在隔磁材料组成的腔体内与外界不导通，更换磁钢时打开腔体即可更换，维修十分方便，并且没有退磁现象，保证了电机高效稳定运转。
1.2 稀土永磁同步电动机节能原理
稀土永磁同步电动机高效节能原理是，电动机转子内镶入经过充磁的具有最理想磁滞回线材料-钕铁硼，使得转子自身具有高强度磁场，电动机工作时省却了给转子励磁形成扭矩所消耗电量，从而达到节能的目的。
2、稀土永磁同步电动机与普通Y系列电机相比具有如下优点：
2.1 起动方式简单、效率高
稀土永磁同步电动机为同步工作方式，转子转速与定子旋转磁场完全同步，与异步电动机相比无转差损耗，与普通同步电动机相比，转子不需要外加励磁电源，消除了励磁损耗。永磁同步电动机的额定效率可达94%，高于普通电机4个百分点。抽油机用永磁同步电动机轻载时的效率高于额定值，可达96%左右，并且最高效率区恰好位于电机的平均负载率所在的区域，使高效区得到了展宽。大大提高了整个冲程内的平均运行效率，而异步电动机轻载时的效率远低于其额定值。两者在整个负载变化范围内的平均效率差值高达12%。因此节电效果显著。
2.2 起动力矩大、过载能力强、装机功率降低
稀土永磁同步电动机采用异步起动方式，可以直接起动。为了从根本上解决抽油机用电机的“大马拉小车”现象，稀土永磁同步电动机的起动力矩和过载能力均提高了1-2个机坐型号，最大起动转矩倍数为3.8倍，既降低了电机的装机功率，又有效降低了电机的运行损耗，所以降低了电网和变压器上的运行损耗，解决了机采系统配电网优化运行的一个关键问题。
2.3 运行效率高
稀土永磁同步电动机的功率因数通过转子永磁体磁场来决定，因此可获得任意高的功率因数。通过优化设计，稀土永磁同步电动机的额定功率因数设计在0.98左右，轻载时高于此值。在一定范围内可以起到补偿电容器的作用，从而保证在整个冲程内的自然平均运行功率在0.9以上，由于Y系列异步电动机的平均运行功率因数在0.4左右，因此无功节电效果相当显著。
2.4 挖掘电网潜在容量
稀土永磁同步电动机应用后，电机的视在功率降低了50%以上，也就是说有一半左右的电网容量被重新开发，相当于电网供电能力增加一倍，极大提高电网的利用率。充分挖掘了电网的潜在容量。
2.5 起动、运行电流低，对电网冲击小
Y系列异步电动机起动电流倍数一般在7-9倍额定电流，而稀土永磁同步电动机的起动电流倍数在4-5倍额定电流。由于起动电流低，大大降低了起动瞬间对电网的冲击，同时运行过程中运行电流低，运行平稳，降低了6KV线路的线损（线损与运行电流的平方成正比）。降低了电网的运行损耗。
3、现场应用情况及经济效益分析
自2004年12月以来共安装永磁电机20台，统计20口井的电机，更换前全部为Y系列异步电动机，功率因数由原来的0.37提高到0.83，系统效率由原来的27.92%提高到30.67%，平均运行电流下降了19A。
综合节电情况：
根据下列公式及表中数据计算得综合节电率为19.27%， 20口井累计年节电量28.032×104KWh，年节电费用13.0349万元。
4、结论及认识
稀土永磁同步电动机在实际应用中具有以下特点：
（1）起动方式简单、效率高、节电效果显著
（2）起动力矩大、过载能力强、可替代比它大1～2功率等级的异步电动机
（3）额定功率因数高，平均运行功率高，在一定范围内可以起到补偿电容器的作用
（4）起动、运行电流低，对电网冲击小，电网利用率高
综上所述，在油田机采系统推广应用稀土永磁同步电动机不但对企业的经济效益带来巨大收益，同时具有深远的社会效益，大力研究和推广稀土永磁同步电动机对促进企业的技术进步，克服产能不节能的观念，提高经济效益有着重要的现实意义。