（电机与电器专业论文）潜油圆筒型直线永磁同步电动机研究.pdf

山东大学硕士掌位论文 a b s t r a c t s u b m e r s i b l el i n e a rp u m p i n gs y s t e mi san e wt y p eo fo i l - p u m p i n gs y s t e m t u b u l a rl i n e a rp e r m a n e n t - m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( t l p m s m ) ，w h i c hi sa l s on e w i t s e l f , h a sb e c o m et h ei d e a ld r i v i n gm o o rb e c a u s eo fi t so p t i m a lp e r f o r m a n c e i n o r d e rt oa c h i e v et h eb e s td r i v i n gp e r f o r m a n c e ，t h i sk i n do fm o t o ri sc o m p r e h e n s i v e l y s t u d i e di n t h i sp a p e r , i n c l u d i n gs t r u c t u r ed e t e r m i n a t i o n , p a r a m e t e r sa n du n i l a t e r a l m a g n e t i cf o r c ec a l c u l a t i o n ，p r o t o t y p ed e s i g na n dt e s t ，a n ds oo n m a i nc o n t e n t sa r e a sf o l l o w s ： 1 ) a c c o r d i n gt o t h ea c t u a l o p e r a t i o n e n v i r o n m e n ta n dt h ep e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t s ，t h es t r u c t u r e so fs t a t o rc o r e ，s t a t o rw i n d i n g sa n dr o t o rm a g n e t s ，a n dt h e r a t i oo fp o l e sa n ds l o t sa r ed e t e r m i n e db yc o m p a r i s o n ，a n dt h ef i n a ls t r u c t u r eo ft h i s t l p m s mi sg i v e n 2 ) t h em m fo ft h i sn e wt l p m s mi sd i s c u s s e du s i n gt h ea n a l y t i c a lm e t h o d a n dt h ee x p r e s s i o n so fa l l i t sh a r m o n i cm m f sa r e g i v e na n dt h e nt h er e s u l t a n t h a r m o n i cw i n d i n gc o e f f i c i e n t sa r eo b t a i n e d 3 ) b a s e do nt h en e ws t r u c t u r eo ft h i st l p m s m ，t h ei n d u c t a n c ep a r a m e t e r s m a i l l l yi n c l u d i n gt h es l o tl e a k a g eo n ea n dt h eh a r m o n i c so n ea r ec a l c u l a t e d 4 ) t h et l p m s mh a s n ou n i l a t e r a l m a g n e t i c f o r c ew h e nu n d e ri d e a l c i r c u m s t a n c e s a c t u a l l y , t h er o t o rd e v i a t i o ni si n e v i t a b l ef o rt h i sk i n do fm o t o ls o t h eu n i l a t e r a lm a g n e t i cf o r c ee x i s t sd e f i n i t e l y , w h i c hi sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l ya n d v e r i f i e db y3 - df e mi nt h i sp a p e r f i n a l l y , t h et l p m s md e s i g ni s d i s c u s s e da n dap r o t o t y p ei sm a n u f a c t u r e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wg o o dc o i n c i d e n c e 、析t ht h et h e o r e t i c a lo n e sa n dag o o d m a c h i n ep e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：s u b m e r s i b l el i n e a rp u m p i n gs y s t e m ，t u b u l a rl i n e a rp e r m a n e n t m a g n e ts ) ，n c l l r o n o u sm o t o r ( t l p m s m ) ，m a g n e t i cm o t i v ef o r c e ( m m f ) ，p a r a m e t e r , u n i l a t e r a lm a g n e t i cf o r c e ，e l e c t r i cm o t i v ef o r c e ( e m f ) v i 山东大掌硕士学位论文 符号说明 、毛：三相对称正弦电流 、乞：定子绕组相电流 厶、l ：定子绕组相电流有效值 风：真空磁导率 如：铁心磁导率 从：永磁体相对磁导率 m ：线圈匝数 。：槽内导体数 ：每相绕组串联总匝数 z ：单相绕组磁动势峰值 厶、丘、允：各相n 次谐波磁动势 z ：三相r 1 次谐波合成磁动势 ：电机基波磁动势 z ：电机y 次谐波磁动势 z ：基波电势频率 工：y 次谐波电势频率 f ：电机基波合成磁动势幅值 f ：总单边磁拉力 易：气隙压降 z 1 ：定子齿部压降 e ：动子齿部压降 c ：永磁体磁动势源计算磁动势 互一乜、乞：线圈基波电动势有效值 瓦：线圈v 次谐波电动势有效值 乞，：绕组v 次谐波电动势有效值 助：绕组基波合成电动势相量 e 如：绕组v 次谐波电动势相量 e v e 6 ，：线圈y 次谐波电动势相量 七口。：基波绕组节距因数 。：基波绕组分布因数 七。：l ，次谐波节距因数 ：y 次谐波分布因数 后咖：p 次谐波绕组因数 口：槽电角度 p ：基波极对数 仇：y 次谐波极对数 g ：每极每相槽数 ：圆筒形气隙计算周长 f ：极距 万：气隙长度 易：有效气隙长度 ：定子轭高 庇：定子槽高 ：定子槽口宽度 6 。：定子槽宽度 ：齿顶宽度 d f 。：定子内径 r ：定子齿距 r ：永磁体外表面半径 ，：永磁体内表面半径 e ：动子垂向偏心 口口：极弧系数 b p ：极弧长度 艇：齿部饱和系数 三：动子铁心轴向长度 ：永磁体磁化长度 v i i 山东大掌硕士掌位论文 岛- ：气隙基波磁密幅值 丸：槽左右层线圈边互感比磁导 玩：气隙y 次谐波磁密幅值 砧：槽口面对动子铁心齿顶比漏磁导 ：基波磁场产生磁链 乞：槽左右层线圈边互感比磁导 虬t ：高度内漏磁链 惕：基波磁场速度 织z ：啊高度内漏磁链 ：y 次谐波磁场速度 虬：槽总漏磁链 b ，：永磁体剩磁密度 ：栩范围内互感磁链 a ：永磁体内磁导 。：范围内互感磁链 a ：气隙磁导 ：总互感磁链 以。：不导磁动子轴漏磁导 砂：相绕组总磁链 四：每极基波磁通 吃：外磁路每极总磁通 吻：气隙磁通 中。：不导磁动子轴漏磁通 纸：绕组主电抗 k ：绕组漏电抗 ：槽漏抗 托：绕组y 次谐波漏抗 以：绕组总谐波漏抗 z 。：槽漏感 厶：槽左层线圈边自感 厶：槽右层线圈边自感 m a b ：槽左层线圈边互感 m b a ：槽右层线圈边互感 乙：主磁路比磁导 以：槽比漏磁导 乃：谐波比漏磁导 五：齿项比漏磁导 乃：槽左线圈边自感比磁导 乃：槽右线圈边自感比磁导 v i l i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：量遂叁! 日 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 量立叁：导师签名：徵堑堑日期：型卿! p 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源及选题意义 目前，有杆抽油是国内外石油工业应用规模最大的机械采油方式。有杆泵结 构简单、操作简便、维修方便，且排量适中，适合绝大多数油井的产能要求。 但是，随着油田勘探开发的发展，有杆泵逐渐暴露出一系列问题：井杆 管偏磨严重，降低了系统安全性，提高了维护成本，严重影响了经济效益； 普遍采用的游梁式四连杆结构存在过多的中间环节，造成系统效率低，不超过 0 3 5 ；长冲程抽油机体积庞大而且笨重，使用材料多，造价高，等等。 目前，国内外解决上述问题的途径主要有：改进完善有杆泵系统。比如抽油 杆底部重杆加重或采用玻璃钢抽油杆和碳纤维连续抽油杆等，但此类方法仍 避免不了效率低、故障率高、经济效益差等缺点。近年来兴起的直线电机抽油机 通过柔性连接件、导向轮直接与抽油杆连接，降低了动力传递过程中的功率损失， 提高了系统效率，节能效果显著，但仍未摆脱井杆偏磨问题。另一途径是采用电 潜泵、水力活塞泵和水力喷射泵等无杆采油方式，虽然彻底摆脱抽油杆这一 薄弱环节，但要么适应性受限，调参困难，要么投资高、寿命短、效率低。 近两年，国内外专家开始致力于新型机械采油方式的研制。其中，潜油直 线电机直接驱动柱塞泵进行往复抽油的无杆人工举升技术就是备受关注的方式 之一。 潜油直线电机本身作上下往复直线运动，不经过中间运动形式转换和 传动环节，驱动与之直接相连的柱塞泵。与传统的有杆抽油相比，潜油直线 电机抽油系统具有以下突出优点： 1 ) 更换有杆泵采油方式为无杆泵采油方式，节省了提升抽油杆所需的 动力，系统效率高，特别是彻底消除了井杆管偏磨问题，大大提高了经济 效益。 2 ) 冲程、冲次均无级可调，排量调节范围宽，易于根据油井产能进行 调参。 3 ) 冲次可高达4 0 次分钟，可采用短冲程、高冲次的工作制度，抽油 泵及整个井下机组的长度比电潜泵机组缩短很多，适用的大斜度井的曲率 半径比电潜泵小。 山东大学硕士学位论文 4 ) 保持了抽油泵结构简单、技术成熟、对原油性质适应性好、寿命长、 效率高的优点。 目前，国内油田已出现了井上直线电机驱动有杆泵抽油系统，在井下潜油 直线电机驱动方面开展研究的院所和单位很少，且试验得到的性能较差。 众所周知，直线永磁同步电机兼具永磁电机和直线电机的双重特点，且与直 线感应电机相比，直线永磁同步电机的力能指标高、体积小、重量轻且具有发电 制动功能1 1 。同时，圆筒型结构能够使直线电机具有高速运转、定子绕组利用率 高、无横向边缘效应、容易克服单边磁拉力并且环境适应性强等优点。 本文将针对胜利油田井杆管偏磨严重导致维护成本过高的问题，提出采用潜 油圆筒型直线永磁同步电动机直接驱动柱塞泵抽油的采油思路，并联系油田实际 油藏情况和工作环境进行分析研究，期望设计出一款经济高效、适应性强且最终 能够替代有杆泵广泛应用于各油田的新型潜油直线抽油机。 1 2 国内外研究发展现状 1 2 1 直线电机概论 直线电机主要是直线电动机，它是一种将电能直接转换成直线运动机械能而 不需任何中间转换机构的传动装置。 直线电机可以采用交流电源、直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作。按 结构型式，直线电机主要分为扁平型、圆筒型、盘型和圆弧型四种。其中，扁平 型直线电机又有单边型、双边型之分，是目前应用最广泛的。直线电机按其功能 用途主要可分为力电机、功电机和能电机；按其工作原理又可分为直线电动机和 直线驱动器两大方面。其中，直线电动机包括交流直线感应电动机、交流直线同 步电动机、直线直流电动机和直线步进( 脉冲) 电动机、混合式直线电动机【2 ，3 】 在占 号手0 直线同步电动机与普通同步电动机一样，具有多相电枢绕组和直流励磁的磁 场。直流磁场的励磁方式可以是常规式的，也可由超导体励磁绕组励划4 1 ，还可 采用永磁体励磁。 1 2 2 直线永磁同步电动机的研究发展现状 近年来随着稀土永磁材料性能的提高，其优异的性价比使其在直线同步电动 机中的应用得到了很大的发展。 2 山东大学硕士掌位论文 直线永磁同步电动机的磁极由永磁材料制成，磁极磁场由永磁体提供，磁极 动子无需外加电源励磁。这样使得电动机的结构得到简化，电机的整体效率提高。 在直线永磁同步电动机当中，还有采用高性能永磁材料与电励磁线圈混合的励磁 系统，成为可控直线永磁同步电动机。其主要特点在于基本励磁由永磁体提供， 而动态调整由电励磁来完成，突出了可控性的优点【5 1 。 直线永磁同步电动机是新型无绳提升系统的核心，它不仅具有永磁电机的高 效、节能的特点，且兼有直线电机作直线运动和结构简单、控制方便、无污染、 低噪声等显著优点；与直线感应电动机相比，直线永磁同步电动机的力能指标高、 体积小、重量轻且具有发电制动功能，已不断应用在垂直升降运输和高速地面运 输等系统中。 现有的直线永磁同步电动机主要有单边扁平型、双边扁平型两种结构形式； 根据永磁体安装位置的不同可分为永磁体表面安装式直线同步电动机和永磁体 内置式直线同步电动机；根据永磁体充磁方式的不同又有轴向充磁方式、径向充 磁方式和h a l b a c h 充磁方式【j 之分。 1 2 3 国内外圆筒型直线永磁同步电动机的研究发展现状 圆筒型直线电机是直线电机的基本结构之一，常见的圆筒型直线电机定子套 在动子的外部，可以做成动圈式，也可以做成定圈式【9 1 ，电机一般为短定子、长动 子形式。 圆筒型直线电机可分为感应式和同步式两类。目前，国内学者大多研究圆筒 型直线感应电动机，对圆筒型直线同步电动机的研究很少。相比之下，国外学者 发表的相关文献较多，研究方向主要体现在电机的参数分析和结构优化两方面。 在参数分析上，不少文献给出了具体结构下电机的磁链、推力及其脉动、感应电 动势以及边缘效应等参数的计算方法及相应结论【1 0 。2 8 】；在结构上，主要提出了采 用气隙核定子、无槽设计、h a l b a c h 充磁方式、n s n s s n s n 磁体齐i i e p 0 、分数槽 绕组【2 9 。6 】等方法优化电机性能。 1 2 4 国内外直线电机抽油系统发展现状 多年来，我国大量投入使用的抽油机，无论是游梁式还是无梁式，其动力设 备大都是旋转电机，必须经过复杂的能量转换和传递才能变成直线往复运动。为 了有效解决其系统转换效率低、“大马拉小车 和系统稳定性差的问题，直线电 机驱动抽油机系统应运而生。 山东大学硕士学位论文 上泵 保护器 、电机 、下泵 “8 七j 与 “8 “ o 形圈定于铁芯绕组机壳内村管动予铁芯磁铜 中心管 图1 1 俄罗斯潜油直线图1 2 沈阳大学研制的 电机抽油系统潜油直线电机 目前，国内外现己应用的直线电机抽油系统普遍采用平板型直线电机驱动， 直线电机井上作业，取代以往的旋转电机，直接利用直线电机的直线往复运动带 动抽油杆上下运动，取消了旋转电机驱动抽油系统中的减速器、连杆及曲柄传动 机构等环廿【3 7 40 1 ，主要解决了旋转电机抽油无功消耗大、成本高、整体移运效率 低的问题。其结构简单、质量轻、占地面积小、调参方便、易于操作。国内外一 些文献中也出现过井上作业的圆筒型直线电机抽油系统，但实际应用很少见。国 内山东德达技术有限公司按照工业用抽油机的要求研制出了不同推力圆筒型直 线电机的试验样机和工业样机，但整机效率尚未测剧4 1 1 。 由于有杆抽油普遍存在井杆管偏磨问题，近年来国内外开始致力于潜油直线 电机的研究。俄罗斯是最早开展潜油直线电机抽油系统研究的国家，采用开关磁 阻电机驱动，推力和效率都不及同步电机，如图1 1 。国内沈阳人学研制了潜油 方波永磁同步电机，采用每极每相整数槽绕组及近似的实心铁心结构，较大的定 子铁耗导致效率仅为1 8 【42 j ，且推力脉动严重，见图1 2 。 山东大掌硕士学位论文 1 3 论文主要研究工作 针对抽油机用直线电机的研究现状，本文定为潜油圆筒型直线永磁同步电动 机的设计和研究。 主要进行以下几个方面的工作： 1 ) 简要介绍潜油直线抽油系统结构及圆筒型直线永磁同步电动机的基本结 构和运行原理。为提高潜油直线抽油系统的整体性能，提出了该系统驱动用圆筒 型直线永磁同步电动机的结构型式：动子磁体轴向充磁结构、定子半闭口槽结构、 9 槽1 0 极结构、硅钢叠片定子铁心结构。 2 ) 采用解析法分析了新型定子绕组结构圆筒型直线永磁同步电动机的基波 磁动势、谐波磁动势及各次谐波的绕组系数，并对各次谐波磁动势幅值进行了对 比。 3 ) 分析确定了该种圆筒型直线永磁同步电动机电抗包括主电抗及槽漏抗、 谐波漏抗、齿顶漏抗三种漏电抗。采用解析法分别推导了主、漏电抗的计算公式， 并同时给出了各电抗的相应比磁导公式，最后给出了该新型结构直线电机电抗表 达式的一般形式，为该种电机参数计算及分析提供了良好的理论依据。 4 ) 由于圆筒型直线永磁同步电动机自身结构及运行特点，以及其加工、轴 承磨损和转子挠度等原因，往往导致动子偏心产生单边磁拉力，极大地影响电机 出力和运行效率。本文用解析法推导出该种结构直线电机单边磁拉力的数学表达 式，然后以本潜油直线电机样机为研究对象，采用三维电磁场数值计算方法对理 论分析进行验证对比。 5 ) 给出了该种新型结构潜油圆筒型直线永磁同步电动机的设计流程图，并 根据性能指标求得电机样机尺寸数据。制作样机并进行试验，测量得到的样机相 电感值与论文推导的解析公式计算值吻合很好。试验同时测量了样机额定转速下 的空载相电动势波形及样机负载特性。试验结果表明，样机设计满足了性能要求。 山东大学硕士学位论文 第二章潜油直线抽油系统及电机结构型式选择 2 1 潜油直线抽油系统 2 1 1 潜油直线抽油系统结构及原理 与传统有杆泵抽油系统不同，潜油直线抽油系统是一种高效新型的机械采 油系统，主要由潜油直线电机、密封保护器、柱塞泵、井下动力电缆和地面 控制屏组成，如图2 1 所示。潜油电机采用圆筒型直线永磁电机，电机为动子 中空结构。抽油泵柱塞位于直线电机之下，二者通过直线电机动子和连杆相连接。 柱塞泵上接筛管，柱塞泵倒转安装并由直线电机动子直接驱动柱塞工作。 图2 1 潜油直线电机抽油系统结构 系统通电后，潜油直线电机动子带动柱塞泵作上下往复运动，达到举升抽油 的目的。动子向上运动时，柱塞作上冲程运动，柱塞内的固定阀打丌，游动阀关 闭，柱塞将油管中的原油举升至井口；动予向下运动时，柱塞作下冲程运动，固 定阀关闭，游动阀打开，柱塞将原油排到柱塞以上，原油流入油管。如此循环往 复，将原油举升至地面 4 3 , 4 4 】。 潜油直线电机直接驱动抽油泵工作，无抽油杆冲程损失，大火提高了采油效 山东大掌硕士掌位论文 率，降低了采油成本，取消了抽油杆和地面抽油机配置，避免了自然条件的影响， 是一种运行平稳、可靠性高、节能高效的新式采油设备。 2 1 2 圆筒型直线永磁电机基本结构和工作原理 圆筒型直线电机是旋转电机在结构上的演变。旋转电机沿径向剖开拉直，就 形成了平板型直线电机，将扁平的电机卷绕在与磁场运动方向平行的轴上，就构 成了圆筒型直线电机。圆筒型直线永磁电机主要由定子铁心、定子绕组、动子铁 心、动子磁体、动子轴组成。 圆筒型直线永磁电机的工作原理与旋转电机类似。在三相绕组中通入三相对 称正弦电流时，气隙中便产生行波磁场，动子磁体和行波磁场相互作用便产生电 磁推力。由于定子固定，则动子在推力作用下作直线运动。 直线电机将电能直接转变为直线运动的机械能而不需要中间变换装置，结构 简单。与普通旋转电机和扁平型直线电机不同，圆筒型直线永磁电机不存在端部 绕组，定子绕组利用率高；并且没有横向边缘效应，不存在端部漏磁及附加阻抗； 理想情况下，圆柱形动子径向拉力互相抵消，也不存在单边磁拉力问题。 2 2 潜油圆筒型直线永磁同步电动机结构选择 潜油圆筒型直线永磁同步电动机目前应用很少，研究也不多。国内该种电机 的样机报道( 沈阳大学研制的潜油直线电机) ，目前最高额定推力只有1 7 0 k g m ， 最高额定效率只有1 8 ，推力、节能均不满足要求。 目前，对该种电机的开发主要是在结构优化设计上进行创新，提高电机运行 效率和出力，增加电机运行平稳性。 2 2 1 电机型式选择 表2 1 无刷圆筒型直线永磁电动机类型 电机 类型 混合步进直线电动机永磁无刷直流电动机 永磁同步电动机 供电 脉冲电流方波电流正弦波电流 方式 8 山东大学硕士学位r e 文 曼! ! 曼! ! ! ! 曼! ! ! 舅! 曼! 曼! 曼! ! 曼曼曼穹! - z _ _ _ i i 皇! ! ! ! ! ! ! 皂曼蔓曼曼! 量曼! 曼! 曼! 皇 在不失步的前提+ 卜具有 很好的速度及位置控制精 有位置传感器时，具 电机 度； 有很高的转矩输出能力；开环时具有高 采用开环控制，不需要 特点无位置传感器时，电起动能力。 任何位置传感器； 机起动能力很低。 电机力输出能力差，相 当于磁阻转矩性质。 根据电源供电方式不同，无刷圆筒型直线永磁电动机可分为表2 1 所示三种 类型。考虑到油井抽油环境，难以安装位置检测装置，且需要很大的起动力，故 本潜油直线电机选用直线永磁同步电动机型式。 2 2 2 动子结构选择 圆筒型直线永磁同步电动机有如图2 2 所示三种不同动子结构型式。 图2 2 ( c ) 准h a l b a c h 磁体结构具有很好的气隙磁密波形，但该结构磁体用 量大，并且整体环形充磁很难实现。而图2 2 ( a ) 所示结构，通过优化磁体轴向 长度与极距的比值大小，可以获得较好的转矩输出能力，而且磁体充磁制造简单。 故选用图2 2 ( a ) 所示动子磁体轴向充磁结构。 永磁体导磁钢不导磁钢 ( a ) 轴向充磁磁体结构 永磁体导磁钢 ( b ) 径向充磁磁体结构 山东大掌硕士掌位论文 矗涵件不i j t _ 凇 ( c ) 混合磁体结构 图2 2 一t 种不同的动子磁体结构 2 2 3 定子铁心结构选择 f 1 前潜油圆筒型直线永磁i 刊步电动机( 沈阳大学潜油直线电机) 内表面同时 起轴承作用，支撑电机动予，不锈钢内衬管密封电机定子，虽然制造工艺简单， 但是造成很大的额外电机铁耗，降低了电机出力能力和运行效率；电机定子铁心 采用圆环形硅钢片，虽然制造一f ：艺简单，但没有切断磁场感应出的涡流回路，电 机铁耗人。 本义研制的潜油圆筒型直线永磁i 州步电动机去掉定子内衬管，将定子绕组制 成成型圆环线圈饼；电机定了槽选用半闭口槽形，如图2 3 ( a ) ，既可提高气隙 磁密，又不至于使漏磁过火，同时有效减小电机齿槽定f 妒力，降低杂散损耗；定 子铁心采用轴向硅铡叠片结构，如图2 3 ( b ) ，硅钢片铁心具有很高的力容量、 运行效率和功率因数( 图2 4 ) ，而轴向叠片设计有效切断了电机磁场产生的涡 流回路，电机铁耗小。 ( a ) 半闭口槽形( b ) 轴向叠片 图2 3 本潜油卣线电机定子铁心结构 山东大学硕士学位论文 口软糍整体材料1 圈软糍整体材料2 硅钢片材料 效军功军剀数 额定出力 图2 4 不同铁心材料电机性能比较【4 5 j 2 2 4 定子绕组结构选择 图2 5 为4 种不同的三相圆筒型直线永磁电动机的绕组结构型式4 6 1 。下面对 其分别介绍。 图2 5 ( a ) ： 该绕组结构适用于方波驱动无刷直流电机。由于圆筒型直线电机没有端部， 故没有旋转电机采用该绕组结构时能够提高运行效率和功率密度的优点；且用于 正弦波电流驱动电机时，具有很低的基波绕组因数，很高的谐波绕组因数，不利 于提高电机的功率密度；陔结构电机每极对应1 5 个槽，便于制造。 图2 5 ( b ) ： 该绕组结构可采用正弦波电流控制，基波绕组因数高，但谐波绕组因数也高， 不利于电机性能；采用该结构电机每极对应3 个槽，制作稍复杂。 图2 5 ( c ) ： 该绕组结构叮以采用正弦波电流控制，基波绕组因数高，谐波绕组因数低； 但每极对应6 个槽，制作很复杂。 图2 5 ( d ) ： 该绕组结构基波绕组因数很高；且为分数槽绕组，电机的齿槽转矩很低；每 极对应1 槽左右( 9 槽8 极，9 槽1 0 极等) ，各绕组相对独立，制作简单。故本 潜油圆筒型直线电动机选用此绕组结构。 山东大学硕士学位论文 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一- ( b ) 2 图图受固囡圉国垦圈图叟囡曼雯受囡 多图一鲫哺孵一姒 - ，- l 卜 一。卜 -，f 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 ( d ) 图2 5 定子绕组不同型式 综上分析，确定本新型潜油圆筒型直线永磁同步电动机结构特点为：动了磁 体轴向充磁结构、定子半闭口槽结构、9 槽1 0 极结构、硅钢叠片定子铁心结构。 电机采用短定了、长动子结构；整体分4 段设计，总体并联。电机轴向结构如图 2 6 所示。 山东大学硕士学位论j r ? i j ”。 j 隔。 7 3 删i 囤囤囱囤圈e目田田田田团围圈周e1 l 刖矧i 删蒯盼l 脚j 喇捌酬酬矧蒯酬l 钏隧l 湖嘲豳黝嘲i 黼l阔日 ， 。，l l 一定子铁心、2 - 一定子绕组、3 气隙、博磁体、5 一动子铁心、卜动子轴、7 一机壳 图2 6 本潜油圆筒型直线永磁同步电动机轴向结构 2 3 本章小结 本章简要介绍了潜油直线抽油系统及圆筒型直线永磁同步电动机的基本结 构和工作原理。在分析前人潜油电机结构的基础上，为提高电机性能，选择并确 定了新型潜油圆筒型直线永磁同步电动机的结构：动子磁体轴向充磁结构、定子 半闭口槽结构、9 槽1 0 极结构、硅钢叠片定子铁心结构。 山东大学硕士掌位论文 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼皇曼曼! 曼曼! 皇! 曼! 曼曼曼曼! 曼曼! 曼舅曼皇量曼曼曼皇曼皇曼! 量皇i 皇曼毫曼曼曼! 曼曼皇曼鼍曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼寰 第三章潜油圆筒型直线永磁同步电动机 磁动势分析与计算 目前，对圆筒型直线永磁同步电动机，尤其是9 槽1 0 极结构的新型潜油直 线电动机的磁动势分析，国内外学者研究的很少。众所周知，电机绕组产生的磁 动势和磁场将直接影响电机的运行性能，特别是高次谐波将导致电机温升增大、 效率下降、产生低频脉动等，因此电机的磁动势需要仔细研究。 本章将以9 槽1 0 极的该新型定子绕组结构的圆筒型直线永磁同步电动机为 研究对象，采用解析法进行电机磁动势及绕组因数的分析和计算。 3 1 磁动势解析计算 本节将沿用旋转电机磁动势的分析方法【彻，首先研究该种潜油直线电动机 线圈通入正弦电流之= 2 丘c o s 颤_ o t 时产生的单相绕组磁动势，进而得出该结构电 机三相对称绕组通入三相对称正弦电流时的合成磁动势。 为简化分析，假设： ( 1 ) 定、动子铁心磁导率风= o o ，即认为铁心内的磁位降可忽略不计； ( 2 ) 定、动子之间的气隙为均匀； ( 3 ) 槽内电流集中于槽中心处，槽开口的影响忽略不计。 3 1 1 单相绕组磁动势 ；o r 专 彳j a 2a 3 a 4 a 5 a 6b 固 i il 。1 司囹 、l 一 l l o i l 一ll u - _ - - - 一 。1r 一 1r 一1 r 一 一d 汕r j i 习一1 个1 、 一一一罕】f 去革 1 l l 一定子铁心、2 - - 定子绕组、3 一永磁体、4 一动子铁心、5 一动子轴 图3 19 槽1 0 极新型直线电机的分体结构 图3 1 为9 槽1 0 极的该种新型圆筒型直线永磁同步电动机的分体结构。定 山东大学硕士掌位论文 子每相绕组由6 个m 匝的圆环形成型线圈饼串联而成。当线圈中通入正弦电流f c 时，各线圈饼电流流向如图中标示。 由于铁心内磁位降忽略不计，绕组通入正弦电流时，单线圈饼产生的磁动势 r彳 v 。i 。将全部消耗在气隙内。由于气隙均匀，气隙各处的磁动势值均等于之等。 二 以a 相为例，考虑磁场极性，将a 相6 个线圈饼产生的磁动势叠加，即得 该相绕组的合成磁动势。为分析方便，建立如图3 2 所示坐标系，纵轴表示磁动 势，横轴表示电机轴向距离。可见，a 相绕组磁动势在3 个槽的范围内形成一正 一负、矩形分布的磁动势波，峰值z ：c f c 。图中，槽距七万= 半。 该磁动势表达式为 五( z ) = n o l o ，一t 3 k z r ( 府等，等( z f i n & ，2 万 2 f 2 n j 刀刀 (sin-2sin9)c03 s 绷s 等 ( s i n 等一2 s m 等 c 。s ( m 孚) c 。s 詈 ( z 一半) ( 咖n 3 n 2 s i nn ”n 、1 。s ( 加等) c o s 北一孚 式中，n = l ，2 ，3 ，；n = l 时为基波。 这样，将三相绕组刀次谐波脉振磁动势叠加，就可得到三相绕组的刀次谐波 合成磁动势 z ( z ，t ) = 厶+ 厶+ 尼 卜m 3 r 2 s i n n 9 z r 。) 卜姗n 5 z + c o s ( 烈挣s 拈半) 卜( 研一铷s 拈警) ) 一亟 珂乃 ( 。n 3 n 2 s i n nnsins 1 1 1 9 ) l l 3 夕 c 。s 撇。s 等+ c 。s ( 纠一等) c 。s ( 等一孚) + c 。s ( 舭等) c 。s ( 等一等) 整理得 z ( z ，) = 3 压n d , ，z 万 3 , f - 2 n j # 玎万 o 式中，m = 1 ，2 ，3 ，。 ( 如等一2 s i n 等) c 。s ( 研一等) ， ( s i n m 3 r 2 s i nn 硝z r 、1 。s ( 研+ 等) ， 玎= 3 m 一2 n ：3 m 1 ( 3 9 ) n = 3 m 由于电机为9 槽1 0 极的分数槽结构，那么对整个电机来讲，其y 次谐波对 应上述绕组的詈次谐波，故电机的合成磁动势为 山东大学硕士学位论文 工( 石，) = z ( z ，f ) 5 逝陋5vtr5wr3 - 2 s i n 亚9 c o s ( 纠训， 、7 盟( s i n5 v r r 5 w r3 2 s i n 丝9 ) c o s ( 卅吼 、一7 o 3 m 2 v = 一 5 3 m - 1 ( 3 1 0 ) y = - 5 3 m l ，= 5 当i = 1 ，即刀= 5 ，m = 2 时，即为电机实际的基波合成磁动势 m = 挚( s 证詈墙协等) c o s ( 耐训 = - f i c o s ( c p t + z ) 其中，e 为该种9 槽1 0 极电机的基波磁动势幅值 互= 警( 2 s i n 等一s m 等) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 综上所述，该种9 槽l o 极新型结构直线电机的y 次合成磁动势表达式为 z ( z ，t ) = 无( 石t ) 亍 f ，c o s ( o j t ) ，y = t 3 m - 2 删”：季 。j 3 0 ，y ：_ 3 m - 3 e = 等( s i n 孚墙m 等) 式中，m = l ，2 ，3 ，；e 的绝对值j e l 为v 次合成磁动势幅值；聊2 2 ，即y 2 1 时为基波合成磁动势。 可见，当v = 孚时，工= o ，说明合成磁动势中不存在3 5 和3 的倍数次谐 波； 当y = 丁3 m - 1 时，无为一反向平移磁动势波； 1 9 山东大掌硕士学位论文 当y = 孚时，工为一正向平移磁动势波。 3 2 绕组因数 图3 39 槽1 0 极电机绕组 由于该直线电机呈圆筒型设计，其基波绕组节距因数七引= 1 。下面主要进行 绕组分布因数的分析。 3 2 1 基波分布因数 如图3 3 所示，电机每相绕组由6 个线圈串联而成，由于嵌放位置不同，线 圈的空间位置互不相同，从而形成分布绕组。下面计算该种电机的绕组分布因数。 电机每槽所占的电角度口：半，各线圈电动势有效值均相等 y 巨= 易= 岛= 毛= 巨= 色= 色 ( 3 1 5 ) 每相绕组的合成电动势相量历为该相6 个线圈的电动势相量之和。考虑电 流流向，作出合成电动势e 相量如图3 4 所示。 图3 4a 相绕组合成磁动势相量图 也 山东大学硕士学位论文 图中，= 詈，各线圈电动势表达式为 e 1 = 乓l 0 e 。2 = 一易么字 = 一e 么三二 !。葛e,107re3e = 一 7 i l r 4 = e 么i e 。5 ：乓么警 = e 么j e 。= 一易么警 6 = 一e 么i 根据图中所示相量的几何关系，可求得a 相绕组6 个线圈的合成电动势邑有 g = 2 g c t 呼s i n 孚 ( 3 1 7 ) 式中，6 为6 个线圈电动势的代数和，4 为a 相绕组6 个线圈电动势的 相量和，k 。为a 相绕组的基波分布因数 ”喾一o 娜2 首先，电机的圆筒型结构使得电机l ，次谐波绕组节距因数七= 1 。下面推导 三。，= g z o f , 2 v = - g q v l 警 二二 。户么了10v7re3，= 一e ，么- e 4 v - 么下2 0 v n 2 l 山东大学硕士学位论文 址么竽 e 。s 一么孚 6 ，= 一e ，么二二 式中，为有效值。 则a 相绕组的合成电动势e 秒 e y = e l y + e 2 y + e 3 r + e 4 p + e 5 y + e 6 r = c ( h 。s 孚) + 2 ( c o s 竽一s 孚 + 虿( s m 坐9 “n 堕9 卜n 堕9 】。i 。 = e v z e 其中，合成电动势模值色，为 驴2 | s i i l 等( 心c o s 字) i 趣扣等( 心c o s 孚) l 2 。， = 6 e q ，k d ， ，为绕组的y 次谐、圾分布凼毅 k = 扣等( 心c o s 孚) l 2 ， 当y = 1 时 l = 0 9 4 5 2 与前面基波分布因数推导结果一致。 综上所述，对于9 槽1 0 极结构的该种圆筒型直线永磁同步电动机，有 = 1 k 一1 1n 等( 心c o s 警) i 2 2 ， 吟驴扣等( 心c o s 警) i 其中，为y 次谐波绕组节距因数；为y 次谐波绕组分布因数；为y 次谐波绕组因数；y 包含分数次谐波，y ：= n ，刀= 1 、2 、3 、。 、 山东大学硕士学位论文 3 3 以绕组因数表示的磁动势表达式 取z ( z ，) 的幅值i e i ，并对其作如下变换 吲= 等卜孚墙i n 孚卜 i 5 掣扣等( 心伽警) 卜 2 3 ， p jiyy i ：圮5 堕l 式中，= 3 c ，n 为电机每相绕组总串联匝数；由于电机9 槽1 0 极，故 极对数p = 5 。 将式( 3 2 2 ) 中的绕组因数克耐，代入式( 3 2 3 ) ，即得电机y 次谐波磁动势表 达式如下 工( z ， ) = ( 筋) f v c o s ( g o t 一叼) ，y = 丁3 m - 2 f ，c o s ( c o t + 叨) ，y = 丁3 m - 1 ( 3 2 4 ) o ， y = 了3 m l e 睁3 5 等 式中，l e i 为y 次谐波磁动势幅值，m = l ，2 ，3 ，；m = 2 ，v = l 时为基波 磁动势。 由式( 3 2 4 ) 可见，9 槽1 0 极的该种新型结构圆筒型直线永磁同步电动机三 相合成磁动势幅值有与旋转电机类似的三相合成磁动势幅值表达式形式。 3 4 各次谐波磁动势幅值对比 根据推导的电机磁动势幅值公式( 3 2 4 ) ，对该结构电机主要谐波磁动势幅 值( 以基波为基数) 加以对比，如图3 5 所示。 可以看出，电机不存在3 5 次谐波，而1 5 、2 5 、4 5 次谐波不但具有很高 的谐波幅值，而且移动速度分别为基波的5 倍、2 5 倍和1 2 5 倍，对电机的性能 产生重要影响，如增大转子铁耗等。 3 5 本章小结 1 4 0 0 1 - 2 0 0 1 0 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 4 图3 5 基波及主要谐波磁动势幅值对比 本章采用解析法对9 槽1 0 极结构的该种潜油圆筒型直线永磁同步电动机进 行了磁动势和绕组凶数的分析和解析计算。根据定_ 了绕组分布情况，首先进行了 单相绕组磁动势分析，继而得到三相绕组合成磁动势，最后分别给出了该结构直 线电机的基波磁动势和各次谐波磁动势表达式，并比较了各次谐波磁动势的幅值 大小；i j 时摊导并给出了各次谐波绕组系数表达式。 山东大学硕士掌位论文 第四章潜油圆筒型直线永磁同步电动机参数计算 电抗是电机的重要参数。绕组电抗的大小不仅影响所设计电机的经济性，并 且对电机的运行性能亦有极密切的关系。因此，正确选定及计算该参数极其重要。 该种新型圆筒型直线永磁同步电动机的定子绕组电抗同旋转电机类似也可 分为两大类：1 ) 主电抗；2 ) 漏电抗。下面分别介绍并计算。 4 1 主电抗计算 首先推导该新型直线电机的主电抗一羽。计算时假定： 1 ) 绕组导体中电流集中在槽中心线上； 2 ) 铁磁物质磁导率盹= ； 3 ) 槽开口的影响以气隙系数计及。 在上述假定条件下，电机定子三相绕组中，通以三相对称电流所建立的气隙 基波径向磁密幅值为 岛t2 硒正石1 ( 4 1 ) 式中，易有效气隙长度； 只气隙基波磁动势幅值，见式( 3 2 4 ) 。 互：1 3 5 坠 ( 4 2 ) p 式中，l 为相电流有效值； 为电机绕组每相串联总匝数； 。为基波绕组因数。 每极基波磁通 田2 寺r 见l ( 4 3 ) 一、 式中，f 极距； 蚜圆筒型气隙计算周长。 由基波磁场产生的磁链 。= 田。 ( 4 4 ) 山东大学硕士学位论文 以式( 4 1 ) ( 4 3 ) 代入式( 4 4 ) ，得 ”鳓字( - ) 2 厶i 2 啊万 t - ( 4 5 ) 由此可得每相绕组主电抗( 单位为q ) 为 以2 哿2 讹0 9 p 5 5 ( 、n k 川) 2 毒 6 ， 式中，t o = 0 4 z x l 0 巧h m 。 可见，在频率厂、极数2 p 一定下，该种三相圆筒型直线永磁同步电动机主 电抗主要与绕组每相串联总匝数、基波绕组因数。、气隙计算周长及极距与 气隙之比有关。 6 醇 式( 4 6 ) 亦可写成 式中 x m ：4 瓦仉堑s 。k p q 。 丸= 半1 2 考 2 彤州_ 死0 0 为主磁路比磁导。 由于电机分四段设计，总体并联，故实际本潜油直线电机的主电抗为 ( 4 7 ) ( 4 8 ) 以= 万饥瓦n 2 咯丸 ( 4 9 ) 4 2 漏电抗计算 绕组漏抗包括：1 ) 槽漏抗，2 ) 谐波漏抗，3 ) 齿顶漏抗。由于电机的圆筒 形状，定子绕组不存在端部漏抗。将三部分漏抗相加即得到总漏抗值。 2 6 与式( 4 7 ) 相仿，漏抗公式可以下式表示 x 。= 4 z 瓶面n 2s 乒九 式中 ( 4 1 0 ) 山东大学硕士学位论文 皇曼曼曼鼍曼! 曼! 曼曼皇曼曼! 曼皇! ! 曼曼曼皇曼鼍t mrt。mm i 曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼! 曼! ! 曼曼曼! 曼! ! ! 曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼 其中，以为槽比漏磁导； 以为谐波比漏磁导； 丑为齿顶比漏磁导。 4 2 1 槽漏抗 ( 一) 单层绕组时单槽漏电抗 兄= 疋+ 乃+ 五 ( 4 1 1 ) 图4 1 单层绕组及其槽形尺寸 图4 1 所示为一矩形半闭口槽。设槽内有。根导体，导体中通以随时间按正 弦变化的电流，其有效值为厶。槽漏磁通可分成两部分计算：通过高度上的漏 磁通和通过庇高度上的漏磁通。前者和全部导体匝链，后者和部分导体匝链。现 分别计算这两部分漏磁链。 计算时假定： 1 ) 电流在导