潜油永磁直线同步电机优化设计.pdf

潜油永磁直线同步电机优化设计周石曹晴吴顺海汤胜清陈璞(湖南中车尚驱电气有限公司湖南株洲 中车株洲电机有限公司湖南株洲)摘 要 陆地油田深井采油需求越来越多 深井需使用加厚套管井下尺寸较小同时更深的油井采油需要更大的举升力使用传统系列潜油直线电机存在两个问题尺寸紧张、推力不足潜油直线电机急需优化设计以满足新的采油需求 首先分析了潜油永磁直线同步电机的结构与性能的关联性找出了主要的结构变量 然后通过有限元分析了结构变量对电机性能的影响并综合筛选出优化方案 最后通过制作样机搭建试验平台验证了优化方案 潜油永磁直线同步电机优化方案性能满足了油田采油的新需求 关键词 圆筒形永磁直线同步电机优化设计潜油直线电机有限元:./.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.).引言自 年第一套由潜油直线电机驱动柱塞泵成功将石油举升至地面、潜油直线电机便得到了业内研究人员广泛关注并在接下来的数年被不断地研究以及改进 年对潜油直线抽油机电机选型的问题进行了深入研究认为永磁直线电机将成为最主要的潜油直线电机的型式 年研制了一台 槽/极的分数槽集中绕组潜油直线电机运行平稳力密度高但是电机效率不高 年开发了永磁直线电机驱动的大排量潜油抽油泵系统效率高节能性能突出 年为了防止电机动子失稳采用倒置下拉泵提高了直线电机往复泵采油低液量适应性 改进了潜油永磁直线电机动子同轴度结构设计以及电机全密封设计进一步提高了潜油往复式抽油机的运行可靠性 年研究了软磁复合材料()替代传统叠装硅钢片在潜油永磁直线电机中的应用认为 材料有利于改善潜油永磁直线电机的工艺性 年为了将潜油直线电机应用到海上油田开发了 系列大举升力潜油永磁直线电机推力达到并改进电机运行震动、抽油泵防漏失结构优化、电缆连接优化设计进一步扩大了潜油直线电机的应用范围 同年刘永新通过提高潜油永磁直线电机初级、磁极的防腐性能和耐磨性能提高了电机可靠性同时通过采用扁形电磁线结构代替圆线结构提高了槽满率增大了电机推力 年设计了一台上、下两台柱塞泵的系统结构降低了对潜油直线电机举升力的要求提高了系统效率降低了能耗 进一步改进了海上油田用 系列潜油直线电机 同时对潜油永磁直线电机拓扑结构进行了仿真分析给出了提升推力系功能的一般规律为潜油永磁直线电机设计提供理论指导 年分析了温度变化对潜油直线电机的影响并针对高温应用下的工况进行了电机的优化设计潜油直线电机目前主要分为两个系列:系列和 系列 系列直线电机外径为 系列直线电机外径为 陆上油田一般采用 系列潜油直线电机而海上油田由于常用/”套管对日出油量要求高一般采用 系列潜油直线电机目前陆地油田超过 深井采油的需求越来越多深井往往需要使用加厚套管常规 系列潜油直线电机尺寸偏大下井容易磨损动力电缆导致设备故障需减小潜油直线电机外径至 同时更深的油井对潜油直线电机的推力提出了更高的要求 潜油直线电机既要缩小直径又要增大推力其设计面临着新的挑战 潜油永磁直线电机结构潜油永磁直线电机是一种圆筒式永磁直线电机由外筒、定子铁心、饼状线圈、芯轴、导磁铁环和永磁环构成 饼形线圈镶嵌于定子铁心中 动子由芯轴、导磁铁环和永磁环构成芯轴采用不导磁的材料导磁铁环和永磁环交替安装串于芯轴上永磁环充磁方向为轴向相邻永磁环充磁方向相反 潜油永磁直线电机结构如图 所示直线电机由于使用条件受限很多结构尺寸不能改变 经过分析与电机本身性能密切相关的结构、尺寸及其相关联的关系见表?图 潜油永磁直线电机结构示意图调整极距会影响电机的运行速度若要保持运行速度不变则需要改变控制程序调整永磁环轴向长会改变动子极弧系数极弧系数有合理的范围故调整空间不大表 直线电机各结构尺寸关联性分析项目性能关联性结构关联性极距电机运行速度定子轴向空间、线圈宽度尺寸永磁环轴向长永磁体工作点、电机过载能力导磁铁环轴向长、极弧系数定子齿宽主磁路磁阻饼状线圈轴向尺寸动子磁钢外径 气隙磁密气隙长度定子内径励磁磁通由动子磁钢外径和气隙长度决定气隙长度主磁路磁阻尺寸非常小基本不可调整 调整齿宽为了提高电机出力水平势必要增加齿宽饼状线圈轴向尺寸缩小铜面积缩小铜损增加发热增加同时会增加制造工艺难度调整动子磁钢外径相当于改变磁钢充磁方向横截面积增大动子磁钢外径可以提高空载气隙磁密提高反电动势提高电机出力能力定子内径由动子磁钢外径和气隙长度决定气隙长度基本没有调整空间从上述分析中可以看出各结构尺寸仅有调整动子磁钢外径能够对电机性能上产生较大影响同时不对系统中其它结构性能提出更多要求具体定性分析调整动子磁钢外径对电机本身的影响:()调整动子磁钢外径空载气隙磁密发生变化空载反电势发生变化()调整动子磁钢外径定子内径尺寸需跟随变化定子槽高度尺寸变化饼状线圈需调整()饼状线圈尺寸改变影响绕组阻抗对电机出力产生影响综合上述方案优化过程中主要变量有两个:动子磁钢外径和饼状线圈匝数 直线电机优化设计与仿真本电机优化设计基于 系列潜油永磁直线电机由于潜油直线电机定子由多个短节串联构成因此对比分析仅针对一个短节单个短节性能提升即代表电机整体性能提升 系列潜油永磁直线电机单节定子参数以及新设计 系列潜油永磁直线电机单节定子参数优化目标如表 所示表 、系列潜油直线电机单节定子参数参数 系列 系列额定推力()额定线电压()额定频率()绕组接法极距().初级外径()初级内径()气隙长度().永磁体外径()饼形线圈匝数 通过有限元分析软件 ()建立了圆筒形永磁同步直线电机的二维仿真模型并为模型中电机各部分指定材料、设定边界条件、添加激励源以及网格剖分设置如图 所示图 潜油直线电机有限元模型.动子磁钢外径对电机性能影响分析图 是在保持相同的饼形线圈匝数下电机负载能力与动子磁钢外径尺寸的关系从图中可以看出随着动子磁钢外径的增加 电机负载能力先是逐步增加达到极大值后又逐步降低 在动子磁钢外径较小时随着动子磁钢外径增大空载气隙磁密增大空载反电势升高电机负载能力提高 当动子磁钢外径进一步增大绕组阻抗上升导致绕组电枢反应电压下降电机负载能力下降 电机空载反电势以及电枢反应电压关于动子磁钢外径的变化如图 所示2800275027002650260025502500?/N40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50?/mm图 电机负载能力与动子磁钢外径的关系353025201510?/V40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50?/mm?Ua?E0图 空载反电势、电枢反应电压与动子磁钢外径关系优化设计中应尽量选择接近负载极大值附近的动子磁钢外径.绕组匝数对电机性能影响分析图 是 电机负载能力与饼状线圈匝数的关系 从图中可以看出线圈匝数越多电机的负载能力是逐渐下降的并逐步趋于平稳4000350030002500200015001000?/N20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40?图 电机负载能力与饼状线圈匝数的关系图 是电机的直流铜损与饼状线圈匝数的关系从图中可以看出线圈匝数越多铜损越低45004000350030002500200015001000500?/N20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40?图 电机直流铜损与饼状线圈匝数的关系优化设计中要综合考虑电机的损耗以及电机耐热与散热能力选取最优方案.优化方案电机性能综合效率、散热等多方面考虑最终选取的方案为动子磁钢外径 饼状线圈匝数 匝电机推力曲线与电流曲线如图 所示具体性能见表 5000450040003500300025002000150010005000?/N100 110 120 130140150 160 170 180190 200t ms/(a)?806040200-20-40-60-80A?/A(b)A?100 110 120 130140150 160 170 180190 200t ms/605550454035302520151050?/A(c)A?0 1 2 3 4 5 6 7 8 9?10 1112 13141516171819图 优化电机性能表 优化电机性能参数参数要求值仿真值额定推力().额定线电压()电枢反应电压().额定频率()额定电流().空载反电势().直流铜损().极距().初级外径()初级内径()气隙长度().永磁体外径()饼形线圈匝数 由此可见优化方案满足要求 样机验证按照优化方案制作了样机并搭建了试验台对电机推力进行测试如图 所示图 优化方案 电机试验试验样机定子由 个短节构成在输入电压 时实测推力约即单节输入电压.推力约 虽然试验变频器输出电压偏低另直线电机运行存在摩擦力实测推力略低于设计值 但 是 推 力 依 然 得 到 了 明 显 提 升 提 升约 根据试验结果优化后的 系列潜油直线电机能够满足新的采油需求 结语本文首先解析了潜油直线电机的结构形式并分析了电机各结构与电机性能(下转 页)场的均匀 组合磁极由于可控制的量比较多控制效果好但是结构比较复杂加工难度大铁心作为永磁体的承载元件既对永磁体实现机械支撑作用也起到了磁路引导作用因此对铁心进行结构优化也能起到优化磁场波形的目的但是由于并不涉及磁场本身其影响的范围有限 结语永磁同步电机由于磁场由永磁体产生可以省去励磁电流的相关结构能量转换率高、耗能少随着技术的成熟以及磁体材料生产工艺水平的提高其在各行各业中得到越来越多的应用随着国家对能源、环保方面的要求越来越高对永磁电机的性能要求也越来越高 通过前述分析可知国外对于永磁同步电机的磁极优化技术具有全面的布局永磁体无论是材料、形状还是排列方面均有专利布局 而我国在磁极优化技术方面仍然偏重在传统的开槽技术、铁心技术方面对于永磁体优化技术具有较大的缺口 永磁体是直接影响磁场波形的因素对其进行控制和设计必然是磁极优化技术最直接有效的手段 因此通过磁体优化技术实现永磁电机的高效率、高输出转矩是本行业需要解决的关键问题之一参考文献 轴向磁场反凸极永磁同步轮毂电机研究.哈尔滨工业大学:.内嵌式永磁同步电机齿槽转矩与转矩脉动机理及优化研究.南京师范大学:.中华人民共和国国家知识产权局.专利审查指南.北京:知识产权出版社.作者简介:徐晨琛 女 年生毕业于南京航空航天大学电力系统及自动化专业硕士现从事电机电缆领域专利审查工作.收稿日期:(上接 页)之间的关联性找出了优化设计潜油直线电机的两个主要结构参数动子磁钢外径尺寸和饼状线圈匝数然后对动子磁钢外径和饼状线圈匝数分别进行了参数化有限元仿真分析定量的对比其与电机性能的关联性并综合刷选出最优设计方案设计方案满足设计需求 最后制作试验样机搭建试验平台验证了优化设计方案的可行性 通过本文优化设计得到的工程样机能够满足深井采油的新需求参考文献 冯春国.深井潜油直线电机的研制.年全国直线电机学术年会论文集.付国太张柏任怀丰等.往复式磁力驱动柱塞泵举升工艺技术研究.石油学报():.周封曹卉.新型潜油式直线抽油机电机选型问题的研究.石油矿场机械():.周广旭徐衍亮.潜油直驱圆筒形直线永磁同步电动机开发.微电机():.王祥立司高锋.直线电动机驱动的大排量潜油抽油泵极其应用.石油机械():.李明杨海涛田启武等.直线电机往复泵采油技术研究与试验.石油机械():.钱坤张凤武邵克勇等.潜油往复式抽油机举升工艺研究及优化.石油矿场机械():.曾文欣王秀和.不同铁心材料在圆筒形永磁同步直线电动机中的对比研究.微电机():.唐兵司念亭吴子南等.往复式潜油电泵的优化研究及应用.中国石油和化工标准与质量:.刘永新.潜油柱塞泵机组优化设计与试验.石油机械():.甘庆明黄伟黄志龙等.潜油直线电机无杆举升技术在定向井中的应用.石油机械():.纪树立甄东芳李志鹏等.海上直线潜油电泵的开发及在渤海油田的应用.海洋石油():.狄文生彭兵.潜油永磁直线电机设计与推力的优化.第十六届沈阳科学学术年会论文集(理工农医).付豪吴尧辉.计及温度变化的潜油直线电机结构优化.电机与控制应用():.作者简介:周石 男 年生毕业于海军工程大学电气工程专业现从事直线电机、永磁电机设计工作.收稿日期: