关于石油抽油机用外转子永磁电机设计与有限元分析的研究

作者：张毅

    游梁式抽油机俗称“磕头机”，是目前主要的抽油设备，其主要特点是结构简单、便于维护，但是结构笨重，在抽油的一个冲次中负载不均衡，电动机输出功率有70%是无用功，耗能大。无游梁式抽油机主要有皮带传动式、链条传动式等，其中，直线电机传动和液压传动实现了直驱式，但成本高，维护不便。针对此现象，笔者研究了一种新型的外转子永磁电机，将该电机应用在塔式抽油机上，实现低转速、大转矩、直驱式的抽油过程，与游梁式抽油机相比，抽油效率提高了50%，节约电能40%。

1  外转子永磁电机电磁方案的确定

外转子永磁电机在塔式抽油机上的应用如图1所示。电机外形呈圆盘状，在电机两侧，卷筒与外转子通过螺纹连接固定在一起；抽油杆皮带和配重皮带分别以相反的方向绕在卷筒上，当抽油时，抽油杆向上运动，配重向下运动，抽油杆复位向下运动时，配重往上运动，完成一次抽油过程。

根据石油抽油机的工作参数，确定外转子永磁同步电机的技术参数，如表1所示。

1.1  外转子永磁电机主要尺寸的确定

本文研究分析的外转子永磁同步电机的转速为25 r／min，由式(1)可确定相应的极对数：

其中：p为极对数，取为40对极；n为电机转速，r/min。代入相关参数，计算得厂=16.7 Hz。

对于外转子永磁电机而言，电机定子外径与铁芯长度之间的关系可以通过式(2)计算：

其中：D为电枢外径，m;/l，为电枢铁芯长度，m; Pm,为电机的计算功率，kW;aP为计算极弧系数；Kdp为气隙磁场的波形系数；KN。为电枢的绕组系数；A为电枢绕组的电负荷，A／m；Ba为气隙磁密最大值，T。

式(2)中，电磁功率P。和额定转速”是根据设计参数给定的，其他参数如极弧系数、波形系数等的变化范围较小，因此，电负荷A及气隙磁密B。的选择对电机主要尺寸影响大，决定了电机的体积。磁负荷的选择由选用的永磁材料性能和永磁体尺寸决定，永磁体材料选取之后，磁负荷的变化范围就确定了；当气隙磁密B8确定之后，外转子永磁电机的电负荷对电机尺寸的影响起到了关键作用。电负荷的表达式为：

其中：m为电机相数；W为每相串联导体数；IN为绕组相电流。

  从式(2)可以看出，当永磁电机功率、极对数确定之后，电负荷A越大，那么永磁电机的尺寸越小，能量密度越高，可以节约有效材料，降低制造成本。

  在直驱式、低转速、大转矩的工况下，电机的空载反电势低。从式(3)得出，为了提高电机的空载反电动势，通常需要增加线圈匝数或者增加相电流，这将导致电机发热量大、铜损高、电负荷增大；当保持绕组匝数和绕组电流不变的情况下，增大定子外径，可减小电负荷，但是电机体积增大，铁耗、铜耗增大，永磁体用量增多，制造成本高。

  经过以上分析，电负荷A初选为2.5×l04 A／m，磁负荷Ba初选为0.96 T，查阅电机设计手册，确定其他系数。经计算，电机定子外径D为1032 mm，定子铁芯长度为290 mm。

1.2永磁体设计

  永磁体设计选择的原则为：①能够提供满足要求的气隙磁场；②保证电机在恶劣工况下工作时，永磁体的稳定性高。结合外转子电机转速低、转矩大的运行工况，选择的永磁材料为钕铁硼永磁材料，牌号为N35H，剩磁密度为1.2 T，磁感应矫顽力为890 kA/m，最高工作温度为120。。

  永磁体的几何尺寸主要包括磁化方向长度尺寸h。及宽度bm，由式(4)及式(5)确定：

其中：u，为相对回复磁导率；B，为剩磁密度，T;8，为计算气隙长度；a。为极弧系数；r为极距。

  当永磁体磁化方向尺寸hm增大时，电机直轴电感下降，可以提高外转子永磁电机的电磁转矩，但是在恒功率运行时，电机电流会增大，要防止电流过载；当h。减小时，电机的抗磁能力下降，永磁体易退磁，机械强度性能下降。

  永磁电机每极磁通面积由永磁体宽度方向的尺寸bm决定，当bm增大时，每极磁通增大，促使空载反电势增大。将相关参数代人式(4)及式(5)，经计算得hm一9 mm, hm一27  mm。

1.3  定子冲片设计

  当电机的极对数和相数确定之后，其定子总槽数由式(6)确定：

其中：q为每极每相槽数；Q为定子总槽数。当q为真分数时，极槽配合为分数槽配合类型，其优点是可以实现集中绕组，改善电动势波形，减小线圈端部长度，降低铜的使用量，铜耗降低，同时，功率密度高，绕组布线工艺简单，但是产生的电磁径向力大。根据经验，选取q为0. 375的分数槽，经式(6)计算得，总槽数为90，定子冲片材料选为DW465_50硅钢片。

  经过初步计算，电机的主要尺寸如表2所示。

2外转子永磁同步电机有限元分析

2.1有限元模型的建立

  本文设计外转子永磁同步电机为80极90槽，根据电磁方案，将电机尺寸输入ANSYS Maxwell中的RMxprt模块，采用导出2D模型的方法，为了节省计算时间，选取电机的最小周期，本文分析取电机十分之一模型。

2.2材料定义及网格剖分

  进入材料管理器设置定子、转子、绕组、永磁体、气隙、求解域等部分的材料参数，指定气隙、求解域材料属性为空气；绕组材料为铜；定子材料为DW465_50硅钢片，并输入B-H曲线；永磁体材料为N35H，输入剩磁密度及矫顽力，得到磁化曲线；转子材料为45钢，输入其B-H曲线。采用基于模型内部单元边长的网格划分方式，对气隙处网格进行分层加密划分，提高计算精度。

2.3  边界条件定义

  选择求解域平行于X轴的径向边界，设置为主边界Master，选择另一条径向边界为从边界Slave，并使边界方向由圆心指向外侧，由于两条边界处的各个场量方向相同、大小相等，设置其磁密度相等，即B，一B。，；对求解域的外圆圆周设置磁力线平行条件，如图2

所示。

2.4  空载分析

电机在不施加外负载的情况下，激励源由永磁体提供，对其进行静磁场分析，得出的磁力线及磁通分布如图3、图4所示。

从图3、图4可以得出，磁力线及磁场分布合理，在定子槽开口处，磁密达到最大值1.8 T，定子齿平均磁密为1.5 T。空载时，径向气隙磁密波形如图5所示。

  由图5得出，气隙磁密波形顶部并不平整，有凹陷，这是由于定子槽口处的磁阻较大引起的缺陷，有限元计算气隙磁密最大值为0.911 T。

对气隙磁密曲线进行傅里叶分解，如图6所示。气隙磁密各次谐波幅值如图7所示。

  从图6可以得出，空载气隙磁密波形近似接近正弦波分布，对电机性能影响较大的是5次谐波和7次谐波。由图7可以得出，5次谐波占基波的比例为10. 2%，7次谐波占基波的比例为4.7%，5次谐波对电机性能的影响主要是绕组带来的，可以采用短距集中绕组来消除；采用定子斜槽可以消除各次谐波的影响，达到减小电机振动的目的，使电机运行更平稳。

3结论

  (1)本文阐述了当前石油抽油机效率低的问题，设计了一种80极90槽、转速为25 r／min的外转子永磁电机，实现了直驱式传动。

(2)运用ANSYS Maxwell软件，对电机空载工况进行有限元分析，通过对电机磁通及磁力线分布、气隙磁密波形的研究，验证了设计的合理性。

4摘要：结合石油抽油机的工况，设计了一种外转子永磁同步电机，该电机具有低转速、大转矩、直驱式的特点，解决了传统石油抽油机效率低的问题。运用ANSYS Maxwell软件建立了分析模型，对电机空载特性进行了仿真计算，分析气隙磁密波形对电机性能的影响，并对电机设计进行了优化。