圓筒型永磁直線電機(jī)的溫度場(chǎng)研究

曹勇

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢 430000）

0 引言

現(xiàn)代社會(huì)離不開石油能源，我國(guó)更是一個(gè)石油消費(fèi)大國(guó)，因此石油開采技術(shù)一直是研究重點(diǎn)[1]。在人類進(jìn)入現(xiàn)代化的石油開采時(shí)代后，逐漸形成了有桿采油和無(wú)桿采油兩類石油開采方式。目前以游梁式采油系統(tǒng)為代表的有桿采油應(yīng)用得更為廣泛，但隨著我國(guó)多數(shù)油田進(jìn)入開采的中后期，水平井和大斜度井的數(shù)目逐漸增多，這將加劇有桿采油系統(tǒng)的抽油桿和油井套管的偏磨問(wèn)題。由圓筒型永磁直線電機(jī)和往復(fù)泵組成的無(wú)桿采油系統(tǒng)不用抽油桿柱傳遞能量，而是將電動(dòng)機(jī)與抽油泵組合在一起下放至油井深處，由直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵的柱塞作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，從而將原油舉升至地面。由于省去了中間的傳動(dòng)裝置，簡(jiǎn)化了動(dòng)力傳遞過(guò)程，整個(gè)系統(tǒng)的能源利用率有所提高，也從根本上解決了桿管偏磨問(wèn)題，因此逐漸得到廣泛的應(yīng)用。

作為無(wú)桿采油系統(tǒng)的動(dòng)力裝置，圓筒型永磁直線電機(jī)具有推力密度大的優(yōu)點(diǎn)[2]，但其工作溫度相比有桿采油系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)電機(jī)更高的缺點(diǎn)也不可忽視。有桿采油系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)在地面工作，而本文研究的圓筒型永磁直線電機(jī)常工作于油井下方約1～3km 處，環(huán)境溫度可達(dá)100℃甚至更高。由于井下的空間非常狹小，因此無(wú)法布置額外的設(shè)備來(lái)加強(qiáng)電機(jī)的散熱效果，同時(shí)為了提供滿足要求的電磁推力，通入電機(jī)繞組的正弦電流往往比較大，因此會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，造成電機(jī)運(yùn)行時(shí)的溫度偏高。溫升過(guò)高會(huì)損壞電機(jī)絕緣材料，嚴(yán)重時(shí)可能直接導(dǎo)致電機(jī)燒毀[3]。因此，研究圓筒型永磁直線電機(jī)的溫升情況，對(duì)解決電機(jī)的可靠性問(wèn)題具有重要意義。

本文設(shè)計(jì)了一種適用于無(wú)桿采油系統(tǒng)的圓筒型永磁直線電機(jī)，并給出了計(jì)算電機(jī)溫度場(chǎng)的主要步驟，可以了解圓筒型永磁直線電機(jī)的溫升情況，為電機(jī)的熱設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

1 圓筒型永磁直線電機(jī)的設(shè)計(jì)

按照結(jié)構(gòu)的不同直線電機(jī)可以分為圓盤型、扁平型、圓筒型以及弧型等。油井一般為圓孔狀，考慮到要能夠在油井中安全的下放和提起，因此圓筒型永磁直線電機(jī)相比于其他結(jié)構(gòu)更加適合作為無(wú)桿采油系統(tǒng)的井下動(dòng)力裝置。

雖然直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上有很大的不同，但其實(shí)圓筒型永磁直線電機(jī)是旋轉(zhuǎn)電機(jī)為直線運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景而開發(fā)的產(chǎn)品，因此其原理上有著諸多相同之處。旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子分別對(duì)應(yīng)著圓筒型永磁直線電機(jī)的定子和動(dòng)子，圖1 是圓筒型永磁直線電機(jī)的三維圖。

圖1 圓筒型永磁直線電機(jī)

給電機(jī)繞組通一交流電使其產(chǎn)生能夠沿著電機(jī)軸向移動(dòng)的行波磁場(chǎng)，電機(jī)的電磁推力是由動(dòng)子永磁體的勵(lì)磁磁場(chǎng)與行波磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的。由于定子是固定的，于是動(dòng)子開始做直線運(yùn)動(dòng)，調(diào)換三相交流電的任意兩相即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)子的掉頭從而使動(dòng)子做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

1.1 圓筒型永磁直線電機(jī)定子設(shè)計(jì)

圓筒型永磁直線電機(jī)的定子主要包含繞組和鐵心兩大部分，由多匝線圈繞制成餅狀的繞組嵌放在鐵心槽內(nèi)，當(dāng)位于地面的控制柜向繞組線圈中輸入三相交流電時(shí)，繞組會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，采用導(dǎo)磁材料制作的鐵心能夠有效地引導(dǎo)磁力線。

直線電機(jī)的繞組形式有很多種分類方式，按槽內(nèi)線圈層數(shù)可分為單層繞組、雙層繞組；按繞組布置方式可分為集中繞組、分布繞組。單層繞組由于沒(méi)有層間絕緣，其空間利用率比雙層繞組更高，因此本文電機(jī)采取單層繞組。圓筒型永磁直線電機(jī)的繞組由線圈卷成餅狀嵌放在定子鐵心槽內(nèi)，在電機(jī)的兩端并沒(méi)有多余的無(wú)效繞組，因此相比于旋轉(zhuǎn)電機(jī)和扁平型直線電機(jī)，圓筒型永磁直線電機(jī)的線圈利用率更高，大大降低了電機(jī)制造成本。直線電機(jī)繞組的排列方式可以參考旋轉(zhuǎn)電機(jī)，根據(jù)極對(duì)數(shù)和槽數(shù)可以計(jì)算出槽距電角度，然后畫出槽電動(dòng)勢(shì)星形圖，據(jù)此得到電機(jī)繞組的排列方式。

本電機(jī)的繞組主要由銅導(dǎo)線和外包裹的絕緣材料及黏合劑組成。為了充分利用槽內(nèi)空間，本電機(jī)采用矩形截面銅導(dǎo)線，相比于圓銅線，扁銅線可以更加充分地利用鐵心槽內(nèi)的空間，并且散熱性能更加優(yōu)秀。

縱向疊片式、橫向疊片式以及窗疊片式是直線電機(jī)鐵心的主要結(jié)構(gòu)形式?？v向疊片式結(jié)構(gòu)是由若干組在周向上等距離分布的鐵心縱向裝配而成，一定數(shù)量的硅鋼片疊壓在一起構(gòu)成一組鐵心，這種結(jié)構(gòu)可以較大程度地減少渦流損耗，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配困難。窗疊片式結(jié)構(gòu)的鐵心裝配比較方便，渦流損耗也較小，但矩形的疊片不適合井下潛油直線電機(jī)圓筒型的要求，不宜采取此結(jié)構(gòu)。橫向疊片式結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造和裝配的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類直線電機(jī)中，其主要缺點(diǎn)是鐵心渦流損耗較大，但本文電機(jī)的運(yùn)行速度不快，電源頻率較低，可以克服該問(wèn)題。綜上所述，橫向疊片式鐵心結(jié)構(gòu)是本文電機(jī)最好的選擇。橫向疊片式鐵心由兩種規(guī)格的硅鋼片疊壓而成，一種是包含軛部的硅鋼片，一種是包含齒部和軛部的硅鋼片。此外，考慮到硅鋼片會(huì)產(chǎn)生渦流損耗，因此在兩種規(guī)格的硅鋼片的圓周方向上留有1～2mm 的間隙，來(lái)切斷因電機(jī)磁場(chǎng)變化而產(chǎn)生的渦流回路，減小電機(jī)的鐵心損耗。

兩種規(guī)格的硅鋼片按照一定的排列順序疊壓在一起就能組成帶有繞組槽的定子鐵心，其中定子鐵心槽距以及定子極距與電機(jī)的電源頻率和動(dòng)子運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。

1.2 圓筒型永磁直線電機(jī)動(dòng)子設(shè)計(jì)

圓筒型永磁直線電機(jī)的動(dòng)子就是傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，能夠?qū)ζ渌麢C(jī)構(gòu)做功。動(dòng)子由永磁體、導(dǎo)磁套和不導(dǎo)磁軸組成，環(huán)狀的永磁體和導(dǎo)磁套交替嵌在不導(dǎo)磁軸上。高性能的稀土永磁材料主要有釹鐵硼和釤鈷兩種，釹鐵硼相對(duì)于釤鈷具有更高的剩磁和矯頑力，抗去磁能力強(qiáng)，磁能積較大；其退磁曲線呈線性，回復(fù)線與退磁曲線相一致；但其溫度系數(shù)較大，在高溫下的表現(xiàn)不如釤鈷?？紤]到成本及加工能力差異，本文電機(jī)永磁體選用高牌號(hào)的燒結(jié)釹鐵硼永磁體，具體牌號(hào)為N35UH。

根據(jù)充磁方式的不同，潛油直線電機(jī)存在3 種永磁體充磁結(jié)構(gòu)：Halbach 充磁結(jié)構(gòu)、徑向充磁結(jié)構(gòu)、軸向充磁結(jié)構(gòu)。3 種充磁結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到經(jīng)濟(jì)成本和安裝難易程度，選擇軸向充磁結(jié)構(gòu)。

2 熱源損耗的計(jì)算

電機(jī)作為一個(gè)動(dòng)力裝置，在將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能對(duì)外界做功時(shí)，必然存在著能量損耗，產(chǎn)生能量損耗的部分稱之為電機(jī)的發(fā)熱源。這些能量損耗會(huì)以熱量的形式，一部分通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流傳遞到外部環(huán)境中，而剩余部分則通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞到電機(jī)各個(gè)部分，引起電機(jī)各部分的溫升。圓筒型永磁直線電機(jī)的能量損耗主要指繞組銅損耗、定子鐵心損耗、永磁體渦流損耗以及機(jī)械損耗，這些損耗也就是電機(jī)發(fā)熱的根源。

對(duì)于如何計(jì)算這些損耗，許多學(xué)者展開過(guò)研究，并給出了計(jì)算公式。繞組銅損耗就可以根據(jù)焦耳定律得到[4]，并且繞組線圈的阻值會(huì)隨著電機(jī)溫度的升高而變化，如果需要考慮精度的話，可以將溫度對(duì)線圈阻值的影響考慮進(jìn)去。

機(jī)械損耗包括軸承損耗和油膜損耗，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)機(jī)械損耗取值為輸出功率的1%。

電機(jī)的定子鐵心損耗主要由磁滯損耗、渦流損耗和附加損耗組成。磁滯損耗是由于磁滯現(xiàn)象而損失的能量。電機(jī)運(yùn)行中時(shí)刻變化的磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致定子鐵心產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流引起的損耗稱為渦流損耗，永磁體渦流損耗的產(chǎn)生與此類似。雖然定子鐵心損耗和永磁體渦流損耗可以根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算得出，但其計(jì)算公式涉及許多電磁場(chǎng)的參數(shù)，為了計(jì)算的便捷性，可以利用有限元軟件Maxwell 來(lái)計(jì)算。Maxwell 軟件是一款分析物體電磁場(chǎng)的權(quán)威軟件，給電機(jī)施加電流源激勵(lì)并設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)后，就能求解出各項(xiàng)損耗值。使用軟件的好處在于可以在改變電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸以及其他參數(shù)的情況下快速計(jì)算出結(jié)果，以此探究它們對(duì)電機(jī)損耗和性能的影響規(guī)律，從而找到最優(yōu)的電機(jī)尺寸。

3 對(duì)流散熱系數(shù)的計(jì)算

熱量傳遞是自然界中一種常見(jiàn)現(xiàn)象，人們將熱量傳遞的方式總結(jié)為3 種：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流以及熱輻射。在電機(jī)溫度場(chǎng)的研究中，熱輻射所傳遞的熱量十分有限，因此不予考慮。

電機(jī)發(fā)熱源向電機(jī)的各個(gè)部分傳遞熱量就是熱傳導(dǎo)過(guò)程，主要發(fā)生在固體物質(zhì)中。傅里葉定律對(duì)熱傳導(dǎo)過(guò)程做出了準(zhǔn)確定義，其中涉及的一個(gè)重要參數(shù)便是導(dǎo)熱系數(shù)。在一般情況下，認(rèn)為物體的導(dǎo)熱系數(shù)僅與它所使用的材料有關(guān)，因此通過(guò)查閱電機(jī)各部分采用的材料就能得到它們的導(dǎo)熱系數(shù)，其中繞組由于組成的成分比較復(fù)雜，因此需要計(jì)算其等效導(dǎo)熱系數(shù)。

本文研究的圓筒型永磁直線電機(jī)工作的環(huán)境充斥著原油，原油的流動(dòng)會(huì)帶走電機(jī)產(chǎn)生的熱量，這一熱量傳遞過(guò)程稱之為熱對(duì)流過(guò)程，對(duì)流換熱系數(shù)是熱對(duì)流過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù)。熱對(duì)流過(guò)程雖然復(fù)雜，但描述熱對(duì)流過(guò)程的牛頓冷卻公式在形式上卻很簡(jiǎn)單，因?yàn)樗迅鞣N影響因素集中在對(duì)流換熱系數(shù)上了，因此求解電機(jī)熱對(duì)流問(wèn)題的關(guān)鍵在于對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算。根據(jù)傳熱學(xué)的相關(guān)知識(shí)和理論可以計(jì)算得到對(duì)流換熱系數(shù)[5]。同時(shí)，許多相關(guān)學(xué)者針對(duì)各類工況做了大量實(shí)驗(yàn)，總結(jié)了許多經(jīng)驗(yàn)公式用來(lái)快速計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)，但在使用時(shí)要注意使用范圍且不得隨意外推。

4 溫度場(chǎng)計(jì)算

當(dāng)圓筒型永磁直線電機(jī)的熱源和對(duì)流換熱系數(shù)確定后，就能夠借助有限元軟件Ansys 計(jì)算電機(jī)的溫度場(chǎng)。在電機(jī)瞬態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算中，發(fā)現(xiàn)電機(jī)的瞬時(shí)溫度并不是線性變化的，在電機(jī)開始運(yùn)行時(shí)，其溫度會(huì)增長(zhǎng)得非常迅速，原因在于此時(shí)電機(jī)與周圍環(huán)境的溫度差還比較小，電機(jī)的散熱量遠(yuǎn)小于發(fā)熱量。在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行后，電機(jī)的散熱能力逐漸提高，因此電機(jī)的溫度增長(zhǎng)速度開始放緩，等到電機(jī)散熱量與發(fā)熱量一致時(shí)，電機(jī)的溫度將趨于一個(gè)穩(wěn)定值。

由于電機(jī)的主要熱量來(lái)自于繞組銅損耗，并且中間區(qū)域的散熱要比兩端差些，因此圓筒型永磁直線電機(jī)的最高溫度會(huì)出現(xiàn)在中部區(qū)域的繞組處。為了有效地防止電機(jī)繞組線圈之間漏電短路，在線圈的外部都會(huì)包裹一層絕緣層，但大多數(shù)絕緣層材料的導(dǎo)熱性能非常差，因此熱量會(huì)被阻隔在繞組槽內(nèi)。為了改善這一情況，可以考慮在繞組槽內(nèi)涂抹一層導(dǎo)熱膠，提高熱量的傳遞效率。

電機(jī)溫度場(chǎng)中最需要關(guān)注的就是過(guò)熱點(diǎn)，一旦過(guò)熱點(diǎn)的溫度超出該點(diǎn)材料的正常工作溫度，那么就可能引起電機(jī)過(guò)熱燒毀。本文電機(jī)的過(guò)熱點(diǎn)發(fā)生在繞組處，而絕緣材料的工作溫度是有限度的，根據(jù)所用材料的不同可以分為A 級(jí)絕緣、B 級(jí)絕緣等?？紤]到圓筒型永磁直線電機(jī)的高溫工作環(huán)境，可以選取耐溫等級(jí)較高的絕緣材料。永磁體的溫度也是關(guān)注重點(diǎn)，因?yàn)橛来朋w的溫度過(guò)高則會(huì)產(chǎn)生退磁現(xiàn)象，導(dǎo)致電機(jī)的推力下降。

溫度場(chǎng)的研究是為了輔助電機(jī)熱設(shè)計(jì)，通過(guò)分析過(guò)熱點(diǎn)，可以有針對(duì)性地改進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)，以確保電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種應(yīng)用于石油開采領(lǐng)域的圓筒型永磁直線電機(jī)，首先介紹了電機(jī)的定子和動(dòng)子結(jié)構(gòu)，并講解了電機(jī)的工作原理。為了應(yīng)對(duì)高溫的工作環(huán)境，介紹了電機(jī)溫度場(chǎng)的計(jì)算過(guò)程。通過(guò)Maxwell 軟件可以算得到電機(jī)的損耗，再通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式可以計(jì)算得到電機(jī)與原油接觸面的對(duì)流換熱系數(shù)，然后就能夠使用Ansys 熱模塊計(jì)算得到電機(jī)的溫度場(chǎng)，通過(guò)分析過(guò)熱點(diǎn)，可以有針對(duì)性地改進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)。