关于面装式永磁伺服电动机的齿槽转矩问题

1、特种电机及控制课程研究报告题目如：关于面装式永磁伺服电动机的齿槽转矩问题2016/2017学年 第 二 学期课程名称 特种电机及控制 学生姓名 黄鑫 班级学号 1601班201610103 导师姓名 安跃军教授 任课教师 安跃军教授 第一章 绪论11.1课题背景11.2 课题意义11.3 国内外发展现状21.3.1 潜油电机的发展现状21.3.2 永磁潜油电机发展现状31.3.2 高温潜油电机的发展现状4第二章 潜油电机的结构和设计特点52.1 潜油电机的基本结构52.2 潜油电机的结构特点62.3 潜油电机的设计特点72.3.1 整体与单段电机的关系72.3.2 主要尺寸与参数、性能的关系8

2、2.4 潜油电机损耗的计算82.4.1 绕组损耗82.4.2 铁心损耗92.4.3 机械损耗102.4.4 杂散损耗10第三章 电机材料的高温特性113.1 金属导电材料的高温特性113.2 磁性材料的高温特性123.2.1 磁性材料的居里温度123.2.2 电机导磁材料的高温特性123.2.3永磁材料的高温性能13第一章 绪论1.1课题背景随着石油工业的发展，石油钻井技术也得以进步和发展，更多的深井、超深井（6000m以上）、高温（170-190）油井也投入开发，并且越来越多的采用潜油电泵生产1。例如，胜利油田桩西古潜山油藏，位于济阳坳陷沾化凹陷东部，油藏埋藏深在3500-4500 m以下。

3、单井产量普遍较低，井底温度高，一般在150-180。油井深（3500-4500m），温度高。井底温度对于潜油电泵，潜油电机的材料、性能要求是非常严格的。在高温条件下，普通潜油电机绝缘性能下降，容易击穿烧毁。潜油电泵机组使用寿命普遍较短，从统计的数据中可以看出电气故障占70%。综合分析主要原因是在高温下电泵机组的电气性能急剧下降，故障率升高，最终导致频繁故障2。通用的潜油电机是异步电动机，效率和功率因数都比较低，耗电量大，导致油田电费支出庞大。同时，其通常为两极简单结构，转速较高。现有的高温下的潜油电机也基本上均是三相异步电动机。这种高温的工作环境，对电机的绝缘强度和电机材料的导电导磁性能均有着

4、巨大的影响，进而影响着电机的各相运行性能3。目前，针对高温潜油电机的研究，主要集中在电机的耐高温能力与减少电机的温升两个方面，如：高温电机绝缘强度的优化以提高耐高温能力，机械结构配合与润滑的优化设计以减少机械损耗、分析温升的最高点以有针对性的加强绝缘优化等4。而针对高温潜油电机性能变化的分析研究较少。当下，在高温潜油电机的设计制造过程中，亦是主要考虑绝缘强度和温升两个主要因素，对高温电机的实际使用，采用的方法主要是降低功率使用的方法。而这种使用方法不能有效的发挥电机的性能而达到物尽其用。1.2 课题意义异步起动永磁潜油电机与三相感应潜油电机相比有很多优势。不仅能减少噪声污染、改善电网质量，更重

5、要的是节能。异步起动永磁潜油电机的性能优势体现如下5：1.效率高 异步起动永磁潜油电机因没有转差损耗、转子损耗以及励磁损耗，其效率比同规格的感应潜油电机要高出7%-10%。2.功率因数高 异步起动永磁潜油电机的功率因数高出同规格容量感应潜油电机的10%左右。由于功率因数高可以改善电网性能。3.改善供电电缆性能 异步起动永磁潜油电机的气隙磁场不由励磁电流供给，而主要由电机转子永磁体提供，所以可减少总供电电流，供电电缆性能得以改善。4.运行稳定性高 感应潜油电动机有转差率，由于潜油电机具有分段结构，各分段转子的最佳工作点转差率不同，造成过载单元出现故障，最后整台潜油电机将会报废。但异步起动永磁潜油

6、电机工作状态中其稳定性明显优于感应式潜油电机，由于供给的电源频率保持不变，其转速不会随负载变化而波动，各转子单元转速一致，所受力矩也一样。异步起动永磁潜油电动机的同步性能使得其比三相感应潜油电机要容易控制，其过载能力比相应的感应潜油电机更强。5.节约空间资源 由于异步起动永磁潜油电机采用了高性能的永磁材料，要比同极数、同容量的感应潜油电机的重量和体积减小10%左右。能减少了异步起动永磁潜油电机的占地面积，减轻了机械结构的负担。1.3 国内外发展现状1.3.1 潜油电机的发展现状潜油电机是潜油电泵系统中最为重要的组成部分，它带动电泵抽取地下原油，为整个系统提供驱动动力，同时也是设计要求中最高的一

7、部分。随着潜油螺杆泵的大量投产，与其相关的设计与开发越来越得到重视，潜油电机也逐渐发展起来6-10。潜油电机是由A.S艾路托诺夫提出并首先制造的。1926年应用到油田当中，之后，潜油电机的技术不断完善，在全球得到了广泛的应用。目前潜油电机的发展方向主要分为两个方面：一是永磁化，二是变频化。永磁同步潜油电机具有较高效率，并且电机运行稳定，同时可以改善电网的供电水平，而不足则是永磁同步潜油电机不具有自起动能力，但是如果采用变频器供电，利用变频起动，可以完全克服这一缺点。同时，在正常运行时，还可以根据井下的状况来调整变频器的输出频率，进而调整永磁同步潜油电机的运行速度，这样可以使电机始终工作在较为适

8、宜的条件下，减少了机组的磨损，从而延长其工作时间。1.3.2 永磁潜油电机发展现状永磁潜油电机主要包括驱动离心泵的高速潜油永磁同步电动机和驱动螺杆泵的低速潜油永磁同步电动机，起动方式包括变频起动和异步起动两种。国外潜油永磁同步电机开发主要在俄罗斯，而有成熟产品并且在世界各地油田应用的主要是俄罗斯的RITEK JSC、Borets、Novomet三家公司11-14。1990年，俄罗斯利用交流电机驱动潜油泵进行采油；2000年，俄罗斯专家开始研究设计永磁潜油同步电机；2001年，俄罗斯RITEK-ITC公司开发出世界第一台永磁潜油同步电机，其调速范围为15003600 r/min，主要用于驱动潜油

9、离心泵或加齿轮减速器驱动螺杆泵采油，同转速下功率密度为三相异步电机两倍，工作有效长度减少一半，便于井下安装作业；同年，RITEK-ITC公司开发了转速为100500 r/min直接驱动螺杆泵采油的低速大扭矩永磁潜油同步电动机15；2002年，RITEK-ITC公司生产的潜油永磁同步电机开始装备到油井上进行采油作业。2006年，俄罗斯Borets公司开始研发永磁潜油同步电机，分别研发了驱动电潜离心泵用高速潜油永磁同步电机（4极）和驱动螺杆泵用低速潜油永磁同步电机（10极）16，转子、定子铁心均为硅钢片叠压而成，采用永磁体内置式，漏磁系数小、转轴上不需要采取隔磁措施、极弧系数易于控制，结构简单，转

10、子机械强度高，且安装永磁体后转子不易变形。Novomet公司也开发出了高速和低速两种永磁潜油同步电机。Schlum berger公司在蒸汽辅助重力泄油的井中安装了450多台RedaHotline型耐高温电潜泵系统17，其井筒温度高达218（425）。随着新型电机保护器的伸缩式金属膨胀室、耐高温轴承、橡胶和电缆系统（据2008年5月世界石油介绍）的研制，RedaHotline系统的运行寿命已达4.5年。Baker Hughes举升中心研制出耐超高温电潜泵系统，采液温度可达250（482），所使用的电机为450SP ESP型，其额定功率为540 hp。为达到该目标，买进了一台新一代的加热装置，对电

11、潜泵进行试验，使接近水平定位的采液温度高达300 （572）。电潜泵部件的超高温度矿场试验计划在2009年的第二个季度进行。举升中心研制的超高温电潜泵系统的采液温度可达250（482）。国内哈尔滨工业大学的郑砥中等在1996年设计了潜油永磁同步电机18-20。设计了额定转速300 r/min的9槽8极潜油永磁同步电机，转子采用永磁体表贴式结构。沈阳工业大学与胜利油田泵业有限公司联合开发了潜油螺杆泵专用稀土永磁同步电机21。采用10极36槽分数槽绕组，转子结构为永磁体内置径向式，同时转子上装有起动绕组，实现电机的异步起动功能；沈阳工业大学与大庆油田有限责任公司合作开发了直驱螺杆泵用潜油永磁同步电

12、机22-23，采用8极24槽整数槽绕组，转子结构为永磁体内置切向式，转子上未安装起动绕组，需变频起动。1.3.2 高温潜油电机的发展现状目前国内外对于高温环境下电机使用的研究大多是从电机的耐高温能力和高温安全性的角度出发，如高温电机的绝缘强度选择、绝缘材料的修改、电机的机械连接结构、轴承润滑、连接线的焊接等。通过查阅相关外文文献获悉，在美国、德国、俄罗斯等几个潜油电机技术最先进的国家中，对于潜油电机的研究，主要针对的是电机设计理论与设计方法标准相一致，而对电机在高温环境下的研究分析较少24-28。实际工程中对高温环境下使用的电机，基本上采用提高绝缘强度、降低电机容量的方法。在高温环境下，对于潜

13、油电机的研究主要集中在对电机绝缘强度的选择、轴承等部件的抗损坏处理、轴承润滑剂材料的使用以及高温环境下潜油电机易损坏的部位和注意事项等。我国自上个世纪六十年代开始研究潜油电泵，到1981年开始先后从美国 ReDa、Centrilift、ODI 等潜油电泵制造商引进成套潜油电泵采油设备，经过近 30 年的消化吸收和自主研发，电泵行业完成了从引进、消化到自主研制的发展历程。与此同时，鉴于国内潜油电泵应用的实际情况，电泵企业在产品的系列化、标准化和通用化研究方面，取得了很大成就，各大油田在潜油电泵的排量、扬程和最大投影尺寸上，都形成了系列产品，逐步形成了具有中国特色的潜油电泵系列产品、技术和工艺。在

14、耐高温潜油电机的研制方面，1992 年哈尔滨工业高等专科学校与大庆电动潜油泵研究所共同研制了新型高温潜油电动机，该机与多级离心泵组成电动潜油泵，潜入几百米到几千米深的油井中，能长期、连续可靠地抽取井下原油或其它井液，井液温度可达 9012029。2001 年，周海等人对潜油电机在高温条件下绝缘材料老化的理论作了分析与研究并在此基础上优选潜油电机的绝缘材料，使其耐温在 120150之间30。2004 年 7 月，梅思杰等人对潜油电泵机组的基本结构、组成和目前的发展方向作了系统详细的阐述，对高温情况下潜油电机的耐温难题提出几点认识和指导意见，有助于今后进行此类研究。第二章 潜油电机的结构和设计特点

15、2.1 潜油电机的基本结构现行常用潜油螺杆泵机组的电动机一般为细长结构的两极异步三相鼠笼式电动机，潜油电机定子的外壳是钢管，其内部压装有由硅钢片组成的长度为0.32-0.45mm的定子铁心。两极定子绕组，通常制成各段共用。转子也由多段组成，每一段的长度与定子铁心长度一致。各段转子之间装有中间滑动轴承，它支靠在定子的非磁性物上，以防止定子和转子接触。同时，改善电动机的性能。潜油电机为密闭式，定子转子的间隙间充满电机油，起到绝缘、润滑、散热作用。潜油电机主要由以下四部分组成31。定子：潜油电机的定子铁心主要由硅钢片和硅铜片组成。硅铜片按一定要求放置于两节硅钢片段之间；定子绕组采用单层叠绕组；机壳采

16、用有弹性的钢质合金的圆管精加工后成为一个细长的钢筒，用以固定和支撑定子铁心和连接上、下接头。如图2-1。1-定子铁心；2-机壳；3-线圈端部图2-1定子结构图转子：永磁潜油电机转子分节，由许多小的转子节、扶正轴承和转轴组成。各小节为独立单元；扶正轴承由铜套（内套）和钢套（外套）两部分构成，用以在定子内腔中支撑每节转子，使其不与定子内腔表面摩擦，保证定转子之间气隙均匀，提高电机的运行可靠性。转轴为空心，上按一定间隔开有通至转轴中心的空腔，用来润滑扶正轴承的内外套，并作为润滑油的流道。如图2-2。1-转轴；2-端环；3-扶正轴承；4-铁心图2-2转子结构图上、下接头：永磁潜油电机的上接头又称电机头

17、，用来安装止推轴承，限制转子的轴向运动及引出电机定子绕组与电缆连接的引出线；下接头主要用来密封电机的内腔及连接星点或测试引出线。止推轴承：永磁潜油电机是一种立式悬垂电机，为了承受整个转子的重量，使电机转子在固定位置上正常工作，在电机的上接头里安装一个滑动轴承，它除了承受转子的重量外，还可以承受由于转轴的偏置而产生的径向拉力，这个轴承就称止推轴承。1-扶正轴承铜套；2-扶正轴承钢套图2-3永磁潜油电机转子扶正轴承结构图2.2 潜油电机的结构特点细而长的结构：永磁潜油电机要下到套管内径为0.127-0.34m的油井内驱动潜油螺杆泵抽取原油，因而其外径受到限制。当电机的外径确定后，其功率的大小将由电

18、机长度来决定。因此为保证永磁潜油电机具有一定的负载能力，使其有足够的输出功率。只能增加电机的长度。普通电动机定子铁心长径比一般为1左右，而潜油电机的定子铁心长径比为50左右，甚至更高。定、转子分节：由于永磁潜油电机细长的结构特点，决定了必须加强转子的支撑，为保证潜油螺杆泵电机转子运转的可靠性并还要考虑到制造细长整体转子的困难，以及电机气隙均匀、定转子不会摩擦，永磁潜油电机转子采用多支点的径向支承，支承点就是扶正轴承。每节转子的长度取决于转轴的挠度。永磁潜油电机的定子铁心也具有分节的特点，由磁性材料硅钢片和非磁性的铜片交替叠压而成，并叠压入细长的机壳内。整个永磁潜油电机是由数个相同的小型永磁同步

19、电动机串联而组成的。特殊的油路循环系统：永磁潜油电机长期工作于油井中，工作环境温度高，转子采用多点径向支承，径向支承大多位于定、转子之间，轴承空隙很小，因此永磁潜油电机各部分的散热和润滑就十分必要和重要。必须加强各部件的冷却和润滑。所以永磁潜油电机中设计了一个特殊的油路，以对其进行冷却和润滑。油路循环过程：气隙-转轴的轴孔-转轴的上端出口-气隙，形成油路循环的闭合回路。循环的不间断往复，不但润滑电机内部的各种运动部件，同时又把电机内部大量的热量通过电机的两端和定子铁心传给机壳散到油井的井液中，实现了润滑和冷却的双重目的。永磁潜油电机的串联运行：由于电机的细长结构，要整体制造大功率的永磁潜油电机

20、，其长度是非常长的，不但给电机的有关部件（如转轴、机壳）的制造带来工艺上的困难，而且给安装、运输带来诸多不便，所以大功率的永磁潜油电机是由相同规格的两台或是多台功率相同或不同的永磁潜油电机串联来实现的。定子绕组之间的连接多采用插入式连接方法，轴与轴之间则采用花键套连接，首尾的连接则采用法兰连接。2.3 潜油电机的设计特点2.3.1 整体与单段电机的关系从结构和原理上看，整台永磁潜油电机相当于一组同轴的多台小同步永磁电动机，将这些结构形状、尺寸以及性能完全相同的电动机，称为单段电机。各单段电机定子绕组间以串联方式联接。由于电机长细比很大，故可忽略绕组端部对电机的影响。这样，由多个单段电机构成的整

21、体电机与单段电机之间存在着以下关系：（1）整体电机额定功率是所有单段电机额定功率之和。（2）整体电机和单段电机的额定电流相同，而整体电机的额定电压为各单段电机额定电压之和。（3）整体电机电参数标么值及主要性能指标（如效率、最大转矩倍数、及温升等）与单段电机相同。由此可见，只要单段电机性能最佳，则整体电机性能一定最佳。所以，设计永磁潜油电机时可从设计单段电机入手，这样做不仅给设计工作带来极大的方便，而且可由此单段电机可派生出多种规格的永磁潜油电机，以满足不同油井的需要。2.3.2 主要尺寸与参数、性能的关系与一定规格油井套管配套使用的潜油电机，其机壳外径尺寸基本上是一个定值，而与其相应的定子铁心

22、外径尺寸也基本上为定值。设计永磁潜油电机时，如选择相同的气隙磁通密度和电流密度，则大体上有如下关系：（1）电机功率P与长度L成正比，即。（2）电机有效材料的重量G、成本C及电机损耗与长度L成正比，即而单位功率的有效材料重量、成本及损耗与长度L无关。（3）当电枢直径Di和绕组每相串联匝数N一定时，则电机的定子电阻Rs，直轴Xd，和交轴电抗Xq和漏抗Xs均与长度L成正比，即，通常取为阻抗基值，故电机电阻、交、直轴电抗和漏抗的标么值与长度L无关。（4）因参数决定性能，故在上述条件下，永磁潜油电机的主要性能指标也与L无关。2.4 潜油电机损耗的计算潜油电机的热量来自于电机内的各种损耗，根据损耗产生部位

23、的不同，电机内的损耗常分为四种：绕组损耗、铁心损耗、机械损耗和杂散损耗32。2.4.1 绕组损耗绕组损耗又称铜耗，它是电流流经定、转子绕组的电阻所产生的损耗。对于感应电动机，转子绕组损耗是电流流经导条所产生的损耗。通过以上分析可知，定子绕组损耗可按公式计算：式中 m为比例系数，对于交流永磁同步电机，常取为3 ；I1定子电流（A）；R1定子绕组电阻（）。转子铸铝由于只在启动过程中有电流通过，等到稳态时转子电流为0，铜耗较小，所以假设转子铜耗为0。2.4.2 铁心损耗铁心损耗在永磁同步电机中占有重要的地位，准确掌握铁心损耗对于高效率电机的设计以及避免永磁体退磁都具有重要的意义。永磁同步电机的铁心损

24、耗与电机所用硅钢片的材料有关，并随着电机的工作负载和温度而不断变化。永磁同步电机的定子齿部和定子轭部的磁密饱和严重，而且具有大量的磁通谐波。所以，要准确计算永磁同步电机的铁心损耗非常困难。在工程应用上，经常采用异步感应电机铁心损耗计算公式，并对其进行修正。异步感应电机铁心损耗的计算可依据电机空载运行的定子轭磁通密度Bde、定子齿磁通密度Bdc，并查出与定子铁心所用材料相对应的比损耗，再乘以轭部、齿部的对应体积，最后引入轭部、齿部修正系数Kde、Kdc进行修正。定子轭部体积Vde按公式计算：式中，A为定子轭部截面积；hde为定子轭部计算高度；p为极对数。定子轭部损耗Pde按公式计算：式中，为与定

25、子轭磁通密度Bde对应的比损耗。定子齿部体积Vdc按公式计算：式中,Adc为定子齿部截面积；L为定子绕组平均半匝长；p为极对数。定子齿部损耗Pdc按公式计算：式中，为与定子齿磁通密度Bdc对应的比损耗。定子铁心Pfe总损耗：式中，Kde为定子轭部铁心损耗修正系数；Kdc为定子齿部铁心损耗修正系数。2.4.3 机械损耗根据本文潜油电机的结构特点可知，其机械损耗主要有以下三部分组成：（1）转子与润滑油之间的摩擦损耗；（2）扶正滑动轴承摩擦损耗；（3）止推轴承的止推滑板和轴向支撑滑板之间的摩擦损耗。由于材料的热膨胀作用，电机的接触距离减小，相应的机械损耗增加，使电机的效率降低。本文假设机械损耗为恒定

26、值，不随温度变化。2.4.4 杂散损耗杂散损耗是由于磁场高次谐波和开槽引起的高次谐波在铁心中产生的损耗，其计算非常困难且难以得到准确的结果。在工程实际中，通常用以下经验公式计算而对于永磁同步电机的杂散损耗，目前还无法通过准确的计算公式进行计算，在工程应用中，通常可以取为铜损、铁心损耗和机械损耗三者和的 7% 。第三章 电机材料的高温特性3.1 金属导电材料的高温特性铜及其合金由于其自身具有较高的机械强度和良好的导电性和导热性，是电工领域主要的导电材料，是制备各种电气设备必不可少的优选材料不同合金元素及合金含量的铜合金，其常温电阻率不同。通常情况下，铜及其合金的电阻率随温度的升高而增大。但是，不

27、同合金材料其电阻率随温度的变化规律不同。下面对纯铜及其合金的高温性能做分别分析33。通常，合金材料的添加会使铜的电阻率增加。不同的合金材料和合金含量对铜合金电阻率的影响不同。一般情况下，合金含量的增加使得铜合金的电阻率成线性增加。由于合金成分会增加铜的电阻率，在实际工程中，通常选用纯铜作为电气设备的导电材料。纯铜作为导电材料，电阻率是主要的性能参数。电机中，定转子绕组导电材料的选择也是纯铜。因此，异步电机的定转子电阻随温度的变化而变化，主要变化因素是纯铜的电阻率。明确纯铜电阻率随温度的变化规律，是分析异步电机电阻温度变化的主要内容。大量研究和实验表明，纯铜的电阻率随温度变化近似地呈现线性变化趋

28、势，其高温段电阻率随温度变化曲线的线性度略微下降。然而，对于电机的绕组导体而言，高温异步电机的工作环境温度相对材料本身而言仍然属于低温段。因此，在分析异步电机定转子电阻温度变化时，纯铜的电阻率随温度变化曲线可以近似的被认为是一条直线。这种特性可用一个电阻率温度系数来表示，它等于温度每变化一度所产生的电阻值变化，即：式中，为电阻率温度系数；为T1温度下的电阻率；为T0温度下的电阻率。由公式可以得出：3.2 磁性材料的高温特性3.2.1 磁性材料的居里温度居里温度是指磁性材料在铁磁体和顺磁体之间发生改变的温度，即铁磁材料从铁磁相转变成顺磁相的相变温度34。当温度低于居里温度时，铁磁材料表现其铁磁性

29、能；当温度超过居里温度时，铁磁材料失去其铁磁性能，转变为顺磁体。居里温度反应了磁性材料的磁学性质，与其结构（如晶粒大小，结晶方向和受应力状态等）无关，是磁性材料的重要本征特性之一。常见磁性材料的居里温度为：铁的居里温度约为770，钴的居里温度约为1115，镍的居里温度约为 360。磁性材料的居里温度是由其本身材料及分子结构决定的32。温度的升高会加剧分子的热运动。温度的升高会使得金属电子的热运动加剧，进而影响磁畴的有序排列。当温度没有达到磁性材料的居里温度时，自由电子热运动的能量不足以破坏磁畴的有序排列，磁性材料对外仍然呈现出磁性。然而，随着温度的升高，部分磁畴受到温度的影响，磁畴被破坏，磁性材料的导磁能力发生改变，饱和磁化强度下降，磁导率下降35。当温度达到某一个特定温度时，磁性材料的所有磁畴完全被破坏，磁性材料失去其导磁能力，这个温度就是磁性材料的居里温度。由于磁性材料内部分子磁畴的热运动受温度影响。磁性材料的相关磁性参数会随着温度发生变化。经过大量理论与实验分析，通常情况下，随着温度的升高磁性材料的饱和磁化强度