潜油电机是油田井下无杆抽油装备的核心驱动部件,在油气资源的稠油井、水平井以及海上平台丛式井的开发中具有广泛的应用前景。本文以国家863计划“井下油水分离及同井回注技术与装备(课题编号:2012AA061303)”为研究背景,提出一种潜油泵直驱单元组合超细长永磁电机。旨在替代传统潜油螺杆泵中“两极三相鼠笼式异步电动机+减速器”的复杂驱动结构,实现低速直驱,解决潜油电机现有技术存在的制造工艺、运行以及维修困难等技术瓶颈。主要工作内容如下:(1)基于潜油电机超细长结构的特点,设计了单元组合永磁电机的总体连接结构。将超细长的潜油电机分成若干常规细长比的永磁同步电动机(单元电机)并联运行。总结了单元电机的电磁方案设计方法,并对其定转子磁路结构进行了优化设计。采用场路结合和线性拟合的方法,得到了转子磁极漏磁系数随隔磁桥宽度变化的解析表达式。利用有限元法计算了定子轭部开槽深度对磁路磁密负荷极限的影响。对比分析了转子磁极表面开槽槽型对转矩脉动的影响,得出具体开槽槽型尺寸对转矩脉动削弱的变化规律曲线。基于加工工艺实现难易程度,提出了一种简化磁极偏心结构,实现了空载反电势波形正弦化的目的。推导出单元电机矩角特性的精确解析表达式。并进行了114mm系列切向式结构样机电磁设计验证试验。(2)针对潜油电机高温、高压的复杂工况,建立了单元电机室内流热耦合温升模型和井下组合式单元电机流热耦合温升模型。通过样机室内温升试验数据对温升模型的各部件相关导热系数及散热系数进行修正,提高了流热耦合温升模型计算的准确性。采用井液物理属性极限法对井下潜油电机散热条件进行了评估。将井下电机温升计算结果与地面室内温升试验数据进行了对比分析,得出当潜油电机机壳外侧井液流速不小于0.3m/s时,电机井下相对散热条件优于室内空气自然冷却散热条件。(3)研究了超细长近极槽比潜油永磁电机的电磁振动规律。基于永磁电机径向电磁力波产生原理,利用有限元法得出了12槽10极潜油永磁电机不同系列方案的径向气隙磁密和电磁力波频谱。给出了电磁力波频谱随变频器PWM波供电开关频率变化的关系曲线。对细长永磁转子的静偏心量和动偏心量进行了计算,得出了不同偏心量对应的电磁力波谐波幅值定量变化柱状图。对不同气隙长度、不同铁芯长度、不同系列结构的单元电机方案进行了样机制作。通过径向式结构样机振动试验测试与有限元分析对比,推荐114mm系列单元电机取气隙长度δ≥0.8mm,98mm系列单元电机取铁芯长度L≤400mm。(4)针对潜油电机超细长转轴在许用扭转角度范围内发生扭转变形引起电磁转矩下降现象,推导出电磁转矩削弱系数的解析计算曲线。基于单元组合超细长永磁转子等效斜极的应力场和电磁场耦合3D模型,得出电磁转矩削弱系数的有限元仿真曲线。通过98mm系列样机转轴扭转模拟试验和组合运行负载试验验证了转矩削弱系数的准确性。对于永磁潜油电机的超细长结构,转轴许用应力下的扭转变形和单元电机转子组合工艺偏差是引起电磁转矩输出能力下降、供电电流上升的主要原因。98mm系列10台单元电机300-500r/min额定负载组合运行效率均达到0.8,较现有两极三相鼠笼异步同规格潜油电机效率提高了10%以上。