關(guān)于石油抽油機用外轉(zhuǎn)子永磁電機設(shè)計與有限元分析的研究
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作者：張毅
游梁式抽油機俗稱“磕頭機”，是目前主要的抽油設(shè)備，其主要特點是結(jié)構(gòu)簡單、便于維護，但是結(jié)構(gòu)笨重，在抽油的一個沖次中負(fù)載不均衡，電動機輸出功率有70%是無用功，耗能大。無游梁式抽油機主要有皮帶傳動式、鏈條傳動式等，其中，直線電機傳動和液壓傳動實現(xiàn)了直驅(qū)式，但成本高，維護不便。針對此現(xiàn)象，筆者研究了一種新型的外轉(zhuǎn)子永磁電機，將該電機應(yīng)用在塔式抽油機上，實現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩、直驅(qū)式的抽油過程，與游梁式抽油機相比，抽油效率提高了50%，節(jié)約電能40%。
1 外轉(zhuǎn)子永磁電機電磁方案的確定
外轉(zhuǎn)子永磁電機在塔式抽油機上的應(yīng)用如圖1所示。電機外形呈圓盤狀，在電機兩側(cè)，卷筒與外轉(zhuǎn)子通過螺紋連接固定在一起；抽油桿皮帶和配重皮帶分別以相反的方向繞在卷筒上，當(dāng)抽油時，抽油桿向上運動，配重向下運動，抽油桿復(fù)位向下運動時，配重往上運動，完成一次抽油過程。
根據(jù)石油抽油機的工作參數(shù)，確定外轉(zhuǎn)子永磁同步電機的技術(shù)參數(shù)，如表1所示。
1.1 外轉(zhuǎn)子永磁電機主要尺寸的確定
本文研究分析的外轉(zhuǎn)子永磁同步電機的轉(zhuǎn)速為25 r／min，由式(1)可確定相應(yīng)的極對數(shù)：
其中：p為極對數(shù)，取為40對極；n為電機轉(zhuǎn)速，r/min。代入相關(guān)參數(shù)，計算得廠=16.7 Hz。
對于外轉(zhuǎn)子永磁電機而言，電機定子外徑與鐵芯長度之間的關(guān)系可以通過式(2)計算：
其中：D為電樞外徑，m;/l，為電樞鐵芯長度，m; Pm,為電機的計算功率，kW;aP為計算極弧系數(shù)；Kdp為氣隙磁場的波形系數(shù)；KN。為電樞的繞組系數(shù)；A為電樞繞組的電負(fù)荷，A／m；Ba為氣隙磁密最大值，T。
式(2)中，電磁功率P。和額定轉(zhuǎn)速”是根據(jù)設(shè)計參數(shù)給定的，其他參數(shù)如極弧系數(shù)、波形系數(shù)等的變化范圍較小，因此，電負(fù)荷A及氣隙磁密B。的選擇對電機主要尺寸影響大，決定了電機的體積。磁負(fù)荷的選擇由選用的永磁材料性能和永磁體尺寸決定，永磁體材料選取之后，磁負(fù)荷的變化范圍就確定了；當(dāng)氣隙磁密B8確定之后，外轉(zhuǎn)子永磁電機的電負(fù)荷對電機尺寸的影響起到了關(guān)鍵作用。電負(fù)荷的表達(dá)式為：
其中：m為電機相數(shù)；W為每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)；IN為繞組相電流。
從式(2)可以看出，當(dāng)永磁電機功率、極對數(shù)確定之后，電負(fù)荷A越大，那么永磁電機的尺寸越小，能量密度越高，可以節(jié)約有效材料，降低制造成本。
在直驅(qū)式、低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的工況下，電機的空載反電勢低。從式(3)得出，為了提高電機的空載反電動勢，通常需要增加線圈匝數(shù)或者增加相電流，這將導(dǎo)致電機發(fā)熱量大、銅損高、電負(fù)荷增大；當(dāng)保持繞組匝數(shù)和繞組電流不變的情況下，增大定子外徑，可減小電負(fù)荷，但是電機體積增大，鐵耗、銅耗增大，永磁體用量增多，制造成本高。
經(jīng)過以上分析，電負(fù)荷A初選為2.5×l04 A／m，磁負(fù)荷Ba初選為0.96 T，查閱電機設(shè)計手冊，確定其他系數(shù)。經(jīng)計算，電機定子外徑D為1032 mm，定子鐵芯長度為290 mm。
1.2永磁體設(shè)計
永磁體設(shè)計選擇的原則為：①能夠提供滿足要求的氣隙磁場；②保證電機在惡劣工況下工作時，永磁體的穩(wěn)定性高。結(jié)合外轉(zhuǎn)子電機轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩大的運行工況，選擇的永磁材料為釹鐵硼永磁材料，牌號為N35H，剩磁密度為1.2 T，磁感應(yīng)矯頑力為890 kA/m，最高工作溫度為120。。
永磁體的幾何尺寸主要包括磁化方向長度尺寸h。及寬度bm，由式(4)及式(5)確定：
其中：u，為相對回復(fù)磁導(dǎo)率；B，為剩磁密度，T;8，為計算氣隙長度；a。為極弧系數(shù)；r為極距。
當(dāng)永磁體磁化方向尺寸hm增大時，電機直軸電感下降，可以提高外轉(zhuǎn)子永磁電機的電磁轉(zhuǎn)矩，但是在恒功率運行時，電機電流會增大，要防止電流過載；當(dāng)h。減小時，電機的抗磁能力下降，永磁體易退磁，機械強度性能下降。
永磁電機每極磁通面積由永磁體寬度方向的尺寸bm決定，當(dāng)bm增大時，每極磁通增大，促使空載反電勢增大。將相關(guān)參數(shù)代人式(4)及式(5)，經(jīng)計算得hm一9 mm, hm一27 mm。
1.3 定子沖片設(shè)計
當(dāng)電機的極對數(shù)和相數(shù)確定之后，其定子總槽數(shù)由式(6)確定：
其中：q為每極每相槽數(shù)；Q為定子總槽數(shù)。當(dāng)q為真分?jǐn)?shù)時，極槽配合為分?jǐn)?shù)槽配合類型，其優(yōu)點是可以實現(xiàn)集中繞組，改善電動勢波形，減小線圈端部長度，降低銅的使用量，銅耗降低，同時，功率密度高，繞組布線工藝簡單，但是產(chǎn)生的電磁徑向力大。根據(jù)經(jīng)驗，選取q為0. 375的分?jǐn)?shù)槽，經(jīng)式(6)計算得，總槽數(shù)為90，定子沖片材料選為DW465_50硅鋼片。
經(jīng)過初步計算，電機的主要尺寸如表2所示。
2外轉(zhuǎn)子永磁同步電機有限元分析
2.1有限元模型的建立
本文設(shè)計外轉(zhuǎn)子永磁同步電機為80極90槽，根據(jù)電磁方案，將電機尺寸輸入ANSYS Maxwell中的RMxprt模塊，采用導(dǎo)出2D模型的方法，為了節(jié)省計算時間，選取電機的最小周期，本文分析取電機十分之一模型。
2.2材料定義及網(wǎng)格剖分
進(jìn)入材料管理器設(shè)置定子、轉(zhuǎn)子、繞組、永磁體、氣隙、求解域等部分的材料參數(shù)，指定氣隙、求解域材料屬性為空氣；繞組材料為銅；定子材料為DW465_50硅鋼片，并輸入B-H曲線；永磁體材料為N35H，輸入剩磁密度及矯頑力，得到磁化曲線；轉(zhuǎn)子材料為45鋼，輸入其B-H曲線。采用基于模型內(nèi)部單元邊長的網(wǎng)格劃分方式，對氣隙處網(wǎng)格進(jìn)行分層加密劃分，提高計算精度。
2.3 邊界條件定義
選擇求解域平行于X軸的徑向邊界，設(shè)置為主邊界Master，選擇另一條徑向邊界為從邊界Slave，并使邊界方向由圓心指向外側(cè)，由于兩條邊界處的各個場量方向相同、大小相等，設(shè)置其磁密度相等，即B，一B。，；對求解域的外圓圓周設(shè)置磁力線平行條件，如圖2
所示。
2.4 空載分析
電機在不施加外負(fù)載的情況下，激勵源由永磁體提供，對其進(jìn)行靜磁場分析，得出的磁力線及磁通分布如圖3、圖4所示。
從圖3、圖4可以得出，磁力線及磁場分布合理，在定子槽開口處，磁密達(dá)到最大值1.8 T，定子齒平均磁密為1.5 T。空載時，徑向氣隙磁密波形如圖5所示。
由圖5得出，氣隙磁密波形頂部并不平整，有凹陷，這是由于定子槽口處的磁阻較大引起的缺陷，有限元計算氣隙磁密最大值為0.911 T。
對氣隙磁密曲線進(jìn)行傅里葉分解，如圖6所示。氣隙磁密各次諧波幅值如圖7所示。
從圖6可以得出，空載氣隙磁密波形近似接近正弦波分布，對電機性能影響較大的是5次諧波和7次諧波。由圖7可以得出，5次諧波占基波的比例為10. 2%，7次諧波占基波的比例為4.7%，5次諧波對電機性能的影響主要是繞組帶來的，可以采用短距集中繞組來消除；采用定子斜槽可以消除各次諧波的影響，達(dá)到減小電機振動的目的，使電機運行更平穩(wěn)。
3結(jié)論
(1)本文闡述了當(dāng)前石油抽油機效率低的問題，設(shè)計了一種80極90槽、轉(zhuǎn)速為25 r／min的外轉(zhuǎn)子永磁電機，實現(xiàn)了直驅(qū)式傳動。
(2)運用ANSYS Maxwell軟件，對電機空載工況進(jìn)行有限元分析，通過對電機磁通及磁力線分布、氣隙磁密波形的研究，驗證了設(shè)計的合理性。
4摘要：結(jié)合石油抽油機的工況，設(shè)計了一種外轉(zhuǎn)子永磁同步電機，該電機具有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩、直驅(qū)式的特點，解決了傳統(tǒng)石油抽油機效率低的問題。運用ANSYS Maxwell軟件建立了分析模型，對電機空載特性進(jìn)行了仿真計算，分析氣隙磁密波形對電機性能的影響，并對電機設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化。
