新型无齿轮曳引式抽油机用永磁同步电机设计与仿真研究

1、本 科 毕 业 设 计（论文）题 目：新型无齿轮曳引式抽油机用永磁同步电机设计与仿真研究永磁同步电机磁场有限元分析学 院：专 业：班 级：学 生： 学 号：指导教师： 职称：摘 要抽油机是油田生产常用的设备之一，无需减速机构的低冲次、高冲程的无齿轮曳引式抽油机由于具有机构简单、高效节能等优点成为抽油机领域的研究热点之一；为了简化抽油机的机械机构，减轻繁重的日常维护工作，本文使用高效的永磁同步电动机，无齿轮曵引式抽油机用永磁同步电动机改变了抽油机的运行机理，取消了复杂的动力传递和转换环节，减少电机损耗，使整机效率提高本文介绍了ANSYS软件的有限元分析功能，并应用ANSYS软件的有限元分析功能以

2、及能量法等方法对无齿轮曳引式抽油机的机架，驱动用电机的主轴，天轮和曳引轮等主要部件进行了有限元的静态分析和极限情况的瞬态分析，确定了所设计的部件在所遇到的工况下是安全的，确保了抽油机整体的安全性。本文主要研究内容如下：(1) 利用有限元对永磁同步电动机进行磁场分析与计算。(2) 利用有限元建立磁场求解模型，仿真空载磁场的分布、气隙磁密、空载电动势和电机在实际负载下的磁场分布。研究得到的结果如下：(1) 应用有限元分析与计算得到了磁力线分布图、气隙磁密波形、瞬态时空载反电动势波形图。(2) 在有限元磁场分析计算中，有限元剖分对解的精度有着不可忽视的影响，通过提高剖分的节点数，计算精度将有所提高。

3、根据磁场分布对不同的区域，合理的选择剖分单元尺寸进行剖分，可以得到较为满意的剖分结果。【关键词】抽油机；永磁同步电动机；磁路分析AbstractPumping unit is common equipment in the production of oil field, low frequency,high stroke gearless traction oil pumping unit is the hot spot in the field of pumping unit because of a simple structure, high efficiency and energy

4、-saving advantages. gearless traction oil PumPing unit Changes the operation of pumping mechanism with Permanent Magnetie Synehronous Motor(PMSM) and cancells a complex power transmission and conversion links, so that machine efficiency increased. This paper introduces the finite-element analysis fu

5、nctions of software ANSYS , and the finite element analysis methods of function and the energy method for gearless traction oil PumPing unit with motor frame, driving the spindle, head sheave and tractive sheave etc., the main components of the static finite element analysis and limit circumstance o

6、f transient analysis, identified in the design of components met conditions are safe, ensure the safety of the pumping unit overall. This paper studies gearless traction oil PumPing unit with Permanent Magnetie Synehronous Motor(PMSM).First. Analysing and calculating the magnetic field of permanent

7、magnet synchronous motor. by finite element.Second. Buliding the solution model of Magnetic field, simulating No-load magnetic field distribution, and air gap flux density, no-load voltage and the motor's magnetic field in the actual load distribution.Research results are as follows:First. I get

8、 a map of the magnetosphere, air gap flux density wave, transient no-load back-EMF waveform diagram by finite element.Second. In finite element analysis calculation, the impact of finite element mesh on the solution accuracy can not be ignored. By increasing the number of nodes in split, the accurac

9、y will be improved. According to the magnetic field distribution on the different rational, making a sensible choice split to split the unit size, we can get more satisfactory results.【Key Words】Pumping Unit, Permanent Magnetie Synehronous Motor(PMSM), Magnetic circuit analysis目 录摘 要IAbstractII目 录II

10、I图表目录4第1章 绪 论11.1 课题背景及选题意义11.2 国内外抽油机的发展状况5 我国抽油机的发展概况5 国外抽油机的发展概况6 国内外抽油机的对比71.3 国内外永磁同步电动机的发展概况8 国内发展概况9 国外发展概况91.4 研究内容91.5 章节安排9第2章 抽油机系统的结构与工作原理112.1 新型抽油机的机械结构及工作原理11 机械结构11 工作原理112.2 新型抽油机用永磁同步电动机结构及其工作原理12电机结构12工作原理162.3 主要性能指标及永磁同步电动机的主要参数172.4 小结18第3章 永磁同步电动机的电磁设计193.1 永磁同步电动机的设计193.2 主要尺

11、寸选择203.3 永磁体设计203.4 电磁设计参数213.5 小结21第4章 抽油机用永磁同步电机的磁场有限元分析224.1ANSYS11.0的介绍224.2磁场有限元分析基本原理224.3永磁同步电动机磁场的有限元分析和计算244.4边界条件的确定254.5永磁同步电机磁场有限元分析数学模型建立26指定材料属性28设定边界条件和激励源284.6仿真分析结果294.7小结31第5章 全文总结与展望325.1 本文总结325.2 后续工作展望32参考文献33致 谢35图表目录图1-1 抽油机的分类4图2-1新型无齿轮曳引式抽油机的结构11图2-2 永磁同步电动机的横截面示意图13图2-3表面式

12、转子磁路结构13图2-4内置径向式转子磁路结构14图2-5内置切向式转子磁路结构15图2-6内置混合式转子磁路结构15图2-7爪极式转子磁路结构16图2-8 永磁同步电机工作原理图17图3-1永磁同步电动机电磁设计流程19表3-1电磁设计主要参数21图4-1永磁同步电动机求解区域25图4-2电机定转子结构27图4-5永磁同步电动机具体的剖分结果29图4-6 磁力线分布图30图4-7 气隙磁密波形30图4-8 瞬态时空载反电动势波形31表3-1电磁设计主要参数19第1章 绪 论1.1 课题背景及选题意义与世界石油资源量相比，我国具有石油资源量相对不足的缺点。我国石油资源最终可采储量约为13015

13、0亿吨，仅占世界石油可采储量砰(4563亿吨)3%左右。到2000年底，我国石油剩余可采储量为24.6亿吨，仅占世界剩余可采储量(1402.8亿吨)的 1.8%。按每平方公里国土的平均资源比较，我国石油可采资源量的丰度值约为世界平均值的57%。剩余可采储量丰度值仅为世界平均值的37%。与世界石油资源量相比，我国具有石油资源量相对不足的缺点。而我国石油缺口即使按比较慢的消费增长速度预测，到20102020年我国石油供应缺口仍将依次为 1.26和2.05亿吨。因此全国各个油田务必要增加油井的产量。我国的油田大部分为早期注水开发，油井的含水量逐年上升，要提高原油产量，必须加大井液提升的能力。因而机采

14、的节能成为待解决的问题之一。随着油田开发的不断深入，我国大多数油田已经进入了开发的中后期阶段，井底压力降低，这就要求抽油机的抽汲能力增强。但目前我国油田广泛采用的抽油机仍然是传统的游梁式抽油机。在传统的抽油机看来，用电动机直接拖动这种低速的抽油机是不可能的，所以必须在原动机与工作机之间设置一个既能减速又能增速的传动装置一减速器。抽油机减速器是一个用来减速、增矩的齿轮传动装置，它是在原动机与工作机之间完成协调转速与匹配力矩的一个传动机械。但是在机械传动过程中，齿轮传动不可避免地存在着机械磨损，由于磨损使整个抽油机系统的效率大为降低，噪音加剧。为了减低机械磨损和传动产生的磨擦热，润滑油的使用是必不

15、可少，定期的更换润滑油不仅增加了日常维护费用，而且油气、油污也会对环境造成直接污染。无需减速机构的低冲次、高冲程的无齿轮曳引式抽油机由于具有结构简单、高效节能等优点成为抽油机领域的研究热点之一，其具有重要的科学意义和实用价值。与游梁式抽油机相比，使抽油机的传动效率明显提高，驱动电动机的功率降低一半，系统的功率因数保持在0.95以上，相同吨位的抽油机占地面积为原来的三分之一，并且抽油机冲程次数可以随意无级调节，平衡调节可以轻松进行，没有减速机，可以不用润滑油，给维护工作带来方便。近年来，国外各大石油公司研究开发了各种新型抽油机，为更经济有效地开采石油做出了卓越贡献。在新型抽油机中，长冲程抽油机品

16、种最多，占有更大的比例，具有较好的抽油性能、提高石油产量、降低采油成本、提高经济效益等优点。根据技术发展预测结果，在今后很长一段时期内，长冲程抽油机仍将是世界抽油机发展的主流和方向，长冲程抽油机将会有更大的发展。 游梁式抽油机存在以下问题:(l)系统整体传动效率低。游梁式抽油机的机械传动机构为异步电动机-皮带轮-减速机-摇臂-游梁-抽油杆，传动链不仅长而且相互之间的耦合效率低。异步电动机的效率与负载率直接相关，游梁式抽油机电机负载率低于40%，其效率一般仅为0.6左右。该系统皮带传动的效率一般为0.93左右，两级齿轮减速的效率0.8左右，摇臂与游梁间的传动效率一般在0.9左右。因此，游梁式抽油

17、机的整体传动效率不足50%。(2)系统的功率因数低。游梁式抽油机的驱动采用通用系列的异步电动机，为了满足抽油机起动力矩的需要，必须选取大1一2个功率等级的电动机。游梁式抽油机的负荷特点是要求的起动力矩大，但是运行时由于巨大的转动惯性和平衡机构的作用，需要的功率仅为电机额定功率的1/31/2，而异步电动机的效率和功率因数都与负载率直接相关，所以电机的效率和功率因数都比较低。若不采取补偿措施，其平均功率因数仅能保持在0.4左右。这对于油井分布地域广阔的抽油机供电系统来说，其供电线路的损耗将是非常巨大的。(3)抽油机体积庞大。游梁式抽油机的机械结构决定了其体积的庞大，一般游梁式抽油机的平均占地面积为

18、50平方米，一般12型抽油机的重量平均在26吨以上。不仅增加制造工业难度，而且加大了原材料消耗。(4)振动噪声严重。游梁式抽油机由于传动结构的原因，振动和噪声十分严重。以辽河油田为例，其部分油井分布在城乡居民的生活区和办公区，抽油机振动和噪声给这些区域的人们带来了十分严重的干扰。(5)运行调整维护困难。游梁式抽油机的平衡调节是靠操作者的感觉决定，调节的不好，不仅会产生振动和噪音，而且对抽油机的使用寿命会造成重大影响。冲程次数只有调节皮带轮的直径，减速机需要定时添加润滑油等都给生产带来巨大的不便，并且每个操作都是重体力劳动。无游梁式抽油机最大优点是不用四连杆机构将旋转运动变为往复直线运动，其运动

19、规律除上下死点有短时间加减速运动外，大部分时间是匀速运动，使惯性载荷大幅度下降，抽油机的性能得到较大改善。无游梁式抽油机容易实现长冲程，相对冲程损失小，有效冲程长。而长冲程抽油机冲次较低，大大降低了运动系统的加速度，惯性载荷小，如链条抽油机、皮带抽油机等。但这些抽油机还存在一些较大的问题，如结构复杂、运动件多、成本高，特别是大多数采用软连接，摆动轮直径不能过大。近年来随着永磁材料和永磁电机技术的进步，开发和生产永磁同步电动机越来越受到国内外抽油机行业的重视。永磁同步电动机具有低速大转矩的优越性能并以其高效节能、低噪声等优势成为当今电机行业的新宠。本课题正是在此基础上提出了研制新型无齿轮曳引式抽

20、油机。其动力源采用永磁同步电动机取代传统的异步电动机，正由于永磁同步电动机的低速大转矩的优越性能，使得其可以直接和负载相连，取消掉了中间的减速器机构，使得抽油机的结构大大的简化，效率有了很大的提高，节约了大量的电能，减小了噪声污染。永磁同步无齿轮曳引技术是抽油机行业一次重大的技术进步，对提高采油装备的现代化及运行效率，对油田稳产，节能降耗，提高开发效率都具有重大的意义。抽油机分类如图1-1所示。抽油机设备总类游梁式抽油机无游梁式抽油机气动平衡抽油机机械平衡抽油机无齿轮曵引式抽油机直线式抽油机链条式抽油机皮带式抽油机后置式机械平衡抽油机前置式机械平衡抽油机游梁平衡抽油机曲柄平衡抽油机复合平衡抽油

21、机曲柄平衡抽油机悬挂偏置游梁平衡抽油机调径变距游梁平衡抽油机前置式曲柄平衡抽油机下偏杠铃游梁复合平衡式抽油机常规复合平衡抽油机摆杆式游梁平衡抽油机特型双驴头游梁式抽油机偏轮式游梁抽油机矮型抽油机常规曲柄平衡抽油机异相曲柄复合平衡抽油机图1-1 抽油机的分类从我国采油工艺技术发展要求、经济效益分析及市场预测结果可知，新型无齿轮抽油机具有较好的适应性、先进性和经济性，是一种较好的有发展前途的采油设备。故对本课题进行深入研究非常必要。这种永磁同步无齿轮曳引式抽油机的优点:节能效果好，平均节电50%。一是用低速大转矩稀土永磁同步电动机取代异步电动机，改变了抽油机的运动机理，具有游梁抽油机无可比拟的动力

22、特性;二是取消了复杂的动力传递和转换环节，也没有减速箱、曲柄连杆、平衡块、游梁、驴头等，使整机机械效率提高;三是采用闭环控制，可根据井况自动改变频率、电压等，功率因数卯%以上，方便采集抽汲参数及电参数，实现智能远程控制;四是启动电流低。降低装机容量。地面抽汲参数调整方便。先进的控制系统和无触点传感技术使得油井抽汲参数做到在线无级调整，极大地减轻操作、维修人员的劳动强度为油井的自动化管理创造了条件。可降低电网冲击负荷。由于低速大转矩稀土永磁同步电动机启动转矩大，并且只有异步电动机60%的功率，大大降低对供电电网的需求容量，为减少基本建设投资创造了良好的条件。防过载能力强，能适应在各种工况条件下，

23、进行采油作业，具有良好的性能。1.2 国内外抽油机的发展状况1.2.1 我国抽油机的发展概况目前，我国抽油机主要制造厂有十几家，产品主要以游梁式抽油机为主，约占抽油机总数的98%99%，有30多种规格，并已形成了系列，基本上满足了陆地油田开采的需要。各种新型节能游粱式抽油机，如前置式抽油机、异相曲柄平衡抽油机、前置式气平衡抽油机、配有CJT型节能拖动装置的常规抽油机和用窄V形带传动的常规抽油机等均已在全国各个油田推广应用，井取得了显著的经济效益。长冲程、低冲次的无游梁式抽油机的研制也取得了一些进展，如由胜利油用设计并与有关厂家协作生产的链条式长冲程抽油机，已有近千台在各油田投入使用，在低冲次抽

24、油和抽稠油方面已初见成效。此外，桁架结构的滑轮组增距式抽油机、滚筒式长冲程抽油机进入了试用阶段；齿轮增距式长冲程抽油机的研制工作也取得了新的进展。重量轻、成本低、便于调速和调整冲程的液压抽油机，经过几年的研制和工业性试采油，也积累了一定的经验。其它型式新颖的抽油机，如带传动游梁式抽油机、新型摇杆抽油机、大轮式游粱抽油机，六连杆游粱式抽油机和斜并抽油机也正处于开发和研制过程中。目前，我国油田现场在用或正在试验的长冲程抽油机大概可以分为五大类:(l)常规游梁抽油机或改进型抽油机是油田生产的主力机型，这几种类型的抽油机结构简单，使用和制造方便，但游梁式抽油机所存在的能耗高、重量大和由于四杆机构的限制

25、，游梁摆角不能过大，难以实现长冲程、低冲次的问题。导致整机体积过大，重量偏重由于其结构的不合理性，使得常规游梁式抽油机无法解决“大马拉小车”，能耗高的缺点。(2)四连杆传动机构抽油机，这类抽油机主要是以曲柄滑块机构为主机构的增程式、浮动轮式等几种。从结构上讲，这种抽油机既可采用曲柄重块平衡，又可采用滑块平衡或气动平衡，但由于滑块行程均比悬点行程小，因此采用滑块气动平衡方式较好，但是抽油机结构复杂，安装维护困难，目前在油田应用已经很少。(3)多连杆机构的抽油机，为了克服四连杆机构抽油机的缺点，因此研制了六连杆抽油机和旋转驴头抽油机。尽管这类抽油机的动力性能较常规及有所改善，但并不显著。另外结构较

26、四连杆抽油机要复杂，所以一般可作为一种补充机型。(4)滚筒式抽油机，是利用换向机构驱动滚筒正、反转，并带动柔性件绕过天轮驱动悬点做上下往复运动的抽油机。常用的心型滚筒和主回零扭矩换向滚筒，还有普通滚筒等几种形式。但是由于换向系统的可靠性和寿命较低，没能在油田大面积推广。(5)链条式抽油机，是利用轨迹链条上的特殊链节，带动往返架往复运动，从而驱动悬点上下运动的抽油机。这种抽油机的优点是:平衡性能好，且调平衡方便，换向和工作是往返架受侧向力小，重量轻;但移动较多，气平衡系统有密封和失载保护问题等。因此故障率较高。总之国内还有多种类型长冲程抽油机处于研制和试验阶段。以上任何一种抽油机都有传动一换向系

27、统、支撑系统和平衡系统三大部分组成。传动一换向系统配有减速机，它将原动机的旋转运动变成悬点的上下往复运动，具有减速功能的部分，一般选用常规减速、传动机构。平衡系统是针对抽油机特殊的载荷情况用来调节原动机的负荷，以保证原动机的正常运转的系统。1.2.2 国外抽油机的发展概况前世界各国仍然大面积的应用游梁式抽油机。美国生产抽油机的公司有十几家，品种复杂，形式繁多。仅1988年第15版的API Spec 11E中规定的常规游梁式抽油机系列就有77种型号，型式有前置式和偏置式。此外，法国，加拿大，前苏联，罗马尼亚等国家均有生产多种游梁式抽油机的厂家。近年来，国外各大石油公司研究开发了各种新型抽油机，为

28、更经济有效地开采石油做出了卓越贡献。在新型抽油机中，长冲程抽油机品种最多，占有更大的比例，具有较好的抽油性能、提高石油产量、降低采油成本、提高经济效益等优点。纵观国外各种长冲程抽油机，大致可分为增大冲程游梁式抽油机、增大冲程无游梁抽油机和长冲程无游梁抽油机三种类型。 (l)增大冲程游梁式抽油机是利用各种机构或元件的运动特性和工作原理增大游梁式抽油机的冲程长度。国外增大冲程抽油机由美国芍ncaid冲程倍增抽油机;英国增大冲程游梁式抽油机;原苏联增大冲程游梁式抽油机;美国Lufkin公司RoTAFLEx皮带抽油机(如图 1.4所示)等。(2)增大冲程无游梁式抽油机是利用各种机构或元件的运动特性和工

29、作原理增大无游梁抽油机的冲程长度。例如美国Lowjack低矮型增大冲程无游梁式抽油机等。(3)长冲程无游梁式抽油机的特点是:没有游梁、不采用曲柄连杆机构换向、也不采用增大冲程机构，利用抽油机本身机构运动特性，实现冲程抽油。该抽油机有立式和卧式两种结构形式:一是立式长冲程无游梁式抽油机，这种抽油机所有设备置于地面上，一般为机架立式结构型式，占地面积较小，但占用空间高度较大。例如:美国ROTAFLEX长冲程、低冲次抽油机;法国Mape长冲程无游梁式抽油机;Dynovation公司长冲程无游梁丛式井抽油机等;二是卧式长冲程无游梁抽油机，该抽油机主要设备置于地面上，平衡中置于地下套管之中，一般为卧式结

30、构型式，占用地和空间高度较小。例如:美国 westen Gear Co. 长冲程无游梁液压抽油机等。1.2.3 国内外抽油机的对比我国抽油机与国际先进水平差距甚大，我国新型节能抽油机发展缓慢，目前我国使用的节能型抽油机有前置式抽油机、异相曲柄平衡抽油机、前置式气平衡抽油机、配有CJT型节能拖动装置的常规抽油机和用窄V形带传动的常规抽油机，有些刚刚结束试制转入使用，仅就前3种抽油机来看，品种规格还不全，批量生产量还很少，因此全面推广应用受到一定限制。如我国目前生产的前置式抽油机只有12型和16型两种规格，迄今仅有500多台在油田使用。而美国Lu fk in公司1959年就取得专利的马克型抽油机(

31、即前置式抽油机)，目前有8个档次46种规格。罗马尼亚的前置式抽油机也有35种规格。我国的第一批异相曲柄平衡抽油机是1986年6月通过部级鉴定的，现在只有为数不多的厂家生产。而早在60年代美CMI公司就采用计算机模拟动态分析辅助设计研制出了异相曲牺平衡抽油机。由于这种抽油机具有许多优点，其经济指标已达到了目前在用抽油机的最好水平，因而在世界范围内获得了广泛的应用。我国生产的前置式气平衡抽油机目前仅有6种规格，悬点载荷为50140KN，冲程为1.85mH。而美国勒夫金公司生产的前置式气平衡抽油机删有26种规格，悬点载荷为48.47213.19K N,冲程为1.376.10m。国外上述几种节能型抽油

32、机还广泛地采用了先进的数控系统，从而能保证采油作业始终处于最佳状态。与此同时，有些国家还先后研制了许多型式新颖的节能抽油机。如美国JoWay工具公司研制的一种前置式全胶带传动无齿轮减速器抽油机，称为大圈抽油机，是采用一个装在曲柄上直径为3.05m的胶带轮来传动的，具有运行平稳、扭矩均衡和良好的节能效果。美国D.L.M钢铁公司研制的一种特殊结构型式的轮式抽油机,只需一台2.27.4kW 的电动机就可以驱动,现场使用情况表观,可节电80%.另外，还有其它型式的如齿形胶带传动抽油机、天然气发动机驱动抽油机、智能抽油机和玻璃钢抽油杆抽油机等节能型抽油机。这些抽油机应用于世界各个地区、各种工况条件下的抽

33、油作业，均取得了良好的节能效果。长冲程抽油机的发展速度不能适应采油业的需要目前，我国常用的长冲程抽油机的冲程一般不超过5m，故我国大多数把冲程超过4.5m的称为长冲程抽油机。目前我国油田在用的绝大部分长冲程抽油机的冲程均在5m以下，且种类不多，规格不全，发展速度缓慢。如我国的链条式长冲程抽油机，早在60年代就开始研制，由于多方面原因，直到最近几年才初步在各油田推广应用。而冲程超过6m的国产长冲程抽油机如KCJ16853HZ抽油机和 LZCJ127.273HB抽油机，仍处在试用阶段。但在国外，自70年代以来，长冲程抽油机(国外系指冲程超过6m的抽油机为长冲程抽油机)的开发和推广应用则得到了很大的

34、发展，有些抽油机的冲程已达到20m以上，并已发展到多品种、系列化。如美国国民供应公司生产的链条式长冲程抽油机，冲程为9.14m，冲数为3min-1，同时还采用微机监控井下泵的工作情况。该公司研制的世界上第一台智能抽油机，总高仅2.44m，其最大冲程却已经达到12.19m，冲程长度可以进行调节。而Wes-tern Gear公司生产的液压驱动、重锤平衡(重锤置于一事先挖好的鼠洞内)的长冲程抽油机，冲程可达24.38m，悬点载荷为155.6kN。液压抽油机仍处于研制阶段，我国液压抽油机的起步较晚，加之我匣液压技术水平与国际先进水平存在着差距，从而阻碍 了液压抽油机的发展。山吉林工业大学研制的第一台国

35、产液压抽油机1987年底通过工厂台架试验，经试乐运行，发现存在不少问题，如漏油、发热、可靠性差，连续运行时间远远低于游梁式抽油机，关键液压元件的质量较差等。加之液压抽油机的维护保养比游粱式抽油机复杂得多，从而阻碍了其推广应用。早在40年代，美、苏就已先后研制出液压抽油机(美国Lu fk in公司曾经生产出4种型号、最大悬点载荷158KN、冲程为6.112.2m的液压抽油机。苏联全苏石油机械研究院和阿塞拜疆石油机械研究所也先后试制成3种型号、悬点载荷30150kN，冲程310m的液压抽油机)。随着液压技术的发展，国外液压抽油机的研制和推广应用近年来又有了新的发展。如加拿大热能发展有限公司研制的液

36、缸式无游梁抽油机，特别适于用来开采稠油。这种抽油机悬点载荷为57.57106.75kN，冲程为2.794.88m，并配有电了控制监测系统，用控制抽油机冲程及冲程位置、冲程参数，监控抽油杆足否过载，确保抽油系统安全运行。美国Mape公司生产的液压驱动塔架式长冲程抽油机，有6种规格，其冲程可以从2.5m 调到10m，并可在05min范围内任意调节冲程次数。这些液压抽油机已广泛地应用于油田采油作业中。1.3 国内外永磁同步电动机的发展概况国内外学者都在研究永磁同步电动机的各种转子形状，其设计准则都是通过增加磁通、减弱电枢反应或高速运行来提高功率密度和效率。同时永磁同步电动机的稳态性能研究和起动过程研

37、究一直以来是国内外专家研究分析的焦点。永磁同步电动机设计的计算精确度直接决定了电动机的性能，因而永磁同步电动机的设计方法目前显得越来越重要。1.3.1 国内发展概况我国在永磁同步电动机的开发和应用上取得重大成就，先后开发了应用于纺织行业中织布机、细纱机以及化纤机械、风机泵类等多种规格和型号的永磁同步电动机，取得了较好的经济效益。800W纺织专用永磁同步电动机是国内第一台研制成功的永磁同步电动机，效率高达91%，功率因数高于0.95，节能率高达10%以上，己经进行生产并取得了很好的经济效益。而且我国己研制成最大容量为110kW和250kW的永磁同步电动机。我国稀土资源丰富，高性能的稀土永磁材料已

38、实现产业化，钕铁硼的产量现己居世界第一位，钕铁硼的价格也趋向合理。计算结果统计资料表明，中小型永磁同步电动机的效率可提高5%，节电率10%，某些专用永磁同步电机节电达15%20%，所以发展永磁同步电动机是新世纪电机工业技术发展趋势。永磁同步电动机具有很高的矫顽力，故充磁方向很薄的永磁体就可提供较高的气隙磁密和磁势。因此，除了传统的径向磁路结构外，当极数较少时，还可采用切向磁路结构或混合式结构。虽然国内关于永磁同步电动机的研究己经进行了很多工作，但迄今为止，永磁同步电动机在我国并没有得到全方面的推广，其原因是多方面的。其一是永磁同步电动机成本很高，但是随着稀土永磁材料的发展，永磁同步电动机的成本

39、呈下降趋势，同时在永磁同步电动机设计中如何选用适量的稀土永磁体用量以成为学术界研究分析的重点。此外，永磁同步电动机的铁耗相比于异步电动机比较复杂，如何准确分析和计算是设计高效节能永磁同步电动机的关键。1.3.2 国外发展概况国外利用永磁材料进行永磁同步电动机的开发已经有20多年的历史。1978年，法国的CEM公司研制的ISOSYN系列0.5518.5kW的稀土钴永磁同步电动机，效率比一般的异步电动机高2%10%，功率因数提高0.050.15。1.4 研究内容本课题主要研究新型无齿轮曵引式抽油机用永磁同步电动机的仿真，通过对新型无齿轮曵引式抽油机用永磁同步电动机的电磁特性计算所得到的参数结果应用

40、有限元分析软件对新型无齿轮曵引式抽油机用永磁同步电机进行磁场分析，得到仿真结果。1.5 章节安排第1章绪论，介绍课题-新型无齿轮曵引式抽油机用永磁同步电动机的来源及研究意义和国内外的发展概况。第2章主要介绍新型无齿轮曵引式抽油机的结构和工作原理及新型无齿轮曵引式抽油机用永磁同步电动机的结构及工作原理。第3章介绍永磁同步电动机的电磁计算的主要思想及方法。第4章根据前一章的计算结果进行有限元的分析，得到新型无齿轮曵引式抽油机用永磁同步电动机的仿真结果。第5章是对新型无齿轮曵引式抽油机用永磁同步电动机研究的结论与后续工作展望。第2章 抽油机系统的结构与工作原理2.1 新型抽油机的机械结构及工作原理2

41、.1.1 机械结构由于常规游梁式抽油机受四连杆机构和减速机的限制，存在平衡效果差、惯性载荷大、传动效率低、能耗大等弊端。新型无齿轮曳引式抽油机采用全新的工作原理，在变频控制方面采用多项高新技术，改变了传统抽油机的运动机理，是一种新型无游梁曳引式抽油机。新型无齿轮曳引式抽油机的结构如图2.1所示。直线电机配重动子定子基座柔性连绳抽油机连杆图2-1新型无齿轮曳引式抽油机的结构2.1.2 工作原理新型无齿轮曳引式抽油机的工作原理:改变了过去抽油杆由三相交流异步电动机转经四连杆机构和减速机变为直线运动的方法，通过低速大转矩永磁同步电动机直接驱动负载，取消减速机，将低速大转矩永磁同步电动机的旋转运动直接

42、转化为抽油杆的直线往复运动。该抽油机结构简单、质量轻、占地面积小、调节方便、易于操作，具有更加完善的运动性能、动力性能和平衡性能。与相同规格的常规抽油机相比，其质量和占地面积仅为常规游梁式抽油机的50%，特别是新型无齿轮曳引式抽油机的效率高，上下冲程速度可以单独无级调整，可用于稠油、深井和大排量抽油。2.2 新型抽油机用永磁同步电动机结构及其工作原理2.2.1 电机结构近年来永磁材料在研究开发上取得了重大进展，这样永磁同步电动机有了迅速的发展。不仅小功率的永磁同步电动机品种繁多，而且容量较大的、百千瓦级的永磁同步电动机也开始生产。永磁同步电动机可分成两类:一类是反电动势波形和供电电流波形都是理

43、想矩形波的无刷直流电动机，另一类永磁同步电动机两种波形都是正弦波，就是通常所说的永磁同步电动机。本论文主要介绍第二种正弦波永磁同步电动机(PMSM)。抽油机驱动系统中所需要的理想驱动模型是要求驱动系统低转速、大转矩。所谓低转速大转矩通常是指系统的拖动转速低于500rpm、额定转矩在500N·m以上的传动系统，或者说通常必须由减速机才能实现的拖动系统。对于直流电动机由于机械换相器的存在，降低了传动系统的可靠性和使用寿命。对于要求电机频繁正反转起动、负载率经常变化的抽油机传动系统，直流电动机是难以胜任的。另外，直流电动机由于结构的原因，体积比异步电动机大，或者说使系统的传输功率密度降低，

44、振动、噪声以及换向电磁干扰等的存在，难以满足各种不同负载的要求。交流异步电动机为了达到低转速就必须制成高极数。然而，由于异步电动机很难做成高极数，随着电机极数的增加使电动机电流增大，损耗增大，温度升高，运行特性变坏。因此，在抽油机驱动系统中，异步电动机通常需要与减速机配套使用才能满足负载对力矩和速度的需要。因此，传统的抽油机驱动模式一般是减速机一电动机的驱动模式，使用的电动机主要是三相异步电动机。由于有齿轮箱的减速机存在，抽油机系统所带来的问题有效率低、噪声大、结构复杂、维护工作难度大等。对比上述两种电机，永磁同步电动机不需要励磁电流，采用金属粘贴技术可使转子制造变得非常容易，实现的工艺简单，

45、可以轻松制成高极数，配合以低频变频器，很容易实现低转速、大转矩。永磁同步电动机仍然是由定子(电抠)、转子以及机壳等结构部件构成，与电励磁同步电动机在结构上的区别主要在于转子磁极采用了永磁结构，因此也就可以省去了滑环和电刷装置。图2-2为一台永磁同步电动机的横截面示意图。图中1定子、2永磁体、3转轴、4转子铁心。1234图2-2 永磁同步电动机的横截面示意图本节将主要介绍永磁同步电动机的磁路结构。永磁同步电动机与其他电机的最主要的区别是转子磁路结构，永磁同步电动机的转子磁路结构可分为三种：表面式、内置式和爪极式。1) 表面式转子磁路结构表面式转子磁路结构又分为凸出式（图2-3(a)）和插入式（图

46、2-3(b)）两种，对采用稀土永磁的电机来说，由于永磁材料的相对回复磁导率接近1，所以表面凸出式转子在电磁性能上属于隐极转子结构；而表面插入式转子的相邻两永磁磁极间有着磁导率很大的铁磁材料，故在电磁性能上属于凸极转子结构。图中1永磁体、2转子铁心、3转轴。ab321123(a)(b)图2-3表面式转子磁路结构表面凸出式转子结构由于其具有结构简单、制造成本较低、转动惯量小等优点，在矩形波永磁同步电动机和恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电动机中得到了广泛的应用。此外，表面凸出式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能使电动机气隙磁密波形趋近于正弦波的磁极形状，可显著提高电动机乃至整个传动

47、系统的性能。表面插入式转子结构可充分利用转子磁路的不对称所产生的磁阻转矩，提高电动机的功率密度，动态性能较凸出式有所改善，制造工艺也较简单，常被某些调速永磁同步电动机所采用。但漏磁系数和制造成本都较凸出式大。总之，表面式转子磁路结构的制造工艺简单、成本低，应用较为广泛，尤其适宜于矩形波永磁同步电动机。但因转子表面无法安放起动绕组，无异步起动能力，不能用于异步起动永磁同步电动机。2) 内置式转子磁路结构内置式转子磁路结构的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间（对外转子磁路结构则为永磁体内表面与转子铁心外圆之间）有铁磁物质制成的极靴，极靴中可以放置铸铝笼或铜条笼，起阻尼或（和）起动作

48、用，动、稳态性能好，广泛应用于要求有一部起动能力或动态性能高的永磁同步电动机。内置式转子内的永磁体收到极靴的保护，其转自磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩也有助于提高电动机的过载能力和功率密度，而且易于“弱磁”扩速。按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，内置式转子磁路结构又可分为径向式、切向式和混合式三种。图中1转轴、2永磁体槽、3永磁体、4转子导条。dc213443143a2143b(a)(b)(c)(d)图2-4内置径向式转子磁路结构径向式结构（图2-4）的优点是漏磁系数小、转轴上不需要采取隔磁措施、极弧系数易于控制、转子冲片机械强度高、安装永磁体后转子不易变形等。图2-4(a)是早期

49、采用的转子磁路结构，现已较少采用。图2-4(b)和(c)中，永磁体轴向插入永磁体槽并通过隔磁磁桥限制漏磁通，结构简单，运行可靠，转子机械强度高，因而近年来应用较为广泛。图2-4(c)比(b)提供了更大的永磁体空间。图2-4(d)属于外转子结构，它也属于内置径向式的磁路结构。切向式结构（图2-5）的漏磁系数较大，并且需采用响应的隔磁措施，电动机的制造工艺和制造成本较径向式结构有所增加。其优点在于一个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可得到更大的每极磁通。此外，采用切向式转子结构的永磁同步电动机的磁阻转矩在电动机功率密度和扩展电动机的恒功率运行范围都是很有利的。图中1转轴、2空气隔磁槽3-永磁体

50、、4转子导条。341ba)341(a)(b)图2-5内置切向式转子磁路结构混合式结构（图2-6）集中了径向式和切向式转子结构的优点，但其结构和制造工艺均较复杂，制造成本也比较高，图2-6(a)是由德国西门子公司发明的混合式转子磁路结构，需采用非磁性转轴或采用隔磁铜套，主要应用于采用剩磁密度较低的铁氧体永磁的永磁同步电动机。图2-6(b)所示结构的径向部分永磁体磁化方向长度约是切向部分永磁体磁化方向长度的一半。图2-6(c)和(d)是由图2-4径向式结构(b)和(c)衍生来的两种混合式转子磁路结构。其永磁体的径向部分与切向部分的磁化方向长度相等，也采取隔磁磁桥隔磁。在图2-4(b)和(c)、图2

51、-6(c)和(d)这四种结构中，转子依次可为安放永磁体提供更多的空间，空载漏磁系数也依次减小，但制造工艺却依次更复杂，转子冲片的机械强度也依次有所下降。1转轴、2永磁体槽、3永磁体、4转子导条。3214c3241d3421a3421b(a)(b)(c)(d)图2-6内置混合式转子磁路结构在选择转子磁路结构时还应考虑到不同转子磁路结构电机的交、直轴同步电抗Xq、Xd及其比例Xq/Xd（成为凸极率）也不同。在相同的条件下，上述三类内置式转子磁路结构电动机的直轴同步电抗Xd相差不大，但是他们的交轴同步电抗Xq却相差较大。较大的Xq和凸极率可以提高电动机的嵌入同步能力、磁阻转矩和电动机的过载倍数，因此

52、设计高过载倍数的电动机时可充分利用大的凸极率所产生的磁阻转矩。3) 爪极式转子磁路结构爪极式转子磁路结构通常由两个带爪的法兰盘和一个圆形的永磁体构成，图2-7为其结构示意图。左右法兰盘的爪数相同，且两者的爪极互相错开，沿圆周均匀分布，永磁体轴向充磁，因而左右法兰盘的爪极分别形成极性相异，互相错开的永磁同步电动机的磁极。爪极式转子结构永磁同步电动机的性能较低，又不具备异步起动能力，但结构和工艺较为简单。图中1左法兰盘、2圆环形永磁体、3右法兰盘4非磁性转轴。1324图2-7爪极式转子磁路结构2.2.2 工作原理永磁同步电动机的工作原理与同步电动机是相似的，因此从同步电动机的基本原理出发讨论其工作

53、原理。与异步电动机类似，同步电动机是由定子和转子两部分构成。定子部分包括铁心、通以三相交流电流的定子绕组，转子部分包括主磁极、装在主磁极上的通以直流电流的励磁绕组、笼型启动绕组和电刷等部件。同步电动机的工作原理如图2-6所示，在定子绕组中通以三相交流电流，可在气隙内产生一个旋转磁场，如果三相交流电流的频率为f，定子的极对数为p，则该旋转磁场的旋转速度为这个旋转速度也成为同步转速。图2-8 永磁同步电机工作原理图转子绕组中通入直流电流，将在气隙中又形成一个与转子绕组直流电流相对应的直流励磁磁场，使电动机体积和质量大为减小，结构简单、维护方便，效率比同容量异步机高4%13%，功率因素提高5%20%

54、。永磁同步电动机也是由定子和转子组成。定子由铁心、定子绕组组成，其中定子绕组是通过对称三相交流电流的三相绕组。转子是可以产生转子磁通的永久磁铁。由于永磁同步电动机转子励磁磁场是由永久磁铁产生的，应尽可能为正弦形，所以其转子上的永磁体表面做成面包形，以形成不均匀气隙，产生正弦形的气隙磁场。如果在电动机轴上装一台转子位置检测器，则可以实现永磁同步电动机的转子位置反馈，保证定子绕组中电流频率与转子转速总是一一对应，这种具有位置检测装置的永磁同步电动机属于自控式同步电动机，有自启动的能力，转子上下不需要额外安装启动绕组。永磁同步电动机的工作原理与同步电动机相似，定子绕组通入三相交流电流后，三相交流电流

55、在转子气隙中形成旋转磁场，该旋转磁场（以N0,S0表示）以同步角速度0旋转。与普通的同步电动机不同，由于永磁同步电动机的转子是永久磁铁，其转子磁通是永久磁铁产生，而不需要再对转子绕组通入直流电流，根据两异性磁铁互相吸引的原理，定子磁铁的N0（或S0）极吸住转子永久永久磁铁的S(或N)极，以同步角速度在空间旋转，即转子和定子磁场同步旋转。维持转子的电磁转矩是定子旋转磁场和转子永久磁铁相互作用产生的。2.3 主要性能指标及永磁同步电动机的主要参数新型无齿轮曵引式抽油机主要技术指标如下：1、 系统工作环境：-40+50；2、 冲程长度：48m连续可调，最大冲程长度8m；3、 冲程次数：23/min连

56、续可调；4、 冲程误差：±15cm；5、 抽油机驱动系统电动机平稳换向；6、 改善抽油机的运行可靠性，定期自检、自诊断及软件保护功能。主要指标与技术参数：1、 电机额定功率：20kW2、 相数：3，Y型连接3、 极数对p：204、 额定相电压：220V5、 额定频率：2OHz6、 功率因数:0.9432.4 小结本章研究了新型无齿轮曵引式抽油机的结构及工作原理和永磁同步电动机的结构及工作原理。本章提出了新型无齿轮曵引式抽油机的主要技术性能指标及永磁同步电动机的主要参数。第3章 永磁同步电动机的电磁设计3.1 永磁同步电动机的设计永磁同步电动机的电磁设计基本方法和普通同步电动机的设计方法有很全相似之处，但也存在不同之处。其基本设计思路：由技术要求首先确定转子结构和永磁体材料性能，再由电磁负荷(A,B)，确定主要尺寸(Dil和leff)，其电磁设计计算流程如图3.1所示。该方程思路清晰，参数确定和方案调整都很方便，对电机研发人员来说非常习惯，但需要很多经验参数。已知或给定设计任务确定转子结构型式估计A,B确定电机基本尺寸D、L，设计定子冲片确定磁钢用量，设计转子冲片磁路计算，空载点计算绕