新型圓筒型永磁直線電機(jī)密封筒的設(shè)計(jì)與仿真分析

易小軍，佘瑩瑩，萬 濤，王 恒，吳英友

1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064；

2.航天深拓（北京）科技有限公司，北京 100176；

3.廣東海洋大學(xué)海洋工程與能源學(xué)院，廣東 湛江 524029

圓筒型永磁直線電機(jī)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、推力大的動(dòng)力設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于抽油泵動(dòng)力系統(tǒng)中。圓筒型永磁直線電機(jī)一般被安裝在原油中［1］，原油的流動(dòng)可以有效的降低電機(jī)的溫度，但是對(duì)電機(jī)的密封性有著較高的要求。

紀(jì)樹立等［2］將圓筒型永磁直線電機(jī)定子設(shè)計(jì)成整體密封結(jié)構(gòu)，外殼與內(nèi)筒及端板把定子繞組鐵芯整體封裝，與井液隔離并確保定子絕緣性能；動(dòng)子永磁體設(shè)計(jì)成環(huán)狀、外表面采用不銹鋼材料進(jìn)行滿焊封裝，與外界井液進(jìn)行隔離，防止永磁材料被井液腐蝕或者損壞。這種結(jié)構(gòu)有著良好的密封性，但內(nèi)筒與永磁體表面的不銹鋼都會(huì)增大永磁體與定子間的氣隙，使得電機(jī)的推力下降。

張英勛［3］對(duì)圓筒型永磁直線電機(jī)的發(fā)展與背景做了詳細(xì)的介紹，對(duì)抽油系統(tǒng)井下部分的密封與井上部分的工作原理做了說明，在電機(jī)的內(nèi)孔封閉密封上，其采用在初級(jí)鐵心上加工出防水槽，使用油田專用密封圈密封防水槽，外表面封閉是采用將初級(jí)套整體機(jī)殼焊接密封的方法。這種密封方法能夠避免電機(jī)氣隙增大，但是密封圈容易受到磨損，電機(jī)的壽命不長(zhǎng)。

周廣旭等［4］使用了一種動(dòng)平衡圈對(duì)圓筒型永磁直線電機(jī)的定子進(jìn)行密封，并在電機(jī)前后動(dòng)平衡圈中充入高壓油來平衡外部原油的壓力。這種密封方式同樣能夠減小氣隙，但是動(dòng)平衡圈與動(dòng)子間的密封工藝極高，電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)容易將動(dòng)密封圈磨損，使得電機(jī)壽命降低。

韋福東等［5］對(duì)無密封結(jié)構(gòu)圓筒型永磁直線電機(jī)的邊端力矩進(jìn)行了分析優(yōu)化，對(duì)電機(jī)的槽口尺寸以及軸的尺寸影響電機(jī)的推力進(jìn)行了分析。這種結(jié)構(gòu)的圓筒型永磁直線電機(jī)的氣隙較小，電機(jī)推力增大了許多，但是其線圈在原油中會(huì)受到腐蝕，使用壽命低。

本文在上述圓筒型永磁直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型定子密封結(jié)構(gòu)，使用這種定子密封結(jié)構(gòu)的圓筒型永磁直線電機(jī)不僅可以有較好的密封性能，同時(shí)還能保持良好的電機(jī)推力輸出。

1 圓筒型永磁直線電機(jī)密封筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圓筒型永磁直線電機(jī)結(jié)構(gòu)主要由動(dòng)子和定子兩部分組成，動(dòng)子由軸與永磁體組成［6］，對(duì)于軸向充磁的電機(jī)，兩永磁體間還需導(dǎo)磁材料作為導(dǎo)磁體；定子主要由硅鋼片與繞組組成［7］，本文研制的電機(jī)在定子與動(dòng)子之間增加了密封筒結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的圓筒型永磁直線電機(jī)如圖1 所示。

圖1 新型圓筒型直線電機(jī)截面型圖Fig.1 Section diagram of new tubular permanent magnet linear motor

傳統(tǒng)密封筒結(jié)構(gòu)是由單一的非導(dǎo)磁材料制成，磁路中磁阻較大。新型密封筒主要由導(dǎo)磁套與隔磁套相互交替焊接，將焊接部位打磨光滑而成，如圖2 所示。導(dǎo)磁套與定子齒部對(duì)應(yīng)，降低磁路磁阻；隔磁套位于兩個(gè)定子齒部之間，減小漏磁損失。

圖2 新型密封筒結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of new seal tube

根據(jù)電機(jī)的初始參數(shù)計(jì)算電機(jī)各個(gè)部分的主要尺寸大小，圓筒型直線電機(jī)的初始參數(shù)如表1所示。

表1 初始參數(shù)表Tab.1 Initial parameters

在圓筒型直線電機(jī)中初級(jí)定子極距與電機(jī)運(yùn)行速度、電流頻率有直接關(guān)系，其關(guān)系式［8］為：

式中：τ為定子極距，mm；vn為電機(jī)運(yùn)行速度，m/s；f為電流頻率，Hz。

初級(jí)內(nèi)徑D1與電機(jī)的許多參數(shù)相關(guān)，其計(jì)算公式［9］為：

式中：(1-εL)為壓降系數(shù)，即初級(jí)相電動(dòng)勢(shì)與初級(jí)相電壓之比；FN為直線電機(jī)額定電磁推力，N；v1為電機(jī)同步速度，m/s；K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；f為繞組三相交流電流頻率，Hz；Kdp為初級(jí)側(cè)繞組系數(shù)，可以按照旋轉(zhuǎn)電機(jī)中繞組因數(shù)的計(jì)算公式計(jì)算；p為極對(duì)數(shù)；τ為永磁直線電機(jī)的極距，mm；η為電機(jī)效率；A1為直線電機(jī)的電負(fù)荷，可通過查表選取，A/m；Bδ為氣隙磁密的基波幅值，T；cosφ為電機(jī)的功率因數(shù)。

根據(jù)公式（1）和（2）可以計(jì)算出圓筒型永磁直線電機(jī)的一些主要參數(shù)，如表2 和表3 所示。

表2 電機(jī)主要尺寸參數(shù)Tab.2 Main dimension parameters of motor mm

表3 電機(jī)槽型參數(shù)Tab.3 Motor groove parameters mm

1.2 工作原理

圓筒型永磁直線電機(jī)中繞組在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種氣隙磁場(chǎng)，氣隙磁場(chǎng)做直線運(yùn)動(dòng)，又叫行波磁場(chǎng)。繞組產(chǎn)生的行波磁場(chǎng)與永磁體磁極相反，利用同極相斥，異極相吸的原理使直線電機(jī)動(dòng)子產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)［10］。圖3 描述了新型密封筒的工作原理，圖3 中紅色箭頭表示永磁體及繞組的磁路，密封筒中導(dǎo)磁套的磁阻遠(yuǎn)小于隔磁套的磁阻，絕大部分磁通沿著導(dǎo)磁體、導(dǎo)磁套、硅鋼片形成一個(gè)回路。

圖3 密封筒工作原理Fig.3 Working principle of seal tube

2 ANSYS 有限元仿真

圓筒型直線電機(jī)的導(dǎo)磁材料主要為非線性材料，直接利用公式計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度、氣隙磁密、電機(jī)的推力等電磁參數(shù)非常困難，使用有限元仿真可以準(zhǔn)確的計(jì)算電機(jī)的電磁參數(shù)，從而評(píng)估電機(jī)的電磁性能。電機(jī)的電磁場(chǎng)分析一般使用靜磁場(chǎng)以及瞬態(tài)磁場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。圓筒型永磁直線電機(jī)是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在ANSYS Maxwell 軟件中建立二維模型進(jìn)行仿真。

2.1 仿真模型的建立

在確定了圓筒型永磁直線電機(jī)的基本尺寸后，根據(jù)這些基本尺寸參數(shù)能夠在ANSYS Maxwell中建立電機(jī)的二維仿真模型，如圖4所示。

圖4 仿真模型圖Fig.4 Simulation model diagram

2.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

在二維電磁場(chǎng)有限元仿真中，對(duì)圓筒型直線電機(jī)模型的網(wǎng)格劃分主要采用自適應(yīng)的網(wǎng)格劃分，劃分精度如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)格劃分圖Fig.5 Grid division diagram

電機(jī)電磁仿真要考慮模型磁飽和與漏磁情況［11］，因此邊界條件多選用氣球邊界條件。設(shè)置仿真時(shí)間為0.2 s，因?yàn)?，仿真時(shí)間過短，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)推力曲線不完整，仿真時(shí)間過長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)的內(nèi)存與CPU 等計(jì)算資源的消耗過大。

3 仿真結(jié)果

3.1 新型電機(jī)仿真結(jié)果

由圖6 可以看到靜磁場(chǎng)中永磁體、導(dǎo)磁套以及定子齒部磁密較高，動(dòng)子以及定子軛部磁密較低，同時(shí)局部磁密較高。圖7 為圓筒型永磁直線電機(jī)在額定電流時(shí)的瞬態(tài)磁場(chǎng)磁力線分布圖，從圖7 中可以看到永磁體與繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過氣隙、密封筒以及硅鋼片形成一個(gè)完整的回路，回路中間齒部磁場(chǎng)強(qiáng)度比較低。

圖6 靜磁場(chǎng)磁密分布圖Fig.6 Magnetic density distribution of static magnetic field

圖7 瞬態(tài)磁場(chǎng)磁力線分布圖Fig.7 Magnetic field line distribution of transient magnetic field

定位力是評(píng)估電機(jī)定位精度的重要指標(biāo)，其幅值越小越好［12-14］，從圖8 中可知電機(jī)的定位力幅值為500 N。由圖9 可以看出電機(jī)在額定電流（27 A）時(shí)的推力在1 kN 到2.8 kN 之間波動(dòng)，可以計(jì)算得到平均推力約為1.94 kN，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖9 推力曲線圖Fig.9 Thrust curve

3.2 密封筒結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)性能的影響

在新型圓筒型永磁直線電機(jī)的設(shè)計(jì)中，定子密封筒結(jié)構(gòu)是導(dǎo)磁套與隔磁套相互焊接而成，探究密封筒結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)電磁性能的影響十分必要。將新型密封筒與傳統(tǒng)密封筒結(jié)構(gòu)以及無密封結(jié)構(gòu)的圓筒型永磁直線電機(jī)進(jìn)行仿真對(duì)比分析，可以更加直觀的了解新型密封筒直線電機(jī)的性能。

圖10 是上述3 種直線電機(jī)的推力曲線圖，從圖中可得無密封筒結(jié)構(gòu)與新型密封筒結(jié)構(gòu)的電機(jī)平均推力大小分別為2.13 kN 與1.94 kN，推力大小相差不大，推力波動(dòng)幅度幾乎一致，說明新型圓筒型永磁電機(jī)在有良好的定子密封性能的基礎(chǔ)上，其推力大小略小于無密封結(jié)構(gòu)的電機(jī)推力，都有著良好的推力輸出；而使用單一無磁鋼材料的傳統(tǒng)密封筒結(jié)構(gòu)在平均推力上要比上面2 種電機(jī)小得多，其平均推力大小為1.52 kN。

圖10 3 種電機(jī)推力曲線圖Fig.10 Thrust curves of three motors

為了探究密封筒厚度對(duì)電機(jī)推力的影響，在保持其他參數(shù)不變的條件下，改變密封筒的厚度，電機(jī)平均推力變化曲線如圖11 所示。從圖11 中可以看到，新型密封筒結(jié)構(gòu)的直線電機(jī)平均推力幾乎不受密封筒厚度的影響，傳統(tǒng)非導(dǎo)磁材料密封筒直線電機(jī)平均推力隨著密封筒厚度的增加而不斷的減??；新型密封筒結(jié)構(gòu)的直線電機(jī)平均推力大于傳統(tǒng)非導(dǎo)磁材料密封筒直線電機(jī)平均推力。

圖11 密封筒厚度與電機(jī)平均推力大小關(guān)系圖Fig.11 Relationship between sealing cylinder thickness and thrust

電機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生多種損耗，對(duì)電機(jī)損耗的計(jì)算也是非常重要。一般來說，電機(jī)的主要損耗有銅損耗、鐵芯損耗以及機(jī)械損耗和雜散損耗等。根據(jù)Maxwell 2D 軟件的仿真結(jié)果可以計(jì)算輸出功率、輸入功率、電機(jī)效率等。以額定電流（27 A）進(jìn)行計(jì)算，鐵損曲線如圖12 所示。

圖12 鐵損曲線Fig.12 Iron loss curves

從圖12 可以看出，平均鐵芯損耗在100 ms 以后就趨于平穩(wěn)了，因此，取100～200 ms 內(nèi)的平均值作為直線電機(jī)的鐵芯損耗，那么傳統(tǒng)密封筒直線電機(jī)的鐵芯損耗為PFe=0.185 W，無密封筒直線電機(jī)的鐵芯損耗為PFe=0.331 W，新型密封筒直線電機(jī)的鐵芯損耗為PFe=0.338 W。

圓筒型永磁直線電機(jī)的機(jī)械損耗主要有摩擦損耗、通風(fēng)損耗以及一些其他的雜損耗，其大小一般取輸出功率的1%，則機(jī)械損耗Pad=0.912 W。

電機(jī)的輸出功率與電機(jī)的頻率、極距以及推力大小都有關(guān)系，其計(jì)算公式為：

式中：FN為電機(jī)平均推力，kN。

電機(jī)的銅損耗主要是由電機(jī)繞組銅線電阻導(dǎo)致的，根據(jù)電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)參數(shù)可以計(jì)算出電機(jī)每相電阻約為R=0.336 Ω（溫度22 ℃時(shí)），電機(jī)的銅損耗計(jì)算公式［15］為：

式中：m為電機(jī)相數(shù)；I為電機(jī)電流有效值，A。電機(jī)的輸入功率P1的計(jì)算公式為：

式（5）可以計(jì)算得到電機(jī)的效率，效率的計(jì)算公式［16］為：

由式（6）可以計(jì)算得到電機(jī)銅損耗、輸入功率、輸出功率以及效率等參數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 電機(jī)功率參數(shù)表Tab.4 Motor power parameters

4 實(shí)驗(yàn)

對(duì)帶新型密封筒直線電機(jī)進(jìn)行了電機(jī)推力的實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)裝置主要由帶新型密封筒直線電機(jī)、往復(fù)抽油泵、過濾器、蓄能器、溢流閥、壓力表、壓力傳感器等組成，如圖13 所示。

圖13 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.13 Schematic diagram of experimental device

在實(shí)驗(yàn)裝置中，電機(jī)推力主要通過壓力傳感器間接來表示，利用力與壓力之間的關(guān)系來計(jì)算電機(jī)推力，電機(jī)與抽油泵裝配關(guān)系如圖14 所示。

圖14 直線電機(jī)與抽油泵裝配關(guān)系示意圖Fig.14 Assembly relationship between linear motor and oil pump

在初始參數(shù)表中可以知道抽油泵的柱塞與電機(jī)動(dòng)子接觸面的面積A，讀取壓力傳感器上的壓力為P，那么電機(jī)平均推力FN與面積以及壓力有如下關(guān)系式：

通過實(shí)驗(yàn)得到的壓力可計(jì)算電機(jī)推力如圖15所示。

圖15 仿真與實(shí)驗(yàn)推力對(duì)比曲線圖Fig.15 Comparison curves of thrust between simulation and experiment

5 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過電磁場(chǎng)仿真分析可得，帶新型密封筒的圓筒型永磁直線電機(jī)具有較大的推力輸出，相較于帶傳統(tǒng)密封筒的圓筒型永磁直線電機(jī)推力提高了27%左右。新型密封筒的厚度對(duì)電機(jī)推力的影響比較小，可以根據(jù)電機(jī)在油井中所處的位置調(diào)整密封筒的厚度，以獲得足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在電機(jī)效率方面，新型圓筒型永磁直線電機(jī)的效率有著一定的提高。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，帶新型密封筒的圓筒型永磁直線電機(jī)的推力實(shí)驗(yàn)值比仿真值小，其相對(duì)誤差在4%以內(nèi)。造成誤差的原因是抽油泵柱塞有一定的摩擦，同時(shí)重力的影響也會(huì)造成誤差。

6 結(jié)論

隨著國(guó)際形勢(shì)的緊張，能源安全的問題越來越受到重視，在石油開采領(lǐng)域，使用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵技術(shù)能夠極大提升開采效率。本文提出的新型密封筒裝置，能夠使圓筒型永磁直線電機(jī)保持較好的密封性，同時(shí)電機(jī)推力也沒有明顯下降，對(duì)圓筒型永磁直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。