【word】 潛油直驅(qū)圓筒形直線永磁同步電動機(jī)開發(fā)

1、潛油直驅(qū)圓筒形直線永磁同步電動機(jī)開發(fā)第44卷第8期2011年8月截電機(jī)vo1.44.no.8aug.2011潛油直驅(qū)圓筒形直線永磁同步電動機(jī)開發(fā)周廣旭,徐汗亮(1.山東省科學(xué)院自動化研究所,濟(jì)南250014;2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院,濟(jì)南250061)摘要:該文基于潛油直驅(qū)應(yīng)用,對圓筒形直線永磁同步電動機(jī)進(jìn)行研究開發(fā).采用模塊化疊片定子鐵心結(jié)構(gòu),軸向充磁磁體結(jié)構(gòu)及9槽/l0極電機(jī)單元組成電機(jī)樣機(jī),采用動密封型式滿足實(shí)際惡劣工作環(huán)境的密封要求.通過電磁場分析設(shè)計小型工程樣機(jī),并進(jìn)行了樣機(jī)制作和試驗(yàn),試驗(yàn)表明,樣機(jī)電機(jī)具有高出力,高運(yùn)行效率特點(diǎn),能夠滿足實(shí)際工程需要,為實(shí)際工程樣機(jī)的設(shè)計制作打下基

2、礎(chǔ).關(guān)鍵詞:圓筒形直線永磁同步電機(jī);潛油直驅(qū)抽油機(jī);樣機(jī)試驗(yàn)中圖分類號:tm341;tm351;tm359.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼:a文章編號: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引言游梁抽油系統(tǒng)是目前油田主要抽油型式,其由地面電機(jī)通過減速機(jī)帶動長達(dá)幾千米的抽油桿,驅(qū)動地下抽油泵,如圖1(a)所示,該抽油系統(tǒng)的主要缺陷是抽油桿磨損導(dǎo)致的低壽命,同時還有整體效率低,地面占地面積大等缺陷.圖1(b)給出的潛油直驅(qū)抽油系統(tǒng),是一種新型抽油系統(tǒng),由電纜直接供電給地下直線電機(jī),并由這一直線電機(jī)直接驅(qū)

6、動油泵,顯然本新型抽油系統(tǒng)完全克服了游梁抽油系統(tǒng)的缺陷,具有理論意義和應(yīng)用價值.在諸多種類的直線電機(jī)中,圓筒形直線永磁電機(jī)由于具有以下特點(diǎn)而成為潛油直驅(qū)抽油系統(tǒng)直線電機(jī)的理想選擇:(1)封閉的結(jié)構(gòu),滿足地下惡劣抽油環(huán)境的要求;(2)易制成細(xì)長結(jié)構(gòu),滿足安裝尺寸要求;(3)高性能永磁體的采用及沒有定子繞組端部,滿足抽油系統(tǒng)高效高轉(zhuǎn)矩密度要求;(4)理想條件下沒有單邊磁拉力,可有效降低機(jī)械摩擦阻力,從而進(jìn)一步提高運(yùn)行效率和使用壽命.本文從圓筒形直線永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)選擇,磁場分析設(shè)計及樣機(jī)制造和實(shí)驗(yàn)等幾個方面,研究潛油直驅(qū)圓筒形直線永磁同步電動機(jī).1電機(jī)結(jié)構(gòu)型式1.1模塊化定子鐵心結(jié)構(gòu)對圓筒形直線永

7、磁同步電機(jī)來說,圖2(a)為通收稿日期:20100909基金項(xiàng)目:山東省自然科學(xué)基金資助(2009zrb01067)作者簡介:周廣旭(1978),男,工學(xué)博士,目前主要從事電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計工作.徐衍亮(1966),工學(xué)博士,博士生導(dǎo)師,主要從事永磁電機(jī),特種電機(jī),電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的研究工作.8期周廣旭等:潛油直驅(qū)圓筒形直線永磁同步電動機(jī)開發(fā)?4s?旋轉(zhuǎn)i乜機(jī)抽油泵n)游梁抽油系統(tǒng)直線電機(jī)油泵()潛油直驅(qū)抽油系統(tǒng)圖1兩種不同的抽油系統(tǒng)常的定子鐵心結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)簡單,易于加工安裝,但是定子軛部只能采用實(shí)心材料而具有很高的鐵耗,同時疊片定子鐵心由于產(chǎn)生圓周方向的渦流而具有很高的渦流損耗,因此該種

8、定子鐵心結(jié)構(gòu)只能用于磁場交變頻率很低的場合,但磁場交變頻率來源于供電電源頻率,低的供電頻率對電機(jī)的控制性能不利.圖2(b)為模塊化疊片鐵心結(jié)構(gòu),該種結(jié)構(gòu)盡管復(fù)雜,但軛部鐵心采用疊片結(jié)構(gòu),而且齒部渦流垂直于鐵心疊片,具有很低的鐵耗,有利于圓筒形直線電機(jī)的稍高頻應(yīng)用設(shè)計,因此本電機(jī)采用如圖2(b)所示的結(jié)構(gòu).1.2動子磁體結(jié)構(gòu)動子磁體結(jié)構(gòu)有軸向充磁,徑向充磁及準(zhǔn)halbach磁體結(jié)構(gòu)三種,顯然,后兩種磁體結(jié)構(gòu)很難進(jìn)行充磁,因此本電機(jī)采用軸向充磁動子磁體結(jié)構(gòu),如圖3所示.定子軛部鐵心/(a)普通定子鐵心結(jié)構(gòu)(hj模塊化定子疊片鐵心結(jié)構(gòu)圖2不同定子鐵心結(jié)構(gòu)永磁體導(dǎo)磁鋼不導(dǎo)磁鋼圖3動子磁體結(jié)構(gòu)1.3電機(jī)

9、定子槽極配合一般說來,可行的圓筒形直線永磁同步電機(jī)定子繞組結(jié)構(gòu)有5中,即3槽/每極結(jié)構(gòu),6槽/每極結(jié)構(gòu),3槽/2極結(jié)構(gòu)和9卡曹/10結(jié)構(gòu),從繞組系數(shù),齒槽轉(zhuǎn)矩及制造安裝簡易性上考慮,9/10極結(jié)構(gòu)是理想選擇,如圖4所示,該結(jié)構(gòu)具有0.945的繞組系數(shù),90的定子槽和動子極的最小公倍數(shù),同時,定子齒槽較少,無論定子繞組和定子鐵心,都異于加工安裝.一一一一一1零舅舅孵_日目國i圖49槽/10極電機(jī)結(jié)構(gòu)單元?46?截i機(jī)4-4卷由于直線電機(jī)軸向結(jié)構(gòu)周期性排列的特點(diǎn),實(shí)際的圓筒形直線電機(jī)可以由多個如圖4所示9槽/10極電機(jī)單元的簡單軸向羅列,各單元對應(yīng)相繞組可以并聯(lián)也可以串聯(lián)而組成整體直線電機(jī)的定子繞

10、組.因此,在不考慮電機(jī)兩端的端部效應(yīng)的前提下,可以通過一個電機(jī)單元的設(shè)計分析,直接得到整體電機(jī)的性能,這有利于降低電磁場分析計算時的計算資源要求.1.4電機(jī)密封形式潛油直線電機(jī)工作于深達(dá)1km3km的井下,環(huán)境溫度近100oc,環(huán)境壓力近30mpa,周圍遍布泥沙,因此對電機(jī)的密封帶來很大挑戰(zhàn),采用動平衡方式進(jìn)行電機(jī)的密封是理想選擇,如圖5所示.由于整個動子暴露在油井環(huán)境中,且動平衡圈與動子的良好密封要求及動子磁體的保護(hù),需在動子磁體外面加一不銹鋼保護(hù)套圖5電機(jī)的動平衡密封方式2樣機(jī)電機(jī)的設(shè)計在進(jìn)行實(shí)際工程樣機(jī)的設(shè)計制造之前,首先設(shè)計小型樣機(jī),以驗(yàn)證所選擇電機(jī)結(jié)構(gòu)型式,密封型式及設(shè)計方法的正確性

11、.油田電源采用660v三相交流,考慮到長電纜的電壓降,電機(jī)端額定電壓為550v三相交流;考慮到實(shí)際油井直徑,電機(jī)定子鐵心外徑確定為128mm;根據(jù)實(shí)際抽油速度,電機(jī)的最高運(yùn)行速度定為0.7m/s;作為樣機(jī)電機(jī),對額定出力及額定功率沒有要求,因此確定采用4個如圖4所示的9槽/l0極結(jié)構(gòu)單元組成整個樣機(jī)電機(jī),采用串聯(lián)方式將各單元電機(jī)繞組組成為整體電機(jī)繞組.電機(jī)磁體采用最高工作溫度達(dá)160ci=的ndfeb,其2o時的b=1.29t,=900ka/m;電機(jī)極距選為21.6mm,因此電機(jī)的最高運(yùn)行頻率為16.2hz,從而得出定子有效長度為864mm,動子行程確定為2000mm;電機(jī)有效氣隙為2.6mm

12、,經(jīng)分析設(shè)計,當(dāng)磁體磁化方向長度為1i.6mm時具有最高永磁基波磁密.考慮到計算資源,采用電磁場的方法進(jìn)行單體電機(jī)單元的分析計算,圖6為單體電機(jī)空載氣隙磁密分布,可以看出氣隙磁密波形正弦性較好.考慮到電機(jī)實(shí)際工作環(huán)境,電機(jī)額定工作時的熱負(fù)荷定為60a/mm,電流密度為5a/ram.通過瞬態(tài)場計算電機(jī)穩(wěn)定性能和瞬態(tài)起動過程.圖6空載永磁氣隙磁密波形3樣機(jī)試驗(yàn)圖7分別給出整體樣機(jī)及其動子的實(shí)物圖.圖8為0.635m/s時永磁電動勢波形,可以看出,波形正線性良好,這對降低電機(jī)的紋波轉(zhuǎn)矩有利,同時由于9/10極電機(jī)結(jié)構(gòu)的采用,具有很低的齒槽轉(zhuǎn)矩,因此整體電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動很低,在作電動機(jī)時運(yùn)行平穩(wěn).a)整體

13、電機(jī)fljj樣機(jī)電機(jī)動予圖7樣機(jī)電機(jī)實(shí)物圖圖8空載永磁電動勢波形(下轉(zhuǎn)第59頁)8期史敬灼等:超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的穩(wěn)態(tài)模糊建模方法研究?59?性特征的描述.在將模糊建模方法應(yīng)用于超聲波電機(jī)系統(tǒng)建模的實(shí)踐過程中,可總結(jié)出下列應(yīng)用原則:(1)實(shí)測建模數(shù)據(jù)量少,建立模型相對比較容易,但是效果可能不理想;實(shí)測建模數(shù)據(jù)量大,建模工作量大;(2)模糊論域上的量化等級數(shù)量越多,可能得到的效果越好.但如果量化等級數(shù)量太多,不僅體現(xiàn)不出模糊邏輯的長處,而且會增加在線的實(shí)時計算量;(3)模糊子集數(shù)量越多,對電機(jī)系統(tǒng)的描述有可能越全面.但是,子集數(shù)量多,規(guī)則數(shù)量顯著增加,計算量加大;(4)隸屬函數(shù)的跨度范圍和交叉范

14、圍,可以根據(jù)實(shí)測建模數(shù)據(jù)的分布情況來確定.參考文獻(xiàn)1b.radi,a.e.hami.thestudyofthedynamiccontactinultrasonicmotorj.appliedmathematicalmodelling,2010,34(12):37673777.2senjyutomonobu,nakamuramitsuru,urasakinaomitsu,cta1.mathematicalmodelofultrasonicmotorsforspeedcontrolj.electricpowercomponentsandsystems,2008,36(6):637648.3王心堅,

15、金龍,堯波,等.行波超聲波電機(jī)非參數(shù)辨識模型j.中國電機(jī)_t程,2008,28(18):8389.4史敬灼,尤向陽.超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速特性的仿真計算與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模j.微電機(jī),2009,42(9):l821.5chentienchi,yuchihhsien.generalizedregressionneural-network-basedmodelingapproachfortraveling?waveultrasonicmmorsj.electricpowercomponentsandsystems,2009,37(6):645657.6諸靜.模糊控制理論與系統(tǒng)原理m.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2005.(上接第46頁)只進(jìn)行了430v供電電源時的負(fù)載試驗(yàn),此時當(dāng)運(yùn)行頻率為11nz(0.475m/s)時,最高出力大于366kg;圖9為負(fù)載特性,可以看出,由于加工,安裝等原因,電機(jī)空載機(jī)