基于Ansys Workbench的潜油电机温度场模拟方法

摘要

基于Ansys Workbench的潜油电机温度场模拟方法，属于潜油电机温度场模拟技术领域。本发明是为了解决现有潜油电机的温度场分析方法不能对潜油电机进行实时监控，以进行过热保护的问题。它在SolidWorks系统中对潜油电机的定子和转子进行三维建模，获得潜油电机模型；将潜油电机模型导入到Ansys Workbench系统中，进行自动网格剖分；采用潜油电机的热力学微分方程和热力学微分方程边界条件，确定潜油电机模型求解域的温度场；进行潜油电机仿真，获得潜油电机在不同负载下定子、转子和导条的温度场分布云图。本发明用于潜油电机温度场的仿真。

说明书

技术领域

本发明涉及基于Ansys Workbench的潜油电机温度场模拟方法，属于潜油电机温度场模拟技术领域。 

背景技术

潜油电机的温升过高会影响它的运行状态，会使电机内部耐热能力薄弱的绝缘材料的寿命缩短，甚至烧毁，因此，在潜油电机的设计和分析中了解其发热情况，比较准确地计算其温度场具有实际意义。由于潜油电机一般工作于2000-3000m的深油井下，其工作环境恶劣，结构、散热条件等因素比较复杂，这都给温度的计算带来一定的困难。目前传统的对潜油电机温度场进行分析的方法都是从整体考虑，并且计算的结果多为平均值。这种方式不利于对潜油电机进行实时监控，以进行过热保护，因此不能保证其安全稳定进行。 

发明内容

本发明的目的是为了解决现有潜油电机的温度场分析方法不能对潜油电机进行实时监控，以进行过热保护的问题，提供了一种基于Ansys Workbench的潜油电机温度场模拟方法。 

本发明所述基于Ansys Workbench的潜油电机温度场模拟方法，它包括以下步骤： 

步骤一：在SolidWorks系统中对潜油电机的定子和转子进行三维建模，获得潜油电机模型； 

步骤二：将潜油电机模型导入到Ansys Workbench系统中，采用Ansys Workbench系统对潜油电机模型进行自动网格剖分； 

步骤三：对自动网格剖分后的潜油电机模型的温度场进行分析，采用潜油电机的热力学微分方程和热力学微分方程边界条件，确定潜油电机模型求解域的温度场，该温度场为由对流散热产生的温度场； 

步骤四：根据潜油电机的热力学微分方程和热力学微分方程边界条件设置潜油电机模型的模型材料、初始边界条件和负载，进行潜油电机仿真，获得潜油电机在不同负载下定子、转子和导条的温度场分布云图。 

所述步骤三中采用潜油电机的热力学微分方程和热力学微分方程边界条件，确定潜油电机模型求解域的温度场的具体方法为： 

所述潜油电机的热力学微分方程为： 

$\frac{\partial T}{\partial \tau }=a(\frac{{\partial }^{2}T}{{\partial x}^2}+\frac{{\partial }^{2}T}{\partial y^2}+\frac{{\partial }^{2}T}{\partial z^2})+\frac{q_v}{\mathrm{\rho c}},$

式中T为温度，τ为时间微元，a为散热系数，x为空间坐标系中X轴方向的坐标值，y为空间坐标系中Y轴方向的坐标值，z为空间坐标系中Z轴方向的坐标值，q_v为单位体积生热率，ρ为密度，c为质量定容热容， 

其中式中λ为导热系数； 

热力学微分方程的热力学第一边界条件为： 

${T|}_{S_1}=T_0,{T|}_{S_1}=f(x,y,z,t),$

式中，T₀为已知温度；f(x，y，z，t)为已知温度函数，t为时间，S₁为热力学第一类边界面； 

热力学第一边界条件用于潜油电机模型的热力学第一类边界面S₁上温度为已知的情况； 

热力学微分方程的热力学第二边界条件为： 

$-\lambda \frac{\partial T}{\partial n}{|}_{S_2}=q,-\lambda \frac{\partial T}{\partial n}{|}_{S_2}=g(x,y,z,t),$

式中n为微元点，S₂为热力学第二类边界面，q为热流密度，g(x，y，z，t)为热流密度函数； 

热力学第二边界条件用于热力学第二类边界面S₂上的热流密度为已知的情况； 

热力学微分方程的热力学第三边界条件为： 

$-\lambda \frac{\partial T}{\partial n}{|}_{S_3}=a(T-T_f),$

式中S₃为热力学第三类边界面，T_f为热力学第三类边界面S₃周围流体的温度， 

根据上述潜油电机的热力学微分方程和热力学微分方程边界条件，确定潜油电机模型求解域的温度场。 

所述步骤四中获得潜油电机在不同负载下定子、转子和导条的温度场分布云图的具体方法为：根据潜油电机的热力学微分方程和热力学微分方程边界条件确定潜油电机单位体积生热率q_v； 

然后根据潜油电机的定子阻值、转子阻值、额定工作电流和额定工作电压确定转子绕组的铜损P_{r_copper}： 

$p_{r\_\mathrm{copper}}={{3I}_s}^2\frac{s^2{{\omega }_e}^2{L_m}^2}{{R_r}^2+s^2{{\omega }_e}^2{L_r}^2}{R}_r,$

式中I_s为定子线圈的电流有效值，s为转差率，ω_e为同步角速度，L_m为定子与转子之间的互感，R_r为转子阻值，L_r为转子自感； 

根据定子线圈的电流有效值及定子线圈的阻值，定子铜损P_{s_copper}为： 

$P_{s\_\mathrm{copper}}={3I}_s^2{R}_s,$

R_s为定子线圈的阻值； 

利用热力学微分方程的热力学第二边界条件求解潜油电机相互接触的各个部分之间由于热传导和对流换热产生的温度场； 

利用热力学微分方程的热力学第二边界条件求解潜油电机内部由于对流换热产生的温度场，该对流换热发生在两部分，一为定子内表面及转子外表面与气隙空气的对流换热；二为机壳外表面与原油的对流换热； 

通过设定已知温度T₀、热力学第三类边界面S₃周围流体的温度T_f、导热系数λ、密度ρ和质量定容热容c，确定热力学微分方程的热力学第三边界条件，再对潜没电机的每个微元求解热力学微分方程，获得潜油电机在不同负载下定子、转子和导条的温度场分布云图。 

本发明的优点：本发明将电机热力学建模与Ansys温度场分析相结合，应用大型有限元分析软件ANSY进行温度场仿真分析，能够得到潜油电机各个部分的温度场分布图像，以直观分析潜油电机的温度分布，结果准确。这种潜油电机高温高压下的热力学建模及温度场分布分析，是进行潜油电机过热保护及智能配电的重要途径，对于实现潜油电机工作温度的实时监控、保证其安全稳定运行、解决目前各大油田开采后期高温高压的负面效应 问题，具有极其重要的现实意义。 

本发明能够实现2000-3000m深油井下不同运行状态潜油电机的温度场高精度模拟。能够满足各大油田开采后期，受高温高压影响而导致的2km-3km油井中的潜油电机的温度场高模拟需要，从仿真结果可以了解到实际测量技术不可能得到的温度分布情况。能够防止如耐热能力薄弱的绝缘材料等部件的烧毁，而造成的潜油电机因温度过热而损坏，可为实现潜油电泵机组的高效安全运行、解决油田开采后期存在的高温负面效应问题提供理论研究基础，并且对井上对操作潜油电机而进行的有关工作参数设置、潜油电机结构改造起到指导作用，这对延长潜油电机的检泵周期和使用寿命，保障其高效、安全稳定运行具有极其现实的应用价值与开发前景。 

附图说明

图1是本发明所述基于Ansys Workbench的潜油电机温度场模拟方法的流程图； 

图2是基于数据采集卡辨识的潜油电机转子温度和定子温度曲线图； 

图3是应用温升在线测试仪DAC-HRE-1实测获得的潜油电机定子温度曲线图。 

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于Ansys Workbench的潜油电机温度场模拟方法，它包括以下步骤： 

步骤一：在SolidWorks系统中对潜油电机的定子和转子进行三维建模，获得潜油电机模型； 

步骤二：将潜油电机模型导入到Ansys Workbench系统中，采用Ansys Workbench系统对潜油电机模型进行自动网格剖分； 

步骤三：对自动网格剖分后的潜油电机模型的温度场进行分析，采用潜油电机的热力学微分方程和热力学微分方程边界条件，确定潜油电机模型求解域的温度场，该温度场为由对流散热产生的温度场； 

步骤四：根据潜油电机的热力学微分方程和热力学微分方程边界条件设置潜油电机模型的模型材料、初始边界条件和负载，进行潜油电机仿真，获得潜油电机在不同负载下定子、转子和导条的温度场分布云图。 

本实施方式中，建模软件使用SolidWorks，此软件为达索系统下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。SolidWorks具有清晰直观的界面，灵活的草图绘制以及和检查功能，设计者可以很清楚自已的操作状态，同时SolidWorks还具有强大 的特征建立能力和零件与装配的控制功能，通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳以及特征阵列等操作很容易实现零件的设计，因此本发明中选用SolidWorks对潜油电机进行建模，SolidWorks与Ansys Workbench有良好接口。 

本实施方式中，潜油电机可为三项鼠笼式感应电机，例如以12kW的三项鼠笼式感应电机为例，其主要包括机壳、定子及其绕组、转子、电机前后盖、风扇以及轴承等部分，由于电机中受温度影响最大的主要是定转子，且电机的热源主要分布在定转子上，因此主要对电机的定转子进行建模。 

Ansys这类有限元分析软件需要把求解域剖分成许多个单元，组成离散化模型，再用各个单元节点上的数值解去逼近连续场的真实解。由于不同的物理场对网格的要求不一样，通常流场的网格比结构场要细密的多，选择不同的物理场也会有不同的网格划分。网格划分的使用方法、单元大小、平滑度的参数的设置，直接影响仿真结果。本实施方式中所涉及的温度场采用自动网格剖分即可满足要求。 

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述步骤三中采用潜油电机的热力学微分方程和热力学微分方程边界条件，确定潜油电机模型求解域的温度场的具体方法为： 

所述潜油电机的热力学微分方程为： 

$\frac{\partial T}{\partial \tau }=a(\frac{{\partial }^{2}T}{{\partial x}^2}+\frac{{\partial }^{2}T}{\partial y^2}+\frac{{\partial }^{2}T}{\partial z^2})+\frac{q_v}{\mathrm{\rho c}},$

式中T为温度，τ为时间微元，a为散热系数，x为空间坐标系中X轴方向的坐标值，y为空间坐标系中Y轴方向的坐标值，z为空间坐标系中Z轴方向的坐标值，q_v为单位体积生热率，ρ为密度，c为质量定容热容， 

其中式中λ为导热系数； 

热力学微分方程的热力学第一边界条件为： 

${T|}_{S_1}=T_0,{T|}_{S_1}=f(x,y,z,t),$

式中，T₀为已知温度；f(x，y，z，t)为已知温度函数，t为时间，S₁为热力学第一类边界面； 

热力学第一边界条件用于潜油电机模型的热力学第一类边界面S₁上温度为已知的情 况； 

热力学微分方程的热力学第二边界条件为： 

$-\lambda \frac{\partial T}{\partial n}{|}_{S_2}=q,-\lambda \frac{\partial T}{\partial n}{|}_{S_2}=g(x,y,z,t),$

式中n为微元点，S₂为热力学第二类边界面，q为热流密度，g(x，y，z，t)为热流密度函数； 

热力学第二边界条件用于热力学第二类边界面S₂上的热流密度为已知的情况； 

热力学微分方程的热力学第三边界条件为： 

$-\lambda \frac{\partial T}{\partial n}{|}_{S_3}=a(T-T_f),$

式中S₃为热力学第三类边界面，T_f为热力学第三类边界面S₃周围流体的温度， 

根据上述潜油电机的热力学微分方程和热力学微分方程边界条件，确定潜油电机模型求解域的温度场。 

本实施方式中，潜油电机的热力学微分方程及其热力学边界条件可用于求解任何温度场，通过边界条件的设定求出定解，边界条件根据已知条件的不同进行选取。 

利用热力学有关基本定律，分析潜油电机模型： 

根据传热机理的不同，传热的基本方式有热传导、对流和辐射三种。由于潜油电机工作在油井中，其周围充满了原油，且在定转子中间的缝隙中充满润滑油，因此潜油电机的传热主要是靠对流来实现，本发明对潜油电机温度场的分析中主要考虑了潜油电机的对流散热，并用数值方法求解潜油电机的温度场。所述潜油电机的热力学微分方程可以用来表示普通的热交换霍华德。利用数值方法求解微分方程和边界条件，最终可以确定求解域的温度场。 

热力学第二边界条件所采用的公式中，如果第二边界面是绝热的，则表示在S₂边界上的温度变化率为0。 

具体实施方式三：下面结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，本实施方式所述步骤四中获得潜油电机在不同负载下定子、转子和导条的温度场分布云图的具体方法为：根据潜油电机的热力学微分方程和热力学微分方程边界条件 确定潜油电机单位体积生热率q_v； 

然后根据潜油电机的定子阻值、转子阻值、额定工作电流和额定工作电压确定转子绕组的铜损P_{r_copper}： 

$p_{r\_\mathrm{copper}}={{3I}_s}^2\frac{s^2{{\omega }_e}^2{L_m}^2}{{R_r}^2+s^2{{\omega }_e}^2{L_r}^2}{R}_r,$

式中I_s为定子线圈的电流有效值，s为转差率，ω_e为同步角速度，L_m为定子与转子之间的互感，R_r为转子阻值，L_r为转子自感； 

根据定子线圈的电流有效值及定子线圈的阻值，定子铜损P_{s_copper}为： 

$P_{s\_\mathrm{copper}}={3I}_s^2{R}_s,$

R_s为定子线圈的阻值； 

利用热力学微分方程的热力学第二边界条件求解潜油电机相互接触的各个部分之间由于热传导和对流换热产生的温度场； 

利用热力学微分方程的热力学第二边界条件求解潜油电机内部由于对流换热产生的温度场，该对流换热发生在两部分，一为定子内表面及转子外表面与气隙空气的对流换热；二为机壳外表面与原油的对流换热； 

通过设定已知温度T₀、热力学第三类边界面S₃周围流体的温度T_f、导热系数λ、密度ρ和质量定容热容c，确定热力学微分方程的热力学第三边界条件，再对潜没电机的每个微元求解热力学微分方程，获得潜油电机在不同负载下定子、转子和导条的温度场分布云图。 

在在电机发热过程中热源主要包括铜耗、铁耗以及机械损耗，由于铁损较小，可以忽略不计，因此利用潜油电机定转子阻值与额定工作电流电压等有关参数确定发热量。 

潜油电机内部换热过程主要是热传导过程和对流换热过程，热传导主要发生在潜油电机相互接触的各个部分之间，比如转子与轴承，轴承与定子支架之间；对流换热过程主要发生在两部分：定子内表面及转子外表面与气隙空气的对流换热，机壳外表面与原油对流换热。 

本发明中，根据仿真计算假设，设置潜油电机模型的模型材料、初始边界条件和负载，进行仿真。 

1)模型材料的设置：导热系数与材料的性质有关，在潜油电机中温度场的计算主要包括：定子，转子，导条，扶正轴承等媒质，具体各部分材料如表1所示。 

表1 

2)热对流参数设置：据潜油电机特殊的油路循环系统以及其工作环境可知，其对流换热过程分两部分。一部分是转子外表面与润滑油的对流换热，其温度主要靠润滑油向外散热，另一部分是定子以及转子端环与外界环境的对流换热。表2为实际对流参数取值。 

表2 

当潜油电机运行时其内腔中充满电机润滑油，立式运行，转子在润滑油中高速旋转。因此其机械损耗主要由三部分组成：转子与润滑油的摩擦损耗、止推轴承动、静块的摩擦损耗及扶正轴承的摩擦损耗。其中起主要作用的是转子与润滑油的摩擦损耗。 

其中电机电阻、电容具体参数如表3所示。 

表3 

下面结合表4-表9分析本发明仿真所得到温度场结果： 

仿真得到潜油电机不同负载下定转子以及导条等的温度场云图，通过云图可以直观的了解潜油电机工作时其温度的分布情况以及数值的大小，下面分为3种情况进行讨论： 

1)额定负载：当潜油电机施加额定负载时，此时流过潜油电机的电流为21A，其内部热源主要是定转子的铜耗以及机械损耗，通过上述理论可以计算损耗的大小如表4所示。 

表4 

将上述损耗作为内部热源加到潜油电机上，其中定子铜耗加到定子上，转子铜耗加到导条上，机械损耗由上述分析可知主要是由转子与润滑油的摩擦引起的，因此加到转子上，然后通过设置对流系数可得到仿真结果，额定负载下定子、转子、转轴、转子导条、整体温度温度场云图，最后统计得到各部分的极限温度如表5所示。 

表5 

2)定子电流18A负载：潜油电机大多数情况下工作在额定状态下，此时其工作效率较高，但是随着井下环境的变化，电机负载也会发生相应的变化，当负载减小时，如流过电机的电流为18A时。分析此时的温度，同样根据理论计算定转子的铜耗以及机械损耗，加载到相应位置，根据理论计算的损耗大小如表6所示。最终得到定子电流18A负载下定子、转子、转轴、转子导条、整体温度温度场云图，各部分的极限温度统计结果如表7所不。 

表6 

表7 

3)过载：由于潜油电机工作在高温以及含沙量很高的环境中，因此当电机中进入於沙、电机的润滑情况变差以及电压突升的情况时会导致电机工作在过载状态，此时电机温升增加，影响电机的工作效率以及绝缘情况，严重时甚至烧毁电机，因此有必要对其过载的情况进行分析，下面以定子电流为24A为例。此时根据理论计算的转子的铜耗以及机械损耗大小如表8所示，最终得到过载情况，即定子电流为24A时的定子、转子、转轴、转子导条、整体温度温度场云图，各部分的极限温度统计结果如表9所示。 

表8 

表9 

下面结合图2和图3对温度场仿真模拟结果进行验证，方式如下： 

为验证ANSYS仿真结果，建立12kW潜油电机工控机/数据采集卡实验平台，如图2得到基于数据采集卡辨识的转子温度与定子温度；应用温升在线测试仪DAC-HRE-1实测潜油电机定子温度，所测得定子温度结果如图3所示。采用这两种验证方法验证本发明所述仿真方法的正确性与精确性。图2及图3中圆圈内的采样时刻点对应为模拟获得到温度云图的时刻，表明潜油电机ESM仿真温度与辨识温度及定子实测温度误差不超过5℃，从而验证了仿真算法的准确性。 

需指明的是，ANSYS仿真与DAC-HRE-1测试以及数据采集卡平台辨识均依据同一电机条件，即定子电压与电流，三者对于时间轴是一一映射关系，因此实测温度与辨识温度可作为验证ANSYS仿真正确性与有效性的可靠依据。