本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：新型無(wú)齒輪曳引式抽油機(jī)用永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)與仿真研究—永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)有限元分析學(xué)院：專業(yè)：班級(jí)：學(xué)生：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：職稱：摘要抽油機(jī)是油田生產(chǎn)常用的設(shè)備之一，無(wú)需減速機(jī)構(gòu)的低沖次、高沖程的無(wú)齒輪曳引式抽油機(jī)由于具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)成為抽油機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一；為了簡(jiǎn)化抽油機(jī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，減輕繁重的日常維護(hù)工作，本文使用高效的永磁同步電動(dòng)機(jī)，無(wú)齒輪曵引式抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)改變了抽油機(jī)的運(yùn)行機(jī)理，取消了復(fù)雜的動(dòng)力傳遞和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，減少電機(jī)損耗，使整機(jī)效率提高本文介紹了ANSYS軟件的有限元分析功能，并應(yīng)用ANSYS軟件的有限元分析功能以及能量法等方法對(duì)無(wú)齒輪曳引式抽油機(jī)的機(jī)架，驅(qū)動(dòng)用電機(jī)的主軸，天輪和曳引輪等主要部件進(jìn)行了有限元的靜態(tài)分析和極限情況的瞬態(tài)分析，確定了所設(shè)計(jì)的部件在所遇到的工況下是安全的，確保了抽油機(jī)整體的安全性。本文主要研究?jī)?nèi)容如下：利用有限元對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行磁場(chǎng)分析與計(jì)算。利用有限元建立磁場(chǎng)求解模型，仿真空載磁場(chǎng)的分布、氣隙磁密、空載電動(dòng)勢(shì)和電機(jī)在實(shí)際負(fù)載下的磁場(chǎng)分布。研究得到的結(jié)果如下：應(yīng)用有限元分析與計(jì)算得到了磁力線分布圖、氣隙磁密波形、瞬態(tài)時(shí)空載反電動(dòng)勢(shì)波形圖。在有限元磁場(chǎng)分析計(jì)算中，有限元剖分對(duì)解的精度有著不可忽視的影響，通過(guò)提高剖分的節(jié)點(diǎn)數(shù)，計(jì)算精度將有所提高。根據(jù)磁場(chǎng)分布對(duì)不同的區(qū)域，合理的選擇剖分單元尺寸進(jìn)行剖分，可以得到較為滿意的剖分結(jié)果?！娟P(guān)鍵詞】抽油機(jī)；永磁同步電動(dòng)機(jī)；磁路分析AbstractPumpingunitiscommonequipmentintheproductionofoilfield,lowfrequency,highstrokegearlesstractionoilpumpingunitisthehotspotinthefieldofpumpingunitbecauseofasimplestructure,highefficiencyandenergy-savingadvantages.gearlesstractionoilPumPingunitChangestheoperationofpumpingmechanismwithPermanentMagnetieSynehronousMotor(PMSM)andcancellsacomplexpowertransmissionandconversionlinks,sothatmachineefficiencyincreased.Thispaperintroducesthefinite-elementanalysisfunctionsofsoftwareANSYS,andthefiniteelementanalysismethodsoffunctionandtheenergymethodforgearlesstractionoilPumPingunitwithmotorframe,drivingthespindle,headsheaveandtractivesheaveetc.,themaincomponentsofthestaticfiniteelementanalysisandlimitcircumstanceoftransientanalysis,identifiedinthedesignofcomponentsmetconditionsaresafe,ensurethesafetyofthepumpingunitoverall.ThispaperstudiesgearlesstractionoilPumPingunitwithPermanentMagnetieSynehronousMotor(PMSM).Analysingandcalculatingthemagneticfieldofpermanentmagnetsynchronousmotor.byfiniteelement.BulidingthesolutionmodelofMagneticfield,simulatingNo-loadmagneticfielddistribution,andairgapfluxdensity,no-loadvoltageandthemotor'smagneticfieldintheactualloaddistribution.Researchresultsareasfollows:Igetamapofthemagnetosphere,airgapfluxdensitywave,transientno-loadback-EMFwaveformdiagrambyfiniteelement.Infiniteelementanalysiscalculation,theimpactoffiniteelementmeshonthesolutionaccuracycannotbeignored.Byincreasingthenumberofnodesinsplit,theaccuracywillbeimproved.Accordingtothemagneticfielddistributiononthedifferentrational,makingasensiblechoicesplittosplittheunitsize,wecangetmoresatisfactoryresults.【KeyWords】PumpingUnit,PermanentMagnetieSynehronousMotor(PMSM),Magneticcircuitanalysis目錄摘要 IAbstract II目錄 III圖表目錄 4第1章緒論 11.1課題背景及選題意義 11.2國(guó)內(nèi)外抽油機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r 51.2.1我國(guó)抽油機(jī)的發(fā)展概況 51.2.2國(guó)外抽油機(jī)的發(fā)展概況 61.2.3國(guó)內(nèi)外抽油機(jī)的對(duì)比 71.3國(guó)內(nèi)外永磁同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況 81.3.1國(guó)內(nèi)發(fā)展概況 91.3.2國(guó)外發(fā)展概況 91.4研究?jī)?nèi)容 91.5章節(jié)安排 9第2章抽油機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理 112.1新型抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理 112.1.1機(jī)械結(jié)構(gòu) 112.1.2工作原理 112.2新型抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及其工作原理 122.2.1 電機(jī)結(jié)構(gòu) 122.2.2 工作原理 162.3主要性能指標(biāo)及永磁同步電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù) 172.4小結(jié) 18第3章永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì) 193.1永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 193.2主要尺寸選擇 203.3永磁體設(shè)計(jì) 203.4電磁設(shè)計(jì)參數(shù) 213.5小結(jié) 21第4章抽油機(jī)用永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)有限元分析 224.1 ANSYS11.0的介紹 224.2 磁場(chǎng)有限元分析基本原理 224.3 永磁同步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)的有限元分析和計(jì)算 244.4 邊界條件的確定 254.5 永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)有限元分析數(shù)學(xué)模型建立 264.5.1 指定材料屬性 284.5.2 設(shè)定邊界條件和激勵(lì)源 284.6 仿真分析結(jié)果 294.7 小結(jié) 31第5章全文總結(jié)與展望 325.1本文總結(jié) 325.2后續(xù)工作展望 32參考文獻(xiàn) 33致謝 35圖表目錄TOC\h\z\t"題注"\c圖1-1抽油機(jī)的分類 4圖2-1新型無(wú)齒輪曳引式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu) 11圖2-2永磁同步電動(dòng)機(jī)的橫截面示意圖 13圖2-3表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu) 13圖2-4內(nèi)置徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu) 14圖2-5內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu) 15圖2-6內(nèi)置混合式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu) 15圖2-7爪極式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu) 16圖2-8永磁同步電機(jī)工作原理圖 17圖3-1永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)流程 19表3-1電磁設(shè)計(jì)主要參數(shù) 21圖4-1永磁同步電動(dòng)機(jī)求解區(qū)域 25圖4-2電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 27圖4-5永磁同步電動(dòng)機(jī)具體的剖分結(jié)果 29圖4-6磁力線分布圖 30圖4-7氣隙磁密波形 30圖4-8瞬態(tài)時(shí)空載反電動(dòng)勢(shì)波形 31TOC\h\z\c"表3-"表3-1電磁設(shè)計(jì)主要參數(shù) 19緒論課題背景及選題意義與世界石油資源量相比，我國(guó)具有石油資源量相對(duì)不足的缺點(diǎn)。我國(guó)石油資源最終可采儲(chǔ)量約為130—150億噸，僅占世界石油可采儲(chǔ)量砰(4563億噸)3%左右。到2000年底，我國(guó)石油剩余可采儲(chǔ)量為24.6億噸，僅占世界剩余可采儲(chǔ)量(1402.8億噸)的1.8%。按每平方公里國(guó)土的平均資源比較，我國(guó)石油可采資源量的豐度值約為世界平均值的57%。剩余可采儲(chǔ)量豐度值僅為世界平均值的37%。與世界石油資源量相比，我國(guó)具有石油資源量相對(duì)不足的缺點(diǎn)。而我國(guó)石油缺口即使按比較慢的消費(fèi)增長(zhǎng)速度預(yù)測(cè)，到2010—2020年我國(guó)石油供應(yīng)缺口仍將依次為1.26和2.05億噸。因此全國(guó)各個(gè)油田務(wù)必要增加油井的產(chǎn)量。我國(guó)的油田大部分為早期注水開(kāi)發(fā)，油井的含水量逐年上升，要提高原油產(chǎn)量，必須加大井液提升的能力。因而機(jī)采的節(jié)能成為待解決的問(wèn)題之一。隨著油田開(kāi)發(fā)的不斷深入，我國(guó)大多數(shù)油田已經(jīng)進(jìn)入了開(kāi)發(fā)的中后期階段，井底壓力降低，這就要求抽油機(jī)的抽汲能力增強(qiáng)。但目前我國(guó)油田廣泛采用的抽油機(jī)仍然是傳統(tǒng)的游梁式抽油機(jī)。在傳統(tǒng)的抽油機(jī)看來(lái)，用電動(dòng)機(jī)直接拖動(dòng)這種低速的抽油機(jī)是不可能的，所以必須在原動(dòng)機(jī)與工作機(jī)之間設(shè)置一個(gè)既能減速又能增速的傳動(dòng)裝置一減速器。抽油機(jī)減速器是一個(gè)用來(lái)減速、增矩的齒輪傳動(dòng)裝置，它是在原動(dòng)機(jī)與工作機(jī)之間完成協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)速與匹配力矩的一個(gè)傳動(dòng)機(jī)械。但是在機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中，齒輪傳動(dòng)不可避免地存在著機(jī)械磨損，由于磨損使整個(gè)抽油機(jī)系統(tǒng)的效率大為降低，噪音加劇。為了減低機(jī)械磨損和傳動(dòng)產(chǎn)生的磨擦熱，潤(rùn)滑油的使用是必不可少，定期的更換潤(rùn)滑油不僅增加了日常維護(hù)費(fèi)用，而且油氣、油污也會(huì)對(duì)環(huán)境造成直接污染。無(wú)需減速機(jī)構(gòu)的低沖次、高沖程的無(wú)齒輪曳引式抽油機(jī)由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)成為抽油機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，其具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。與游梁式抽油機(jī)相比，使抽油機(jī)的傳動(dòng)效率明顯提高，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率降低一半，系統(tǒng)的功率因數(shù)保持在0.95以上，相同噸位的抽油機(jī)占地面積為原來(lái)的三分之一，并且抽油機(jī)沖程次數(shù)可以隨意無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，平衡調(diào)節(jié)可以輕松進(jìn)行，沒(méi)有減速機(jī)，可以不用潤(rùn)滑油，給維護(hù)工作帶來(lái)方便。近年來(lái)，國(guó)外各大石油公司研究開(kāi)發(fā)了各種新型抽油機(jī)，為更經(jīng)濟(jì)有效地開(kāi)采石油做出了卓越貢獻(xiàn)。在新型抽油機(jī)中，長(zhǎng)沖程抽油機(jī)品種最多，占有更大的比例，具有較好的抽油性能、提高石油產(chǎn)量、降低采油成本、提高經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)技術(shù)發(fā)展預(yù)測(cè)結(jié)果，在今后很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，長(zhǎng)沖程抽油機(jī)仍將是世界抽油機(jī)發(fā)展的主流和方向，長(zhǎng)沖程抽油機(jī)將會(huì)有更大的發(fā)展。游梁式抽油機(jī)存在以下問(wèn)題:(l)系統(tǒng)整體傳動(dòng)效率低。游梁式抽油機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為異步電動(dòng)機(jī)-皮帶輪-減速機(jī)-搖臂-游梁-抽油桿，傳動(dòng)鏈不僅長(zhǎng)而且相互之間的耦合效率低。異步電動(dòng)機(jī)的效率與負(fù)載率直接相關(guān)，游梁式抽油機(jī)電機(jī)負(fù)載率低于40%，其效率一般僅為0.6左右。該系統(tǒng)皮帶傳動(dòng)的效率一般為0.93左右，兩級(jí)齒輪減速的效率0.8左右，搖臂與游梁間的傳動(dòng)效率一般在0.9左右。因此，游梁式抽油機(jī)的整體傳動(dòng)效率不足50%。(2)系統(tǒng)的功率因數(shù)低。游梁式抽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用通用系列的異步電動(dòng)機(jī)，為了滿足抽油機(jī)起動(dòng)力矩的需要，必須選取大1一2個(gè)功率等級(jí)的電動(dòng)機(jī)。游梁式抽油機(jī)的負(fù)荷特點(diǎn)是要求的起動(dòng)力矩大，但是運(yùn)行時(shí)由于巨大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性和平衡機(jī)構(gòu)的作用，需要的功率僅為電機(jī)額定功率的1/3~1/2，而異步電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)都與負(fù)載率直接相關(guān)，所以電機(jī)的效率和功率因數(shù)都比較低。若不采取補(bǔ)償措施，其平均功率因數(shù)僅能保持在0.4左右。這對(duì)于油井分布地域廣闊的抽油機(jī)供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其供電線路的損耗將是非常巨大的。(3)抽油機(jī)體積龐大。游梁式抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)決定了其體積的龐大，一般游梁式抽油機(jī)的平均占地面積為50平方米，一般12型抽油機(jī)的重量平均在26噸以上。不僅增加制造工業(yè)難度，而且加大了原材料消耗。(4)振動(dòng)噪聲嚴(yán)重。游梁式抽油機(jī)由于傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的原因，振動(dòng)和噪聲十分嚴(yán)重。以遼河油田為例，其部分油井分布在城鄉(xiāng)居民的生活區(qū)和辦公區(qū)，抽油機(jī)振動(dòng)和噪聲給這些區(qū)域的人們帶來(lái)了十分嚴(yán)重的干擾。(5)運(yùn)行調(diào)整維護(hù)困難。游梁式抽油機(jī)的平衡調(diào)節(jié)是靠操作者的感覺(jué)決定，調(diào)節(jié)的不好，不僅會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，而且對(duì)抽油機(jī)的使用壽命會(huì)造成重大影響。沖程次數(shù)只有調(diào)節(jié)皮帶輪的直徑，減速機(jī)需要定時(shí)添加潤(rùn)滑油等都給生產(chǎn)帶來(lái)巨大的不便，并且每個(gè)操作都是重體力勞動(dòng)。無(wú)游梁式抽油機(jī)最大優(yōu)點(diǎn)是不用四連桿機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橥鶑?fù)直線運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律除上下死點(diǎn)有短時(shí)間加減速運(yùn)動(dòng)外，大部分時(shí)間是勻速運(yùn)動(dòng)，使慣性載荷大幅度下降，抽油機(jī)的性能得到較大改善。無(wú)游梁式抽油機(jī)容易實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)沖程，相對(duì)沖程損失小，有效沖程長(zhǎng)。而長(zhǎng)沖程抽油機(jī)沖次較低，大大降低了運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的加速度，慣性載荷小，如鏈條抽油機(jī)、皮帶抽油機(jī)等。但這些抽油機(jī)還存在一些較大的問(wèn)題，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)件多、成本高，特別是大多數(shù)采用軟連接，擺動(dòng)輪直徑不能過(guò)大。近年來(lái)隨著永磁材料和永磁電機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外抽油機(jī)行業(yè)的重視。永磁同步電動(dòng)機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)越性能并以其高效節(jié)能、低噪聲等優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)今電機(jī)行業(yè)的新寵。本課題正是在此基礎(chǔ)上提出了研制新型無(wú)齒輪曳引式抽油機(jī)。其動(dòng)力源采用永磁同步電動(dòng)機(jī)取代傳統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)，正由于永磁同步電動(dòng)機(jī)的低速大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)越性能，使得其可以直接和負(fù)載相連，取消掉了中間的減速器機(jī)構(gòu)，使得抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)大大的簡(jiǎn)化，效率有了很大的提高，節(jié)約了大量的電能，減小了噪聲污染。永磁同步無(wú)齒輪曳引技術(shù)是抽油機(jī)行業(yè)一次重大的技術(shù)進(jìn)步，對(duì)提高采油裝備的現(xiàn)代化及運(yùn)行效率，對(duì)油田穩(wěn)產(chǎn)，節(jié)能降耗，提高開(kāi)發(fā)效率都具有重大的意義。抽油機(jī)分類如圖1-1所示。抽油機(jī)設(shè)備總類抽油機(jī)設(shè)備總類游梁式抽油機(jī)無(wú)游梁式抽油機(jī)氣動(dòng)平衡抽油機(jī)機(jī)械平衡抽油機(jī)無(wú)齒輪曵引式抽油機(jī)直線式抽油機(jī)鏈條式抽油機(jī)皮帶式抽油機(jī)后置式機(jī)械平衡抽油機(jī)前置式機(jī)械平衡抽油機(jī)游梁平衡抽油機(jī)曲柄平衡抽油機(jī)復(fù)合平衡抽油機(jī)曲柄平衡抽油機(jī)懸掛偏置游梁平衡抽油機(jī)調(diào)徑變距游梁平衡抽油機(jī)前置式曲柄平衡抽油機(jī)下偏杠鈴游梁復(fù)合平衡式抽油機(jī)常規(guī)復(fù)合平衡抽油機(jī)擺桿式游梁平衡抽油機(jī)特型雙驢頭游梁式抽油機(jī)偏輪式游梁抽油機(jī)矮型抽油機(jī)常規(guī)曲柄平衡抽油機(jī)異相曲柄復(fù)合平衡抽油機(jī)圖1-SEQ圖1-\*ARABIC1抽油機(jī)的分類從我國(guó)采油工藝技術(shù)發(fā)展要求、經(jīng)濟(jì)效益分析及市場(chǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果可知，新型無(wú)齒輪抽油機(jī)具有較好的適應(yīng)性、先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性，是一種較好的有發(fā)展前途的采油設(shè)備。故對(duì)本課題進(jìn)行深入研究非常必要。這種永磁同步無(wú)齒輪曳引式抽油機(jī)的優(yōu)點(diǎn):節(jié)能效果好，平均節(jié)電50%。一是用低速大轉(zhuǎn)矩稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)取代異步電動(dòng)機(jī)，改變了抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，具有游梁抽油機(jī)無(wú)可比擬的動(dòng)力特性;二是取消了復(fù)雜的動(dòng)力傳遞和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，也沒(méi)有減速箱、曲柄連桿、平衡塊、游梁、驢頭等，使整機(jī)機(jī)械效率提高;三是采用閉環(huán)控制，可根據(jù)井況自動(dòng)改變頻率、電壓等，功率因數(shù)卯%以上，方便采集抽汲參數(shù)及電參數(shù)，實(shí)現(xiàn)智能遠(yuǎn)程控制;四是啟動(dòng)電流低。降低裝機(jī)容量。地面抽汲參數(shù)調(diào)整方便。先進(jìn)的控制系統(tǒng)和無(wú)觸點(diǎn)傳感技術(shù)使得油井抽汲參數(shù)做到在線無(wú)級(jí)調(diào)整，極大地減輕操作、維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度為油井的自動(dòng)化管理創(chuàng)造了條件?？山档碗娋W(wǎng)沖擊負(fù)荷。由于低速大轉(zhuǎn)矩稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，并且只有異步電動(dòng)機(jī)60%的功率，大大降低對(duì)供電電網(wǎng)的需求容量，為減少基本建設(shè)投資創(chuàng)造了良好的條件。防過(guò)載能力強(qiáng)，能適應(yīng)在各種工況條件下，進(jìn)行采油作業(yè)，具有良好的性能。國(guó)內(nèi)外抽油機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)抽油機(jī)的發(fā)展概況目前，我國(guó)抽油機(jī)主要制造廠有十幾家，產(chǎn)品主要以游梁式抽油機(jī)為主，約占抽油機(jī)總數(shù)的98%～99%，有30多種規(guī)格，并已形成了系列，基本上滿足了陸地油田開(kāi)采的需要。各種新型節(jié)能游粱式抽油機(jī)，如前置式抽油機(jī)、異相曲柄平衡抽油機(jī)、前置式氣平衡抽油機(jī)、配有CJT型節(jié)能拖動(dòng)裝置的常規(guī)抽油機(jī)和用窄V形帶傳動(dòng)的常規(guī)抽油機(jī)等均已在全國(guó)各個(gè)油田推廣應(yīng)用，井取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。長(zhǎng)沖程、低沖次的無(wú)游梁式抽油機(jī)的研制也取得了一些進(jìn)展，如由勝利油用設(shè)計(jì)并與有關(guān)廠家協(xié)作生產(chǎn)的鏈條式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)，已有近千臺(tái)在各油田投入使用，在低沖次抽油和抽稠油方面已初見(jiàn)成效。此外，桁架結(jié)構(gòu)的滑輪組增距式抽油機(jī)、滾筒式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)進(jìn)入了試用階段；齒輪增距式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的研制工作也取得了新的進(jìn)展。重量輕、成本低、便于調(diào)速和調(diào)整沖程的液壓抽油機(jī)，經(jīng)過(guò)幾年的研制和工業(yè)性試采油，也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。其它型式新穎的抽油機(jī)，如帶傳動(dòng)游梁式抽油機(jī)、新型搖桿抽油機(jī)、大輪式游粱抽油機(jī)，六連桿游粱式抽油機(jī)和斜并抽油機(jī)也正處于開(kāi)發(fā)和研制過(guò)程中。目前，我國(guó)油田現(xiàn)場(chǎng)在用或正在試驗(yàn)的長(zhǎng)沖程抽油機(jī)大概可以分為五大類:(l)常規(guī)游梁抽油機(jī)或改進(jìn)型抽油機(jī)是油田生產(chǎn)的主力機(jī)型，這幾種類型的抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用和制造方便，但游梁式抽油機(jī)所存在的能耗高、重量大和由于四桿機(jī)構(gòu)的限制，游梁擺角不能過(guò)大，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)沖程、低沖次的問(wèn)題。導(dǎo)致整機(jī)體積過(guò)大，重量偏重由于其結(jié)構(gòu)的不合理性，使得常規(guī)游梁式抽油機(jī)無(wú)法解決“大馬拉小車”，能耗高的缺點(diǎn)。(2)四連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)抽油機(jī)，這類抽油機(jī)主要是以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為主機(jī)構(gòu)的增程式、浮動(dòng)輪式等幾種。從結(jié)構(gòu)上講，這種抽油機(jī)既可采用曲柄重塊平衡，又可采用滑塊平衡或氣動(dòng)平衡，但由于滑塊行程均比懸點(diǎn)行程小，因此采用滑塊氣動(dòng)平衡方式較好，但是抽油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝維護(hù)困難，目前在油田應(yīng)用已經(jīng)很少。(3)多連桿機(jī)構(gòu)的抽油機(jī)，為了克服四連桿機(jī)構(gòu)抽油機(jī)的缺點(diǎn)，因此研制了六連桿抽油機(jī)和旋轉(zhuǎn)驢頭抽油機(jī)。盡管這類抽油機(jī)的動(dòng)力性能較常規(guī)及有所改善，但并不顯著。另外結(jié)構(gòu)較四連桿抽油機(jī)要復(fù)雜，所以一般可作為一種補(bǔ)充機(jī)型。(4)滾筒式抽油機(jī)，是利用換向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)滾筒正、反轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)柔性件繞過(guò)天輪驅(qū)動(dòng)懸點(diǎn)做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的抽油機(jī)。常用的心型滾筒和主回零扭矩?fù)Q向滾筒，還有普通滾筒等幾種形式。但是由于換向系統(tǒng)的可靠性和壽命較低，沒(méi)能在油田大面積推廣。(5)鏈條式抽油機(jī)，是利用軌跡鏈條上的特殊鏈節(jié)，帶動(dòng)往返架往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)懸點(diǎn)上下運(yùn)動(dòng)的抽油機(jī)。這種抽油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是:平衡性能好，且調(diào)平衡方便，換向和工作是往返架受側(cè)向力小，重量輕;但移動(dòng)較多，氣平衡系統(tǒng)有密封和失載保護(hù)問(wèn)題等。因此故障率較高?？傊畤?guó)內(nèi)還有多種類型長(zhǎng)沖程抽油機(jī)處于研制和試驗(yàn)階段。以上任何一種抽油機(jī)都有傳動(dòng)一換向系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)和平衡系統(tǒng)三大部分組成。傳動(dòng)一換向系統(tǒng)配有減速機(jī)，它將原動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成懸點(diǎn)的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，具有減速功能的部分，一般選用常規(guī)減速、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。平衡系統(tǒng)是針對(duì)抽油機(jī)特殊的載荷情況用來(lái)調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，以保證原動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。國(guó)外抽油機(jī)的發(fā)展概況前世界各國(guó)仍然大面積的應(yīng)用游梁式抽油機(jī)。美國(guó)生產(chǎn)抽油機(jī)的公司有十幾家，品種復(fù)雜，形式繁多。僅1988年第15版的APISpec11E中規(guī)定的常規(guī)游梁式抽油機(jī)系列就有77種型號(hào)，型式有前置式和偏置式。此外，法國(guó)，加拿大，前蘇聯(lián)，羅馬尼亞等國(guó)家均有生產(chǎn)多種游梁式抽油機(jī)的廠家。近年來(lái)，國(guó)外各大石油公司研究開(kāi)發(fā)了各種新型抽油機(jī)，為更經(jīng)濟(jì)有效地開(kāi)采石油做出了卓越貢獻(xiàn)。在新型抽油機(jī)中，長(zhǎng)沖程抽油機(jī)品種最多，占有更大的比例，具有較好的抽油性能、提高石油產(chǎn)量、降低采油成本、提高經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn)?？v觀國(guó)外各種長(zhǎng)沖程抽油機(jī)，大致可分為增大沖程游梁式抽油機(jī)、增大沖程無(wú)游梁抽油機(jī)和長(zhǎng)沖程無(wú)游梁抽油機(jī)三種類型。(l)增大沖程游梁式抽油機(jī)是利用各種機(jī)構(gòu)或元件的運(yùn)動(dòng)特性和工作原理增大游梁式抽油機(jī)的沖程長(zhǎng)度。國(guó)外增大沖程抽油機(jī)由美國(guó)芍ncaid沖程倍增抽油機(jī);英國(guó)增大沖程游梁式抽油機(jī);原蘇聯(lián)增大沖程游梁式抽油機(jī);美國(guó)Lufkin公司RoTAFLEx皮帶抽油機(jī)(如圖1.4所示)等。(2)增大沖程無(wú)游梁式抽油機(jī)是利用各種機(jī)構(gòu)或元件的運(yùn)動(dòng)特性和工作原理增大無(wú)游梁抽油機(jī)的沖程長(zhǎng)度。例如美國(guó)Lowjack低矮型增大沖程無(wú)游梁式抽油機(jī)等。(3)長(zhǎng)沖程無(wú)游梁式抽油機(jī)的特點(diǎn)是:沒(méi)有游梁、不采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)換向、也不采用增大沖程機(jī)構(gòu)，利用抽油機(jī)本身機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)沖程抽油。該抽油機(jī)有立式和臥式兩種結(jié)構(gòu)形式:一是立式長(zhǎng)沖程無(wú)游梁式抽油機(jī)，這種抽油機(jī)所有設(shè)備置于地面上，一般為機(jī)架立式結(jié)構(gòu)型式，占地面積較小，但占用空間高度較大。例如:美國(guó)ROTAFLEX長(zhǎng)沖程、低沖次抽油機(jī);法國(guó)Mape長(zhǎng)沖程無(wú)游梁式抽油機(jī);Dynovation公司長(zhǎng)沖程無(wú)游梁叢式井抽油機(jī)等;二是臥式長(zhǎng)沖程無(wú)游梁抽油機(jī)，該抽油機(jī)主要設(shè)備置于地面上，平衡中置于地下套管之中，一般為臥式結(jié)構(gòu)型式，占用地和空間高度較小。例如:美國(guó)westenGearCo.長(zhǎng)沖程無(wú)游梁液壓抽油機(jī)等。國(guó)內(nèi)外抽油機(jī)的對(duì)比我國(guó)抽油機(jī)與國(guó)際先進(jìn)水平差距甚大，我國(guó)新型節(jié)能抽油機(jī)發(fā)展緩慢，目前我國(guó)使用的節(jié)能型抽油機(jī)有前置式抽油機(jī)、異相曲柄平衡抽油機(jī)、前置式氣平衡抽油機(jī)、配有CJT型節(jié)能拖動(dòng)裝置的常規(guī)抽油機(jī)和用窄V形帶傳動(dòng)的常規(guī)抽油機(jī)，有些剛剛結(jié)束試制轉(zhuǎn)入使用，僅就前3種抽油機(jī)來(lái)看，品種規(guī)格還不全，批量生產(chǎn)量還很少，因此全面推廣應(yīng)用受到一定限制。如我國(guó)目前生產(chǎn)的前置式抽油機(jī)只有12型和16型兩種規(guī)格，迄今僅有500多臺(tái)在油田使用。而美國(guó)Lufkin公司1959年就取得專利的馬克Ⅱ型抽油機(jī)(即前置式抽油機(jī))，目前有8個(gè)檔次46種規(guī)格。羅馬尼亞的前置式抽油機(jī)也有35種規(guī)格。我國(guó)的第一批異相曲柄平衡抽油機(jī)是1986年6月通過(guò)部級(jí)鑒定的，現(xiàn)在只有為數(shù)不多的廠家生產(chǎn)。而早在60年代美CMI公司就采用計(jì)算機(jī)模擬動(dòng)態(tài)分析輔助設(shè)計(jì)研制出了異相曲犧平衡抽油機(jī)。由于這種抽油機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)，其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)已達(dá)到了目前在用抽油機(jī)的最好水平，因而在世界范圍內(nèi)獲得了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)生產(chǎn)的前置式氣平衡抽油機(jī)目前僅有6種規(guī)格，懸點(diǎn)載荷為50～140KN，沖程為1.8～5mH。而美國(guó)勒夫金公司生產(chǎn)的前置式氣平衡抽油機(jī)刪有26種規(guī)格，懸點(diǎn)載荷為48.47～213.19KN,沖程為1.37～6.10m。國(guó)外上述幾種節(jié)能型抽油機(jī)還廣泛地采用了先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)，從而能保證采油作業(yè)始終處于最佳狀態(tài)。與此同時(shí)，有些國(guó)家還先后研制了許多型式新穎的節(jié)能抽油機(jī)。如美國(guó)Jo—Way工具公司研制的一種前置式全膠帶傳動(dòng)無(wú)齒輪減速器抽油機(jī)，稱為大圈抽油機(jī)，是采用一個(gè)裝在曲柄上直徑為3.05m的膠帶輪來(lái)傳動(dòng)的，具有運(yùn)行平穩(wěn)、扭矩均衡和良好的節(jié)能效果。美國(guó)D.L.M鋼鐵公司研制的一種特殊結(jié)構(gòu)型式的輪式抽油機(jī),只需一臺(tái)2.2～7.4kW的電動(dòng)機(jī)就可以驅(qū)動(dòng),現(xiàn)場(chǎng)使用情況表觀,可節(jié)電80%.另外，還有其它型式的如齒形膠帶傳動(dòng)抽油機(jī)、天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)、智能抽油機(jī)和玻璃鋼抽油桿抽油機(jī)等節(jié)能型抽油機(jī)。這些抽油機(jī)應(yīng)用于世界各個(gè)地區(qū)、各種工況條件下的抽油作業(yè)，均取得了良好的節(jié)能效果。長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的發(fā)展速度不能適應(yīng)采油業(yè)的需要目前，我國(guó)常用的長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的沖程一般不超過(guò)5m，故我國(guó)大多數(shù)把沖程超過(guò)4.5m的稱為長(zhǎng)沖程抽油機(jī)。目前我國(guó)油田在用的絕大部分長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的沖程均在5m以下，且種類不多，規(guī)格不全，發(fā)展速度緩慢。如我國(guó)的鏈條式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)，早在60年代就開(kāi)始研制，由于多方面原因，直到最近幾年才初步在各油田推廣應(yīng)用。而沖程超過(guò)6m的國(guó)產(chǎn)長(zhǎng)沖程抽油機(jī)如KCJ16—8—53HZ抽油機(jī)和LZCJ12—7.2—73HB抽油機(jī)，仍處在試用階段。但在國(guó)外，自70年代以來(lái)，長(zhǎng)沖程抽油機(jī)(國(guó)外系指沖程超過(guò)6m的抽油機(jī)為長(zhǎng)沖程抽油機(jī))的開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用則得到了很大的發(fā)展，有些抽油機(jī)的沖程已達(dá)到20m以上，并已發(fā)展到多品種、系列化。如美國(guó)國(guó)民供應(yīng)公司生產(chǎn)的鏈條式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)，沖程為9.14m，沖數(shù)為3min-1，同時(shí)還采用微機(jī)監(jiān)控井下泵的工作情況。該公司研制的世界上第一臺(tái)智能抽油機(jī)，總高僅2.44m，其最大沖程卻已經(jīng)達(dá)到12.19m，沖程長(zhǎng)度可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。而Wes-ternGear公司生產(chǎn)的液壓驅(qū)動(dòng)、重錘平衡(重錘置于一事先挖好的鼠洞內(nèi))的長(zhǎng)沖程抽油機(jī)，沖程可達(dá)24.38m，懸點(diǎn)載荷為155.6kN。液壓抽油機(jī)仍處于研制階段，我國(guó)液壓抽油機(jī)的起步較晚，加之我匣液壓技術(shù)水平與國(guó)際先進(jìn)水平存在著差距，從而阻礙了液壓抽油機(jī)的發(fā)展。山吉林工業(yè)大學(xué)研制的第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)液壓抽油機(jī)1987年底通過(guò)工廠臺(tái)架試驗(yàn)，經(jīng)試樂(lè)運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)存在不少問(wèn)題，如漏油、發(fā)熱、可靠性差，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于游梁式抽油機(jī)，關(guān)鍵液壓元件的質(zhì)量較差等。加之液壓抽油機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)比游粱式抽油機(jī)復(fù)雜得多，從而阻礙了其推廣應(yīng)用。早在40年代，美、蘇就已先后研制出液壓抽油機(jī)(美國(guó)Lufkin公司曾經(jīng)生產(chǎn)出4種型號(hào)、最大懸點(diǎn)載荷158KN、沖程為6.1～12.2m的液壓抽油機(jī)。蘇聯(lián)全蘇石油機(jī)械研究院和阿塞拜疆石油機(jī)械研究所也先后試制成3種型號(hào)、懸點(diǎn)載荷30～150kN，沖程3～10m的液壓抽油機(jī))。隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外液壓抽油機(jī)的研制和推廣應(yīng)用近年來(lái)又有了新的發(fā)展。如加拿大熱能發(fā)展有限公司研制的液缸式無(wú)游梁抽油機(jī)，特別適于用來(lái)開(kāi)采稠油。這種抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷為57.57～106.75kN，沖程為2.79～4.88m，并配有電了控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用控制抽油機(jī)沖程及沖程位置、沖程參數(shù)，監(jiān)控抽油桿足否過(guò)載，確保抽油系統(tǒng)安全運(yùn)行。美國(guó)Mape公司生產(chǎn)的液壓驅(qū)動(dòng)塔架式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)，有6種規(guī)格，其沖程可以從2.5m調(diào)到10m，并可在0～5min范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)沖程次數(shù)。這些液壓抽油機(jī)已廣泛地應(yīng)用于油田采油作業(yè)中。國(guó)內(nèi)外永磁同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況國(guó)內(nèi)外學(xué)者都在研究永磁同步電動(dòng)機(jī)的各種轉(zhuǎn)子形狀，其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則都是通過(guò)增加磁通、減弱電樞反應(yīng)或高速運(yùn)行來(lái)提高功率密度和效率。同時(shí)永磁同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能研究和起動(dòng)過(guò)程研究一直以來(lái)是國(guó)內(nèi)外專家研究分析的焦點(diǎn)。永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的計(jì)算精確度直接決定了電動(dòng)機(jī)的性能，因而永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法目前顯得越來(lái)越重要。國(guó)內(nèi)發(fā)展概況我國(guó)在永磁同步電動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用上取得重大成就，先后開(kāi)發(fā)了應(yīng)用于紡織行業(yè)中織布機(jī)、細(xì)紗機(jī)以及化纖機(jī)械、風(fēng)機(jī)泵類等多種規(guī)格和型號(hào)的永磁同步電動(dòng)機(jī)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。800W紡織專用永磁同步電動(dòng)機(jī)是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)研制成功的永磁同步電動(dòng)機(jī)，效率高達(dá)91%，功率因數(shù)高于0.95，節(jié)能率高達(dá)10%以上，己經(jīng)進(jìn)行生產(chǎn)并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。而且我國(guó)己研制成最大容量為110kW和250kW的永磁同步電動(dòng)機(jī)。我國(guó)稀土資源豐富，高性能的稀土永磁材料已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，釹鐵硼的產(chǎn)量現(xiàn)己居世界第一位，釹鐵硼的價(jià)格也趨向合理。計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)資料表明，中小型永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率可提高5%，節(jié)電率10%，某些專用永磁同步電機(jī)節(jié)電達(dá)15%～20%，所以發(fā)展永磁同步電動(dòng)機(jī)是新世紀(jì)電機(jī)工業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。永磁同步電動(dòng)機(jī)具有很高的矯頑力，故充磁方向很薄的永磁體就可提供較高的氣隙磁密和磁勢(shì)。因此，除了傳統(tǒng)的徑向磁路結(jié)構(gòu)外，當(dāng)極數(shù)較少時(shí)，還可采用切向磁路結(jié)構(gòu)或混合式結(jié)構(gòu)。雖然國(guó)內(nèi)關(guān)于永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究己經(jīng)進(jìn)行了很多工作，但迄今為止，永磁同步電動(dòng)機(jī)在我國(guó)并沒(méi)有得到全方面的推廣，其原因是多方面的。其一是永磁同步電動(dòng)機(jī)成本很高，但是隨著稀土永磁材料的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)的成本呈下降趨勢(shì)，同時(shí)在永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中如何選用適量的稀土永磁體用量以成為學(xué)術(shù)界研究分析的重點(diǎn)。此外，永磁同步電動(dòng)機(jī)的鐵耗相比于異步電動(dòng)機(jī)比較復(fù)雜，如何準(zhǔn)確分析和計(jì)算是設(shè)計(jì)高效節(jié)能永磁同步電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵。國(guó)外發(fā)展概況國(guó)外利用永磁材料進(jìn)行永磁同步電動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)已經(jīng)有20多年的歷史。1978年，法國(guó)的CEM公司研制的ISOSYN系列0.55～18.5kW的稀土鈷永磁同步電動(dòng)機(jī)，效率比一般的異步電動(dòng)機(jī)高2%～10%，功率因數(shù)提高0.05～0.15。研究?jī)?nèi)容本課題主要研究新型無(wú)齒輪曵引式抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)的仿真，通過(guò)對(duì)新型無(wú)齒輪曵引式抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁特性計(jì)算所得到的參數(shù)結(jié)果應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)新型無(wú)齒輪曵引式抽油機(jī)用永磁同步電機(jī)進(jìn)行磁場(chǎng)分析，得到仿真結(jié)果。章節(jié)安排第1章緒論，介紹課題-新型無(wú)齒輪曵引式抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)的來(lái)源及研究意義和國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況。第2章主要介紹新型無(wú)齒輪曵引式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理及新型無(wú)齒輪曵引式抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理。第3章介紹永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁計(jì)算的主要思想及方法。第4章根據(jù)前一章的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行有限元的分析，得到新型無(wú)齒輪曵引式抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)的仿真結(jié)果。第5章是對(duì)新型無(wú)齒輪曵引式抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)研究的結(jié)論與后續(xù)工作展望。抽油機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理新型抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理機(jī)械結(jié)構(gòu)由于常規(guī)游梁式抽油機(jī)受四連桿機(jī)構(gòu)和減速機(jī)的限制，存在平衡效果差、慣性載荷大、傳動(dòng)效率低、能耗大等弊端。新型無(wú)齒輪曳引式抽油機(jī)采用全新的工作原理，在變頻控制方面采用多項(xiàng)高新技術(shù)，改變了傳統(tǒng)抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，是一種新型無(wú)游梁曳引式抽油機(jī)。新型無(wú)齒輪曳引式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。直線電機(jī)直線電機(jī)配重動(dòng)子定子基座柔性連繩抽油機(jī)連桿圖2-SEQ圖2-\*ARABIC1新型無(wú)齒輪曳引式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)工作原理新型無(wú)齒輪曳引式抽油機(jī)的工作原理:改變了過(guò)去抽油桿由三相交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)經(jīng)四連桿機(jī)構(gòu)和減速機(jī)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的方法，通過(guò)低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，取消減速機(jī)，將低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直接轉(zhuǎn)化為抽油桿的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。該抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、占地面積小、調(diào)節(jié)方便、易于操作，具有更加完善的運(yùn)動(dòng)性能、動(dòng)力性能和平衡性能。與相同規(guī)格的常規(guī)抽油機(jī)相比，其質(zhì)量和占地面積僅為常規(guī)游梁式抽油機(jī)的50%，特別是新型無(wú)齒輪曳引式抽油機(jī)的效率高，上下沖程速度可以單獨(dú)無(wú)級(jí)調(diào)整，可用于稠油、深井和大排量抽油。新型抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及其工作原理電機(jī)結(jié)構(gòu)近年來(lái)永磁材料在研究開(kāi)發(fā)上取得了重大進(jìn)展，這樣永磁同步電動(dòng)機(jī)有了迅速的發(fā)展。不僅小功率的永磁同步電動(dòng)機(jī)品種繁多，而且容量較大的、百千瓦級(jí)的永磁同步電動(dòng)機(jī)也開(kāi)始生產(chǎn)。永磁同步電動(dòng)機(jī)可分成兩類:一類是反電動(dòng)勢(shì)波形和供電電流波形都是理想矩形波的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，另一類永磁同步電動(dòng)機(jī)兩種波形都是正弦波，就是通常所說(shuō)的永磁同步電動(dòng)機(jī)。本論文主要介紹第二種正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)。抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中所需要的理想驅(qū)動(dòng)模型是要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩。所謂低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩通常是指系統(tǒng)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)速低于500rpm、額定轉(zhuǎn)矩在500N·m以上的傳動(dòng)系統(tǒng)，或者說(shuō)通常必須由減速機(jī)才能實(shí)現(xiàn)的拖動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)由于機(jī)械換相器的存在，降低了傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。對(duì)于要求電機(jī)頻繁正反轉(zhuǎn)起動(dòng)、負(fù)載率經(jīng)常變化的抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，直流電動(dòng)機(jī)是難以勝任的。另外，直流電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)的原因，體積比異步電動(dòng)機(jī)大，或者說(shuō)使系統(tǒng)的傳輸功率密度降低，振動(dòng)、噪聲以及換向電磁干擾等的存在，難以滿足各種不同負(fù)載的要求。交流異步電動(dòng)機(jī)為了達(dá)到低轉(zhuǎn)速就必須制成高極數(shù)。然而，由于異步電動(dòng)機(jī)很難做成高極數(shù)，隨著電機(jī)極數(shù)的增加使電動(dòng)機(jī)電流增大，損耗增大，溫度升高，運(yùn)行特性變壞。因此，在抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)通常需要與減速機(jī)配套使用才能滿足負(fù)載對(duì)力矩和速度的需要。因此，傳統(tǒng)的抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)模式一般是減速機(jī)一電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)模式，使用的電動(dòng)機(jī)主要是三相異步電動(dòng)機(jī)。由于有齒輪箱的減速機(jī)存在，抽油機(jī)系統(tǒng)所帶來(lái)的問(wèn)題有效率低、噪聲大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)工作難度大等。對(duì)比上述兩種電機(jī)，永磁同步電動(dòng)機(jī)不需要?jiǎng)?lì)磁電流，采用金屬粘貼技術(shù)可使轉(zhuǎn)子制造變得非常容易，實(shí)現(xiàn)的工藝簡(jiǎn)單，可以輕松制成高極數(shù)，配合以低頻變頻器，很容易實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩。永磁同步電動(dòng)機(jī)仍然是由定子(電摳)、轉(zhuǎn)子以及機(jī)殼等結(jié)構(gòu)部件構(gòu)成，與電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別主要在于轉(zhuǎn)子磁極采用了永磁結(jié)構(gòu)，因此也就可以省去了滑環(huán)和電刷裝置。圖2-2為一臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)的橫截面示意圖。圖中1—定子、2—永磁體、3—轉(zhuǎn)軸、4—轉(zhuǎn)子鐵心。11234圖2-SEQ圖2-\*ARABIC2永磁同步電動(dòng)機(jī)的橫截面示意圖本節(jié)將主要介紹永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)。永磁同步電動(dòng)機(jī)與其他電機(jī)的最主要的區(qū)別是轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)可分為三種：表面式、內(nèi)置式和爪極式。表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)又分為凸出式（圖2-3(a)）和插入式（圖2-3(b)）兩種，對(duì)采用稀土永磁的電機(jī)來(lái)說(shuō)，由于永磁材料的相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率接近1，所以表面凸出式轉(zhuǎn)子在電磁性能上屬于隱極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；而表面插入式轉(zhuǎn)子的相鄰兩永磁磁極間有著磁導(dǎo)率很大的鐵磁材料，故在電磁性能上屬于凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。圖中1—永磁體、2—轉(zhuǎn)子鐵心、3—轉(zhuǎn)軸。aab321123(a)(b)圖2-SEQ圖2-\*ARABIC3表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本較低、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小等優(yōu)點(diǎn)，在矩形波永磁同步電動(dòng)機(jī)和恒功率運(yùn)行范圍不寬的正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。此外，表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的永磁磁極易于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)，使之成為能使電動(dòng)機(jī)氣隙磁密波形趨近于正弦波的磁極形狀，可顯著提高電動(dòng)機(jī)乃至整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的性能。表面插入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可充分利用轉(zhuǎn)子磁路的不對(duì)稱所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電動(dòng)機(jī)的功率密度，動(dòng)態(tài)性能較凸出式有所改善，制造工藝也較簡(jiǎn)單，常被某些調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)所采用。但漏磁系數(shù)和制造成本都較凸出式大?？傊?，表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的制造工藝簡(jiǎn)單、成本低，應(yīng)用較為廣泛，尤其適宜于矩形波永磁同步電動(dòng)機(jī)。但因轉(zhuǎn)子表面無(wú)法安放起動(dòng)繞組，無(wú)異步起動(dòng)能力，不能用于異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間（對(duì)外轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)則為永磁體內(nèi)表面與轉(zhuǎn)子鐵心外圓之間）有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，極靴中可以放置鑄鋁籠或銅條籠，起阻尼或（和）起動(dòng)作用，動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能好，廣泛應(yīng)用于要求有一部起動(dòng)能力或動(dòng)態(tài)性能高的永磁同步電動(dòng)機(jī)。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體收到極靴的保護(hù)，其轉(zhuǎn)自磁路結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩也有助于提高電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力和功率密度，而且易于“弱磁”擴(kuò)速。按永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系，內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)又可分為徑向式、切向式和混合式三種。圖中1—轉(zhuǎn)軸、2—永磁體槽、3—永磁體、4—轉(zhuǎn)子導(dǎo)條。ddc213443143a2143b(a)(b)(c)(d)圖2-SEQ圖2-\*ARABIC4內(nèi)置徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)徑向式結(jié)構(gòu)（圖2-4）的優(yōu)點(diǎn)是漏磁系數(shù)小、轉(zhuǎn)軸上不需要采取隔磁措施、極弧系數(shù)易于控制、轉(zhuǎn)子沖片機(jī)械強(qiáng)度高、安裝永磁體后轉(zhuǎn)子不易變形等。圖2-4(a)是早期采用的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，現(xiàn)已較少采用。圖2-4(b)和(c)中，永磁體軸向插入永磁體槽并通過(guò)隔磁磁橋限制漏磁通，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度高，因而近年來(lái)應(yīng)用較為廣泛。圖2-4(c)比(b)提供了更大的永磁體空間。圖2-4(d)屬于外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，它也屬于內(nèi)置徑向式的磁路結(jié)構(gòu)。切向式結(jié)構(gòu)（圖2-5）的漏磁系數(shù)較大，并且需采用響應(yīng)的隔磁措施，電動(dòng)機(jī)的制造工藝和制造成本較徑向式結(jié)構(gòu)有所增加。其優(yōu)點(diǎn)在于一個(gè)極距下的磁通由相鄰兩個(gè)磁極并聯(lián)提供，可得到更大的每極磁通。此外，采用切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩在電動(dòng)機(jī)功率密度和擴(kuò)展電動(dòng)機(jī)的恒功率運(yùn)行范圍都是很有利的。圖中1—轉(zhuǎn)軸、2—空氣隔磁槽—3-永磁體、4—轉(zhuǎn)子導(dǎo)條。3341ba)341(a)(b)圖2-SEQ圖2-\*ARABIC5內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)混合式結(jié)構(gòu)（圖2-6）集中了徑向式和切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)和制造工藝均較復(fù)雜，制造成本也比較高，圖2-6(a)是由德國(guó)西門子公司發(fā)明的混合式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，需采用非磁性轉(zhuǎn)軸或采用隔磁銅套，主要應(yīng)用于采用剩磁密度較低的鐵氧體永磁的永磁同步電動(dòng)機(jī)。圖2-6(b)所示結(jié)構(gòu)的徑向部分永磁體磁化方向長(zhǎng)度約是切向部分永磁體磁化方向長(zhǎng)度的一半。圖2-6(c)和(d)是由圖2-4徑向式結(jié)構(gòu)(b)和(c)衍生來(lái)的兩種混合式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。其永磁體的徑向部分與切向部分的磁化方向長(zhǎng)度相等，也采取隔磁磁橋隔磁。在圖2-4(b)和(c)、圖2-6(c)和(d)這四種結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子依次可為安放永磁體提供更多的空間，空載漏磁系數(shù)也依次減小，但制造工藝卻依次更復(fù)雜，轉(zhuǎn)子沖片的機(jī)械強(qiáng)度也依次有所下降。1—轉(zhuǎn)軸、2—永磁體槽、3—永磁體、4—轉(zhuǎn)子導(dǎo)條。33214c3241d3421a3421b(a)(b)(c)(d)圖2-SEQ圖2-\*ARABIC6內(nèi)置混合式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)在選擇轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)時(shí)還應(yīng)考慮到不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)的交、直軸同步電抗Xq、XdQUOTE及其比例QUOTEXq/Xd（成為凸極率）也不同。在相同的條件下，上述三類內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的直軸同步電抗Xd相差不大，但是他們的交軸同步電抗QUOTEXq卻相差較大。較大的QUOTEXq和凸極率可以提高電動(dòng)機(jī)的嵌入同步能力、磁阻轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)機(jī)的過(guò)載倍數(shù)，因此設(shè)計(jì)高過(guò)載倍數(shù)的電動(dòng)機(jī)時(shí)可充分利用大的凸極率所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩。爪極式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)爪極式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)通常由兩個(gè)帶爪的法蘭盤和一個(gè)圓形的永磁體構(gòu)成，圖2-7為其結(jié)構(gòu)示意圖。左右法蘭盤的爪數(shù)相同，且兩者的爪極互相錯(cuò)開(kāi)，沿圓周均勻分布，永磁體軸向充磁，因而左右法蘭盤的爪極分別形成極性相異，互相錯(cuò)開(kāi)的永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁極。爪極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)的性能較低，又不具備異步起動(dòng)能力，但結(jié)構(gòu)和工藝較為簡(jiǎn)單。圖中1—左法蘭盤、2—圓環(huán)形永磁體、3—右法蘭盤4—非磁性轉(zhuǎn)軸。11324圖2-SEQ圖2-\*ARABIC7爪極式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)工作原理永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理與同步電動(dòng)機(jī)是相似的，因此從同步電動(dòng)機(jī)的基本原理出發(fā)討論其工作原理。與異步電動(dòng)機(jī)類似，同步電動(dòng)機(jī)是由定子和轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成。定子部分包括鐵心、通以三相交流電流的定子繞組，轉(zhuǎn)子部分包括主磁極、裝在主磁極上的通以直流電流的勵(lì)磁繞組、籠型啟動(dòng)繞組和電刷等部件。同步電動(dòng)機(jī)的工作原理如圖2-6所示，在定子繞組中通以三相交流電流，可在氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，如果三相交流電流的頻率為f，定子的極對(duì)數(shù)為p，則該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度為這個(gè)旋轉(zhuǎn)速度也成為同步轉(zhuǎn)速。圖2-SEQ圖2-\*ARABIC8永磁同步電機(jī)工作原理圖轉(zhuǎn)子繞組中通入直流電流，將在氣隙中又形成一個(gè)與轉(zhuǎn)子繞組直流電流相對(duì)應(yīng)的直流勵(lì)磁磁場(chǎng)，使電動(dòng)機(jī)體積和質(zhì)量大為減小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，效率比同容量異步機(jī)高4%～13%，功率因素提高5%～20%。永磁同步電動(dòng)機(jī)也是由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子由鐵心、定子繞組組成，其中定子繞組是通過(guò)對(duì)稱三相交流電流的三相繞組。轉(zhuǎn)子是可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁通的永久磁鐵。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)是由永久磁鐵產(chǎn)生的，應(yīng)盡可能為正弦形，所以其轉(zhuǎn)子上的永磁體表面做成面包形，以形成不均勻氣隙，產(chǎn)生正弦形的氣隙磁場(chǎng)。如果在電動(dòng)機(jī)軸上裝一臺(tái)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器，則可以實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置反饋，保證定子繞組中電流頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是一一對(duì)應(yīng)，這種具有位置檢測(cè)裝置的永磁同步電動(dòng)機(jī)屬于自控式同步電動(dòng)機(jī)，有自啟動(dòng)的能力，轉(zhuǎn)子上下不需要額外安裝啟動(dòng)繞組。永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理與同步電動(dòng)機(jī)相似，定子繞組通入三相交流電流后，三相交流電流在轉(zhuǎn)子氣隙中形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（以N0,S0表示）以同步角速度ω0旋轉(zhuǎn)。與普通的同步電動(dòng)機(jī)不同，由于永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是永久磁鐵，其轉(zhuǎn)子磁通是永久磁鐵產(chǎn)生，而不需要再對(duì)轉(zhuǎn)子繞組通入直流電流，根據(jù)兩異性磁鐵互相吸引的原理，定子磁鐵的N0（或S0）極吸住轉(zhuǎn)子永久永久磁鐵的S(或N)極，以同步角速度在空間旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)子和定子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)。維持轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩是定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子永久磁鐵相互作用產(chǎn)生的。主要性能指標(biāo)及永磁同步電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)新型無(wú)齒輪曵引式抽油機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如下：系統(tǒng)工作環(huán)境：-40℃～+50℃沖程長(zhǎng)度：4～8m連續(xù)可調(diào)，最大沖程長(zhǎng)度8m；沖程次數(shù)：2～3/min連續(xù)可調(diào)；沖程誤差：±15cm；抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)換向；改善抽油機(jī)的運(yùn)行可靠性，定期自檢、自診斷及軟件保護(hù)功能。主要指標(biāo)與技術(shù)參數(shù)：電機(jī)額定功率：20kW相數(shù)：3，Y型連接極數(shù)對(duì)p：20額定相電壓：220V額定頻率：2OHz功率因數(shù):0.943小結(jié)本章研究了新型無(wú)齒輪曵引式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理和永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理。本章提出了新型無(wú)齒輪曵引式抽油機(jī)的主要技術(shù)性能指標(biāo)及永磁同步電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)。永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)基本方法和普通同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法有很全相似之處，但也存在不同之處。其基本設(shè)計(jì)思路：由技術(shù)要求首先確定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和永磁體材料性能，再由電磁負(fù)荷(A,Bδ)，確定主要尺寸(Dil和leff)，其電磁設(shè)計(jì)計(jì)算流程如圖3.1所示。該方程思路清晰，參數(shù)確定和方案調(diào)整都很方便，對(duì)電機(jī)研發(fā)人員來(lái)說(shuō)非常習(xí)慣，但需要很多經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。已知或給定設(shè)計(jì)任務(wù)已知或給定設(shè)計(jì)任務(wù)確定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式估計(jì)A,Bδ確定電機(jī)基本尺寸D、L，設(shè)計(jì)定子沖片確定磁鋼用量，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子沖片磁路計(jì)算，空載點(diǎn)計(jì)算繞組設(shè)計(jì)電磁參數(shù)計(jì)算工作特性計(jì)算，負(fù)載工作點(diǎn)計(jì)算設(shè)計(jì)結(jié)果調(diào)整校對(duì)A,Bδ圖3-SEQ圖3-\*ARABIC1永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)流程主要尺寸選擇永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與其他交流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)一樣，通過(guò)電磁計(jì)算來(lái)確定電動(dòng)機(jī)的各部分幾何尺寸，如電動(dòng)機(jī)的主要尺寸、定子沖片尺寸、繞組數(shù)據(jù)和氣隙長(zhǎng)度等，還要確定轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)型式以及永磁體材料和尺寸等。主要尺寸(Dil和leff)、定子沖片尺寸、槽數(shù)、槽形尺寸、電樞繞組等都可采用類比法參考類似規(guī)格的異步電動(dòng)機(jī)初步選定，再進(jìn)行電磁計(jì)算核算。調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度一般由于電動(dòng)機(jī)的不同用途，其氣隙長(zhǎng)度的取值也不相同：對(duì)采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，并要求具有一定的恒功率運(yùn)行速度范圍的永磁同步電動(dòng)機(jī)，則電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度不宜太大，否則將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的直軸電感過(guò)小，弱磁能力不足，無(wú)法達(dá)到電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。永磁體設(shè)計(jì)永磁體的尺寸主要包括永磁體的軸向長(zhǎng)度lM、磁化方向長(zhǎng)度hM和寬度bM。永磁體的軸向長(zhǎng)度一般與電動(dòng)機(jī)鐵心軸向長(zhǎng)度相等，因此實(shí)際上只有兩個(gè)水磁體尺寸(即hM和bM)需設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮下列因素：hM的確定應(yīng)使電動(dòng)機(jī)的直軸電抗Xad合理。因?yàn)閔M是決定義Xad的重要因素，而Xad又影響電動(dòng)機(jī)的許多性能。hM不能過(guò)小。這主要是從兩方面考慮：一是hM大小應(yīng)保證電動(dòng)機(jī)主磁路的磁動(dòng)勢(shì)平衡；二是永磁體太薄將使其易于退磁。設(shè)計(jì)hM應(yīng)使永磁體工作于最佳工作點(diǎn)。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)中永磁體的工作點(diǎn)更大程度上取決于永磁體的磁化方向長(zhǎng)度hM。為調(diào)整電動(dòng)機(jī)的性能，常常要調(diào)整bM，因?yàn)閎M直接決定了永磁體能夠提供磁通的面積。電動(dòng)機(jī)的磁負(fù)荷與永磁體的尺寸和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)有關(guān)。而磁負(fù)荷則決定著電動(dòng)機(jī)的功率密度和損耗。對(duì)表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的調(diào)速水磁同步電動(dòng)機(jī)，其永磁體尺寸可近似地由下式確定：(3-1)式中：δe—電動(dòng)機(jī)的計(jì)算氣隙長(zhǎng)度；Br/Bδ—一般取為1.1～1.35。永磁體尺寸除影響電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能外，還影響著電動(dòng)機(jī)中永磁體的空載漏磁系數(shù)σ0，從而也決定了永磁體的利用率。對(duì)于內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)永磁體尺寸的估算公式為(3-2)永磁體的磁化方向長(zhǎng)度與電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度有著很大的關(guān)系，氣隙越長(zhǎng)，永磁體的磁化方向長(zhǎng)度也越長(zhǎng)。電磁設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)系列的內(nèi)置切向式低速永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)方案。根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁計(jì)算所得的結(jié)果得到表3-1為電磁設(shè)計(jì)主要參數(shù)。表3-SEQ表3-\*ARABIC1電磁設(shè)計(jì)主要參數(shù)電機(jī)參數(shù)計(jì)算數(shù)值電機(jī)參數(shù)計(jì)算數(shù)值電機(jī)參數(shù)值計(jì)算數(shù)值功率/KW20額定相電壓/V220極對(duì)數(shù)20頻率/Hz20接法Y接轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)內(nèi)置切向槽滿率79.7%功率因素0.943最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)2.16氣隙磁密/T0.801起動(dòng)方式變頻起動(dòng)輸入功率/KW24443.1定子齒部磁密/T1.602定子軛部磁密/T0.428T轉(zhuǎn)子軛部磁密/T0.235定子銅耗/W5669.7鐵耗/W9915.3機(jī)械損耗/W200雜散損耗/W372總損耗/W16157效率81%小結(jié)本章給出了永磁同步電動(dòng)機(jī)的主要尺寸及電磁計(jì)算的一系列參數(shù)，為下章的有限元分析提供參數(shù)。抽油機(jī)用永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)有限元分析ANSYS11.0的介紹ANSYS11.0有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來(lái)求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域：航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。磁場(chǎng)有限元分析基本原理有限單元法的基本思想早在40年代初期就有人提出，但真正用于工程中則是在電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后?！坝邢迒卧ā边@一名稱是1960年美國(guó)的克拉夫(Clough.R.W)在一篇題為“平面應(yīng)力分析的有限單元法”的論文中首先使用的。幾十年來(lái)，有限單元法的應(yīng)用己由彈性力學(xué)平面問(wèn)題擴(kuò)展到空間問(wèn)題，由靜力平衡問(wèn)題擴(kuò)展到穩(wěn)定性問(wèn)題、動(dòng)力問(wèn)題和波動(dòng)問(wèn)題，分析的對(duì)象從彈性材料擴(kuò)展到塑性、粘塑性和復(fù)合材料等。從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域。電機(jī)磁場(chǎng)的有限元計(jì)算基本上歸結(jié)為某些偏微分方程的求解，求解偏微分方程必須結(jié)合具體問(wèn)題中的特定邊界條件才能獲得唯一的解答。求解偏微分方程的各種數(shù)學(xué)方法都可以應(yīng)用于求解電機(jī)磁場(chǎng)問(wèn)題。因此，求解偏微分方程的方法大致可以分成解析法、圖解法、模擬法和數(shù)值計(jì)算法四類。雖然各種求解方法都有其特點(diǎn)和適用場(chǎng)合，但隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用的普及，數(shù)值解法的使用必將超過(guò)其他解法。數(shù)值解法是將所求磁場(chǎng)的區(qū)域剖分成有限多的網(wǎng)格或單元，通過(guò)數(shù)學(xué)上的處理，建立以網(wǎng)格或單元上各節(jié)點(diǎn)的求解函數(shù)值為未知量的代數(shù)方程組，通過(guò)計(jì)算機(jī)解出這組龐大的代數(shù)方程組，從而得到各節(jié)點(diǎn)的函數(shù)值。由于計(jì)算機(jī)的應(yīng)用日益普遍，所以電機(jī)磁場(chǎng)的數(shù)值解法在近幾年內(nèi)有很大的發(fā)展，它的適用范圍超過(guò)了所有其他各種解法，并且可以達(dá)到足夠的精度。有限元法是一種較為成熟完善的離散方法，現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛的使用，在本論文中磁場(chǎng)分析部分主要采用的方法是數(shù)值解法中的有限元分析方法。與其它方法相比，有限元法具有下面的突出優(yōu)點(diǎn)：系數(shù)矩陣對(duì)稱、正定并且具有稀疏性，所以目前普遍采用不完全喬累斯基分解共扼梯度法(ICCG法)結(jié)合非零元素壓縮存貯解有限元方程，可節(jié)約大量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存和CPU時(shí)間。處理第二類邊界條件和內(nèi)部媒質(zhì)交界條件非常方便，對(duì)于第二類齊次邊界條件和不具有面電流密度的媒質(zhì)交界條件可不作任何處理。對(duì)于由多種材料組成、內(nèi)部具有較多媒質(zhì)分界面的電機(jī)磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)，有限元法非常適用。幾何剖分靈活，適于解決電機(jī)這類幾何形狀復(fù)雜的問(wèn)題?？梢暂^好地處理非線性問(wèn)題。方法的各個(gè)環(huán)節(jié)統(tǒng)一，程序易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。隨著前、后處理技術(shù)的發(fā)展，以逐步形成了一些功能齊全、便于操作的通用或?qū)Ｓ玫挠邢拊治鲕浖?。求解電機(jī)磁場(chǎng)的偏微分方程所遇到的困難有三個(gè)方面：由銅、鐵和自由空間所組成的邊界形狀曲折多變，因此邊界條件相當(dāng)復(fù)雜；導(dǎo)磁材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系是非線性的；嚴(yán)格意義上電機(jī)磁場(chǎng)是三維的。準(zhǔn)確計(jì)算永磁同步電動(dòng)機(jī)參數(shù)和性能的重要前提是獲得正確的磁場(chǎng)分布，用磁場(chǎng)分析取代傳統(tǒng)的磁路計(jì)算正是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效手段。能否正確提出具體問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型是磁場(chǎng)分析的關(guān)鍵所在。在永磁電機(jī)磁場(chǎng)分析中，正確建立永磁體數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行后續(xù)分析的基礎(chǔ)。在磁場(chǎng)分析方法中有解析法和數(shù)值法。解析法的特點(diǎn)是計(jì)算時(shí)間短，不需要復(fù)雜的前處理，近年來(lái)解析計(jì)算與計(jì)算機(jī)應(yīng)用相結(jié)合，取得了許多研究成果。數(shù)值法尤其是有限元法可以對(duì)復(fù)雜邊界、多種媒質(zhì)以及非線性等問(wèn)題作有效的處理，在磁場(chǎng)數(shù)值分析中具有很強(qiáng)的優(yōu)越性。本節(jié)對(duì)磁場(chǎng)分析中磁場(chǎng)有限元分析法對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了全面的研究。對(duì)解析分析中采用的幾種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了闡述和比較，介紹了解析法的進(jìn)展和應(yīng)用成果。推導(dǎo)了有限元分析中采用的永磁體直接處理模型和等效面電流模型，導(dǎo)出單元分析中永磁體的離散格式，證明了兩種模型的統(tǒng)一性。在此基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)的邊界等效面電流離散化處理法。這種方法可以處理任意復(fù)雜形狀的永磁邊界，并且可以統(tǒng)一方便的處理平行、徑向和周向幾種充磁方向，為永磁同步電動(dòng)機(jī)有限元程序?qū)崿F(xiàn)通用性奠定了基礎(chǔ)。永磁同步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)的有限元分析和計(jì)算磁場(chǎng)的有限元分析和計(jì)算通常歸結(jié)為求解微分方程的解。對(duì)于常微分方程，只要由輔助條件決定任意常數(shù)之后，其解就是唯一的。對(duì)于偏微分方程，使其解成為唯一的輔助條件可以分為兩種：一種是表達(dá)磁場(chǎng)的邊界所處的物理情況稱邊界條件；另一種是確定磁場(chǎng)的初始條件。邊界條件和初始條件合稱為定解條件。未附加定解條件的描寫普遍規(guī)律的微分方程稱為泛定方程，泛定方程和定解條件作為一個(gè)整體，稱為定解問(wèn)題，能得到唯一而穩(wěn)定的解。麥克斯韋方程組是對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)的經(jīng)典描述，電機(jī)磁場(chǎng)分析一般采用位函數(shù)表示，位函數(shù)比場(chǎng)量本身更容易建立邊界條件。位函數(shù)包括磁矢位A和磁標(biāo)位Φ，用標(biāo)量位進(jìn)行有限元分析雖然比較方便，但它不適用于包含電流的求解區(qū)域，所以采用矢量位解法非常重要。本節(jié)研究建模對(duì)象是新型無(wú)齒輪曳引式抽油機(jī)用低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)。低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)分析采用的電磁場(chǎng)理論基于麥克斯韋方程組，忽略軸向效應(yīng)，電流密度和矢量磁位只有Z軸方向的分量，電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以表示為一個(gè)關(guān)于Az的二維泊松方程，其邊值問(wèn)題可以描述為:(4-1)式中γ-磁阻率，A-磁矢位，JZ-源電流密度，Ht-磁場(chǎng)強(qiáng)度的切向分量，Г1-第一類邊界，Г2-第二類邊界，Jc-永磁體的等效面電流。Ht=0時(shí)的條件變分問(wèn)題(4-2)式中邊界條件的確定目前，電機(jī)磁場(chǎng)問(wèn)題主要研究的是沒(méi)有初始條件而只有邊界條件的定解問(wèn)題—邊值問(wèn)題。邊值問(wèn)題通常有三種情況，本文研究的磁場(chǎng)問(wèn)題，一般用第一類和第二類邊界條件，并且這兩種邊界的劃分與求解函數(shù)的選擇有關(guān)。在此主要介紹第一類和第二類邊界條件：邊界上的物理?xiàng)l件規(guī)定了物理量u在邊界Г上的值(4-3)稱為第一類邊界條件。當(dāng)物理量在邊界上的值為零時(shí)，稱為第一類齊次邊界條件。邊界上的物理?xiàng)l件規(guī)定了物理量u的法向微商在邊界上的值(4-4)稱為第二類邊界條件。當(dāng)u的法向微商為零時(shí)，稱為第二類齊次邊界條件。應(yīng)用有限元法求解電機(jī)磁場(chǎng)時(shí)，應(yīng)盡量縮小求解區(qū)域范圍，一般可取電機(jī)外側(cè)表面作為邊界面，這屬于一個(gè)強(qiáng)加的邊界面。由于鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣磁導(dǎo)率，這種近似在工程上是合理的。一般情況下認(rèn)為磁力線沿電機(jī)外側(cè)表面閉合，這條邊界屬于第一類齊次邊界。很多情況下，電機(jī)軸的外表面也被取為第一類齊次邊界。以低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)為例，其求解區(qū)域如圖4.1所示。CCDFBAE圖4-SEQ圖4-\*ARABIC1永磁同步電動(dòng)機(jī)求解區(qū)域?qū)τ趦蓷l弧線BFD和AEC，它們的邊界條件為:ABFD=AABC=0(4-5)由于電機(jī)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，旋轉(zhuǎn)電機(jī)磁場(chǎng)沿圓周是周期變化的，具有周期性條件，這時(shí)計(jì)算可以只計(jì)算磁場(chǎng)的一部分。一般可取電機(jī)的一個(gè)極距范圍作求解區(qū)域，此時(shí)，在AB和CD兩條徑向線上滿足半周期邊界條件，即AAB=-ACD(4-6)當(dāng)然，如果只分析電機(jī)的空載磁場(chǎng)時(shí)，可以取半個(gè)極距為求解區(qū)，此時(shí)在磁極中心線EF上滿足第一類齊次邊界條件，即AEF=0(4-7)而在電機(jī)的相鄰兩極之間的中性線上，磁力線都是垂直穿過(guò)，磁位沿極間幾何中性線方向的變化率為零，滿足第二類齊次邊界條件(4-8)因此，有限元分析的全過(guò)程可以簡(jiǎn)要地歸納為如下幾部分；列出與偏微分方程邊值問(wèn)題等價(jià)的條件變分問(wèn)題；將區(qū)域進(jìn)行單元剖分，并在單元中構(gòu)造出線性插值函數(shù)；將能量泛函的極值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為能量函數(shù)的極值問(wèn)題，建立線性代數(shù)方程組，并按第一類邊界條件加以修改；求解線形代數(shù)方程組。永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)有限元分析數(shù)學(xué)模型建立本節(jié)研究建模對(duì)象是新型無(wú)齒輪曳引式抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)。在應(yīng)用ANSYS二維電磁場(chǎng)有限元分析軟件進(jìn)行幾何建模，采用AutoCAD軟件格式的.DXF文件建立的2D模型，可以轉(zhuǎn)換成ANSYS幾何模型。電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖4-2圖4-SEQ圖4-\*ARABIC2電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如下圖在AutoCAD2004中建立了2D模型，用DXF文件導(dǎo)入到ANSYS建模顯示窗口的2D模型，如圖4.3所示。建立完電機(jī)幾何模型后，鼠標(biāo)單擊“DefineModel”然后點(diǎn)“GroupObjects”，幾個(gè)實(shí)體生成線圈?？紤]到永磁同步電動(dòng)機(jī)的對(duì)稱型和計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)速度，只建立了1/4模型，如下圖在AutoCAD2004中建立了2D模型，用DXF文件導(dǎo)入到ANSYS建模顯示窗口的2D模型，永磁同步電動(dòng)機(jī)1/4模型及永磁同步電動(dòng)機(jī)2D模型如圖4.3和圖4-4所示。圖4-SEQ圖4-\*ARABIC3永磁同步電動(dòng)機(jī)1/4模型圖4-SEQ圖4-\*ARABIC4永磁同步電動(dòng)機(jī)2D模型指定材料屬性ANSYS軟件的材料庫(kù)可分為全局材料庫(kù)、用戶自定義材料庫(kù)和遺傳材料庫(kù)。全局材料庫(kù)可以在ANSYS所有軟件中使用，但只能在ANSYS控制面板中修改或刪除。用戶自定義材料庫(kù)是用戶可以往一個(gè)項(xiàng)目中可以增加材料，用戶通過(guò)材料模板可以對(duì)所使用的材料屬性進(jìn)行創(chuàng)建和編輯。在給用戶提供盡可能多的用戶向?qū)У幕A(chǔ)上，材料模型大大簡(jiǎn)化了材料的創(chuàng)建過(guò)程。遺傳是可以從材料庫(kù)中已存在的材料衍生出新材料，從而創(chuàng)建一個(gè)材料族，共享或繼承基礎(chǔ)材料的特性。本模型中使用的硅鋼片DW470為自己新創(chuàng)建的新材料。在“MaterialSetup”點(diǎn)擊Material鼠標(biāo)左鍵單擊Add，出現(xiàn)補(bǔ)“Material”，依次選擇和輸入相關(guān)參數(shù)，來(lái)完成定義。如B-H曲線，損耗曲線。對(duì)于具有線性退磁曲線的NdFeB材料，只需要定義相對(duì)磁導(dǎo)率和矯頑力。編輯完材料后，定義幾何模型的材料屬性和設(shè)定永磁體的磁性。將線圈的材料屬性指定為銅，永磁體的材料屬性指定為NdFeB,Stator、Rotor和Shaft的材料屬性指定為DW470，將氣隙和Band的材料屬性指定為air。永磁體的磁力線方向按照永磁體的極性來(lái)確定。設(shè)定邊界條件和激勵(lì)源邊界條件定義了在邊界和未求解區(qū)域的場(chǎng)分布情況。對(duì)于部分建模的電機(jī)，采用對(duì)稱邊界條件，利用對(duì)稱邊界條件可以有效地節(jié)省計(jì)算資源。比如根據(jù)電機(jī)繞組周期對(duì)稱只求解一個(gè)對(duì)稱周期或兩個(gè)對(duì)稱周期，則要定義二元邊界條件:奇對(duì)稱或偶對(duì)稱邊界條件。指定主、從邊界和定義定子外徑的邊界值，完成邊界的設(shè)定。設(shè)置定子繞組參數(shù)，點(diǎn)擊下拉菜單Edit/Select/Object/ByClicking，用鼠標(biāo)在圖形