有取向硅鋼片潛油永磁同步電機(jī)的研究

董 婷，黃居言，菅 玲

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

0 引 言

潛油電機(jī)作為人工舉升中系統(tǒng)的動(dòng)力源，是采油機(jī)組的核心部件[1-2]。潛油電機(jī)使用時(shí)放置在石油套管中，由于套管內(nèi)徑較小，電機(jī)外徑一般不超過(guò)0.2 m，為保證輸出轉(zhuǎn)矩，潛油電機(jī)單節(jié)最長(zhǎng)可達(dá)10 m，屬于超大長(zhǎng)徑比結(jié)構(gòu)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的電機(jī)，輸出性能隨電機(jī)長(zhǎng)度的增加而明顯下降[3-4]。轉(zhuǎn)軸過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致其更容易受到外力的影響，易發(fā)生轉(zhuǎn)子鐵心磨損、轉(zhuǎn)軸斷裂等故障[5-6]，因此，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需要盡可能提高潛油永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度從而降低電機(jī)長(zhǎng)度。

圖1 潛油電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以看成是電樞磁場(chǎng)與勵(lì)磁磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果，提高磁場(chǎng)強(qiáng)度可以有效地增大電磁轉(zhuǎn)矩。有取向硅鋼片分為軋制和剪切兩個(gè)方向，兩個(gè)方向的導(dǎo)磁特性具有顯著的差異，一般用于變壓器鐵心中。有取向硅鋼片軋制方向上導(dǎo)磁性能要好于無(wú)取向硅鋼片[8]。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，人工舉升的最新的發(fā)展趨勢(shì)是采用永磁潛油電機(jī)設(shè)計(jì)成低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)螺桿泵，由于外徑較小，一般采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組達(dá)到用較少的槽數(shù)配合較多極數(shù)的目的。分?jǐn)?shù)槽集中繞組具有端部短；極槽配合合適時(shí)，基波繞組系數(shù)高；槽利用率高；通過(guò)合理極槽配合可抑制齒槽轉(zhuǎn)矩；繞組互感小容錯(cuò)能力好等優(yōu)勢(shì)，在永磁電機(jī)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[10-11]。

本文基于有取向硅鋼片軋制方向?qū)Т判阅芎玫膬?yōu)勢(shì)，結(jié)合潛油永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)，研究了有取向硅鋼片作為定子沖片材質(zhì)在分?jǐn)?shù)槽集中繞組潛油永磁同步電機(jī)中的應(yīng)用。

1 有取向硅鋼片在潛油電機(jī)的應(yīng)用

1.1 電磁轉(zhuǎn)矩

三相旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為

(1)

式中，p0為極對(duì)數(shù)，Lm為等效勵(lì)磁電感，ψf、ψs分別為電樞磁鏈和勵(lì)磁磁鏈。

根據(jù)式(1)，電磁轉(zhuǎn)矩可以看成是由電樞磁場(chǎng)和勵(lì)磁磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果。在電樞磁場(chǎng)與勵(lì)磁磁場(chǎng)的空間相位角不變的情況下，增大磁場(chǎng)強(qiáng)度可以提高電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。

磁鏈ψ可表示為

ψ=N2Λi

(2)

式中，N為繞組匝數(shù)，Λ為磁路磁導(dǎo)，i為電流。磁導(dǎo)可表示為

(3)

式中，R為磁阻，μ為磁導(dǎo)率，l為磁路長(zhǎng)度。

從式(2)和式(3)可以看出，加大電流幅值和提高磁路導(dǎo)磁能力都可以增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度，但由于磁飽和的影響，采用加大電流幅值的效果并不理想，同時(shí)還增加了鐵耗及銅耗，使溫升變大，降低了絕緣材質(zhì)的壽命，因此不推薦使用加大電流的方法提高轉(zhuǎn)矩密度。

1.2 有取向硅鋼片

有取向硅鋼片是一種含硅量0.8%-4.8%，內(nèi)部晶粒排列具有明確方向性的各向異性的冷軋硅鋼片。取向硅鋼片分為軋制方向和剪切方向，兩個(gè)方向的磁特性具有顯著差別。軋制方向上磁化曲線的的膝點(diǎn)要高于剪切方向上的膝點(diǎn)，圖2給出了牌號(hào)為30P120的取向硅鋼片軋制方向和剪切方向上的磁化曲線，并與牌號(hào)為DW315_50的無(wú)取向硅鋼進(jìn)行比較。

從圖2中的磁化曲線可以看出，有取向硅鋼片軋制方向上磁密達(dá)到1.9T左右才出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，而無(wú)取向硅鋼片在1.6T左右就達(dá)到飽和。有取向硅鋼片在剪切方向上導(dǎo)磁性能較差，在1.4T左右就達(dá)到飽和。

圖2 有取向硅鋼片和無(wú)取向硅鋼片磁化曲線

電機(jī)中，一般齒磁密高于軛磁密，因此，采用有取向硅鋼片作為定子沖片材質(zhì)時(shí)，齒磁路方向與硅鋼片軋制方向一致，軛磁路方向與剪切方向一致，如圖3所示。潛油永磁同步電機(jī)選用有取向硅鋼片代替無(wú)取向硅鋼片的關(guān)鍵問(wèn)題是：軛部磁路飽和是否會(huì)影響到電機(jī)的整個(gè)磁路。如果軛部磁路飽和嚴(yán)重，電磁轉(zhuǎn)矩可能不會(huì)提高甚至?xí)档汀Ｏ鄬?duì)而言，軛部磁密較低的電機(jī)更適合采用有取向硅鋼片作為定子沖片材質(zhì)。

圖3 有取向硅鋼片定子沖片結(jié)構(gòu)

1.3 分?jǐn)?shù)槽集中繞組

分?jǐn)?shù)槽集中繞組與分布式繞組的主要區(qū)別在于跨距的不同，分布式繞組跨距的選擇一般接近極距，而集中式繞組為沿齒繞制結(jié)構(gòu)，跨距為1。圖4為分?jǐn)?shù)槽集中繞組和分布式繞組的磁力線分布圖。

圖4 磁力線分布圖

從圖4中可以看出，分布式繞組的軛部會(huì)出現(xiàn)多個(gè)多個(gè)磁路路徑共用軛部磁路的情況；而分?jǐn)?shù)槽集中繞組的軛部磁路僅存在一個(gè)磁路路徑，且相比于分布式繞組，分?jǐn)?shù)槽集中繞組軛部磁路較短，磁密較低。因此，采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組的電機(jī)比分布式繞組電機(jī)更適合采用有取向硅鋼片作為定子沖片材質(zhì)。本文以極槽配合為10極12槽的電機(jī)為例進(jìn)行了分析。

2 電機(jī)有限元仿真分析

本文將有取向硅鋼片應(yīng)用于456系列(電機(jī)外徑4.56英寸)分?jǐn)?shù)槽集中繞組潛油永磁同步電機(jī)，建立了兩個(gè)有限元模型進(jìn)行仿真分析，兩個(gè)模型僅定子沖片材質(zhì)不同，其余參數(shù)均一致。表1給出了該電機(jī)的主要參數(shù)。仿真模型中，采用的有取向硅鋼片的牌號(hào)為30P120，無(wú)取向硅鋼片的牌號(hào)為DW315_50。

表1 潛油電機(jī)主要參數(shù)

本文首先分析了空載情況下不同材質(zhì)電機(jī)的磁場(chǎng)分布，仿真結(jié)果如圖5所示。從圖5的磁密云圖可以看出，在相同定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的情況下，有取向硅鋼片材質(zhì)的定子沖片能夠獲得更高的磁密，并且相同磁路路徑下的軛磁密要小于齒磁密，降低了對(duì)沖片剪切方向?qū)Т判阅艿囊蟆?/p>

圖5 空載磁密云圖

在額定運(yùn)行時(shí)，不同材質(zhì)電機(jī)的電機(jī)的磁密云圖如圖6所示。從圖6的磁密云圖可以看出，額定輸入的情況下，有取向硅鋼片材質(zhì)的定子沖片在軛部及齒部均能獲得更高的磁密。

圖6 負(fù)載磁密云圖

圖7為兩種材質(zhì)電機(jī)負(fù)載時(shí)齒磁密的波形圖。從圖7中可以看出，額定輸入的情況下，采用有取向硅鋼片材質(zhì)的定子沖片齒磁密為1.896T，比采用無(wú)取向硅鋼片的齒磁密1.688T提升了約12.3%。

圖7 負(fù)載齒磁密波形圖

圖8為兩種材質(zhì)電機(jī)負(fù)載時(shí)同一位置的軛部磁密波形圖。從圖8中可以看出，雖然有取向硅鋼片在剪切方向上導(dǎo)磁性較弱，但在額定輸入的情況下，仿真時(shí)電機(jī)的軛磁密仍然達(dá)到了1.734T，比采用無(wú)取向硅鋼片的軛磁密1.533T提升了約13.1%。

圖8 負(fù)載軛部磁密波形圖

通過(guò)上文的仿真可知，在額定輸入的情況下，采用有取向硅鋼片作為定子沖片的電機(jī)，齒磁密及軛磁密相對(duì)于采用無(wú)取向硅鋼片的電機(jī)均有大幅提升，說(shuō)明在該電機(jī)模型中，有取向硅鋼片的整體導(dǎo)磁性能要好于無(wú)取向硅鋼片。圖9為額定輸入的情況下，兩臺(tái)電機(jī)的電樞磁場(chǎng)在氣隙中的磁密波形圖。從圖9中可以看出，額定輸入的情況下，采用有取向硅鋼片時(shí)的氣隙磁密為0.404T，比采用無(wú)取向硅鋼片時(shí)的氣隙磁密0.374T提升了約8.0%。

圖9 負(fù)載電樞磁場(chǎng)氣隙磁密波形圖

圖10為兩種材質(zhì)的電機(jī)負(fù)載時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩的波形圖。從圖10中可以看出，額定輸入的情況下，采用無(wú)取向硅鋼片電機(jī)的平均輸出轉(zhuǎn)矩為19.771 Nm，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)約5.7%；采用有取向硅鋼片的電機(jī)平均輸出轉(zhuǎn)矩為21.365 Nm，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)約7.6%。采用有取向硅鋼片電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩提升了約8.1%。采用有取向硅鋼片時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)雖然略有增加，但仍低于10%，且對(duì)于泵類負(fù)載，對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的要求相對(duì)較低。

圖10 額定輸出轉(zhuǎn)矩

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)大長(zhǎng)徑比潛油電機(jī)的可靠性及電機(jī)性能隨電機(jī)長(zhǎng)度變長(zhǎng)而下降的問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出了一種通過(guò)采用有取向硅鋼片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的無(wú)取向硅鋼片作為定子沖片材質(zhì)，提升轉(zhuǎn)矩密度從而降低電機(jī)長(zhǎng)度的方法。

本文通過(guò)理論分析得出提高磁路的導(dǎo)磁性能可以增大磁場(chǎng)的幅值，從而提高電磁轉(zhuǎn)矩的結(jié)論。有取向硅鋼片具有軋制方向上導(dǎo)磁性能好的優(yōu)勢(shì)，采用有取向硅鋼片可以提高電機(jī)的齒磁密；雖然有取向硅鋼片在剪切方向上導(dǎo)磁性能較差，但采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組時(shí)，軛部磁路短，不存在多個(gè)磁路路徑共用軛部磁路的情況，減小了剪切方向上導(dǎo)磁性能差對(duì)電機(jī)性能的影響。本文中，電機(jī)模型采用極槽配合為10極12槽的分?jǐn)?shù)槽集中繞組。

本文通過(guò)對(duì)比仿真采用牌號(hào)為30P120有取向硅鋼片的電機(jī)和采用牌號(hào)為DW315_50無(wú)取向硅鋼片的電機(jī)發(fā)現(xiàn)，額定輸入的情況下，有取向硅鋼片在軛部和齒部均能獲得較高的磁密。仿真了不同材質(zhì)電機(jī)額定輸入情況下的輸出轉(zhuǎn)矩，根據(jù)仿真結(jié)果，采用有取向硅鋼片的電機(jī)平均輸出轉(zhuǎn)矩要比采用無(wú)取向硅鋼片時(shí)提升約8.1%，即相同轉(zhuǎn)矩時(shí)，采用有取向硅鋼片能減小電機(jī)長(zhǎng)度約8.1%。因此，相比于無(wú)取向硅鋼片，有取向硅鋼片更適用于分?jǐn)?shù)槽集中繞組潛油永磁同步電機(jī)。