永磁电机直驱顶驱动力系统设计研究

摘要

顶部驱动钻井装置因其高效的作业能力得到了国内外各大钻井公司的广泛认可，并已成为了石油钻井行业的标准配置。相对于传统顶驱，直驱顶驱在满足动力需要的前提下，取消了减速箱，降低了重量，缩小了体积，提高了传动效率及可靠性。本文将对3000m永磁电机直驱顶驱的动力系统进行研究。 动力水龙头总成是顶驱系统的动力中枢，也是直驱顶驱区别于传统顶驱的关键所在，为满足顶驱低速大扭矩的作业需要，本设计中的直驱顶驱使用永磁同步电机作为动力来源。在设计研究的过程中，首先根据顶驱的作业需要确定相关动力参数；选定极槽配合方案后，对电机的主要尺寸、定子槽形、电枢绕组及永磁体进行设计。完成永磁同步电机的初步设计后，对电机的空载及负载性能进行了相关分析，并确定出在保证效率的基础上降低齿槽转矩的优化目标。最后，开展了基于田口法的双目标稳健参数优化设计，以筛选出的显著因子为可控因子，以加工安装过程中难以控制的误差因素为噪声因子，分析齿槽转矩及效率的信噪比以提高优化方案的稳健性，最终有效降低了齿槽转矩。 基于优化后的电机设计方案，完成永磁电机的结构设计。以电机为中心，完成动力水龙头总成的整体方案设计；为满足电机制动、冷却的需要完成刹车系统及风冷系统等辅助系统的方案设计，包括刹车盘及制动器的安装，风道的设计，风机的选型等；其后对动力水龙头总成的传动、连接件进行了设计与选型，包括电机转子的安装，主轴与水龙头的连接，轴承的选型、润滑及密封等；最后，完成了主轴及提升箱体等主承载件的设计与校核。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究概况

1.2.1 直驱顶驱发展现状

1.2.2 永磁同步电机发展现状

1.2.3 永磁同步电机 优化研究

1.3 研究的主要内容

第二章 直驱顶驱动力水龙头方案设计

2.1 直驱顶驱总体结构

2.2 动力水龙头方案

2.3 顶驱基本设计参数

2.4 本章小结

第三章 调速永磁同步电机设计与分析

3.1 永磁电机设计

3.1.1 电机设计参数确定

3.1.2 主要尺寸设计

3.1.3 定子齿槽设计

3.1.4 电枢绕组设计

3.1.5 永磁体设计

3.2 永磁同步电机性能分析

3.2.1 RMxprt模型建立与分析

3.2.2 电机空载性能分析

3.2.3 电机负载性能分析

3.3 本章小结

第四章 永磁同步电机稳健优化设计

4.1 优化方法

4.2 显著因子筛选

4.2.1 优化参数取值

4.2.2 部分析因实验设计

4.2.3 Pareto图和正态效应图分析

4.2.4 试验设计均值曲线分析

4.3 稳健参数优化设计

4.3.1 确定噪声因子

4.3.2 设计正交实验

4.3.3 实验结果分析

4.3.4 最佳方案确定

4.4 优化结果分析

4.4.1 齿槽转矩及效率分析

4.4.2 负载性能分析

4.5 本章小结

第五章 动力水龙头结构设计

5.1 直驱顶驱动力水龙头

5.2 直驱顶驱电机设计

5.2.1 电机结构概述

5.2.2 电机定转子

5.2.3 电机防护

5.3 辅助系统设计

5.3.1 刹车系统设计

5.3.2 冷却系统设计

5.4 连接及传动件的设计与选型

5.4.1 胀紧联结套的选型

5.4.2 轴承的选型及密封

5.4.3 冲管盘根总成

5.5 主承载件的设计与分析

5.5.1 主轴的设计与分析

5.5.2 提升箱体的设计与分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

致谢