井下直线电机抽油机动态模拟与温度计算.doc

【有全套 CAD 图】需完整 CAD+说明书请联系 QQ1175231241 海 量毕业设计 课程设计，承接定制、更多设计请移步： 更多设计请移步： 咨询 目录 毕业设计任务书. 开题报告. 指导教师审查意见. 评阅教师评语. 答辩会议记录. 中文摘要. 外文摘要. 1 前言.1 2 选题背景.1 2.1 研究目的和意义 .1 2.2 直线电机的国内外发展概况 .2 2.3 本文研究的主要内容 .4 3 方案论证.5 3.1 永磁直线同步电机的简介 .5 3.2 井下直线电机抽油机原理及特点 .6 3.3 井下直线电机抽油泵机组实物图 .7 4 井下直线电机抽油机载荷分析及动力学分析.8 4.1 直线电机抽油机运动规律分析 .8 4.2 直线电机抽油机载荷分析 .8 4.3 井下直线电机抽油机动力学分析 .15 5 井下直线电机抽油机效率分析.16 5.1 圆筒型永磁直线同步电机等效电路 .16 5.2 圆筒型永磁直线同步电机参数计算 .16 5.3 圆筒型永磁直线同步电机性能参数计算 .17 6 井下直线电机抽油机温度计算.19 6.1 COMSOL模型的建立 .20 6.2 无温度梯度时电机温度变化情况 .20 6.3 有温度梯度时电机温度变化情况 .23 6.4 减小电机发热的途径 .25 7 井下直线电机抽油机永磁性能分析.26 7.1 井下直线电机抽油机永磁体材料选择 .26 7.2 永磁材料主要性能参数及特点 .26 7.3 稀土永磁直线电机的特点 .28 7.4 稀土永磁在直线电机中的应用 .28 8 结果分析.29 9 总结.30 参考文献.30 致谢.32 1 前言 第 1 页（共 38 页） 井下直线电机抽油机动态模拟与温度计算井下直线电机抽油机动态模拟与温度计算 1 前言前言 本文研究的是井下直线电机抽油机的动态模拟和温度计算。当前应用最广泛的 游梁式抽油机由动力机、减速器以及四连杆机构等部分构成，以旋转电机带减速器 链条的传动方式，利用多级机械减速器将动力机的高速旋转运动转化为低速大扭矩 动力，通过四连杆机构将曲柄轴的旋转运动转换为悬绳器的往复运动1。有系统效 率低、稳定性差和管杆偏磨问题，不能满足“深抽、大排量”提液的工艺要求。井 下直线电机抽油机省去了地面上各种笨重的装置，大大简化了系统结构，减小了损 耗，提高了系统效率，节能效果好，上下冲程速度可以单独无级调整。并且能适应 恶劣工作环境，特别适合深井、稠油等油井使用，在全国各大油田得到广泛应用。 目前直线电机在国外已有成熟产品，并有很多专利，但国内虽然对长行程、大推力 的永磁直线电机展开了研究，并取得了许多学术成果，不过这些大多是一些基础研 究，离实用商品阶段还有很长的路要走。 2 选题背景选题背景 2.1 研究目的和意义研究目的和意义 我国油田大多数进入中后期开发阶段，随着原油含水率的不断上升，油层压力 和油井动液面的逐渐下降，为了保持原油稳产，必须增加采液量，采油成本也相应 提高。要求采油设备不仅能满足“深抽、大排量”提液的工艺要求，而且能耗低、 可靠性高，即需要选用高效节能的抽油机2。我国常用的机械采油系统有杆式泵系 统、潜油电泵系统、水力活塞泵系统、螺杆泵系统及气举系统等。其中有 90%以上 的油田采用有杆抽油方式，抽油机是有杆抽油系统最主要的设备之一，当前应用最 广泛的是游梁式抽油机。其由动力机、减速器以及四连杆机构等部分构成，以旋转 电机带减速器链条的传动方式，利用多级机械减速器将动力机的高速旋转运动转化 为低速大扭矩动力，通过四连杆机构将曲柄轴的旋转运动转换为悬绳器的往复运动。 抽油杆柱通过胶带(钢绳)组卡在悬绳器上，作上下往复直线运动，带动抽油泵柱塞 井下直线电机抽油机动态模拟与温度计算 第 2 页（共 38 页） (或活塞)在泵筒内作上下往复直线运动，从而将油井内的石油举升到地面3。 游梁式抽油机需要减速器、四连杆结构等中间环节来实现高速旋转运动到低速 直线运动的转换，驴头悬点运动加速度大、平均效率差。同时，较多的中间环节导 致整个系统效率低、稳定性差。实测结果表明，我国在用的抽油系统的总效率只有 16%23%，造成了巨大的能源浪费。此外，游梁式抽油机大且笨重，尤其是在要求 长冲程的场合，使用材料多，造价高。直线电机抽油机取消了齿轮、链条、齿条丝 杠和蜗轮蜗杆等传动系统4，从根本上消除了传统机械转换机构的传动链长、体积 大、效率低、精度差等缺陷。通过变频和控制后，利用直线电机的直线往复运动带 动抽油杆上下运动，从而达到举升油井内液体的目的，不但简化了机械传动过程， 也有效地提高了效率，经测试节能可达 54%，而且加大冲程时整机外形尺寸和重量 都增加得很少，特别是抽汲参数可无级调整，为实现自动控制及满足采油工艺要求 提供了条件5，是一种很有发展前途的新型抽油机。为此，本文选择它进行研究。 电机是一种能量转换机构，由于各种原因，在机电能量转化过程中，效率必然 不能达到百分之百，因此电机必然存在损耗，而这些损耗也就是电机热源。电机内 部是由绕组和铁芯组成的，铁芯由于磁滞涡流效应，在交变磁场中将产生铁损耗； 电机绕组有电阻，当绕组通电流时，也将产生损耗即铜损耗；除此之外，电机还有 机械损耗和其他损耗。电机的铜损耗、铁损耗、机械损耗及其他损耗最终都以发热 的形式表现出来，产生热量，使电机温度升高。 电机温升是衡量电机性能的重要指标之一，它关系到电机的使用寿命及运行可 靠性，是电机设计中必须要考虑的一个重要问题。随着现代电机制造业的发展，电 机容量也不断增大，电机运行时的单位体积损耗也随之增加，引起电机各部分温度 升高，因此研究电机温度场对提高电机使用寿命和可靠性是十分必要的。 2.2 直线电机的国内外发展概况直线电机的国内外发展概况 直线电机的雏形在旋转电机出现不久便已显现。英国人惠斯勒在 1840 年发明世 界上的第一台直线电机,但是由于当时的技术不够成熟,这台直线电机的气隙过大,致 使电机效率很低而未获成功,但却拉开了直线电机发的展序幕。 直线电机是一种将电能直接转变成直线运动机械能，它的发展经历了漫长的历 史，大概分为探索试验、开发应用和实用商品化三个时期6。1945 年，美国 2 选题背景 第 3 页（共 38 页） Westinghouse 电气公司成功研制了“Electrupult”电力牵引飞机弹射器，它以 7400kW 的直线电机为动力，成功的用 4.1s 时间将一架重 4500kg 的喷气式飞机在 102m 行程内有静止加速到 185km/h 的速度，之后，直线电机的优点得到了普遍重 视，继而出现了许多成果。近年来，直线电机更是进入了实用商品阶段，各种直线 电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实用价值的装置和产品，如磁悬浮 列车、液态金属的输送和搅拌装置、高速电梯等，随着直线电机的迅速发展，国外 许多学者和企业都投身于直线电机产品的研究和开发中，如美国的科尔摩根，德国 西门子，日本安川等，它们生产了许多高质量，性能优越的产品，推动了直线电机 的发展。 直线电机按机种可分为直线直流电机、感应式直线电机、永磁直线电机等。随 着永磁体成本的下降，永磁直线电机才开始得到推广，同时由于永磁直线电机具有 推力强度高、损耗低、时间常数小、响应快、控制比较容易等特点，使其在直线电 机市场得到了更多的青睐，国际上许多著名企业也都开始生产各种不同种类和型号 的永磁直线电机。 我国是从 19 世纪 70 年代开始直线电机的研究和应用。1972 年，直线电机领域 的先行者及带头人浙江大学的叶云岳教授翻译了直线感应电动机译文集，这是 在国内惟一见到的有关直线电机的中文出版书籍。直线电机研究机构的杰出代表有 浙江大学、中科院电工所、华中科技大学等高等院校及研究所的科研人员,他们都取 得了较好的成果。例如沈阳工业大学与北京机床研究所高维公司联合研制了 GW745L 型精密数控直线电机直接驱动电火花加工机床，最大推力为 1000N，工作 加速度为 1.5g；广东工业大学开发的 GD-3 型直线电机高速数控进给单元,额定推力 为 2000N，最高进给速度 100m/min。 2008 年，曹卉的新型潜油式直线抽油机电机的设计及分析一文对各种直线 电机的性能进行比较，得出永磁直线同步电机具有推力大、损耗低、响应速度快等 特点，能提供很高的响应速度和加速度、极高的刚度、高的定位精度、平滑的运动 的结论；根据设计要求来设计电机，进行磁路计算、参数计算，再通过性能计算来 验证和修整设计的结果，最终得出符合要求的电机；用 Ansys 软件对电机进行电磁 分析，通过建模、剖分、加载电流以及边界条件，最终计算出电磁力，和计算结果 基本相符。并得到了磁场分布图、磁密分布图、电密分布以及节点电磁力的数据7。 井下直线电机抽油机动态模拟与温度计算 第 4 页（共 38 页） 2010 年张锋在“潜油圆筒形直线永磁电机工程样机及其控制系统研究”硕士学 位论文，介绍了设计制造小型样机的目的,说明了样机的结构、性能等指标要求,并通 过对样机进行空载和负载试验表明了圆筒形直线永磁同步电机具有很高的驱动力； 在小型样机的成功基础上,采用瞬态电磁场有限元法进行实际工程样机设计；设计了 潜油圆筒型直线永磁同步电机的控制系统；介绍了横向磁通圆筒形直线永磁电机,通 过与(径向磁通)圆筒形直线永磁电机在定、动子结构上的对比,体现出横向磁通圆筒 型直线永磁电机的优势,表明它在潜油直驱抽油中具有重要应用潜力和研究价值8。 2010 年邱家友,周晓红,刘焕梅在安塞油田直线电机无杆采油工艺试验效果分 析中无杆采油工艺试验效果进行了分析，其实验条件为井下介质温度,承受 井下环境压力30 MPa,井深2 500 m,产液量 0.515 m3/d,油液中含油量10%,原油 粘度10 mPas。实验结果应用直线电机无杆采油技术后,油井液量、油量、动液面 能基本保持稳定,平均泵效提高了 24%,平均日耗电下降 12 kWh，证明了井下直线 电机抽油机很节能9。 2011 年陈卫宝，范承志，叶云岳在圆筒永磁直线电机齿槽力综合优化一文 中对电机的结构和推力波动进行了分析，提出了基于解析法的齿槽力削弱方法，对 进一步研究直线电机推力波动很有意义10。 2011 年赵明强，檀朝东等人在直线电机抽油机运动规律及载荷分析研究一 文中分析了井上直线电机抽油机的载荷，但对井下直线电机抽油机载荷分析很有帮 助。本文用示功图说明直线电机抽油机的性能优势11。 2011 年 8 月华北大卡热能源技术开发有限公司研制了直线电机抽油机在华北油 田投入现场试验。这是国内外第一台应用于工业试验的直线电机抽油机。 2012 年中国石油勘探开发研究院朱拾东，张建军，师俊峰等人在往复潜油电 泵控制系统研究一文中针对往复潜油电泵存在动子受力的复杂性及要求其运动稳 定性的矛盾，结合模糊控制技术与 PID 控制方法，设计了模糊 PID 控制器对直线电 机进行控制，对直线电机抽油机稳定性控制提出了新方法12。 2.3 本文研究的主要内容本文研究的主要内容 1.井下直线电机抽油机发展概述 3 方案论证 第 5 页（共 38 页） 2.井下直线电机抽油机载荷分析 3.井下直线电机抽油机动力学分析 4.井下直线电机抽油机效率分析 5.井下直线电机抽油机温度计算 6.井下直线电机抽油机永磁性能分析 重点是推导出直线电机抽油机动力学方程，然后进行效率计算和温度计算。首 先对抽油机所受的的载荷进行分析：其中包括静载荷和动载荷。静载荷包括液柱静 压，套压等。动载荷包括惯性载荷、振动载荷、摩擦载荷等。其中惯性载荷受加速 度影响，振动载荷与摩擦载荷受速度影响。根据动子上的载荷与抽油机所受的的载 荷运用牛顿第二定律进行动力学分析。通过动力学方程计算出电机所需的电流与电 压，然后进行直线电机抽油机效率计算和温度计算。 本次设计的另一个重难点是在效率计算之后，运用 comsol 对井下直线电机抽油 机温度变化情况进行模拟。通过比较有无温度梯度时电机的温升，结合永磁材料钕 铁硼的特性，可以得出永磁体失效的大约时间，为估计井下直线电机抽油机的寿命 提供依据。 3 方案论证方案论证 3.1 永磁直线同步电机的简介永磁直线同步电机的简介 直线电动机可以看作是旋转电机沿着径向剖开，并将圆周展开成直线而得到。 如图（1）所示： 图图 1 从旋从旋转电转电机到直机到直线电线电机的演化机的演化 永磁直线同步电机在结构上与旋转电机类似，在原理上也是类似的13。在直线电机 的定子的三相绕组中通入三相电流后，会产生气隙磁场，当三相电流随时间变化时， 井下直线电机抽油机动态模拟与温度计算 第 6 页（共 38 页） 气隙磁场将按 A，B，C 相序沿直线运动。该气隙磁场沿直线平移，故称行波磁场。 永磁直线电机工作原理如图（2）所示： 图图 2 永磁直永磁直线电线电机工作原理机工作原理 3.2 井下直线电机抽油机原理及特点井下直线电机抽油机原理及特点 井下直线电机抽油机省去了地面上各种笨重的装置，大大简化了系统结构，减 小了损耗，提高了系统效率，节能效果好，上下冲程速度可以单独无级调整，并且 能适应恶劣工作环境，特别适合深井、稠油等油井使用，为新型节能抽油机的制造 开辟了一条新的道路，是一种值得研究与开发的的新型抽油机14。 井下直线电机抽油机系统有如下特点： 1适用于长冲程。直线电机采油装置由于不使用四连杆机构，克服了游梁式抽 油机加大冲程时减速箱扭矩增加的缺点，因此，较容易实现长冲程。 2动载小，运行平稳。此系统在每个冲程中 90%时间都是匀速运动，不像游 梁式抽油机运动速度有极大值，所以在平均速度相等的情况下，匀速运动抽油机的 运动速度最大值要小的多，因此加速度也小的多。 3.可自动控制，实现抽油系统智能化。虽然该系统采用变频技术，但因没有复 杂的设备，总成本不会比常规抽油系统高。冲程采用无触点限位控制器，实现抽汲 参数无级可调，为就地自动控制提供条件。另外，可自动控制抽空，随时监测示功 图充满程度，当充满程度低于设定数值时，则自动降低冲次，确保泵的充满程度， 3 方案论证 第 7 页（共 38 页） 减轻设备的磨损和进一步节能。 4.避免其它有杆抽油系统软连接寿命短的问题。 5.适应范围广，操作维修方便，安全保护功能齐全15。 潜油直线电机抽油泵把直线电机与柱塞式抽油泵结合为一体，系统通电后,圆筒 形直线电机动子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,驱动柱塞 泵,达到举升抽油的目的。动子向上运动时，柱塞作上冲程运动,柱塞内的固定阀打开,游 动阀关闭,柱塞将油管中的原油举升至井口；动子向下运动时，柱塞作下冲程运动， 固定阀关闭，游动阀打开，柱塞将原油注入柱塞以上，原油流入油管如此循环往复， 将原油举升至地面。该抽油机具有全新的工作原理和在控制方面采用多项高新技术， 使得直线电机抽油机具有更加完善的运动性能、动力性能和平衡性能。 3.3 井下直线电机抽油泵机组实物图井下直线电机抽油泵机组实物图 图图 3 直直线电线电机抽油机机抽油机组组主体主体图图 直线电机抽油机组主体由三部分组成，潜油同步直线电机、管式柱塞泵、碟形 弹簧储能系统。其中潜油同步直线电机为原动机，工作时作轴向直线运动，通过潜 油电缆供电，由地面控制系统控制。管式柱塞泵为工作部分，由电机直接驱动柱塞 运动以抽取井液，通过电机动子与弹簧导杆内流道进入油管。弹簧储能系统利用碟 形弹簧的压缩，将电机空行程时的动能转化为弹性势能，以供系统工作行程时使用。 抽油泵部分柱塞直径 20mm，抽油泵柱塞与直线电机动子下端之间连接采用管 螺纹。抽油泵与油管之间的连接采用接箍。直线电机动子磁体采用轴向充磁结构， 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。定子三相绕组采用 71 级 214 槽结构，定子铁芯由硅钢叠片组成。外部 井下直线电机抽油机动态模拟与温度计算 第 8 页（共 38 页） 由刚性外壳保护，同时也作固定件，两端安装波纹管固定架，用于密封。直线电机 段直径为 110mm。在直线电机上部安装一节碟形弹簧用来平衡直线电机上下冲程的 载荷并平衡部分载荷。 4 井下直线电机抽油机载荷分析及动力学分析井下直线电机抽油机载荷分析及动力学分析 4.1 直线电机抽油机运动规律分析直线电机抽油机运动规律分析 直线电机抽油机的电机动子带动柱塞泵柱塞做以下几种运动：匀加速上行，匀 速提升，匀减速上行，停滞换向，匀速换向，匀加速下行，匀速下行，匀减速下行， 停滞换向。 4.2 直线电机抽油机载荷分析直线电机抽油机载荷分析 抽油机所受的的载荷包括静载荷和动载荷。静载荷包括液柱静压，套压等。动 载荷包括惯性载荷、振动载荷、摩擦载荷等。其中惯性载荷受加速度影响，振动载 荷与摩擦载荷受速度影响。根据动子上的载荷与抽油机所受的的载荷运用牛顿第二 定律进行动力学分析。 直线电机动子在运动过程中受到电磁推力，液柱压力，抽油泵柱塞及动子与其 相关联接件的重力，碟形弹簧的弹力等作用。另外运动过程中必然存在动载荷如震 动载荷摩擦载荷等。本文研究的直线电机抽油机目标地层垂深 1500m，柱塞泵柱塞 直径为 20mm，故相应的液柱压力由可知为 3740.7N。加上抽油泵柱塞及 p FghS 动子与其相关联接件的重力和震动载荷摩擦载荷等一起本文按 4000N 计算。 4.2.1 直线电机抽油机电磁推力分析直线电机抽油机电磁推力分析16 作用在电枢上的推力是由绕组电流和永磁体磁场之间的相互作用产生的17，由 洛仑兹力得： （1） () W V FJ B dV 式中：J 为绕组 V 的电流密度。 假设每个电枢绕组包括许多线圈，它们所占的范围为， 1i2s rRrR， 和内。如图 1 所示，为直线电机磁体外径，为电枢 1 / 2 w zz 2 / 2 w zz m R i R 内径，为电枢外径，w 为线圈轴向宽度，施加在线圈上的总推力可通过下式积 s R 4 井下直线电机抽油机载荷分析及动力学分析 第 9 页（共 38 页） 分得到： （2） /2 r /2 2( , ) ws wi zR W zR FrJB r z drdz 将气隙中径向磁密分布计算公式 18代入可得： r0pmm13 n 1 ( , )=(bm/)( )sin()B r zHFrmz （3） w 1 sin n n FFmz 其中：b 为磁体轴向长度的一半；为工作点磁密; pm0 ()/() rpmr HBB pm B ； 10000 ()(m)()(m) Smms ImRKRImRKR 30110 ( )()(mr)()(m) Ss rImRKI mr KR ，；为回复磁导率；为永磁材料的剩磁感应强度。(21)/ p mn 1,2,n 0r r B 图图 4 三相三相轴轴向充磁向充磁圆圆筒永磁直筒永磁直线线同步同步电电机机绕组绕组分布分布 对于轴向充磁电机的拓扑结构， （4） s s 0pm13 dn0pm13 4 sin(/ 2)(/)( ) 2(/)( ) i i R nm R R m R FmHbFJrr dr KmHbFJrr dr 其中：定义为)次谐波绕组分布系数。sin(/ 2)/(/ 2) dn Kmm (2n-1) 相距的两个绕组所受的推力 p 井下直线电机抽油机动态模拟与温度计算 第 10 页（共 38 页） 111 sinsin()2cos(/ 2)sin(/ 2) cnnpnpp nnn FFmzFm zFm zm （5） 假设载流电流为为每相串联匝数，则 wp , i N （6） wp () wSi N iRR J 施加在若干串联线圈的相绕组总的力 （7） wpn 1 cos(/ 2) Twp n FKm zJ 或 （8） wpn 1 cos(/ 2) Twp n FKm zi 其中：、定义为次谐波转矩常数， nT K nT K(2n-1) （9） s 013 4(/)( ) i R Tndpnpmm R KpKmHbFrr dr 或 （10） s n0wps13 2/ ( ) i R Tdpnpmmi R KKmHbF NRRrr dr 其中：)是次谐波绕组系数；为绕组节距系 = dpnpndn KK K (2n-1) sin(/ 2) pnwp Km 数。 假设绕组为整距，即，三相绕组相隔 23 极距分布，每极每相一个线 wpp 圈，每个线圈占 13 极距，每相绕组电流密度为 （11） m 2sin; A JJt （12） m 2sin(2/3); B JJt （13） m 2sin(2/3); C JJt 4 井下直线电机抽油机载荷分析及动力学分析 第 11 页（共 38 页） 其中：为电流密度的有效值；为电流角频率。由于电枢与电流角频率同向移动， m J 即，总推力为/ p z mn 1 2cos(/ 2)sin() ABCTp n FFFFJKm zt （14）cos(7/6)sin(2/3)cos(/6)sin(2/3) pp ztm zt 对有槽电枢 TPMLSM 不同拓扑结构的次谐波推力可通过等效电枢半径(2n-1) 和有效气隙 19来计算，其中 为磁体厚度。 miee RRg(1)(/) ecmr ggKgh m h 有槽轴向充磁 TPMLSM 推力常数为 （15） s n0wps13 2/ ( ) ie R Tdpnpmmie R KKmHbF NRRrr dr 4.2.2 碟形弹簧弹力分析碟形弹簧弹力分析 碟形弹簧是承受轴向载荷的碟状弹簧，分为无支承面和有支撑面两种形式。可 以单个使用，也可以对合组合或叠合组合、复合组合成碟簧组使用20。承受静负荷 或变负荷。单个碟形弹簧和对合组合碟簧如图（5）所示： 图图 5 单单个碟形个碟形弹弹簧簧图图 井下直线电机抽油机动态模拟与温度计算 第 12 页（共 38 页） 图图 6 对对合合组组合碟簧合碟簧图图 图图 7 单单个碟形个碟形弹弹簧特性曲簧特性曲线图线图 4 井下直线电机抽油机载荷分析及动力学分析 第 13 页（共 38 页） 碟簧尺寸、参数的名称、代号21及单位见表（1）： 表表 1 1 碟簧参数列表碟簧参数列表 参数名称代号单位 外径D 内径d 中径 0 D 厚度t 减薄碟簧厚度 t 单个碟簧的自由高度 0 H 组合碟簧的自由高度 z H mm 无支撑面碟簧压平时变形量的计算值 00 hHt 0 h 有支撑面碟簧压平时变形量的计算值 00 hHt 0 h 支撑面宽度b 组合碟簧压平时的计算高度 c H mm 单个碟簧的负荷P 压平时碟簧的负荷值 c P N 单个碟簧的变形量fmm 对合组合碟簧中单个碟簧片数或叠合碟簧组数i 叠合碟簧组中单个碟簧片数n 碟簧变形能UN/mm 直径比/CD dC 重量Qkg 碟形弹簧产品可分三类，见表（2）： 表表 2 2 碟簧分类碟簧分类 类别碟簧厚度 t，mm支撑面和减薄厚度 1小于 1.25无 21.25 至 6.0无 3大于 6.0 至 14.0有 单个碟簧的计算公式： 下列公式适应有支撑面和面的碟簧 井下直线电机抽油机动态模拟与温度计算 第 14 页（共 38 页） 为使有支撑面的计算负荷 P（在 f=0.75时） ，与相同尺寸（D,d,H）的无支撑 0 h 面碟簧的计算负荷相等，应将有支撑面的碟簧的厚度减薄，碟簧的厚度减薄按表 （3）计算： 表表 3 3 碟簧厚度减薄参数碟簧厚度减薄参数 系列ABC /tt 0.940.940.96 碟簧负荷 （16） 4 22 00 44 22 1 4 1 12 hhEtfff PKK KDttttt （17） 0 2 2 0 ()4 22 1 4 1 cfh t hE PPK KD 其中计算系数： （18） 2 1 1 1 12 1 C C K C CinC （19） 2 1 1 6 C inC K inC （20） 3 31C K inC （21） 11 42 22 CC KC 其中 （22） 2 1 00 1353 4488 t t C HHtt tttt （23） 2 01 22 5 (1)1 32 HC C t t t 无支撑面碟簧=1 4 K 对有支撑面碟簧，按（21）式计算，并在公式（16）,（17）中以 代替 t， 4 K t 4 井下直线电机抽油机载荷分析及动力学分析 第 15 页（共 38 页） 以代替。 0 h 0 h 对合组合碟簧由 i 个相向同规格的一组碟簧组成，如图(5)所示，在不记摩擦力 时 （24） z PP （25） z fif （26） z HiH 根据碟形弹簧特性曲线，要使弹簧放松时弹力输出较为平缓，可对弹簧组进行预压 缩。估算弹簧承受静载荷为，同时其变形量要求为 1m，由： 2 3000FN 63 2.03 31 D C d 从机械设计手册查得，碟簧无支承面时。 1 0.700K 4 1K 2 2 0 4 22 1 4 1 t hE PcK K D （27） 式中 弹性模量，弹簧钢取； E 5 2.06 10EMPa 泊松比，弹簧钢取。 0.3 代入数据得。 4486PcN 由弹簧工作载荷 3000N，预压缩载荷 2000N，根据，查图（7） 0 2.36 1.31 1.8 h t 并由上述公式可知在抽油机行程为 1m 时，所选蝶形弹簧载荷按图中 c 系列曲线 1.3 变化，可满足设计要求。 4.3 井下直线电机抽油机动力学分析井下直线电机抽油机动力学分析 在直线电机上行阶段，直线电机动子受主动力电磁推力 Fe 和弹簧弹力 Ft，阻力 液柱压力，重力等22设为 Fw。下行程阶段，液柱压力不起作用。则由牛顿第二定 律可得： （28） etw MxFFF 其中，M 为质量；x 为运动加速度。 井下直线电机抽油机动态模拟与温度计算 第 16 页（共 38 页） 5 井下直线电机抽油机效率分析井下直线电机抽油机效率分析 5.1 圆筒型永磁直线同步电机等效电路圆筒型永磁直线同步电机等效电路 永磁直线同步电动机可以用一等效电路23表示，等效电路中各元件参数就是主 要的电磁参数，通过等效电路，还可以计算分析电机的稳态性能。圆筒形永磁直线 同步电动机的相等效电路如图（8）所示。 图图 8 圆圆筒型永磁直筒型永磁直线线同步同步电动电动机的等效机的等效电电路路 按照电动机惯例规定各量的正方向，等效电路的电压平衡方程式为 （29） . 01111 sls UEI rj I Xj I X 式中： 电枢绕组的相电压；励磁电势；电枢电流； . 1U . 0E . 1I 电枢反应电抗；电枢漏电抗。 l X s X 5.2 圆筒型永磁直线同步电机参数计算圆筒型永磁直线同步电机参数计算 5.2.1 励磁电势励磁电势 励磁电势，它由永磁体励磁磁场在电枢绕组中产生，其值正比于作用于绕组 . 0E 的励磁磁密，其有效值为 0 E （30） 01(2 ) 2 = 2 dpavp y av ElB （N K ） 式中： 永磁体的平均周长，是气隙内径； 1 () avm ldh 1 d 永磁体励磁磁势在槽区绕组高度范围内产生的平均磁密 ( 3 )p y av B 5 井下直线电机抽油机效率分析 第 17 页（共 38 页） （31） ( 3 )2 0 1 ( , ) w h y p avp y w BBx y dy h 5.2.2 电枢绕组每相电阻电枢绕组每相电阻 同旋转电机电枢绕组计算类似，永磁直线同步电机电枢绕组每相电阻计算式为： （32） 1 2 av s l N r s 式中：导体电阻率；每根导线截面积；每相串联匝数； 1 s N 线圈平均匝长 av l 5.2.3 电枢反应电抗电枢反应电抗 电枢电流与电枢磁势同相位，当忽略相对很小的电枢铁耗时，在电枢磁势作用 下产生的电枢相绕组基波磁通与电枢磁势（电流）同相位。因而基波磁通在每相电 枢绕组中产生的电势 将滞后电枢电流电角度。在磁路不饱和的情况下， . sE o 90 大小上与成正比关系，可用一个电抗电路模拟，假定纯电感元件的电抗值为 . sE . sI ，则，则 s X s X （33） . ss s Ej I X 在物理意义上就是电枢反应磁通产生的电势，即电枢反应电势。令电枢反应 . sE 磁通为，则 s （34） 1 2 1 ( , ) r sava y r h m lBx y dy h （35） s1 () 2 dps ENK 所以 （36） 1 s 1 11 2 ( , ) r dpavs sa y r h m NKl E XBx y dy Ih I 5.3 圆筒型永磁直线同步电机性能参数计算圆筒型永磁直线同步电机性能参数计算 根据圆筒型永磁直线同步电机的等效电路图（8） ，可画出电机的向量图，从运 井下直线电机抽油机动态模拟与温度计算 第 18 页（共 38 页） 行角度考虑，可以根据向量图确定任一运行状态的电枢电流、功率、推力、效率、 功率因数。选为参考向量，依电动机惯例，圆筒型永磁直线同步电机的向量图如 . 0E 图所示。 图图 9 圆圆筒型永磁直筒型永磁直线线同步同步电电机向量机向量图图 由向量图可知 （37） . 011 1 . 01 (cossin ) () sls sc UUjEI rjXjX EI rjX 则 （38） . 101 1 101110 2 (cos)sin 1 (cos)sin sin(cos) j sc scsc PQ UEjU I rjX UE rX Uj rUUEX Z II 式中：等效电路电抗，；同步电抗，； T X scl XXXZ 22 sc ZrX 负载角（功角） ，；电枢电流的有功分量；电枢电流无功分 P I Q I 量。 （39） 101 2 1 (cos)sin Psc IUE rX U Z 6 井下直线电机抽油机温度计算 第 19 页（共 38 页） （40） 110 2 1 sin(cos) Qsc IrUUEX Z 电磁功率的表达式为： （41） 2 00101 2 cossin mPsc m pmE IE UErX U Z 无功功率的表达式为： （42） 2 001010 2 sin(cos) Qsc m QmE Ir E UE UEX Z 圆筒型永磁直线同步电机的电磁推力为： （43） 0m 101 2 sin+cos stcss ss mEP FX UE rrU Z 据文献知，最大电磁推力对应的负载角为： （44）0 st dF d 将式 2-53 代入 2-54 可得： （45）arctan c s X r 功率因数可由下式求得： （46） 2 m1 1 1 cos s PmI r I mU 效率的表达式为： （47） m 1 1cos P mU I 式中为电机同步线速度，本文直线电机抽油机冲次为 2030 次每分钟，故设 s V 定平均速度为 1m/s。再结合 m=3，=220V，经计算平均值为 1500N，将数据 1 U st F 代入上式得=84.2%。 6 井下直线电机抽油机温度计算井下直线电机抽油机温度计算 传热是由温差而引起的能量的转移。热量传递有三种基本方式:导热、对流和热 辐射.在一种介质内部或两种介质之间，只要存在温差，就必然出现传热过程。不同 类型的传热过程被称之为传热方式。当在静止的固态或液态介质中存在着温度梯度 井下直线电机抽油机动态模拟与温度计算 第 20 页（共 38 页） 时,将在这种介质中发生的传热过程称为热传导。与此相反,对流则是指处于不同温度 的表面和运动流休之间发生的传热过程。第三种传热方式是热辐射,具有一定温度的 所有物体表面都以电磁波形式辐射能量,因此,当不存在中间介质干扰时,处于不同温 度的两个表面之间进行净辐射热交换。本文研究的是直线电机抽油机发热引起的周 围温度场的变化，主要属于热传导24。 6.1 comsol 模型的建立模型的建立 考虑到直线电机抽油机在井下工作，周围的环境都是多孔介质。建立二维轴对 称模型，用一个大圆柱代表井筒周围环境，设边界条件为无限边界；用一个小圆柱 体代替直线电机抽油机，热源大小根据电机平均效率计算出来为 474w。模拟的重点 是计算电机中点的温度变化情况。 6.2 无温度梯度时电机温度变化情况无温度梯度时电机温度变化情况 6.2.1 周围环境初始温度周围环境初始温度 50（下泵（下泵 1500m）时电机温度变化情况）时电机温度变化情况 设定模型上下边界温度恒定为 50 摄氏度，利用 comsol 模拟得到电机附近 54000s 等温线如图（10）所示，电机中点温度变化情况如图（11）所示，电机电机 中点一个月温度变化情况如图（12）所示。电机中点两年温度变化情况如图（13） （14）所示。 6 井下直线电机抽油机温度计算 第 21 页（共 38 页） 图图 10 初始初始 50时电时电机附近机附近 54000s 等温等温线线 图图 11 初始初始 50时电时电机机电电机中点温度机中点温度变变化情况化情况 井下直线电机抽油机动态模拟与温度计算 第 22 页（共 38 页） 图图 12 初始初始 50时电时电机机电电机中点一个月温度机中点一个月温度变变化情况化情况 图图 13 初始初始 50时电时电机机电电机中点两年后温度机中点两年后温度变变化情况化情况 6 井下直线电机抽油机温度计算 第 23 页（共 38 页） 图图 14 初始初始 50时电时电机机电电机中点两年温度机中点两年温度变变化曲化曲线线 图（10）结果表明，电机中点在 54000 秒（约 15 小时）时，局部已经有温度达 到 100 摄氏度以上。图（11）表明中点温度达到 100 摄氏度以上所花费的时间约为 154800 秒（43 小时） 。而图（12） 、 （13） 、 （14）则表明电机在最初的一段时间温度 上升非常快，之后上升速度会减慢，最终温度在 160 摄氏度附近。 6.2.2 周围环境初始温度周围环境初始温度 70（下泵（下泵 1500m）时电机温度变化情况）时电机温度变化情况 设定模型上下边界温度恒定为 70 摄氏度，利用 comsol 模拟得到电机附近 23400s 等温线如图（15）所示，电机中点温度的变化情况如图（16）所示，电机电 机中点一个月温度变化情况如图（17）所示。电机中点两年温度变化情况如图（18） （19）所示。 井下直线电机抽油机动态模拟与温度计算 第 24 页（共 38 页） 图图 15 初始初始 70时电时电机附近机附近 23400s 等温等温线线 图图 16 初始初始 70时电时电机机电电机中点温度机中点温度变变化情况化情况 6 井下直线电机抽油机温度计算 第 25 页（共 38 页） 图图 17 初始初始 70时电时电机机电电机中点一个月温度机中点一个月温度变变化情况化情况 图图 18 初始初始 70时电时电机机电电机中点两年后温度机中点两年后温度变变化情况化情况 井下直线电机抽油机动态模拟与温度计算 第 26 页（共 38 页） 图图 19 初始初始 70时电时电机机电电机中点两年后温度机中点两年后温度变变化情况化情况 图（15）结果表明，电机中点在 23400 秒（约 6.5 小时）时，局部已经有温度 达到 100 摄氏度以上。图（16）表明中点温度达到 100 摄氏度以上所花费的时间约 为 63000 秒（17.5 小时） 。而图（17） 、 （18） 、 （19）则表明电机在最初的一段时间温 度上升非常快，之后上升速度会减慢，最终温度在 180 摄氏度附近。 6.3 有温度梯度时电机温度变化情况有温度梯度时电机温度变化情况 设定模型上边界温度为 20 摄氏度，温度梯度为 0.02/m，利用 comsol 模拟得 到电机附近 55800s 等温线如图（20）所示，电机中点温度变化情况如图（21）所示， 电机电机中点一个月温度变化情况如图（22）所示。电机中点两年温度变化情况如 图（23） （24）所示。 6 井下直线电机抽油机温度计算 第 27 页（共 38 页） 图图 20 有温度梯度有温度梯度电电机附近机附近 55800s 等温等温线线 图图 21 有温度梯度有温度梯度电电机机电电机中点温度机中点温度变变化情况化情况 井下直线电机抽油机动态模拟与温度计算 第 28 页（共 38 页） 图图 22 有温度梯度有温度梯度电电机机电电机中点一个月温度机中点一个月温度变变化情况化情况 图图 23 有温度梯度有温度梯度电电机机电电机中点两年温度机中点两年温度变变化情况化情况 6 井下直线电机抽油机温度计算 第 29 页（共 38 页） 图图 24 有温度梯度有温度梯度电电机机电电机中点两年温度机中点两年温度变变化曲化曲线线 上述结果表明，电机中点在 55800 秒（约 15.5 小时）时，局部已经有温度达到 100 摄氏度以上。然而中点温度达到 100 摄氏度以上所需时间约为 154800 秒（43 小 时） 。而图（22） 、 （23） 、 （24）则表明电机在最初的一段时间温度上升非常快，之后 上升速度会减慢，最终温度在 160 摄氏度附近。 6.4 减小电机发热的途径减小电机发热的途径 损耗是电机产生热量的根源，为减小电机发热，就要减小铜损耗和铁损耗。可 以采用减小电阻或电流的办法，这就要求在设计电机时考虑所用材料的导电能力， 对于绕组应选用导电能力强的材料。对于永磁直线同步电机来说，由于电机气隙比 旋转电机大，故所需的磁化电流也较大，如电机是工作在短时运行或断续运行工作 制下，则电机的热负荷在设计时应选取的尽可能高一些，并根据电机暂载率的不同 来调节热负荷25。 然而，电机温升除与电机损耗有关外，还与电机各部件的散热能力有关，如材 料的热容量和各部件的散热系数，在电机产生损耗不变的前提下，如果能使得电机 散热效果更好，则电