油井柱塞泵用永磁直线同步电动机设计研究

摘要

石油作为当今社会的主要能源之一，采油设备的研究得到了广泛的重视。传统游梁式四连杆结构采油装置存在中间环节多、井杆管偏磨、系统柔性差、效率低等问题。为了改善这些问题，相关研究人员提出了一种由直线电机直接驱动抽油泵进行往复抽油的无杆采油系统，该种系统不存在井杆管偏磨问题，并且系统效率高，排量调节范围宽、易调参，可实现短冲程、高冲次。本文对潜油直驱系统中应用的圆筒型永磁直线同步电动机(Tubular Permanent Magnet LinearSynchronous Motor，TPMLSM)进行了分析计算、设计和结构优化，主要工作包括以下几个部分:
　　研究了电机的基本结构和工作原理，基于该电机的特殊结构和工作原理，通过对普通旋转永磁同步电机和直线感应电机电磁参数计算方法的研究，给出了适用于TPMLSM电阻、电抗参数和初级铁心损耗的计算公式以及工作特性曲线的计算方法。
　　讨论了初级线圈匝数、永磁体厚度等结构参数变化对电机性能的影响。利用有限元分析软件Maxwell建立电机模型，对TPMLSM的气隙磁场分布、空载反电势、初级三相电流和电机过载能力等性能进行分析，经过傅里叶分解后，得到其基波和各次主要谐波分量。通过比较不同结构参数下的电机性能指标，得出了结构参数变化对TPMLSM性能的影响规律，从而确定较优结构，以达到优化电机的目的。
　　对电机的齿槽力进行了分析，首先通过解析法研究了TPMLSM的齿槽力，得到了齿槽力的解析表达式。其次，利用有限元法通过改变槽口宽度、气隙不均匀程度、磁极极弧系数等措施削弱齿槽效应，研究了各影响因素对电机齿槽力的影响规律。这为减小齿槽力，抑制电机输出力波动，从而使电机能够稳定运行提供了参考依据。
　　根据电机各项性能指标要求，以及结构优化和齿槽力分析结果，确定了电机设计的主要参数。利用有限元软件建模，进行仿真计算，得到了所设计电机的磁密分布以及带额定负载运行时性能曲线。在满足电机设计要求的前提下，制造了样机，进行样机试验，并将样机试验结果与有限元仿真结果进行比较验证。验证结果表明，电机符合设计要求。
　　利用Maxwell分别建立不同初级铁心材料（硅钢片、软磁复合材料）下的TPMLSM有限元仿真模型，在此基础上，对比分析了以硅钢片为铁心材料的TPMLSM和以软磁复合材料铁心材料的TPMLSM的气隙径向磁密分布和空载反电势，并对两种铁心材料电机的带额定负载运行的性能曲线进行分析。比较结果表明，软磁复合材料应用于TPMLSM是可行的。

目录

声明

摘要

1．1 课题背景及意义

1．2 直线电机的发展

1．2．1 直线电机的分类

1．2．2 直线电机的历史和研究现状

1．2．3 圆筒形永磁同步直线电机的研究

1．3 永磁电机设计研究方法

1．4 课题研究的主要内容

第二章 圆筒型永磁直线同步电动机基本理论和电磁计算

2．1 圆筒型永磁直线同步电动机的基本结构

2．2 圆筒型永磁直线同步电动机的工作原理

2．3 圆筒型永磁直线同步电动机的参数和性能计算

2．3．1 参数计算

2．3．2 初级基本铁耗计算

2．3．3 工作特性计算

2．3．4 电机性能计算结果

2．4 本章小结

第三章 基于有限元法的圆筒形永磁直线同步电动机结构优化和性能分析

3．2 结构参数对电机性能的影响

3．2．1 永磁体厚度

3．2．2 初级线圈匝数

3．3 齿槽力分析

3．3．1 齿槽力的解析分析

3．3．2 槽口宽度对齿槽力的影响

3．3．3 气隙不均匀程度对齿槽力的影响

3．3．4 极弧系数对齿槽力的影响

3．4 本章小结

第四章 油井柱塞泵用永磁直线同步电动机设计和有限元验证

4．1 电机设计方案

4．1．3 气隙长度δ的确定

4．1．4 次级设计

4．1．5 电机主要参数的确定

4．2 电机主要性能的有限元分析

4．2．1 磁密的有限元分析

4．2．2 空载反电势的有限元分析

4．2．3 额定负载性能的有限元分析

4．3 样机试验

4．3．1 样机结构

4．3．2 实验装置与测试

4．3．3 样机试验及与有限元仿真结果比较

4．4 本章小结

第五章 不同铁心材料在圆筒形永磁直线同步电动机的对比研究

5．1 软磁复合材料

5．2 两种铁心材料电机性能对比分析

5．2．1 样机试验及与有限元仿真结果比较

5．2．2 空载反电势分析

5．2．3 额定负载性能分析

5．3 本章小结

第六章 全文总结

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文