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1、潜油直驱圆筒形直线永磁同步电动机开发第44卷第8期2011年8月截电机Vo1.44.No.8Aug.2011潜油直驱圆筒形直线永磁同步电动机开发周广旭,徐汗亮(1.山东省科学院自动化研究所,济南250014;2.山东大学电气工程学院,济南250061)摘要:该文基于潜油直驱应用,对圆筒形直线永磁同步电动机进行研究开发.采用模块化叠片定子铁心结构,轴向充磁磁体结构及9槽/l0极电机单元组成电机样机,采用动密封型式满足实际恶劣工作环境的密封要求.通过电磁场分析设计小型工程样机,并进行了样机制作和试验,试验表明,样机电机具有高出力,高运行效率特点,能够满足实际工程需要,为实际工程样机的设计制作打下基
2、础.关键词:圆筒形直线永磁同步电机;潜油直驱抽油机;样机试验中图分类号:TM341;TM351;TM359.4文献标志码:A文章编号:1001.6848(2011)080044.03ResearchonSubmersibleCylindricalLinearDirectDrivePermanentMagnetSynchronousMotorZHOUGuangxu,XUYanliang(1.InstituteofAutomationShandongAcademyofSciences,Jinan250014,China2.ElectricalEngineeringofShandongUnivers
3、ity,Jinan250061,China)Abstract:Basedonthedirectdrivesubmersibleapplications,thecylindricalpermanentmagnetlinearsynchronousmotorwasresearchedanddeveloped.Modularstructureoflaminatedstatorcore,axialmagnetizingmagnetstructureand9-slot/10polemotorprototypemotormodulescomposetheprotoypemotor.Andtheuseofd
4、ynamicsealtypetomeettheactualrequirementsofharshenvironmentssealed.Throughelectromagneticanalysisalowpowerengineeringprototypemotorwasdesigned.Theperformancetestwascarriedout.Thetestresultshowsthattheprotoypemotorhashigherpower,highefficiency,andcanmeettheactualprojectneeds.Thisprocessprouidesagoodf
5、oundationfortheproductionofactualmotor.Keywords:cylindricalpermanentmagnetlinearsynchronousmotor;directdrivesubmersiblepump;prototypemotortestO引言游梁抽油系统是目前油田主要抽油型式,其由地面电机通过减速机带动长达几千米的抽油杆,驱动地下抽油泵,如图1(a)所示,该抽油系统的主要缺陷是抽油杆磨损导致的低寿命,同时还有整体效率低,地面占地面积大等缺陷.图1(b)给出的潜油直驱抽油系统,是一种新型抽油系统,由电缆直接供电给地下直线电机,并由这一直线电机直接驱
6、动油泵,显然本新型抽油系统完全克服了游梁抽油系统的缺陷,具有理论意义和应用价值.在诸多种类的直线电机中,圆筒形直线永磁电机由于具有以下特点而成为潜油直驱抽油系统直线电机的理想选择:(1)封闭的结构,满足地下恶劣抽油环境的要求;(2)易制成细长结构,满足安装尺寸要求;(3)高性能永磁体的采用及没有定子绕组端部,满足抽油系统高效高转矩密度要求;(4)理想条件下没有单边磁拉力,可有效降低机械摩擦阻力,从而进一步提高运行效率和使用寿命.本文从圆筒形直线永磁同步电机结构选择,磁场分析设计及样机制造和实验等几个方面,研究潜油直驱圆筒形直线永磁同步电动机.1电机结构型式1.1模块化定子铁心结构对圆筒形直线永
7、磁同步电机来说,图2(a)为通收稿日期:20100909基金项目:山东省自然科学基金资助(2009ZRB01067)作者简介:周广旭(1978),男,工学博士,目前主要从事电机及其驱动系统设计工作.徐衍亮(1966),工学博士,博士生导师,主要从事永磁电机,特种电机,电动汽车电驱动系统的研究工作.8期周广旭等:潜油直驱圆筒形直线永磁同步电动机开发?4s?旋转I乜机抽油泵n)游梁抽油系统直线电机油泵()潜油直驱抽油系统图1两种不同的抽油系统常的定子铁心结构,该结构简单,易于加工安装,但是定子轭部只能采用实心材料而具有很高的铁耗,同时叠片定子铁心由于产生圆周方向的涡流而具有很高的涡流损耗,因此该种
8、定子铁心结构只能用于磁场交变频率很低的场合,但磁场交变频率来源于供电电源频率,低的供电频率对电机的控制性能不利.图2(b)为模块化叠片铁心结构,该种结构尽管复杂,但轭部铁心采用叠片结构,而且齿部涡流垂直于铁心叠片,具有很低的铁耗,有利于圆筒形直线电机的稍高频应用设计,因此本电机采用如图2(b)所示的结构.1.2动子磁体结构动子磁体结构有轴向充磁,径向充磁及准Halbach磁体结构三种,显然,后两种磁体结构很难进行充磁,因此本电机采用轴向充磁动子磁体结构,如图3所示.定子轭部铁心/(a)普通定子铁心结构(hJ模块化定子叠片铁心结构图2不同定子铁心结构永磁体导磁钢不导磁钢图3动子磁体结构1.3电机
9、定子槽极配合一般说来,可行的圆筒形直线永磁同步电机定子绕组结构有5中,即3槽/每极结构,6槽/每极结构,3槽/2极结构和9卡曹/10结构,从绕组系数,齿槽转矩及制造安装简易性上考虑,9/10极结构是理想选择,如图4所示,该结构具有0.945的绕组系数,90的定子槽和动子极的最小公倍数,同时,定子齿槽较少,无论定子绕组和定子铁心,都异于加工安装.一一一一一1零舅舅孵_日目国i图49槽/10极电机结构单元?46?截I机4-4卷由于直线电机轴向结构周期性排列的特点,实际的圆筒形直线电机可以由多个如图4所示9槽/10极电机单元的简单轴向罗列,各单元对应相绕组可以并联也可以串联而组成整体直线电机的定子绕
10、组.因此,在不考虑电机两端的端部效应的前提下,可以通过一个电机单元的设计分析,直接得到整体电机的性能,这有利于降低电磁场分析计算时的计算资源要求.1.4电机密封形式潜油直线电机工作于深达1km3km的井下,环境温度近100oC,环境压力近30MPa,周围遍布泥沙,因此对电机的密封带来很大挑战,采用动平衡方式进行电机的密封是理想选择,如图5所示.由于整个动子暴露在油井环境中,且动平衡圈与动子的良好密封要求及动子磁体的保护,需在动子磁体外面加一不锈钢保护套图5电机的动平衡密封方式2样机电机的设计在进行实际工程样机的设计制造之前,首先设计小型样机,以验证所选择电机结构型式,密封型式及设计方法的正确性
11、.油田电源采用660V三相交流,考虑到长电缆的电压降,电机端额定电压为550V三相交流;考虑到实际油井直径,电机定子铁心外径确定为128mm;根据实际抽油速度,电机的最高运行速度定为0.7m/s;作为样机电机,对额定出力及额定功率没有要求,因此确定采用4个如图4所示的9槽/l0极结构单元组成整个样机电机,采用串联方式将各单元电机绕组组成为整体电机绕组.电机磁体采用最高工作温度达160cI=的NdFeB,其2O时的B=1.29T,=900kA/m;电机极距选为21.6mm,因此电机的最高运行频率为16.2Hz,从而得出定子有效长度为864mm,动子行程确定为2000mm;电机有效气隙为2.6mm
12、,经分析设计,当磁体磁化方向长度为1I.6mm时具有最高永磁基波磁密.考虑到计算资源,采用电磁场的方法进行单体电机单元的分析计算,图6为单体电机空载气隙磁密分布,可以看出气隙磁密波形正弦性较好.考虑到电机实际工作环境,电机额定工作时的热负荷定为60A/mm,电流密度为5A/ram.通过瞬态场计算电机稳定性能和瞬态起动过程.图6空载永磁气隙磁密波形3样机试验图7分别给出整体样机及其动子的实物图.图8为0.635m/s时永磁电动势波形,可以看出,波形正线性良好,这对降低电机的纹波转矩有利,同时由于9/10极电机结构的采用,具有很低的齿槽转矩,因此整体电机转矩脉动很低,在作电动机时运行平稳.a)整体
13、电机flJJ样机电机动予图7样机电机实物图图8空载永磁电动势波形(下转第59页)8期史敬灼等:超声波电机转速控制的稳态模糊建模方法研究?59?性特征的描述.在将模糊建模方法应用于超声波电机系统建模的实践过程中,可总结出下列应用原则:(1)实测建模数据量少,建立模型相对比较容易,但是效果可能不理想;实测建模数据量大,建模工作量大;(2)模糊论域上的量化等级数量越多,可能得到的效果越好.但如果量化等级数量太多,不仅体现不出模糊逻辑的长处,而且会增加在线的实时计算量;(3)模糊子集数量越多,对电机系统的描述有可能越全面.但是,子集数量多,规则数量显着增加,计算量加大;(4)隶属函数的跨度范围和交叉范
14、围,可以根据实测建模数据的分布情况来确定.参考文献1B.Radi,A.E.Hami.TheStudyoftheDynamicContactinUltrasonicMotorJ.AppliedMathematicalModelling,2010,34(12):37673777.2SenjyuTomonobu,NakamuraMitsuru,UrasakiNaomitsu,cta1.MathematicalModelofUltrasonicMotorsforSpeedControlJ.ElectricPowerComponentsandSystems,2008,36(6):637648.3王心坚,
15、金龙,尧波,等.行波超声波电机非参数辨识模型J.中国电机_T程,2008,28(18):8389.4史敬灼,尤向阳.超声波电机转速特性的仿真计算与神经网络建模J.微电机,2009,42(9):l821.5ChenTienChi,YuChihHsien.GeneralizedRegressionNeural-network-basedModelingApproachforTraveling?waveUltrasonicMmorsJ.ElectricPowerComponentsandSystems,2009,37(6):645657.6诸静.模糊控制理论与系统原理M.北京:机械工业出版社.200
16、5.(上接第46页)只进行了430V供电电源时的负载试验,此时当运行频率为11nz(0.475m/s)时,最高出力大于366kg;图9为负载特性,可以看出,由于加工,安装等原因,电机空载机械损耗很高,负载时效率降低,目前最高效率只有32%,通过降低空载机械损耗,电机的效率可以达到60%以上.F/kg(a)输入功率P.随F的变化F/kg(b)系统效率rl随F的变化图9490V,l1Hz频率时电机系统的负载特性4结论本文针对潜油直驱抽油系统用圆筒形直线永磁同步电机进行研究,对比分析其结构型式,最后确定最佳方案,通过磁场分析进行电机的设计,制造了小型样机电机,并进行了实验分析,实验结果表明,电机运行平稳,力密度高,能够满足实际工作需要,为后续的工程样机设计鉴定了基础.
