考虑新能源接入与流固耦合的直线电机温度场分析.pdf

:./.考虑新能源接入与流固耦合的直线电机温度场分析何海涛焦 晶高 跃邹博文何岳翀(国网甘肃省电力公司陇南供电公司甘肃 陇南)摘 要:为解决潜油直线电机流固边界散热系数难以处理的问题该文结合实际工况以潜油直线电机为对象采用流固耦合边界条件求解电机的三维稳态温度场在此基础上考虑潜油直线电机特殊结构和新能源接入特性建立了包括电机定子、转子、导油管、单向阀、机壳以及流动原油在内的整体三维模型以及光伏储能出力模型研究了不同条件下的电机温度分布情况得到了电机整体温度分布云图分析了不同条件和光伏、储能出力特性对潜油直线电机的影响仿真验证了流固耦合模型以及考虑新能源接入特性的合理性和可行性关键词:多段式潜油直线电机流固耦合新能源接入温度场中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.:引 言潜油直线电机是采油设备的核心其工作在地下数千米中经常面临高温高压环境这对电机的散热有着极大的考验 为了研究电机的散热情况需要了解其运行的实时温度 但迄今为止对潜油直线电机温度的测定尚无系统、有效的检测手段大多依赖于数值计算的方法 目前有关电机温度的计算方法主要有简化公式法 等效热路法和数值计算法 前两种方法计算简单但只能得出电机的平均温升不能获得电机的最高温度而具有剖分单元灵活特点的有限元法计算精度高可求出各点的温度值整个求解域内的温度分布能被更准确地描述因此采用有限元法进行温度场分析更加合理 但使用有限元方法时电机边界的处理比较复杂 一些学者在进行边界处理时只是针对电机定子或动子分别进行的且计算过程中假设定子、动子和流体之间没有热量传递 如文献的学者在忽略定转子和润滑油之间的导热性的基础上仿真计算了潜油电机的定子温度场文献的学者同样是在忽略了定转子和润滑油之间的导热性基础上计算了潜油电机的转子温度场 也有学者在进行边界处理时将流体场和与流体直接接触表面的散热系数视为常数并将该表面作为温度场计算的边界 如文献、中把流体与接触面之间的散热系数进行了等效处理 但是实际散热系数与流体的流动状态、流体的热物理性质和散热固体表面的几何参数密切相关彼此之间相互制约 所以散热系数并非常数且难以精确确定这给电机的温度计算带来了很大挑战因此笔者使用流固耦合传热分析法将流体场和温度场作为一个整体进行求解无需施加多个边界条研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用收稿日期:作者简介:何海涛()男甘肃天水人高级经济师主要从事电网规划、电网基建项目前期管理等方面的工作件避免了流固边界散热系数难以处理的难题使仿真结果更接近实际工况 同时为了节省原油开采成本考虑了新能源接入对潜油直线电机的影响并通过电源接入方式的变化进一步分析流固耦合分析法的合理性 由于使用流固耦合法处理边界条件且通过有限元法对潜油直线电机三维稳态温度场及流体场做了耦合分析计算因此在研究不同条件下的电机温度分布情况时所得的结果更加符合实际所得结论验证了该方法的正确性对电机的设计和井下运行具有重要意义 多段式潜油直线电机结构及工况分析文中的多段式潜油直线电机(简称为)采用组合结构由四个相同的小功率潜油电机组成四段式结构共同工作联合采油 每个小功率潜油电机在上冲程和下冲程时都能够抽油当任意一部分或两部分小功率抽油机发生故障时不会影响整个系统的抽油工作不会停机 同时由于受井下油管尺寸的限制 机壳直径仅为.而电机长度达到了 因此细长型结构、体积小也是 的独有特点 图 是 /部分的剖面结构图图 的/部分的剖面结构图 所处的环境十分恶劣 因为地下工作环境中随着距离的增加温度和压力在不断增大地下 的压力高于 标准大气压温度远高于地表温度苛刻条件下的工况温度能达到 因此 在地下运行中需要监测其温度的变化使其能够在设计温度下正常工作因而对潜油直线电机的温升测定非常重要 同时在地下 的高温高压条件下抽油机需要有足够大的耐高温能力因此抽油机材料的选取也对抽油机能否正常工作起关键性作用 地上环境中由于石油开采多在荒漠戈壁等恶劣环境中其电源接入成本较高而荒漠戈壁中光伏、风电等新能源丰富因此可以采用新能源以减少开采成本促进节能减排但需考虑新能源的出力特性以确保电机稳定运行文中通过模拟地下实际工况进而对 的/部分进行仿真分析但由于地下原油黏稠程度不同密度不均导致潜油电机所对应的负载也在时刻变化因此在模拟潜油直线电机恶劣的地下环境工况时考虑电机的负载变化情况也是必须的 多段式潜油直线电机流固耦合模型.模型条件假设为了简化分析我们做出以下假设:原油外表面与外界没有热交换将每槽内的绕组看作一个整体导线绝缘漆、槽绝缘、槽楔和槽内空隙等效为一个绝缘层电机运行时产生的铜耗平均分布于绕组内定、转子铁耗平均分布于定、转子铁心内定子绕组铜线按照质量相等的原则等效为铜棒忽略润滑油轴向速度地下 处的环境温度为 忽略附加损耗及轴承的摩擦损耗.直线电机温度场流固耦合模型温度场的整场求解包含固体域和流体域不同区域采用相同的控制方程 冷却槽内流体压强和温度的变化都很小流体视为不可压密度为常数入口流体雷诺数 流体流动处于湍流状态建立流固耦合质量、动量、能量守恒控制方程如式()()所示:()()式中:为密度 为时间 为速度矢量()()()()()()()()()()式中:为流体运动黏度固体运动黏度为无穷大为压力、为速度矢量 在、方向的分量、为广义源项对于黏性为常数的不可压缩流体可等效于流体微元所受的质量力()()()()式中:为流体温度 为导热系数为比热容为源项对应于固体域的绕组铜耗反映流固耦合特性的控制方程采用 湍流模型 该模型仅需求解湍流粘性的输运方程在求解有逆压力梯度和壁面影响流动的边界问题中具有较好的效果 另外当近壁面没有边界层网格时使用这个模型求解的数值误差的敏感性更小 此模型中压力项代表流体动压力应用上述方程和 湍流模型进行三维模型的求解即可得机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验到流体和固体整场的温度分布 多段式潜油直线电机相关参数及新能源接入特性.热源确定 的损耗主要包括铁心损耗、绕组损耗、机械损耗定子齿部由硅钢片迭加而成利用铁耗计算公式计算定子齿部单元的损耗密度为:/()式中:为修正系数 为单元的平均磁密/为、时硅钢片每公斤的损耗/为硅钢片的比重定子槽部剖分单元的损耗密度为:/()式中:为铜的电导率它随温度变化而变化 为导线的电流密度动子损耗密度为:/()式中:、分别为单元的涡流密度及其共轭矩阵为次级钢的电导率电机的热源作用效果由上述各种损耗等效体现温度场计算中单元的热源密度由各单元中的损耗密度提供.定子槽内等效绝缘层导热系数确定定子槽内有多层绝缘纸和多根涂有绝缘漆且截面积很小的导线各导线之间还有空气间隙 用有限元计算温度场时很难对各部分进行恰当剖分因此按系统总质量、热量和热阻均不变原则将槽中各部分等效成铜线和等效绝缘层两部分如图 所示 等效绝缘层等效了导线槽楔、槽间间隙绝缘纸及绝缘漆等部分图 定子槽等效绝缘层示意图 其中等效绝缘层的密度、比热容 和导热系数 可分别根据式()()确定:()()()()()/()式中:为各种绝缘材料的体积为各种绝缘材料的密度为比热容为导热系数为等效厚度模型各部分的材料特性如表 所列表 电机各部分材料属性部件材料名称导热系数/()比热容/()密度/(/)转轴不锈钢 铁心硅钢 铜线铜 磁钢汝铁硼.等效绝缘层/.新能源接入特性文中以光伏和储能的组网方式作为潜油直线电机的电源光伏作为主要电源储能除了用来平抑光伏的出力还能作为无光时的辅助出力电源接入模型及特性表示如式()()所示:()()()()式中:为储能设备出力、分别为第 台分布式光伏的发电功率和不确定出力系数 为分布式光伏的总台数为接入的第 个负荷功率 为电力负荷的总数 为电压偏差为配电变压器负载率为线路负载率 不同条件下的全域温度场仿真分析.仿真条件优化根据假设条件以及计算所得到的数值来设置边界条件包括各部分热源、材料属性、流体出口和入口条件 考虑到原油流速对散热的影响文中原油流动速度采用国际规定的最低速度./并且在 的工况温度下进行计算 由于文中潜油直线电机上下冲程都在抽油工作原理一样因此以上冲程时的状态进行仿真分析.不同条件下的全域温度场仿真分析()不同送油量的影响研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用额定送油量是直线电机正常运行时的状态也是直线电机运行最多的一种状态图 为潜油直线电机额定送油量时的温度场云图 该图包括了流体温度场(即油路图中原油流过区域的原油的温度变化情况)和固体温度场的温度变化(即抽油泵的定子、动子、绕组、套管、油管的温度变化情况)潜油直线电机固体温度场中温度最高的是绕组部分其最高温度为.电机在额定送油量和额定负载时刻工作时潜油直线电机输出效率达到最大损耗也较大相对应绕组部分的温度正常 在固体温度场中由于固体和流体导热的作用电机外壳部分的温度随着距电机绕组距离的增加而逐渐降低最低达到了 左右 在流体温度场中由图 可以看出原油(流体)流经电机时温度较高流经储油管时温度逐渐下降至初始温度 左右 由此可以看出所提的流固耦合模型具有合理性及可行性电机工作在最大采油量状态下时各部分温度情况及全域温度场分布如图 所示 潜油直线电机固体温度场中温度最高的是绕组部分最高温度为.因为处在最大采油量时潜油直线电机输出功率达到最大此时的损耗最大绕组部分的温度比额定负载时更高 在固体温度场中由于固体和流体导热的作用潜油直线电机外壳部分的温度随着距电机绕组距离的增加而逐渐降低最低达到了 左右 流体温度场中温度的变化趋势和抽油机额定采油量时一样原油(流体)流经电机时温度较高流经储油管时温度逐渐下降至初始温度 左右图 /部分额定 图 /部分最大采采油量时温度场油量时温度场 通过对电机进行上述两种不同送油量的工况分析发现潜油直线电机达到最大送油量时电机温度依然处于正常运行温度范围内 由此也说明了所提流固耦合模型在不同工作状态下的合理性在对不同送油量下的潜油直线电机温升仿真分析后得到了如图 所示的温升曲线图图 /部分温度随送油量的变化 由图 可以得出潜油直线电机的温度随送油量的增加而升高但它们之间不成线性比例关系 当从额定送油量提升到最大送油量时电机的温度上升得非常快这也说明了电机不能长时间运行在最大送油量状态下否则电机将会被烧坏()不同外壳材质的影响以合金钢和太空铝外壳作为自变量其他条件不变对潜油直线电机进行仿真分析 得到如图、所示的温度场分布云图及表、所列的温度场数据由图 和表 可知使用普通材料合金钢时电机的最高温度是绕组和机轴部分的.电机固液体平均温度分别为.和.由图 和表 可知使用特殊材料航空铝时电机的最高温度是绕组和机轴部分的.电机固液体平均温度分别为.和.图 /部分合金 图 /部分太空铝钢外壳时温度场外壳时温度场表 合金钢外壳的潜油直线电机温度场数据目标平均值最小值最大值流体温度/.固体温度/.表 太空铝外壳的潜油直线电机温度场数据目标平均值最小值最大值流体温度/.固体温度/.机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验 通过对电机平均温度比较发现航空铝材料比普通的合金钢材料更易散热 由此可见航空铝的导热系数和散热能力比普通合金钢更强能够降低电机的温升提高电机的散热能力但是由于航空铝的造价高导致电机成本增加适用范围窄()不同深度的影响由于所研究的是多段式潜油直线电机且电机平均分布在 深的地下 因此对不同深度的电机温度进行仿真分析并得出潜油直线电机温度随深度变化的曲线如图 所示图 随深度变化的温度曲线 由图 可以看出随着温度的增加抽油机的稳态温度逐渐增加 出现这种情况是由于地下特殊工况所致 由于 的散热是通过热传导作用进行的而地下温度会随深度增加而升高所以会导致热传导作用减弱 因此 温度随深度的增加而逐渐增加.新能源出力特性的影响根据新能源出力特性模型本文通过分析潜油直线电机的供电类型对新能源出力特性的影响进行了分析结果如图、所示图 送油量 时 随光伏出力变化温度曲线 算例中 为有光照时间此时由光伏对直线电机供电 无光照由储能设备对其供电由图、可以看出当由光伏和储能分别供电时无论是 高负载还是 低负载送油量电源对电机温度的影响都比较小波动幅度在 以内 但当两种电源切换供电时其高低负载送油量的温度波动幅度都较大低负载时波动最大为 高负载波动最大为 这是由于电源切换时两类电源间的电压波动较大进而影响到电机电磁状态从而引发波动图 送油量 时 随光伏出力变化温度曲线 结 论文中考虑了潜油直线电机的流固耦合特性和新能源接入类型以该两点为核心研究电机的温度场变化由此得出如下结论()通过基于流固耦合分析的有限元体积法对工况下的潜油直线电机进行温升分析得出了潜油直线电机达到最大送油量时电机温度依然能处于正常运行温度范围内并且潜油直线电机的温度随送油量的增加而升高但它们之间不成线性关系同时以外壳材料为自变量进行电机温度场仿真得出了新型材料航空铝能有效地促进潜油直线电机的散热使潜油直线电机更好地发挥其性能()在采用流固耦合模型的基础上考虑光伏接入的出力特性由于光伏和储能电源的不确定性导致直线电机工作温度的变化 当光伏和储能电源切换时直线电机工作温度变化较大且与负载率成正比文中仅从出力的角度考虑了光伏的不确定性对潜油直线电机温度场的影响模型较为简单未刻画光照强度、光照角度对光伏及电机温度场的影响这将是下一步的研究工作参考文献:马宏忠陈涛涛时维俊等.风力发电机电刷滑环系统三维温度场分析与计算.中国电机工程学报():.刘璟轩李建贵马媛.电机的温升预测与研究.机械设计与制造():./().:.():.(下转第 页)研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用结合表 固有频率可得正零通过次数.次结合 模型可得不同应变水平累积振动循环次数带入总体损伤 的累计公式得出:的 方向随机振动载荷加载时危险点累积的损伤.以 为一个加载周期焊点随机振动疲劳寿命为/.结 语针对电子设备焊点的简化建模仿真准确度不高的问题采用 软件对某机载电子设备元器件焊点进行形态预测并基于焊点预测结果对电子设备及元器件建立有限元模型并进行分析 结果表明:加载 方向随机振动载荷的情况下焊点的危险点出现在元器件靠近电路板中部的边缘处最大 应变为.采用 模型结合 高周疲劳关系式计算获得随机振动载荷加载下危险点寿命为.所应用的焊点形态预测方法适用于其它类型焊点的仿真建模且焊点的疲劳寿命计算方法具有高效性和易用性参考文献:.():.():.():.宜紫薇.热循环与随机振动加载下电子封装结构的寿命预测.西安:西安电子科技大学.王红芳赵玫陈永国.焊点振动疲劳寿命预测模型.上海交通大学学报():.():.黄春跃梁 颖邵良滨等.底充胶叠层 无铅焊点随机振动应力应变分析.焊接学报():.张 龙黄春跃黄 伟等.基于 及频域分析的叠层焊点随机振动可靠性分析.振动与冲击():.():.周德俭潘开林吴兆华等.基于最小能量原理的 焊点三维形态预测.电子学报():.刘 芳孟 光.随机振动载荷下电路板组件三维有限元模拟.振动与冲击():.许家誉.基于焊点形态及晶粒取向无铅互连焊点可靠性有限元分析.哈尔滨:哈尔滨工业大学.(上接第 页).:():.包晨旭.电动汽车直驱式轮边电机仿真设计与实验研究.扬州:扬州大学.武 岳张志锋平佳齐.高功率密度轴向磁通永磁电机新型水冷结构设计与温度场分析.中国电机工程学报():.曹丽华李 禹司和勇.超低负荷工况下大功率汽轮机低压缸内温度场分布特性研究.中国电机工程学报():.():./().:.王福军.计算流体动力学分析.北京:清华大学出版社.杨世铭陶文铨.传热学.北京:高等教育出版社.():.时培成夏仙阳陈晨等.基于场路耦合方法的永磁同步电机温度场研究.南京航空航天大学学报():.谢颖胡圣明陈鹏等.永磁同步电机匝间短路故障温度场分析.电工技术学报():.研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用