（电工理论与新技术专业论文）新型抽油机用复合式永磁电机及其驱动系统与检测系统的研究.pdf

a b s t r a c t n o w 加s ，a st h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fc h i n e s ee c o n o m y , e n e 唧b e c o m e s m o r ea i l di n o r ei m p o r t a mf o rt h en a t i o n a le c o n o m y , s u c h a so i l a si sh 1 0 w 玛让1 e q 啪t i 够o fd o m e s t i co i lp u m p i n ge q u i p m e n t i sv e r yl a r g e ，b u tm o s to ft h e m 盯et h e 们d i t i o n a lm a c k n e r yw i t hl o we f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，t h e r e i sa l lu r g e n tn e e dt o v i g o r o u s l yd e v e l o pe n e r g y s a v i n gt e c h n o l o g i e sf o rp u m p m g 岫t s t h ep r o j e c td e v e l o p e da l le n e r g y - e f f i c i e n tc o m p o s i t ep e r m a n e n tm a 鲫e tm o t o r ， w h i c hc a l ld i r e c t d r i v et h eo i lp u m p sa tl o ws p e e da n dh i g ht o r q u e u s m g t h i s d i r e c t 缸v ep 唧p i n gu n i t 栅c 眦，t h en o v e lp u m p i n g u n i t se l 删t h e m u l t i 1 e v e li n t e 咖e d i a t et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m ，a n di m p r o v e d t h ee f f i c i e n c yo ft h e 0 v e r a l ls y s t e m t h e r ei s a l li m p o r t a n ta n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t op o p u l 锄z et t l e e n e r g y e f f i c i e n tp u m p i n g u n i t s a sa p a n o f t h ep r o j e c t ，t h er e s e a r c ht a s k so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： s t u d i e dt h e 姗t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fc o m p o s i t ep e r m a n e n tm a g n e tm o t o r ； a r l dm e np r o p o s e da ni n t e g r a t e dm e t h o dt o r e d u c et h ec o g g i n gt o r q u eo ft h e s em o t o r s b yac o m b i n a t i o no ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d3 d f i n i t ee l e m e n ts l m u l a t l o n c o m p 删t h ec o n t r 0 1 p e r f o r m a n c e o ft h ev a r i o u sd r i v i n g m e m o d sf o r p e r m a n e n tm a g n e tm o t o r sb ym a t l a bs i m u l a t i o n a c h i e v e ds p e e d - s e n s o r l e s sc o m r o l f o rt l l ec o m p o s i t ep e r m a n e n tm a g n e tm o t o r s d e s i g na d s p - b a s e dc o n t r o ls y s t e m 士o r m ep e 肌锄n tm a g n e tm o t o r so f t h eo i l - p u m p i n g u n i ti n d e p e n d e n t l y d e v e l o p e da ”c o m p o s i t ep e r m a n e n tm a g n e tm o t o rt e s t i n gs y s t e m ”u s l n g m e d e s i g ni d e ao fv i r t u a li n s t r u m e n t c o n s t r u c ta r e a l - t i m ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mt og e t m o t o ro p e r a t i i l gp a r a m e t e r s w r o t et h ed a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r ef o r t e s t i n gs y s t e r a b yl a b v i e w c o m p l e t e dt h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s t e s to ft h ec o m p o s i t ep e m a n e n tm a g n e t m o t o rb ya p p l y i n g ”c o m p o s i t ep e r m a n e n tm a g n e tm o t o r t e s t i n gs y s t e m ” k e y w 。r d s ：p 啪p 啦诎；c o m p o s i t ep e r m a n e n t m a g n e tm o t o r ；c o g g i n gt o r q u e ；3 d 触d e m e n tm e t h o d ；d s p ；v i r t b a li n s t r u m e n t i o n h 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 抽油机节能技术现状及其发展趋势 我国油田行业已拥有抽油机近5 万台，抽油机的耗电量占油田总耗电量的很 大部分。由于抽油机的系统效率较低，相当大部分能量损失在系统传递过程中n 1 。 抽油机的负载是时变负载，一般为抽油机选配的电机起动力矩是抽油机实际 负载的数倍，而抽油机实际负载功率却远小于电机的额定功率，即出现所谓的“大 马拉小车 现象，从而造成严重的电能源浪费瞳1 。如果能将抽油机的系统效率提 高，则全国抽油机年节电可达相当规模，这不仅节约了大量的资金，而且还能缓 解油田的电力紧张问题。由此可见，研究推广抽油机节能技术将对油田带来巨大 的经济效益。 1 1 1 抽油机节能技术的现状分析 查阅国内外文献，当前抽油机节能技术主要从以下几个方面开展研究： 1 ) 改善抽油机结构。此方法主要通过对抽油机的四连杆机构进行优化设计， 或者通过改变抽油机的平衡方式来改变抽油机曲柄轴净扭矩曲线的形状与大小， 以减小负扭矩使扭矩波动更趋平缓，从而减小抽油机周期载荷系数，提高电机的 效率来达到节能目的口1 。例如：由美国l u f i l i n 公司研究开发的m a r k 一型前置 式抽油机，平均节电达3 6 8 ；自2 0 世纪8 0 年代中后期以来，我国油田使用最 多的节能机是偏置式结构抽油机，该机的系统效率提高了3 6 8 ，单耗下降了 1 4 8 7 。 2 ) 应用节能型电动机。该方法是从研究电机特性出发，通过开发新型电机， 使电机特性与采油井井况相匹配，从而达到提高电机效率和功率因数的目的阻司。 采用高转差率电机( 转差率8 1 3 ) 或超高转差率电机代替常规转差率电 机( 转差率小于5 ) 。据称应用美国b a l d o r 电器公司研制的高转差率电动机来驱 动抽油机，可提高功率因数近7 4 ，综合节电达2 2 7 ；国内研发的一型超高转 差率电动机有功节电率为1 0 5 6 ，综合节电率为1 7 4 2 。 采用双定子结构电机，这是一种特殊结构的异步电机，其定子由两部分组成。 起动时合成两部分的力矩以增大起动力矩，等到起动后就切除其中一部，只留下 另一部分运行，来匹配低负荷时的低功率。其缺点是电机的制造难度较大且成本 增加。 采用调速电机，在抽油机一定的负荷条件下，通过改变电机的绕组结构来完 成6 8 极、8 1 2 极的单绕组非倍极改型设计，使其在抽油机上运行时，负荷率 能在2 0 - - - 8 0 之间变化，总是工作于高效区。这种方法既适用于对旧电机的 l 浙江大学硕士学位论文 改造，又适用于新电机的开发。 采用永磁同步电机，这种新型抽油机电机的效率和功率因素都优于一般异步 电机1 。电机本身是硬特性，运行过程中无转差。例如t y c 2 5 0 m - 6 型电机，功率 3 7 k w ，功率因素0 9 8 3 ，额定电流6 0 6 a ，堵转电流1 2 7 倍，堵转力矩3 6 9 倍。 但它也存在些缺点：与高转差电机相比，没有消减振动载荷的能力，反而增大 对减速箱齿轮的冲击损害；由于保留了减速机构，系统效率受到影响。 3 ) 应用节能驱动设备 采用电容器动态无功补偿和静态无功补偿方法阻1 。在启动电动机时，同时将 电容器切入，经过一段时间后迅速退出电容器组，这样便实现了无功功率的就地 补偿。电容补偿起动的优点是：不降低电动机起动时的端电压，却减小了起动电 流；不减少起动转矩，而缩小了起动时间。 采用定子绕组y 一转换调压方法，电机正常运转时，定子绕组为接法， 起动时为y 接法四一帕。 采用变频电源n 羽，随着大功率半导体器件的不断发展，使得研制具有高性价 比的抽油机专用变频电源成为可能。如采用新型双s p w m 变频电源，这种电源实 现了电能的双向流动，且功率因素几乎为1 ，是抽油机类快速制动、频繁可逆负 载的最佳电源选择，其综合节电效率可达1 5 。缺点是设备价格较昂贵，且控制 系统复杂，在油田这样恶劣的环境下，其可靠性也有待提高。 4 ) 采取其他节能措施 采用节能元部件，如窄v 型带传动和同步带传动等；改进平衡方式，如采用 气动平衡或天平平衡等；采用节能蓄能器n 引；改进“三抽 系统部件，如采用抽 油杆导向器、空心抽油杆、减振式悬绳器等部件；应用高效节能泵，即通过提高 泵效来降低百米吨耗，从而实现节能。在实际应用中，以上方法还可组合应用， 从而达到更好的综合节能效果璐】。 1 1 2 今后抽油机的发展方向 抽油机节能技术主要朝以下几个方向发展。 1 ) 朝低能耗方向发展。为了减少能耗，从而提高经济效益，近年来出现了 许多新型抽油机。例如异相抽油机、双驴头抽油机、摆杆抽油机、渐开线抽油机、 摩擦换向抽油机、液压抽油机及各种节能装置和控制装置。 2 ) 朝大型化方向发展。随着世界油气资源的不断开发，开采油层逐年加深， 石油含水量不断提高，因此，需要采用大泵提液采油工艺，使用大型抽油机口1 。 近年来，国外出现了许多大载荷抽油机，例如气囊平衡抽油机最大载荷2 2 7 k n 、 前置式气平衡抽油机最大载荷2 1 3 k n 等，相信不久后将会出现更大载荷的抽油 2 浙江大学硕士学位论文 机。 3 ) 朝长冲程无游梁抽油机方向发展。采用长冲程的抽油方式，抽油效率高、 抽油机寿命长、动载小、排量稳定，能取得很好的经济效益。近年来国内外研制 与应用了多种类型的长冲程抽油机，其中大体分为增大冲程游梁抽油机、增大冲 程无游梁抽油机和长冲程无游梁抽油机。例如法国m a p e 公司抽油机的最大冲程 为l o m ，w g c o 公司抽油机的最大冲程更达2 4 3 8 m 。实践应用表明，增大冲程无 游梁抽油机是增大冲程抽油机的发展方向，长冲程无游梁抽油机是长冲程抽油机 发展方向。 4 ) 朝高适应性方向发展。新研制的抽油机应具备较高的适应性，以拓宽其 使用范围。如适应各种自然地理和地质构造条件抽油的需要；适应各种成分石油 抽取的需要；适应各种类型油井抽取的需要；适应无电源和间歇抽取的需要；适 应精确平衡的需要；适应优化抽油的需要等。 5 ) 朝自动化和智能化方向发展。近阶段抽油机技术发展的最显著标志是自 动化和智能化n 纠引。例b a k e r 提升系统公司、d e l t a - x 公司、a p s 公司等都研制 推出了自动化抽油机，它们可以实时测得油井运动参数进行显示与记录，并通过 综合分析计算，获得最优工况参数，指导抽油机在最优工况下运行，并且还具有 保护和报警功能。n s c o 公司智能抽油机采用了微处理机与具有自适应功能的电 子控制器进行控制与监测，具有抽油效率高、安全可靠、适应性强等特点。 1 2 永磁材料的发展及应用概况 世界上出现的第一台电机就是由永磁材料建立磁场的永磁电机，但由于当时 永磁材料的性能不能满足要求而被电励磁所取代n 刀，可见永磁电机的发展与永磁 材料性能的优劣密切相关。2 0 世纪二三十年代出现的铝镍钻永磁材料以及5 0 年 代出现的铁氧体永磁材料使永磁电机开始发展，并逐步在军事装备建设、工农业 生产与日常生活中得到了应用n 8 1 。稀土永磁材料的蓬勃发展更推动了永磁电机性 能的不断提升。 铝镍壁( a l n i c o ) 丞磁是在2 0 世纪3 0 年代研制成功的，是当时磁性能最好 且在永磁电机中应用最多最广的种永磁材料。这种材料的剩磁密度较高汹3 ，最 高可达1 3 5 t ，但其矫顽力很低，通常小于1 6 0 k a m 。在6 0 年代以后，随着铁氧 体永磁和稀土永磁的相继问世，铝镍钴永磁在电机中的应用被逐步取代，所占份 额呈下降趋势。但由于铝镍钻永磁的显著特点是温度系数小，因此目前仍被广泛 应用于仪器仪表类等要求温度稳定性高的永磁电机中。 筮氢佳丞磁是一种非金属永磁材料，不含稀土元素、镍、钴等贵金属，价格 较为低廉。它的突出优点是矫顽力较大嘲，最高可达3 2 0 k a m ，抗去磁能力强； 浙江大学硕士学位论文 密度小，质量较轻；退磁曲线接近于直线，因而在电机中得到广泛应用，是目前 在电机中用量最大的永磁材料。但它也存在些缺点：剩磁密度不高，仅为 0 2 - 0 4 4 t ；在低温时容易发生不可逆退磁；材料硬而脆，不能进行电加工等。 这都为铁氧体的进一步推广应用提供了阻力。 箍丞磁是一种高剩磁、高矫顽力、高磁能积的永磁材料，发展至今，最伟 用的有稀土钴永磁和钕铁硼( n d - f e - b ) 永磁，其中钕铁硼永磁以其优良的性毹 已成为目前应用最为广泛的一类稀土永磁材料。 1 ) 稀土钴永磁是2 0 世纪6 0 年代中期兴起的具有优异磁性能的永磁材料。 大体可分为1 ：5 型( 第一代稀土永磁) 和2 ：1 7 型( 第二代稀土永磁) s m - c o 稀 永磁体。稀土钴永磁材料的磁稳定性好，非常适合于高温和恶劣环境的特殊应用， 但缺点是其主要成分是储量稀少的稀土金属元素钐( s i n ) 和稀缺昂贵的战略金属 钴( c o ) ，价格相对昂贵，这使它的应用受限，目前主要应用于航空航天及军事工 业领域。 2 ) 钕铁硼永磁是1 9 8 3 年问世的高性能永磁材料瞵1 。它的剩磁密度现在可高 达1 4 7 t ，矫顽力可达9 9 2 k a m ，最大磁能积达3 9 7 9 k j m 3 ，是目前磁性能最高 的永磁材料。由于钕在稀土中的含量较高，资源丰富，且铁、硼的价格便宜，因 此钕铁硼永磁要比稀土钴永磁的价格低廉得多。问世以来受到普遍关注，并在工 业、民用等领域的永磁电机应用中得到迅速推广。 稀土永磁材料是当前具有多种优良磁性能的永磁材料，其中第三代稀土 n d - f e - b 永磁材料更是受到科学研究的重视，并已得到大量应用。目前稀土永磁 材料的研究已处在向第四代发展的阶段。近年来，材料科学家们已研发出一些新 型的稀土永磁材料，具有代表性的有3 种：t h m n 。型稀土永磁材料；间隙稀土金 属间化合物永磁材料；纳米晶复合交换耦合永磁材料n 训。可以预见，随着稀土永 磁材料研究的不断深化，更高性能永磁材料的出现将推动永磁电机性能的再次越 升。 1 3 永磁同步电机的发展概况 永磁电机的发展同永磁材料的发展密切相关。与稀土永磁材料的发展历程相 对应，永磁电机的研究和开发大致可以分成三个阶段啪】。 第一阶段：2 0 世纪6 0 年代后期和7 0 年代，由于稀土钻永磁的价格昂贵， 永磁电机的研究开发工作主要集中在航空、航天用电机和要求高性能而价格不是 主要因素的高科技领域。 第二阶段：2 0 世纪8 0 年代，特别是在1 9 8 3 年出现价格相对较低的钕铁硼 永磁后，国内外的永磁电机研究开发重点转移到了工业和民用领域上。具有优异 4 浙江大学硕士学位论文 磁性能的稀土永磁材料的出现，再加上电力电子器件和微机技术的迅速发展，永 磁电机不仅纷纷替代了许多传统的电励磁电机，而且可以实现电励磁电机所难以 达到的高性能。 第三阶段：到2 0 世纪9 0 年代，随着永磁材料性能的不断提升，尤其是钕铁 硼永磁的在热稳定性和耐腐蚀性等方面的改善，以及价格的逐步下降，加之永磁 电机研究开发经验的不断成熟，使得永磁电机在国防、工农业生产与日常生活等 各个方面得到越来越广泛的应用。同时，永磁电机的设计理论、设计方法、结构 工艺、控制技术等方面也获得了进一步的完善与发展，一大批学术论文和科研成 果相继涌现，逐步形成了以等效磁路解析求解和电磁场数值计算相结合的一整套 分析研究方法。 与传统的电励磁电机相比较，永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小， 质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等优点阱3 。因此它的 应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、工农业生产、日常生活等各个领域。根 据应用场合的不同，永磁电机主要可分为以下几类。 叠土丞磁发电扭呦1 。当代航空、航天用发电机几乎全部采用了稀土永磁发电 机。独立车用永磁发电机、电源用的内燃机驱动发电机、风轮直接驱动的永磁风 力发电机也正在逐步推广。 高煎永磁同生电动扭滔m o 这类电机一般都会在转子上设置起动绕组，具有 在某一频率与电压下直接起动的能力。目前主要应用在纺织化纤工业、油田、陶 瓷玻璃工业以及风机、水泵等领域。 交流伺服永磁电动扭和玉刷直流丞磁电动扭1 。这类电机通常通过设置变频 器合适的v f 曲线来起动，在转子上一般不设置起动绕组。由变频器供电的永磁 电动机加上转子位置闭环控制系统构成的自同步永磁电动机，不但具有电励磁直 流电动机的优异调速性能，而且实现了无刷化，主要应用于高控制精度场合，如 航空、航天、加工中心、数控机床、机器人、电动汽车、计算机外围设备等。 丞磁直流电动扭。直流电动机采用永磁励磁后，不但保留了电励磁直流电动 机的良好调速特性和机械特性，而且由于省去了励磁绕组，使其具有了结构简单、 体积小、材料省、效率高等特点。因而在家用电器、电动工具、便携式电子设备 以及要求有良好动态性能的速度或位置传动系统中都大量应用了永磁直流电动 机。 近年来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，除了大力推广和应用已有研 究成果外，稀土永磁电机的应用和开发进入了一个新阶段，目前正向大功率化( 超 高速、高转矩) 、高功能化、高功能化、微型化和环境适应性嘲( 高温、高真空 等) 等方向发展啪1 。 5 浙江大学硕士学位论文 1 4 现代交流调速系统的发展概况 在现代电力电子变换装置中，脉宽调制( p w m ) 变压变频技术口1 3 2 1 是其中最 主要的变换器控制技术，常用的p w m 控制技术包括：1 基于正弦波对三角波脉宽 调制的s p w m 控制3 ；2 基于消除指定次数谐波的h e p w m 控制；3 基于电流环跟 踪的c h p w m 控制；4 电压空间矢量控制s v p w m 控制泓1 。在这四种p w m 变换器中， 前两种的控制目标是尽可能使输出电压接近正弦波，第3 种则以输出正弦波电流 为控制目标，第4 种s v p l j | m 控制可以使电机线圈电流中的谐波更少，同时提高对 电压源逆变器直流供电电源的利用率，目前应用最广泛。 1 ) 矢量控制技术得到了广泛应用。由于交流电动机是一种多变量、强耦合 的非线性系统，因此与直流电动机相比，转矩控制较为困难。2 0 世纪7 0 年代初 出现的矢量控制理论解决了这一转矩控制问题，它应用坐标变换将三相系统等效 变换为两相系统，再经过按转子磁场定向的旋转变换，实现了定子电流励磁分量 与转矩分量的解耦船副，从而达到对交流电动机的磁链和电流分别进行控制的目 的。这样就可以把一台三相电动机等效为直流电动机加以控制，获得与直流调速 系统相当的动、静态性能。 2 ) 直接转矩控制技术发展迅猛。直接转矩控制是2 0 世纪8 0 年代中期出现 的又一转矩控制方法，是继矢量控制技术之后的又一种高性能交流变频调速技 术。1 9 8 5 年，由德国鲁尔大学的m d e p e n b r o c k 教授首次提出，并在1 9 8 7 年把 它推广到弱磁调速范围。与矢量控制技术相比，它在很大程度上解决了矢量控制 中计算复杂、特性易受电动机参数变化影响、实际性能难以达到理论分析结果等 一些重大问题。随着现代电力电子技术的不断发展，直接转矩控制技术的发展趋 势为：1 向高频化方向发展，进一步提高控制性能，消除脉动，如应用空间矢量 脉宽调制技术( s v p 聊v 1 ) ；2 与智能控制相结合，使交流调速系统的性能有一个根 本的提高。 3 ) 无速度传感器控制技术得到越来越多的关注。近年来，科研工作者致力 于无速度传感器控制系统的研究，利用定子电压、电流等物理量来估算电机的运 行转速，从而省去速度传感器口7 蚓。除了根据电机数学模型估算转速外，目前应 用较多的有模型参考自适应估算和扩展卡尔曼滤波估算汹1 。也可用电压电流模型 和磁通模型构成速度观测器，在不同的速度区段进行切换，以取得更好的速度观 测效果，即为双观测矢量控制系统。此外，把智能控制理论应用于转速计算，以 取得更理想的估算结果。 4 ) 智能控制理论不断应用于交流调速控制中。微电子技术的发展，特别是 电机控制专用d s p 性能的不断提高，使交流调速系统逐步向全数字化控制系统发 6 浙江大学硕士学位论文 展。与模拟控制系统不同，数字化控制系统的主要任务是设计一个能实现具体控 制算法的数字调节器。为了得到更好的控制效果，智能控制思想被不断应用于数 字调节器的设计，出现了电机的模糊控制、神经网络控制h 们、鲁棒控制、自适应 滑模控制h 、自抗扰控制器及它们复合控制等。 可以发现随着电力电子技术、微机技术、自动控制技术的快速发展，电机调 速领域正进行着一场历史变革，即交流调速取代直流调速、数字控制取代模拟控 制。基于d s p 的交流调速系统表现出越来越多的优越性能，加之，非线性解耦控 制、人工神经网络自适应控制和模糊控制等各种新的控制策略的不断涌现，必将 推动交流调速技术的进一步发展。 1 5 课题意义与研究任务 课题研制了复合式永磁电机直驱式抽油机，该型抽油机与传统抽油机相比具 有三个突出特点：1 采用变频控制的永磁电机代替异步机，解决了传统抽油机“大 马拉小车 缺点，减小了电机容量。2 复合式永磁电机由两个盘式电机与一个 外转子电机复合而成，它的“多极 与“大直径 结构完美实现了“低速大力矩 的设计要求，成功省去了传统抽油机传递效率很低的变速箱机构，大幅提高了抽 油机的系统效率。3 新型直驱式抽油机可采用“天平式 配平，配平方式更为 合理，电机运行时转矩波动小，抽油杆的提升与下放过程平稳。4 省去了传统 抽油机中的游梁，驴头等笨重机构，大幅减低了抽油机的占地面积。 本论文的研究任务包括以下几个方面： 1 ) 研究复合式永磁电机的结构特点，提出削弱电机齿槽转矩的综合措施；并 针对盘式永磁电机的特殊结构，采用基于能量法和傅立叶分解的解析分析方法， 推导盘式永磁电机在未斜极、整体斜极、分段斜极时的齿槽转矩表达式，说明分 段磁极斜极法的齿槽转矩削弱效果优于整体磁极斜极法；给出分段斜极时，磁极 分段数量、各段磁极径向尺寸及与之相配合的极弧系数的确定方法；通过a n s o f t m a x w e l l 三维有限元仿真及实际应用效果验证了所提方法的正确性。 2 ) 研究永磁电机的矢量控制方法与模型参考自适应无传感器控制方法，提出 一种基于仿人调节器的自适应无传感器控制方法；建立这三种电机控制方法的 m a t l a b s i m u l i n k 仿真模型，验证采用仿人调节器的电机控制系统在转速估算中 抑制超调与加快响应速度上的优越性；实现抽油机用永磁电机无传感器矢量控制 调速系统的设计，系统采用f 2 8 1 2d s p 与p m l 5 r s h l 2 0i p m ，设计了隔离驱动电 路、电流检测电路、故障反馈电路，并完成电机控制程序的调试。 3 ) 研制“复合式永磁电机测试系统，采用虚拟仪器的设计思想，设计基于 n i u s b 一6 2 2 1 数据采集卡的实时数据采集系统，将永磁电机运行时的实时数据经 7 浙江大学硕士学位论文 过采集电路及时传送至上位机；编写l a b v l e w 数据处理程序，完成对电机参数的 显示、分析与保存。 4 ) 应用测试系统完成对复合式永磁电机在无减速机构游梁式抽油机、天平配 平直驱式抽油机上的性能测试。 1 6 本章小结 本章前四小节分别针对论文所涉及的内容进行了研究背景的综述，首先对抽 油机节能技术现状及其发展趋势进行了总结，介绍了现有抽油机存在的主要问 题、当前主要采取的抽油机节能技术和今后抽油机的发展趋势；其次介绍了永磁 材料的发展及应用情况，强调了永磁材料的性能提升对永磁电机发展的推动作 用；接着阐述了永磁电机的发展情况；最后介绍了永磁电机交流调速系统的发展 历程，对矢量控制等主要控制方法进行了总结。第五小节介绍了课题研究的现实 意义，阐明其对油田抽油机节能技术改造的变革作用；并提出了本论文的主要研 究任务。 8 * 学硕士学也论i 第2 章新型抽油机的拓扑结构与复合式永磁电机齿 槽转矩削弱方法研究 2 1 新型抽油机的拓扑结构介绍 2 1 1 常规抽油机的拓扑结构 我国的陆地石油开采主要采取抽油机抽取地下原油的方式，根据地下油层的 深度情况，配置相应类型与性能的抽油机进行开采。目前油田所使用的抽油机绝 大部分为传统游粱式抽油机俗称“磕头机”，如图2 一j 、2 - 2 所示。这类抽油机 由普通旋转电机( 异步机或同步机) 驱动，经过太比例减速器传动后，带动抽油 机作往复运动。 注释：i ) 悬绳器；2 ) 支架3 ) 减连皮带轮；4 ) 动力输入轴，5 ) 电动机输m 轴， 6 ) 偏心齿轮减速器 t ) 动力辕出轴：8 ) 柄：9 ) 柄偏心块1 0 ) 连杆1 1 ) 游粱；1 2 ) 驴头 图2 一l 游梁式抽油机结构圉 图2 - 2 游絷式抽油机实物闰 浙江大学硕士学位论文 由于游梁式抽油机的机械机构复杂，而且电机驱动需经减速器和连接机构传 动，因此为了保证系统正常工作，往往配置具有大冗余度的大功率电机，使得抽 油机的效率低下，一般系统的整体效率只有3 0 - - - 4 0 ，电能浪费严重。可见， 游梁式抽油机已不能很好适应油田的需求。 为了降低抽油机的能耗，结合油田实际情况，途径之一是提高异步电机本身 的效率。对异步电动机进行优化设计，合理增加铜、铝、电工钢材等有效材料的 用量，以降低绕组的损耗和铁耗；采用较好的磁性材料，以降低铁耗；合理设计 通风结构和选用高性能轴承，以减小机械损耗。虽然通过这些方法可以使电机功 率因数与效率有所提高，但还是无法解决电机在轻载或过载情况下效率与功率因 数低下的问题。 另一种常用的方法是在不改变传统抽油机基本结构的前提下，用效率较高的 普通永磁电动机代替原有异步电动机。在不进行变频调速的情况下，自起动永磁 同步电机被应用于抽油机中。自起动永磁同步电机实际是将普通异步电机和永磁 同步电机相结合，起动时利用转子上的鼠笼绕组产生起动转矩，把转子带动到接 近于同步转速时，转子被自动牵入同步，因此也被称为异步起动永磁同步电机。 同步工作时，由永磁体励磁，所以不但没有电励磁电机的励磁损耗，也没有异步 电机那样的转差损耗，从而可以大为提高电机的效率与功率因数。 普通抽油机系统效率低下的主要原因是系统中间传递环节过多，尤其是减速 机构引起的效率损耗。上述方法虽然提高了电机效率，但由于没有简化系统的机 械结构，仍然采用变速箱减速，在输出低速大力矩的情况下，系统整体效率无法 得到根本提高。 2 1 2 低速大功率电机替代减速机构的抽油机拓扑结构 提高抽油机整体系统效率的根本方法是采用新型低速大力矩电机直接驱动 抽油机，即通过开发一种特殊的高效节能低速大力矩电机，使电机在低速情况下 输出大力矩来直接驱动抽油机进行工作，从而实现电机对抽油泵的直接驱动( 直 驱式抽油机系统) 。 图2 - 3 ( a ) 所示为新型复合式永磁电机应用于抽油机的结构示意图，图2 - 3 ( b ) 所示为本项目完成的改造式抽油机实物图。采用这种结构去掉了复杂的齿轮减速 箱机构，使系统整体效率大幅提高，同时由于不改变原有抽油机的游梁机构，因 此对抽油机的升级改造比较容易实现。 1 0 浙扛太学硕士学位论文 结构示意图b 抽油机实际样机 图2 - 3 低速大功率电机替代减速机构的拓扑结构 2 1 3 复合式永磁电机直接驱动的抽油机拓扑结构 直驱式抽油机系统的另一种形式是对原有抽油机进行整体改造。图2 - 4 ( a ) 所示为复合式永磁电机应用于天平配平式抽油机的结梅示意图图2 4 ( b ) 所示 为本项目完成的新结构抽油机实际系统。采用这种机械结构，取消了庞大的游梁、 驴头与齿轮减速箱，结构大为简化，体积也大大减小，使得整机效率显著提高， 不但节省了抽油机的结构材料，而且还能节约用地。同时由于采用可天平配平 方式，容易实现长冲程抽油，冲程可达8 米，适用于低渗透油田、深井和稠油井 的开采。 a 结构示意圈b 抽油机实际样机 圈2 - 4 直驱式抽油机拓扑结构 2 2 复合式永磁电机的结构分析 复合式永磁电机是把外转子电机和两个盘式电机组台在一个整体结构上，形 成了一种新的电机结构，电机结构方案如图25 所示。 拳拶 浙江大学硕士学位论文 转子 定子1 磁钢1 外转子 一 图2 - 5 复合式永磁电机结构图 复合式永磁电机的外转子部分与两个盘面部分在电磁设计上保持一致，即其 极对数、定子槽数相同。外转子部分的绕组线圈嵌于定子轴向开槽的电枢齿槽内， 与轴向安装且周向分布的转子永磁磁钢相对应，气隙磁场方向为径向；盘面部分 的绕组线圈嵌于定子径向开槽的电枢齿槽内，与径向安装且周向分布的转子永磁 磁钢相对应，气隙磁场方向为轴向。它们的定子直接安装于主轴上，并固定于机 座；转子通过轴承与主轴相连接。图2 - 6 给出了复合式永磁电机盘面部分的结构 图。 由于外转子部分与两个盘面部分的电磁结构一致，因此两部分的绕组线圈采 用并联连接方式。当线圈通以交流电时，在电机气隙产生一个旋转磁场，推动永 磁转子旋转，从而产生输出力矩。电机可通过变频器进行开环调速，也可通过矢 量控制等控制方法进行自控闭环调速。电机连接输出机构，带动负载运行，由于 复合式永磁电机半径较大，因此可得到很大的输出转矩。 1 2 浙旺大学硕十学位诧文 c 盘面动子 樱黯 巡岁 b 盘面定子 雠 d 电机支架 图2 - 6 复合式永磁电机盘面部分结构图 2 3 复合式永磁电机的齿槽转矩削弱方法研究 2 31 永磁电机齿槽转矩抑制方法概述 永磁电机的永磁磁极和有槽电枢铁心相互作用，不可避免会产生齿槽转矩， 进而导致转矩波动、降低电机驱动系统的控制特性与运行可靠性、影响系统的控 制精度，尤其是对速度控制系统中的低速性能和位置控制系统中的高精度定位性 能的影响，并引起振动、谐振、噪声等问题“”。复台式永磁电机由于工作在低 速状态，齿槽转矩引起的转矩被动会严重影响抽油机工作，导致对抽油杆的冲 击。因此解决齿槽转矩引起的波动是复台式永磁电机应用于抽油机过程中必须解 决的问题。 削弱齿槽转矩的方法大体可归纳为三类，即改变转子磁极结构参数的方法、 改变定子电枢结构参数的方法以及合理组合极数与电枢槽数的方法。| 4 2 4 4 浙江大学硕士学位论文 i ) 基于改变转子磁极结构参数的抑制方法。该方法是通过改变对齿槽转矩 起主要作用的b 。的幅值，达到削弱齿槽转矩的目的。主要包括斜极h 5 “1 、优化 极弧系数h 7 删、采用不等厚永磁体、优化永磁体形状、磁极偏移h 铲5 1 1 、不等极弧 系数组合隋鄹、改变永磁体极化方向、降低永磁体剩磁强度等。 2 ) 基于改变定子电枢结构参数的抑制方法。该方法是通过改变对齿槽转矩 起主要作用的q 的幅值，达到削弱齿槽转矩的目的。主要包括斜槽晦副、改变槽 口宽度嘲1 、开辅助槽幅、不等槽口宽度引、定子槽不均匀分布、改变极靴深度等。 3 ) 基于极槽配合的抑制方法，该方法的目的在于通过合理选择电枢槽数与 极数，改变对齿槽转矩起主要作用的巩和q 的次数与大小，从而削弱齿槽转矩。 因为齿槽转矩可以表示为以转子极数和定子槽数的最小公倍数为基本周期的频 谱函数。依据频谱函数的特性，各种频谱成分中，以基波成分的幅值为最大，其 他高次成分一般以频率的平方成反比例缩小，若基波的频率较高，其幅度同样也 较低。因此，对于齿槽转矩而言，可通过合理选择电机的极数和槽数，提高定子 槽数和转子磁极数的最小公倍数，即提高齿槽转的基波频率，从而达到抑制齿槽 转矩的目的嘲。 4 ) 其他抑制方法。如采用无铁心技术硎、永磁电机电枢无齿槽、采用全塑 封结构，消除了齿槽效应引起的转矩波动。但这种电机出力较小，无法达到大功 率要求。文献e 5 8 采用有限元方法计算了不同型号的铷铁硼永磁材料及不同温度 时电机的转矩、转矩纹波及齿槽转矩，并对其进行了比较分析。其结论表明了选 择合适的永磁材料及其温度可在一定程度上削弱齿槽转矩。 在工程应用中，可根据实际情况采用合适的削弱方法，既可以是一种方法， 也可以采用几种方法的组合。但考虑到经济性和加工工艺的复杂性，许多齿槽转 矩最小化方法仅限于理论研究却很少采用，如不等槽口宽、定子槽不均匀分布、 磁极偏移、不同极弧系数优化组合等。普遍采用方法有：斜极或斜槽；在不影响 磁钢利用率的情况下，尽可能增大气隙尺寸；在不影响定子嵌线的前提下，尽可 能选择小的槽口宽度或采用磁性槽楔；合理选择极数和槽数组合等。具体采用哪 一种或哪几种方法的组合，必须根据电机设计的性能要求、成本要求、结构要求 等，进行综合考虑来确定。 2 3 2 复合式永磁电机齿槽转矩的综合抑制方法 复合式永磁电机由一个外转子电机与两个盘式电机复合而成，其齿槽转矩也 相应的有外转子电机部分与盘式电机部分叠加而来。 对外转子部分，采取将永磁体磁极倾斜一个齿距的方法，可以取得很好的齿 1 4 浙江大学硕士学位论文 槽转矩削弱效果。 基于两个盘式部分组成结构的对称性，这里把左、右盘式部分在安装时沿周 向错开半个齿距，这样一来，可以抵消左右盘式部分产生的齿槽转矩中除 2 n ( n = l 、2 、3 ) 次谐波外的所有分量，从而有效削弱齿槽转矩。下一节重点研 究了单个盘式部分齿槽转矩的削弱方法。 2 3 3 复合式永磁电机盘式部分的斜磁极齿槽转矩削弱方法研究 根据盘式永磁电机的结构特点，这里采用了基于能量法和傅立叶分解的解析 分析方法，推导了盘式永磁电机在斜极前后的齿槽转矩解析表达式，据此证明了 对于盘式永磁电机，采用分段磁极斜极法削弱齿槽转矩的效果优于采用整体磁极 斜极法。研究表明：通过合理选择磁极分段的数量、各段磁极的径向尺寸以及与 之相配合的极弧系数，可以有效削弱齿槽转矩。提出了基于斜磁极处理的盘式永 磁电机齿槽转矩削弱方法，并利用有限元法对其进行了验证，证明文中提出的方 法是正确有效的。把此方法应用于复合式永磁电机盘式部分，取得了效理想的效 果。 1 ) 盘式永磁同步电机齿槽转矩的解析分析 齿槽转矩是永磁电机不通电时永磁体和铁心之间相互作用产生的，可以表示 为磁共能矿相对于位置角a 的负导数，即啪3 z：一竺(2-1) 嘲 a 位 假设电枢铁心的磁导率无穷大，则电机内存储的能量近似为电机气隙和永磁 体内的能量之和，可以表示为嘲1 形= 去尸 ，a 沙= 去卢p ，它崇】2 。2 式中，a 表示某一指定的齿的中心线和某一指定的永磁磁极中心线之间的夹 角，即定转子间的相对位置角，0 = 0 位置设定在该磁极的中心线上；胁、e ( 9 ) 、 a ( o ，口) 、( p ) 分别表示真空磁导率、永磁体剩磁密度、有效气隙长度沿圆周方 向的分布、永磁体充磁方向长度沿圆周方向的分布。 进一步把研( 9 ) 和 吃( p ) k ( 日) + 6 ( 9 ，a ) 】2 进行傅里叶展开，从而得到电机内 磁共能的表达式，进而得到齿槽转矩的表达式为汹3 ”鲁( 碍喜疗q 咖删 q _ 3 式中，厶为电枢铁心的有效轴向长度；冠和r 分别为电枢外半径和定子轭 1 5 浙江大学硕士学位论文 内半径；刀为使叫2 p 为整数的整数：g 和b 脏为相关的傅里叶系数；z 为电枢 历 槽数。 由以上分析可见，盘式永磁电机齿槽转矩的解析表达式形式上与外转子永磁 电机的相同，但式中参数乞、墨和恐所代表的物理意义不同，这一差异会在下 面的讨论中得到充分体现。 2 ) 整体磁极斜极时的齿槽转矩表达式 图2 一7 整体| 暾微斜檄不恿图 当整体磁极斜极时，斜极情况如图2 7 所示，若以为磁极所斜的齿距数( 倾 斜角度以电枢齿距为计算单位) ，位。= 2 7 c z 表示齿距角。则根据几何关系可得径 向长度，处所斜的角度为墨卿麒瞑，相应的蟛( 见，) 的傅立叶展开为 ，( 足一足) “ 张r ) - 氏嘻吃c o s 硎+ 端媳) ( 2 _ 4 ) 则电机气隙和永磁体内的磁场能量之和为 形= 去户c 跏力2 d 矿 2 击r 即，) 抵阚抛 q 巧 2 矗喜q 名e 嘶一揣帆砂 可得齿槽转矩为 川) 一罟2 等喜瞩e 谪陀 麓焉m g 。渺 ( 2 _ 6 ) 此关于，的积分经分部积分处理后出现亡竺，表明其不存在初等函数形 式，于是将上式中的积分用极限表示为： 1 6 新江大学& 学位论文 k ，驴鲁喜峨麓嘞 墨皆霎卧圭( 局一嘟m 卿一寺鹄) ( 2 。 考虑当 = 1 ，即磁极倾斜1 个齿距时，将氏= 2 叫z 代八上式，并利用三角 恒等式 霎蝴 刎= 舻“竺h 轨 伢 可削去部分项得 吣等砉一g b 裂l i r a 。 堕笋( 一扣) ) ( 2 9 ) 可见，即使当磁极倾斜1 个齿距，整体磁极斜极法也只能使齿槽转矩各谐波 特量有一常的削弱而远选不到削除的目的。 3 ) 分段磁极斜极时的齿槽转矩表达式 当分段磁极斜极时，将每一磁极按径向分为块，并把分段磁钢沿径向由外 到内依次错开5 角度，印5 = 也毽，m 。圈2 - 8 是每一磁极分为三段时的永磁转子 结构及分段磁钢分布示意图。 嚣 么 匡i 三兰型j r l 一 图2 - 9 分段磁极径向尺寸示意圈 首先对分段磁极斜极后的磁场分析作以下假定：1 ) 忽略磁极径向端部气隙 变化对磁场分布的影响；2 ) 忽略相邻磁块间因错开而引起的磁场分布的变化。 趼大学坝士学位论文 一一_ 一 于是，在分析齿槽转矩时可将盘式电机由内到外划分为四个环，设各部分产生的 齿槽转矩分别为 ) i = l ，2 ，3 埘，则总齿槽转矩为各部分之和： c o g ( a ) = ( 口) ( 2 1 0 ) 应用( 2 3 ) 式，可得 啪，s ) 2 等( 厂砰) 砉珂g b ，石：s i n 咄川卅等】 ( 2 - 式中，冠与足+ 。分别表示第f 段磁钢的内外半径。 则总齿槽转矩为 息( a ，s ) = ，s ) 2 杀羔n = l 疗q 兰t = l ( 矾唧) s i n 舷州) 争 考虑当m = 1 ，为能有效利用恒等式( 2 8 ) 削去尽量多的谐波分量，令各磁 块径向尺寸足满足等式 + 一一= 一一- i = - 一砰 ( 2 2 。 n 2 2 町213)y 于是，利用式( 2 8 ) ，总齿槽转矩整理为 v 叫) 2 等薹m 2 一手舵a ( 2 - 1 4 ) 可见，当分块磁极斜极后，齿槽转矩表达式仅剩下( 聊坊次谐波分量，其余 分量均被削去。 4 ) 极弧系数、磁极块数及磁块径向尺寸的确定 根据文献 5 2 所述：从戤2 丢霹s i n 眦p 7 r 可以看出，对于不同的极弧系数， 霹 ) 的傅立叶分解系数有很大的不同，若使吃= o ，必须满足搬。为整数。应 用于本文若使t 毒o ，必须满足号仅p 为整数，于是可取 a p = 1 - 2 q p z t ( 2 - 1 5 ) 式中，g 为分段磁极块数脚的公约数，为调整a p 至合理值的自然数常量。 考虑到便于工程应用中的加工与安装，磁极块数腰一般取为3 - - - - 6 。 1 8 浙江大学硕士学位论文 如当极对数p = 3 2 ，电枢槽数z = 1 9 2 ，磁极块数聊= 3