新型无齿轮曳引式抽油机用永磁同步电机设计与仿真研究

本科毕业设计（论文）题目：新型无齿轮曳引式抽油机用永磁同步电机设计与仿真研究—永磁同步电机磁场有限元分析学院：专业：班级：学生：学号：指导教师：职称：摘要抽油机是油田生产常用的设备之一，无需减速机构的低冲次、高冲程的无齿轮曳引式抽油机由于具有机构简单、高效节能等优点成为抽油机领域的研究热点之一；为了简化抽油机的机械机构，减轻繁重的日常维护工作，本文使用高效的永磁同步电动机，无齿轮曵引式抽油机用永磁同步电动机改变了抽油机的运行机理，取消了复杂的动力传递和转换环节，减少电机损耗，使整机效率提高本文介绍了ANSYS软件的有限元分析功能，并应用ANSYS软件的有限元分析功能以及能量法等方法对无齿轮曳引式抽油机的机架，驱动用电机的主轴，天轮和曳引轮等主要部件进行了有限元的静态分析和极限情况的瞬态分析，确定了所设计的部件在所遇到的工况下是安全的，确保了抽油机整体的安全性。本文主要研究内容如下：利用有限元对永磁同步电动机进行磁场分析与计算。利用有限元建立磁场求解模型，仿真空载磁场的分布、气隙磁密、空载电动势和电机在实际负载下的磁场分布。研究得到的结果如下：应用有限元分析与计算得到了磁力线分布图、气隙磁密波形、瞬态时空载反电动势波形图。在有限元磁场分析计算中，有限元剖分对解的精度有着不可忽视的影响，通过提高剖分的节点数，计算精度将有所提高。根据磁场分布对不同的区域，合理的选择剖分单元尺寸进行剖分，可以得到较为满意的剖分结果。【关键词】抽油机；永磁同步电动机；磁路分析AbstractPumpingunitiscommonequipmentintheproductionofoilfield,lowfrequency,highstrokegearlesstractionoilpumpingunitisthehotspotinthefieldofpumpingunitbecauseofasimplestructure,highefficiencyandenergy-savingadvantages.gearlesstractionoilPumPingunitChangestheoperationofpumpingmechanismwithPermanentMagnetieSynehronousMotor(PMSM)andcancellsacomplexpowertransmissionandconversionlinks,sothatmachineefficiencyincreased.Thispaperintroducesthefinite-elementanalysisfunctionsofsoftwareANSYS,andthefiniteelementanalysismethodsoffunctionandtheenergymethodforgearlesstractionoilPumPingunitwithmotorframe,drivingthespindle,headsheaveandtractivesheaveetc.,themaincomponentsofthestaticfiniteelementanalysisandlimitcircumstanceoftransientanalysis,identifiedinthedesignofcomponentsmetconditionsaresafe,ensurethesafetyofthepumpingunitoverall.ThispaperstudiesgearlesstractionoilPumPingunitwithPermanentMagnetieSynehronousMotor(PMSM).Analysingandcalculatingthemagneticfieldofpermanentmagnetsynchronousmotor.byfiniteelement.BulidingthesolutionmodelofMagneticfield,simulatingNo-loadmagneticfielddistribution,andairgapfluxdensity,no-loadvoltageandthemotor'smagneticfieldintheactualloaddistribution.Researchresultsareasfollows:Igetamapofthemagnetosphere,airgapfluxdensitywave,transientno-loadback-EMFwaveformdiagrambyfiniteelement.Infiniteelementanalysiscalculation,theimpactoffiniteelementmeshonthesolutionaccuracycannotbeignored.Byincreasingthenumberofnodesinsplit,theaccuracywillbeimproved.Accordingtothemagneticfielddistributiononthedifferentrational,makingasensiblechoicesplittosplittheunitsize,wecangetmoresatisfactoryresults.【KeyWords】PumpingUnit,PermanentMagnetieSynehronousMotor(PMSM),Magneticcircuitanalysis目录摘要 IAbstract II目录 III图表目录 4第1章绪论 11.1课题背景及选题意义 11.2国内外抽油机的发展状况 51.2.1我国抽油机的发展概况 51.2.2国外抽油机的发展概况 61.2.3国内外抽油机的对比 71.3国内外永磁同步电动机的发展概况 81.3.1国内发展概况 91.3.2国外发展概况 91.4研究内容 91.5章节安排 9第2章抽油机系统的结构与工作原理 112.1新型抽油机的机械结构及工作原理 112.1.1机械结构 112.1.2工作原理 112.2新型抽油机用永磁同步电动机结构及其工作原理 122.2.1 电机结构 122.2.2 工作原理 162.3主要性能指标及永磁同步电动机的主要参数 172.4小结 18第3章永磁同步电动机的电磁设计 193.1永磁同步电动机的设计 193.2主要尺寸选择 203.3永磁体设计 203.4电磁设计参数 213.5小结 21第4章抽油机用永磁同步电机的磁场有限元分析 224.1 ANSYS11.0的介绍 224.2 磁场有限元分析基本原理 224.3 永磁同步电动机磁场的有限元分析和计算 244.4 边界条件的确定 254.5 永磁同步电机磁场有限元分析数学模型建立 264.5.1 指定材料属性 284.5.2 设定边界条件和激励源 284.6 仿真分析结果 294.7 小结 31第5章全文总结与展望 325.1本文总结 325.2后续工作展望 32参考文献 33致谢 35图表目录TOC\h\z\t"题注"\c图1-1抽油机的分类 4图2-1新型无齿轮曳引式抽油机的结构 11图2-2永磁同步电动机的横截面示意图 13图2-3表面式转子磁路结构 13图2-4内置径向式转子磁路结构 14图2-5内置切向式转子磁路结构 15图2-6内置混合式转子磁路结构 15图2-7爪极式转子磁路结构 16图2-8永磁同步电机工作原理图 17图3-1永磁同步电动机电磁设计流程 19表3-1电磁设计主要参数 21图4-1永磁同步电动机求解区域 25图4-2电机定转子结构 27图4-5永磁同步电动机具体的剖分结果 29图4-6磁力线分布图 30图4-7气隙磁密波形 30图4-8瞬态时空载反电动势波形 31TOC\h\z\c"表3-"表3-1电磁设计主要参数 19绪论课题背景及选题意义与世界石油资源量相比，我国具有石油资源量相对不足的缺点。我国石油资源最终可采储量约为130—150亿吨，仅占世界石油可采储量砰(4563亿吨)3%左右。到2000年底，我国石油剩余可采储量为24.6亿吨，仅占世界剩余可采储量(1402.8亿吨)的1.8%。按每平方公里国土的平均资源比较，我国石油可采资源量的丰度值约为世界平均值的57%。剩余可采储量丰度值仅为世界平均值的37%。与世界石油资源量相比，我国具有石油资源量相对不足的缺点。而我国石油缺口即使按比较慢的消费增长速度预测，到2010—2020年我国石油供应缺口仍将依次为1.26和2.05亿吨。因此全国各个油田务必要增加油井的产量。我国的油田大部分为早期注水开发，油井的含水量逐年上升，要提高原油产量，必须加大井液提升的能力。因而机采的节能成为待解决的问题之一。随着油田开发的不断深入，我国大多数油田已经进入了开发的中后期阶段，井底压力降低，这就要求抽油机的抽汲能力增强。但目前我国油田广泛采用的抽油机仍然是传统的游梁式抽油机。在传统的抽油机看来，用电动机直接拖动这种低速的抽油机是不可能的，所以必须在原动机与工作机之间设置一个既能减速又能增速的传动装置一减速器。抽油机减速器是一个用来减速、增矩的齿轮传动装置，它是在原动机与工作机之间完成协调转速与匹配力矩的一个传动机械。但是在机械传动过程中，齿轮传动不可避免地存在着机械磨损，由于磨损使整个抽油机系统的效率大为降低，噪音加剧。为了减低机械磨损和传动产生的磨擦热，润滑油的使用是必不可少，定期的更换润滑油不仅增加了日常维护费用，而且油气、油污也会对环境造成直接污染。无需减速机构的低冲次、高冲程的无齿轮曳引式抽油机由于具有结构简单、高效节能等优点成为抽油机领域的研究热点之一，其具有重要的科学意义和实用价值。与游梁式抽油机相比，使抽油机的传动效率明显提高，驱动电动机的功率降低一半，系统的功率因数保持在0.95以上，相同吨位的抽油机占地面积为原来的三分之一，并且抽油机冲程次数可以随意无级调节，平衡调节可以轻松进行，没有减速机，可以不用润滑油，给维护工作带来方便。近年来，国外各大石油公司研究开发了各种新型抽油机，为更经济有效地开采石油做出了卓越贡献。在新型抽油机中，长冲程抽油机品种最多，占有更大的比例，具有较好的抽油性能、提高石油产量、降低采油成本、提高经济效益等优点。根据技术发展预测结果，在今后很长一段时期内，长冲程抽油机仍将是世界抽油机发展的主流和方向，长冲程抽油机将会有更大的发展。游梁式抽油机存在以下问题:(l)系统整体传动效率低。游梁式抽油机的机械传动机构为异步电动机-皮带轮-减速机-摇臂-游梁-抽油杆，传动链不仅长而且相互之间的耦合效率低。异步电动机的效率与负载率直接相关，游梁式抽油机电机负载率低于40%，其效率一般仅为0.6左右。该系统皮带传动的效率一般为0.93左右，两级齿轮减速的效率0.8左右，摇臂与游梁间的传动效率一般在0.9左右。因此，游梁式抽油机的整体传动效率不足50%。(2)系统的功率因数低。游梁式抽油机的驱动采用通用系列的异步电动机，为了满足抽油机起动力矩的需要，必须选取大1一2个功率等级的电动机。游梁式抽油机的负荷特点是要求的起动力矩大，但是运行时由于巨大的转动惯性和平衡机构的作用，需要的功率仅为电机额定功率的1/3~1/2，而异步电动机的效率和功率因数都与负载率直接相关，所以电机的效率和功率因数都比较低。若不采取补偿措施，其平均功率因数仅能保持在0.4左右。这对于油井分布地域广阔的抽油机供电系统来说，其供电线路的损耗将是非常巨大的。(3)抽油机体积庞大。游梁式抽油机的机械结构决定了其体积的庞大，一般游梁式抽油机的平均占地面积为50平方米，一般12型抽油机的重量平均在26吨以上。不仅增加制造工业难度，而且加大了原材料消耗。(4)振动噪声严重。游梁式抽油机由于传动结构的原因，振动和噪声十分严重。以辽河油田为例，其部分油井分布在城乡居民的生活区和办公区，抽油机振动和噪声给这些区域的人们带来了十分严重的干扰。(5)运行调整维护困难。游梁式抽油机的平衡调节是靠操作者的感觉决定，调节的不好，不仅会产生振动和噪音，而且对抽油机的使用寿命会造成重大影响。冲程次数只有调节皮带轮的直径，减速机需要定时添加润滑油等都给生产带来巨大的不便，并且每个操作都是重体力劳动。无游梁式抽油机最大优点是不用四连杆机构将旋转运动变为往复直线运动，其运动规律除上下死点有短时间加减速运动外，大部分时间是匀速运动，使惯性载荷大幅度下降，抽油机的性能得到较大改善。无游梁式抽油机容易实现长冲程，相对冲程损失小，有效冲程长。而长冲程抽油机冲次较低，大大降低了运动系统的加速度，惯性载荷小，如链条抽油机、皮带抽油机等。但这些抽油机还存在一些较大的问题，如结构复杂、运动件多、成本高，特别是大多数采用软连接，摆动轮直径不能过大。近年来随着永磁材料和永磁电机技术的进步，开发和生产永磁同步电动机越来越受到国内外抽油机行业的重视。永磁同步电动机具有低速大转矩的优越性能并以其高效节能、低噪声等优势成为当今电机行业的新宠。本课题正是在此基础上提出了研制新型无齿轮曳引式抽油机。其动力源采用永磁同步电动机取代传统的异步电动机，正由于永磁同步电动机的低速大转矩的优越性能，使得其可以直接和负载相连，取消掉了中间的减速器机构，使得抽油机的结构大大的简化，效率有了很大的提高，节约了大量的电能，减小了噪声污染。永磁同步无齿轮曳引技术是抽油机行业一次重大的技术进步，对提高采油装备的现代化及运行效率，对油田稳产，节能降耗，提高开发效率都具有重大的意义。抽油机分类如图1-1所示。抽油机设备总类抽油机设备总类游梁式抽油机无游梁式抽油机气动平衡抽油机机械平衡抽油机无齿轮曵引式抽油机直线式抽油机链条式抽油机皮带式抽油机后置式机械平衡抽油机前置式机械平衡抽油机游梁平衡抽油机曲柄平衡抽油机复合平衡抽油机曲柄平衡抽油机悬挂偏置游梁平衡抽油机调径变距游梁平衡抽油机前置式曲柄平衡抽油机下偏杠铃游梁复合平衡式抽油机常规复合平衡抽油机摆杆式游梁平衡抽油机特型双驴头游梁式抽油机偏轮式游梁抽油机矮型抽油机常规曲柄平衡抽油机异相曲柄复合平衡抽油机图1-SEQ图1-\*ARABIC1抽油机的分类从我国采油工艺技术发展要求、经济效益分析及市场预测结果可知，新型无齿轮抽油机具有较好的适应性、先进性和经济性，是一种较好的有发展前途的采油设备。故对本课题进行深入研究非常必要。这种永磁同步无齿轮曳引式抽油机的优点:节能效果好，平均节电50%。一是用低速大转矩稀土永磁同步电动机取代异步电动机，改变了抽油机的运动机理，具有游梁抽油机无可比拟的动力特性;二是取消了复杂的动力传递和转换环节，也没有减速箱、曲柄连杆、平衡块、游梁、驴头等，使整机机械效率提高;三是采用闭环控制，可根据井况自动改变频率、电压等，功率因数卯%以上，方便采集抽汲参数及电参数，实现智能远程控制;四是启动电流低。降低装机容量。地面抽汲参数调整方便。先进的控制系统和无触点传感技术使得油井抽汲参数做到在线无级调整，极大地减轻操作、维修人员的劳动强度为油井的自动化管理创造了条件。可降低电网冲击负荷。由于低速大转矩稀土永磁同步电动机启动转矩大，并且只有异步电动机60%的功率，大大降低对供电电网的需求容量，为减少基本建设投资创造了良好的条件。防过载能力强，能适应在各种工况条件下，进行采油作业，具有良好的性能。国内外抽油机的发展状况我国抽油机的发展概况目前，我国抽油机主要制造厂有十几家，产品主要以游梁式抽油机为主，约占抽油机总数的98%～99%，有30多种规格，并已形成了系列，基本上满足了陆地油田开采的需要。各种新型节能游粱式抽油机，如前置式抽油机、异相曲柄平衡抽油机、前置式气平衡抽油机、配有CJT型节能拖动装置的常规抽油机和用窄V形带传动的常规抽油机等均已在全国各个油田推广应用，井取得了显著的经济效益。长冲程、低冲次的无游梁式抽油机的研制也取得了一些进展，如由胜利油用设计并与有关厂家协作生产的链条式长冲程抽油机，已有近千台在各油田投入使用，在低冲次抽油和抽稠油方面已初见成效。此外，桁架结构的滑轮组增距式抽油机、滚筒式长冲程抽油机进入了试用阶段；齿轮增距式长冲程抽油机的研制工作也取得了新的进展。重量轻、成本低、便于调速和调整冲程的液压抽油机，经过几年的研制和工业性试采油，也积累了一定的经验。其它型式新颖的抽油机，如带传动游梁式抽油机、新型摇杆抽油机、大轮式游粱抽油机，六连杆游粱式抽油机和斜并抽油机也正处于开发和研制过程中。目前，我国油田现场在用或正在试验的长冲程抽油机大概可以分为五大类:(l)常规游梁抽油机或改进型抽油机是油田生产的主力机型，这几种类型的抽油机结构简单，使用和制造方便，但游梁式抽油机所存在的能耗高、重量大和由于四杆机构的限制，游梁摆角不能过大，难以实现长冲程、低冲次的问题。导致整机体积过大，重量偏重由于其结构的不合理性，使得常规游梁式抽油机无法解决“大马拉小车”，能耗高的缺点。(2)四连杆传动机构抽油机，这类抽油机主要是以曲柄滑块机构为主机构的增程式、浮动轮式等几种。从结构上讲，这种抽油机既可采用曲柄重块平衡，又可采用滑块平衡或气动平衡，但由于滑块行程均比悬点行程小，因此采用滑块气动平衡方式较好，但是抽油机结构复杂，安装维护困难，目前在油田应用已经很少。(3)多连杆机构的抽油机，为了克服四连杆机构抽油机的缺点，因此研制了六连杆抽油机和旋转驴头抽油机。尽管这类抽油机的动力性能较常规及有所改善，但并不显著。另外结构较四连杆抽油机要复杂，所以一般可作为一种补充机型。(4)滚筒式抽油机，是利用换向机构驱动滚筒正、反转，并带动柔性件绕过天轮驱动悬点做上下往复运动的抽油机。常用的心型滚筒和主回零扭矩换向滚筒，还有普通滚筒等几种形式。但是由于换向系统的可靠性和寿命较低，没能在油田大面积推广。(5)链条式抽油机，是利用轨迹链条上的特殊链节，带动往返架往复运动，从而驱动悬点上下运动的抽油机。这种抽油机的优点是:平衡性能好，且调平衡方便，换向和工作是往返架受侧向力小，重量轻;但移动较多，气平衡系统有密封和失载保护问题等。因此故障率较高。总之国内还有多种类型长冲程抽油机处于研制和试验阶段。以上任何一种抽油机都有传动一换向系统、支撑系统和平衡系统三大部分组成。传动一换向系统配有减速机，它将原动机的旋转运动变成悬点的上下往复运动，具有减速功能的部分，一般选用常规减速、传动机构。平衡系统是针对抽油机特殊的载荷情况用来调节原动机的负荷，以保证原动机的正常运转的系统。国外抽油机的发展概况前世界各国仍然大面积的应用游梁式抽油机。美国生产抽油机的公司有十几家，品种复杂，形式繁多。仅1988年第15版的APISpec11E中规定的常规游梁式抽油机系列就有77种型号，型式有前置式和偏置式。此外，法国，加拿大，前苏联，罗马尼亚等国家均有生产多种游梁式抽油机的厂家。近年来，国外各大石油公司研究开发了各种新型抽油机，为更经济有效地开采石油做出了卓越贡献。在新型抽油机中，长冲程抽油机品种最多，占有更大的比例，具有较好的抽油性能、提高石油产量、降低采油成本、提高经济效益等优点。纵观国外各种长冲程抽油机，大致可分为增大冲程游梁式抽油机、增大冲程无游梁抽油机和长冲程无游梁抽油机三种类型。(l)增大冲程游梁式抽油机是利用各种机构或元件的运动特性和工作原理增大游梁式抽油机的冲程长度。国外增大冲程抽油机由美国芍ncaid冲程倍增抽油机;英国增大冲程游梁式抽油机;原苏联增大冲程游梁式抽油机;美国Lufkin公司RoTAFLEx皮带抽油机(如图1.4所示)等。(2)增大冲程无游梁式抽油机是利用各种机构或元件的运动特性和工作原理增大无游梁抽油机的冲程长度。例如美国Lowjack低矮型增大冲程无游梁式抽油机等。(3)长冲程无游梁式抽油机的特点是:没有游梁、不采用曲柄连杆机构换向、也不采用增大冲程机构，利用抽油机本身机构运动特性，实现冲程抽油。该抽油机有立式和卧式两种结构形式:一是立式长冲程无游梁式抽油机，这种抽油机所有设备置于地面上，一般为机架立式结构型式，占地面积较小，但占用空间高度较大。例如:美国ROTAFLEX长冲程、低冲次抽油机;法国Mape长冲程无游梁式抽油机;Dynovation公司长冲程无游梁丛式井抽油机等;二是卧式长冲程无游梁抽油机，该抽油机主要设备置于地面上，平衡中置于地下套管之中，一般为卧式结构型式，占用地和空间高度较小。例如:美国westenGearCo.长冲程无游梁液压抽油机等。国内外抽油机的对比我国抽油机与国际先进水平差距甚大，我国新型节能抽油机发展缓慢，目前我国使用的节能型抽油机有前置式抽油机、异相曲柄平衡抽油机、前置式气平衡抽油机、配有CJT型节能拖动装置的常规抽油机和用窄V形带传动的常规抽油机，有些刚刚结束试制转入使用，仅就前3种抽油机来看，品种规格还不全，批量生产量还很少，因此全面推广应用受到一定限制。如我国目前生产的前置式抽油机只有12型和16型两种规格，迄今仅有500多台在油田使用。而美国Lufkin公司1959年就取得专利的马克Ⅱ型抽油机(即前置式抽油机)，目前有8个档次46种规格。罗马尼亚的前置式抽油机也有35种规格。我国的第一批异相曲柄平衡抽油机是1986年6月通过部级鉴定的，现在只有为数不多的厂家生产。而早在60年代美CMI公司就采用计算机模拟动态分析辅助设计研制出了异相曲牺平衡抽油机。由于这种抽油机具有许多优点，其经济指标已达到了目前在用抽油机的最好水平，因而在世界范围内获得了广泛的应用。我国生产的前置式气平衡抽油机目前仅有6种规格，悬点载荷为50～140KN，冲程为1.8～5mH。而美国勒夫金公司生产的前置式气平衡抽油机删有26种规格，悬点载荷为48.47～213.19KN,冲程为1.37～6.10m。国外上述几种节能型抽油机还广泛地采用了先进的数控系统，从而能保证采油作业始终处于最佳状态。与此同时，有些国家还先后研制了许多型式新颖的节能抽油机。如美国Jo—Way工具公司研制的一种前置式全胶带传动无齿轮减速器抽油机，称为大圈抽油机，是采用一个装在曲柄上直径为3.05m的胶带轮来传动的，具有运行平稳、扭矩均衡和良好的节能效果。美国D.L.M钢铁公司研制的一种特殊结构型式的轮式抽油机,只需一台2.2～7.4kW的电动机就可以驱动,现场使用情况表观,可节电80%.另外，还有其它型式的如齿形胶带传动抽油机、天然气发动机驱动抽油机、智能抽油机和玻璃钢抽油杆抽油机等节能型抽油机。这些抽油机应用于世界各个地区、各种工况条件下的抽油作业，均取得了良好的节能效果。长冲程抽油机的发展速度不能适应采油业的需要目前，我国常用的长冲程抽油机的冲程一般不超过5m，故我国大多数把冲程超过4.5m的称为长冲程抽油机。目前我国油田在用的绝大部分长冲程抽油机的冲程均在5m以下，且种类不多，规格不全，发展速度缓慢。如我国的链条式长冲程抽油机，早在60年代就开始研制，由于多方面原因，直到最近几年才初步在各油田推广应用。而冲程超过6m的国产长冲程抽油机如KCJ16—8—53HZ抽油机和LZCJ12—7.2—73HB抽油机，仍处在试用阶段。但在国外，自70年代以来，长冲程抽油机(国外系指冲程超过6m的抽油机为长冲程抽油机)的开发和推广应用则得到了很大的发展，有些抽油机的冲程已达到20m以上，并已发展到多品种、系列化。如美国国民供应公司生产的链条式长冲程抽油机，冲程为9.14m，冲数为3min-1，同时还采用微机监控井下泵的工作情况。该公司研制的世界上第一台智能抽油机，总高仅2.44m，其最大冲程却已经达到12.19m，冲程长度可以进行调节。而Wes-ternGear公司生产的液压驱动、重锤平衡(重锤置于一事先挖好的鼠洞内)的长冲程抽油机，冲程可达24.38m，悬点载荷为155.6kN。液压抽油机仍处于研制阶段，我国液压抽油机的起步较晚，加之我匣液压技术水平与国际先进水平存在着差距，从而阻碍了液压抽油机的发展。山吉林工业大学研制的第一台国产液压抽油机1987年底通过工厂台架试验，经试乐运行，发现存在不少问题，如漏油、发热、可靠性差，连续运行时间远远低于游梁式抽油机，关键液压元件的质量较差等。加之液压抽油机的维护保养比游粱式抽油机复杂得多，从而阻碍了其推广应用。早在40年代，美、苏就已先后研制出液压抽油机(美国Lufkin公司曾经生产出4种型号、最大悬点载荷158KN、冲程为6.1～12.2m的液压抽油机。苏联全苏石油机械研究院和阿塞拜疆石油机械研究所也先后试制成3种型号、悬点载荷30～150kN，冲程3～10m的液压抽油机)。随着液压技术的发展，国外液压抽油机的研制和推广应用近年来又有了新的发展。如加拿大热能发展有限公司研制的液缸式无游梁抽油机，特别适于用来开采稠油。这种抽油机悬点载荷为57.57～106.75kN，冲程为2.79～4.88m，并配有电了控制监测系统，用控制抽油机冲程及冲程位置、冲程参数，监控抽油杆足否过载，确保抽油系统安全运行。美国Mape公司生产的液压驱动塔架式长冲程抽油机，有6种规格，其冲程可以从2.5m调到10m，并可在0～5min范围内任意调节冲程次数。这些液压抽油机已广泛地应用于油田采油作业中。国内外永磁同步电动机的发展概况国内外学者都在研究永磁同步电动机的各种转子形状，其设计准则都是通过增加磁通、减弱电枢反应或高速运行来提高功率密度和效率。同时永磁同步电动机的稳态性能研究和起动过程研究一直以来是国内外专家研究分析的焦点。永磁同步电动机设计的计算精确度直接决定了电动机的性能，因而永磁同步电动机的设计方法目前显得越来越重要。国内发展概况我国在永磁同步电动机的开发和应用上取得重大成就，先后开发了应用于纺织行业中织布机、细纱机以及化纤机械、风机泵类等多种规格和型号的永磁同步电动机，取得了较好的经济效益。800W纺织专用永磁同步电动机是国内第一台研制成功的永磁同步电动机，效率高达91%，功率因数高于0.95，节能率高达10%以上，己经进行生产并取得了很好的经济效益。而且我国己研制成最大容量为110kW和250kW的永磁同步电动机。我国稀土资源丰富，高性能的稀土永磁材料已实现产业化，钕铁硼的产量现己居世界第一位，钕铁硼的价格也趋向合理。计算结果统计资料表明，中小型永磁同步电动机的效率可提高5%，节电率10%，某些专用永磁同步电机节电达15%～20%，所以发展永磁同步电动机是新世纪电机工业技术发展趋势。永磁同步电动机具有很高的矫顽力，故充磁方向很薄的永磁体就可提供较高的气隙磁密和磁势。因此，除了传统的径向磁路结构外，当极数较少时，还可采用切向磁路结构或混合式结构。虽然国内关于永磁同步电动机的研究己经进行了很多工作，但迄今为止，永磁同步电动机在我国并没有得到全方面的推广，其原因是多方面的。其一是永磁同步电动机成本很高，但是随着稀土永磁材料的发展，永磁同步电动机的成本呈下降趋势，同时在永磁同步电动机设计中如何选用适量的稀土永磁体用量以成为学术界研究分析的重点。此外，永磁同步电动机的铁耗相比于异步电动机比较复杂，如何准确分析和计算是设计高效节能永磁同步电动机的关键。国外发展概况国外利用永磁材料进行永磁同步电动机的开发已经有20多年的历史。1978年，法国的CEM公司研制的ISOSYN系列0.55～18.5kW的稀土钴永磁同步电动机，效率比一般的异步电动机高2%～10%，功率因数提高0.05～0.15。研究内容本课题主要研究新型无齿轮曵引式抽油机用永磁同步电动机的仿真，通过对新型无齿轮曵引式抽油机用永磁同步电动机的电磁特性计算所得到的参数结果应用有限元分析软件对新型无齿轮曵引式抽油机用永磁同步电机进行磁场分析，得到仿真结果。章节安排第1章绪论，介绍课题-新型无齿轮曵引式抽油机用永磁同步电动机的来源及研究意义和国内外的发展概况。第2章主要介绍新型无齿轮曵引式抽油机的结构和工作原理及新型无齿轮曵引式抽油机用永磁同步电动机的结构及工作原理。第3章介绍永磁同步电动机的电磁计算的主要思想及方法。第4章根据前一章的计算结果进行有限元的分析，得到新型无齿轮曵引式抽油机用永磁同步电动机的仿真结果。第5章是对新型无齿轮曵引式抽油机用永磁同步电动机研究的结论与后续工作展望。抽油机系统的结构与工作原理新型抽油机的机械结构及工作原理机械结构由于常规游梁式抽油机受四连杆机构和减速机的限制，存在平衡效果差、惯性载荷大、传动效率低、能耗大等弊端。新型无齿轮曳引式抽油机采用全新的工作原理，在变频控制方面采用多项高新技术，改变了传统抽油机的运动机理，是一种新型无游梁曳引式抽油机。新型无齿轮曳引式抽油机的结构如图2.1所示。直线电机直线电机配重动子定子基座柔性连绳抽油机连杆图2-SEQ图2-\*ARABIC1新型无齿轮曳引式抽油机的结构工作原理新型无齿轮曳引式抽油机的工作原理:改变了过去抽油杆由三相交流异步电动机转经四连杆机构和减速机变为直线运动的方法，通过低速大转矩永磁同步电动机直接驱动负载，取消减速机，将低速大转矩永磁同步电动机的旋转运动直接转化为抽油杆的直线往复运动。该抽油机结构简单、质量轻、占地面积小、调节方便、易于操作，具有更加完善的运动性能、动力性能和平衡性能。与相同规格的常规抽油机相比，其质量和占地面积仅为常规游梁式抽油机的50%，特别是新型无齿轮曳引式抽油机的效率高，上下冲程速度可以单独无级调整，可用于稠油、深井和大排量抽油。新型抽油机用永磁同步电动机结构及其工作原理电机结构近年来永磁材料在研究开发上取得了重大进展，这样永磁同步电动机有了迅速的发展。不仅小功率的永磁同步电动机品种繁多，而且容量较大的、百千瓦级的永磁同步电动机也开始生产。永磁同步电动机可分成两类:一类是反电动势波形和供电电流波形都是理想矩形波的无刷直流电动机，另一类永磁同步电动机两种波形都是正弦波，就是通常所说的永磁同步电动机。本论文主要介绍第二种正弦波永磁同步电动机(PMSM)。抽油机驱动系统中所需要的理想驱动模型是要求驱动系统低转速、大转矩。所谓低转速大转矩通常是指系统的拖动转速低于500rpm、额定转矩在500N·m以上的传动系统，或者说通常必须由减速机才能实现的拖动系统。对于直流电动机由于机械换相器的存在，降低了传动系统的可靠性和使用寿命。对于要求电机频繁正反转起动、负载率经常变化的抽油机传动系统，直流电动机是难以胜任的。另外，直流电动机由于结构的原因，体积比异步电动机大，或者说使系统的传输功率密度降低，振动、噪声以及换向电磁干扰等的存在，难以满足各种不同负载的要求。交流异步电动机为了达到低转速就必须制成高极数。然而，由于异步电动机很难做成高极数，随着电机极数的增加使电动机电流增大，损耗增大，温度升高，运行特性变坏。因此，在抽油机驱动系统中，异步电动机通常需要与减速机配套使用才能满足负载对力矩和速度的需要。因此，传统的抽油机驱动模式一般是减速机一电动机的驱动模式，使用的电动机主要是三相异步电动机。由于有齿轮箱的减速机存在，抽油机系统所带来的问题有效率低、噪声大、结构复杂、维护工作难度大等。对比上述两种电机，永磁同步电动机不需要励磁电流，采用金属粘贴技术可使转子制造变得非常容易，实现的工艺简单，可以轻松制成高极数，配合以低频变频器，很容易实现低转速、大转矩。永磁同步电动机仍然是由定子(电抠)、转子以及机壳等结构部件构成，与电励磁同步电动机在结构上的区别主要在于转子磁极采用了永磁结构，因此也就可以省去了滑环和电刷装置。图2-2为一台永磁同步电动机的横截面示意图。图中1—定子、2—永磁体、3—转轴、4—转子铁心。11234图2-SEQ图2-\*ARABIC2永磁同步电动机的横截面示意图本节将主要介绍永磁同步电动机的磁路结构。永磁同步电动机与其他电机的最主要的区别是转子磁路结构，永磁同步电动机的转子磁路结构可分为三种：表面式、内置式和爪极式。表面式转子磁路结构表面式转子磁路结构又分为凸出式（图2-3(a)）和插入式（图2-3(b)）两种，对采用稀土永磁的电机来说，由于永磁材料的相对回复磁导率接近1，所以表面凸出式转子在电磁性能上属于隐极转子结构；而表面插入式转子的相邻两永磁磁极间有着磁导率很大的铁磁材料，故在电磁性能上属于凸极转子结构。图中1—永磁体、2—转子铁心、3—转轴。aab321123(a)(b)图2-SEQ图2-\*ARABIC3表面式转子磁路结构表面凸出式转子结构由于其具有结构简单、制造成本较低、转动惯量小等优点，在矩形波永磁同步电动机和恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电动机中得到了广泛的应用。此外，表面凸出式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能使电动机气隙磁密波形趋近于正弦波的磁极形状，可显著提高电动机乃至整个传动系统的性能。表面插入式转子结构可充分利用转子磁路的不对称所产生的磁阻转矩，提高电动机的功率密度，动态性能较凸出式有所改善，制造工艺也较简单，常被某些调速永磁同步电动机所采用。但漏磁系数和制造成本都较凸出式大。总之，表面式转子磁路结构的制造工艺简单、成本低，应用较为广泛，尤其适宜于矩形波永磁同步电动机。但因转子表面无法安放起动绕组，无异步起动能力，不能用于异步起动永磁同步电动机。内置式转子磁路结构内置式转子磁路结构的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间（对外转子磁路结构则为永磁体内表面与转子铁心外圆之间）有铁磁物质制成的极靴，极靴中可以放置铸铝笼或铜条笼，起阻尼或（和）起动作用，动、稳态性能好，广泛应用于要求有一部起动能力或动态性能高的永磁同步电动机。内置式转子内的永磁体收到极靴的保护，其转自磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩也有助于提高电动机的过载能力和功率密度，而且易于“弱磁”扩速。按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，内置式转子磁路结构又可分为径向式、切向式和混合式三种。图中1—转轴、2—永磁体槽、3—永磁体、4—转子导条。ddc213443143a2143b(a)(b)(c)(d)图2-SEQ图2-\*ARABIC4内置径向式转子磁路结构径向式结构（图2-4）的优点是漏磁系数小、转轴上不需要采取隔磁措施、极弧系数易于控制、转子冲片机械强度高、安装永磁体后转子不易变形等。图2-4(a)是早期采用的转子磁路结构，现已较少采用。图2-4(b)和(c)中，永磁体轴向插入永磁体槽并通过隔磁磁桥限制漏磁通，结构简单，运行可靠，转子机械强度高，因而近年来应用较为广泛。图2-4(c)比(b)提供了更大的永磁体空间。图2-4(d)属于外转子结构，它也属于内置径向式的磁路结构。切向式结构（图2-5）的漏磁系数较大，并且需采用响应的隔磁措施，电动机的制造工艺和制造成本较径向式结构有所增加。其优点在于一个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可得到更大的每极磁通。此外，采用切向式转子结构的永磁同步电动机的磁阻转矩在电动机功率密度和扩展电动机的恒功率运行范围都是很有利的。图中1—转轴、2—空气隔磁槽—3-永磁体、4—转子导条。3341ba)341(a)(b)图2-SEQ图2-\*ARABIC5内置切向式转子磁路结构混合式结构（图2-6）集中了径向式和切向式转子结构的优点，但其结构和制造工艺均较复杂，制造成本也比较高，图2-6(a)是由德国西门子公司发明的混合式转子磁路结构，需采用非磁性转轴或采用隔磁铜套，主要应用于采用剩磁密度较低的铁氧体永磁的永磁同步电动机。图2-6(b)所示结构的径向部分永磁体磁化方向长度约是切向部分永磁体磁化方向长度的一半。图2-6(c)和(d)是由图2-4径向式结构(b)和(c)衍生来的两种混合式转子磁路结构。其永磁体的径向部分与切向部分的磁化方向长度相等，也采取隔磁磁桥隔磁。在图2-4(b)和(c)、图2-6(c)和(d)这四种结构中，转子依次可为安放永磁体提供更多的空间，空载漏磁系数也依次减小，但制造工艺却依次更复杂，转子冲片的机械强度也依次有所下降。1—转轴、2—永磁体槽、3—永磁体、4—转子导条。33214c3241d3421a3421b(a)(b)(c)(d)图2-SEQ图2-\*ARABIC6内置混合式转子磁路结构在选择转子磁路结构时还应考虑到不同转子磁路结构电机的交、直轴同步电抗Xq、XdQUOTE及其比例QUOTEXq/Xd（成为凸极率）也不同。在相同的条件下，上述三类内置式转子磁路结构电动机的直轴同步电抗Xd相差不大，但是他们的交轴同步电抗QUOTEXq却相差较大。较大的QUOTEXq和凸极率可以提高电动机的嵌入同步能力、磁阻转矩和电动机的过载倍数，因此设计高过载倍数的电动机时可充分利用大的凸极率所产生的磁阻转矩。爪极式转子磁路结构爪极式转子磁路结构通常由两个带爪的法兰盘和一个圆形的永磁体构成，图2-7为其结构示意图。左右法兰盘的爪数相同，且两者的爪极互相错开，沿圆周均匀分布，永磁体轴向充磁，因而左右法兰盘的爪极分别形成极性相异，互相错开的永磁同步电动机的磁极。爪极式转子结构永磁同步电动机的性能较低，又不具备异步起动能力，但结构和工艺较为简单。图中1—左法兰盘、2—圆环形永磁体、3—右法兰盘4—非磁性转轴。11324图2-SEQ图2-\*ARABIC7爪极式转子磁路结构工作原理永磁同步电动机的工作原理与同步电动机是相似的，因此从同步电动机的基本原理出发讨论其工作原理。与异步电动机类似，同步电动机是由定子和转子两部分构成。定子部分包括铁心、通以三相交流电流的定子绕组，转子部分包括主磁极、装在主磁极上的通以直流电流的励磁绕组、笼型启动绕组和电刷等部件。同步电动机的工作原理如图2-6所示，在定子绕组中通以三相交流电流，可在气隙内产生一个旋转磁场，如果三相交流电流的频率为f，定子的极对数为p，则该旋转磁场的旋转速度为这个旋转速度也成为同步转速。图2-SEQ图2-\*ARABIC8永磁同步电机工作原理图转子绕组中通入直流电流，将在气隙中又形成一个与转子绕组直流电流相对应的直流励磁磁场，使电动机体积和质量大为减小，结构简单、维护方便，效率比同容量异步机高4%～13%，功率因素提高5%～20%。永磁同步电动机也是由定子和转子组成。定子由铁心、定子绕组组成，其中定子绕组是通过对称三相交流电流的三相绕组。转子是可以产生转子磁通的永久磁铁。由于永磁同步电动机转子励磁磁场是由永久磁铁产生的，应尽可能为正弦形，所以其转子上的永磁体表面做成面包形，以形成不均匀气隙，产生正弦形的气隙磁场。如果在电动机轴上装一台转子位置检测器，则可以实现永磁同步电动机的转子位置反馈，保证定子绕组中电流频率与转子转速总是一一对应，这种具有位置检测装置的永磁同步电动机属于自控式同步电动机，有自启动的能力，转子上下不需要额外安装启动绕组。永磁同步电动机的工作原理与同步电动机相似，定子绕组通入三相交流电流后，三相交流电流在转子气隙中形成旋转磁场，该旋转磁场（以N0,S0表示）以同步角速度ω0旋转。与普通的同步电动机不同，由于永磁同步电动机的转子是永久磁铁，其转子磁通是永久磁铁产生，而不需要再对转子绕组通入直流电流，根据两异性磁铁互相吸引的原理，定子磁铁的N0（或S0）极吸住转子永久永久磁铁的S(或N)极，以同步角速度在空间旋转，即转子和定子磁场同步旋转。维持转子的电磁转矩是定子旋转磁场和转子永久磁铁相互作用产生的。主要性能指标及永磁同步电动机的主要参数新型无齿轮曵引式抽油机主要技术指标如下：系统工作环境：-40℃～+50℃冲程长度：4～8m连续可调，最大冲程长度8m；冲程次数：2～3/min连续可调；冲程误差：±15cm；抽油机驱动系统电动机平稳换向；改善抽油机的运行可靠性，定期自检、自诊断及软件保护功能。主要指标与技术参数：电机额定功率：20kW相数：3，Y型连接极数对p：20额定相电压：220V额定频率：2OHz功率因数:0.943小结本章研究了新型无齿轮曵引式抽油机的结构及工作原理和永磁同步电动机的结构及工作原理。本章提出了新型无齿轮曵引式抽油机的主要技术性能指标及永磁同步电动机的主要参数。永磁同步电动机的电磁设计永磁同步电动机的设计永磁同步电动机的电磁设计基本方法和普通同步电动机的设计方法有很全相似之处，但也存在不同之处。其基本设计思路：由技术要求首先确定转子结构和永磁体材料性能，再由电磁负荷(A,Bδ)，确定主要尺寸(Dil和leff)，其电磁设计计算流程如图3.1所示。该方程思路清晰，参数确定和方案调整都很方便，对电机研发人员来说非常习惯，但需要很多经验参数。已知或给定设计任务已知或给定设计任务确定转子结构型式估计A,Bδ确定电机基本尺寸D、L，设计定子冲片确定磁钢用量，设计转子冲片磁路计算，空载点计算绕组设计电磁参数计算工作特性计算，负载工作点计算设计结果调整校对A,Bδ图3-SEQ图3-\*ARABIC1永磁同步电动机电磁设计流程主要尺寸选择永磁同步电动机设计与其他交流电动机设计一样，通过电磁计算来确定电动机的各部分几何尺寸，如电动机的主要尺寸、定子冲片尺寸、绕组数据和气隙长度等，还要确定转子磁极结构型式以及永磁体材料和尺寸等。主要尺寸(Dil和leff)、定子冲片尺寸、槽数、槽形尺寸、电枢绕组等都可采用类比法参考类似规格的异步电动机初步选定，再进行电磁计算核算。调速永磁同步电动机的气隙长度一般由于电动机的不同用途，其气隙长度的取值也不相同：对采用内置式转子磁路结构，并要求具有一定的恒功率运行速度范围的永磁同步电动机，则电动机的气隙长度不宜太大，否则将导致电动机的直轴电感过小，弱磁能力不足，无法达到电动机的最高转速。永磁体设计永磁体的尺寸主要包括永磁体的轴向长度lM、磁化方向长度hM和宽度bM。永磁体的轴向长度一般与电动机铁心轴向长度相等，因此实际上只有两个水磁体尺寸(即hM和bM)需设计。设计时，应考虑下列因素：hM的确定应使电动机的直轴电抗Xad合理。因为hM是决定义Xad的重要因素，而Xad又影响电动机的许多性能。hM不能过小。这主要是从两方面考虑：一是hM大小应保证电动机主磁路的磁动势平衡；二是永磁体太薄将使其易于退磁。设计hM应使永磁体工作于最佳工作点。因为电动机中永磁体的工作点更大程度上取决于永磁体的磁化方向长度hM。为调整电动机的性能，常常要调整bM，因为bM直接决定了永磁体能够提供磁通的面积。电动机的磁负荷与永磁体的尺寸和电动机的转子磁路结构有关。而磁负荷则决定着电动机的功率密度和损耗。对表面式转子磁路结构的调速水磁同步电动机，其永磁体尺寸可近似地由下式确定：(3-1)式中：δe—电动机的计算气隙长度；Br/Bδ—一般取为1.1～1.35。永磁体尺寸除影响电动机的运行性能外，还影响着电动机中永磁体的空载漏磁系数σ0，从而也决定了永磁体的利用率。对于内置切向式转子磁路结构永磁体尺寸的估算公式为(3-2)永磁体的磁化方向长度与电动机的气隙长度有着很大的关系，气隙越长，永磁体的磁化方向长度也越长。电磁设计参数设计一个系列的内置切向式低速永磁同步电动机电磁设计方案。根据永磁同步电动机电磁计算所得的结果得到表3-1为电磁设计主要参数。表3-SEQ表3-\*ARABIC1电磁设计主要参数电机参数计算数值电机参数计算数值电机参数值计算数值功率/KW20额定相电压/V220极对数20频率/Hz20接法Y接转子结构内置切向槽满率79.7%功率因素0.943最大转矩倍数2.16气隙磁密/T0.801起动方式变频起动输入功率/KW24443.1定子齿部磁密/T1.602定子轭部磁密/T0.428T转子轭部磁密/T0.235定子铜耗/W5669.7铁耗/W9915.3机械损耗/W200杂散损耗/W372总损耗/W16157效率81%小结本章给出了永磁同步电动机的主要尺寸及电磁计算的一系列参数，为下章的有限元分析提供参数。抽油机用永磁同步电机的磁场有限元分析ANSYS11.0的介绍ANSYS11.0有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。磁场有限元分析基本原理有限单元法的基本思想早在40年代初期就有人提出，但真正用于工程中则是在电子计算机出现后。“有限单元法”这一名称是1960年美国的克拉夫(Clough.R.W)在一篇题为“平面应力分析的有限单元法”的论文中首先使用的。几十年来，有限单元法的应用己由弹性力学平面问题扩展到空间问题，由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题，分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘塑性和复合材料等。从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。电机磁场的有限元计算基本上归结为某些偏微分方程的求解，求解偏微分方程必须结合具体问题中的特定边界条件才能获得唯一的解答。求解偏微分方程的各种数学方法都可以应用于求解电机磁场问题。因此，求解偏微分方程的方法大致可以分成解析法、图解法、模拟法和数值计算法四类。虽然各种求解方法都有其特点和适用场合，但随着电子计算机的发展和应用的普及，数值解法的使用必将超过其他解法。数值解法是将所求磁场的区域剖分成有限多的网格或单元，通过数学上的处理，建立以网格或单元上各节点的求解函数值为未知量的代数方程组，通过计算机解出这组庞大的代数方程组，从而得到各节点的函数值。由于计算机的应用日益普遍，所以电机磁场的数值解法在近几年内有很大的发展，它的适用范围超过了所有其他各种解法，并且可以达到足够的精度。有限元法是一种较为成熟完善的离散方法，现在已经得到了广泛的使用，在本论文中磁场分析部分主要采用的方法是数值解法中的有限元分析方法。与其它方法相比，有限元法具有下面的突出优点：系数矩阵对称、正定并且具有稀疏性，所以目前普遍采用不完全乔累斯基分解共扼梯度法(ICCG法)结合非零元素压缩存贮解有限元方程，可节约大量的计算机内存和CPU时间。处理第二类边界条件和内部媒质交界条件非常方便，对于第二类齐次边界条件和不具有面电流密度的媒质交界条件可不作任何处理。对于由多种材料组成、内部具有较多媒质分界面的电机磁场来说，有限元法非常适用。几何剖分灵活，适于解决电机这类几何形状复杂的问题。可以较好地处理非线性问题。方法的各个环节统一，程序易于实现标准化。随着前、后处理技术的发展，以逐步形成了一些功能齐全、便于操作的通用或专用的有限元分析软件。求解电机磁场的偏微分方程所遇到的困难有三个方面：由铜、铁和自由空间所组成的边界形状曲折多变，因此边界条件相当复杂；导磁材料中磁感应强度与磁场强度的关系是非线性的；严格意义上电机磁场是三维的。准确计算永磁同步电动机参数和性能的重要前提是获得正确的磁场分布，用磁场分析取代传统的磁路计算正是实现这一目标的有效手段。能否正确提出具体问题的数学模型是磁场分析的关键所在。在永磁电机磁场分析中，正确建立永磁体数学模型是进行后续分析的基础。在磁场分析方法中有解析法和数值法。解析法的特点是计算时间短，不需要复杂的前处理，近年来解析计算与计算机应用相结合，取得了许多研究成果。数值法尤其是有限元法可以对复杂边界、多种媒质以及非线性等问题作有效的处理，在磁场数值分析中具有很强的优越性。本节对磁场分析中磁场有限元分析法对永磁同步电动机的数学模型进行了全面的研究。对解析分析中采用的几种数学模型进行了阐述和比较，介绍了解析法的进展和应用成果。推导了有限元分析中采用的永磁体直接处理模型和等效面电流模型，导出单元分析中永磁体的离散格式，证明了两种模型的统一性。在此基础上，提出一种改进的边界等效面电流离散化处理法。这种方法可以处理任意复杂形状的永磁边界，并且可以统一方便的处理平行、径向和周向几种充磁方向，为永磁同步电动机有限元程序实现通用性奠定了基础。永磁同步电动机磁场的有限元分析和计算磁场的有限元分析和计算通常归结为求解微分方程的解。对于常微分方程，只要由辅助条件决定任意常数之后，其解就是唯一的。对于偏微分方程，使其解成为唯一的辅助条件可以分为两种：一种是表达磁场的边界所处的物理情况称边界条件；另一种是确定磁场的初始条件。边界条件和初始条件合称为定解条件。未附加定解条件的描写普遍规律的微分方程称为泛定方程，泛定方程和定解条件作为一个整体，称为定解问题，能得到唯一而稳定的解。麦克斯韦方程组是对电机磁场的经典描述，电机磁场分析一般采用位函数表示，位函数比场量本身更容易建立边界条件。位函数包括磁矢位A和磁标位Φ，用标量位进行有限元分析虽然比较方便，但它不适用于包含电流的求解区域，所以采用矢量位解法非常重要。本节研究建模对象是新型无齿轮曳引式抽油机用低速大转矩永磁同步电动机。低速大转矩永磁同步电动机磁场分析采用的电磁场理论基于麦克斯韦方程组，忽略轴向效应，电流密度和矢量磁位只有Z轴方向的分量，电机的数学模型可以表示为一个关于Az的二维泊松方程，其边值问题可以描述为:(4-1)式中γ-磁阻率，A-磁矢位，JZ-源电流密度，Ht-磁场强度的切向分量，Г1-第一类边界，Г2-第二类边界，Jc-永磁体的等效面电流。Ht=0时的条件变分问题(4-2)式中边界条件的确定目前，电机磁场问题主要研究的是没有初始条件而只有边界条件的定解问题—边值问题。边值问题通常有三种情况，本文研究的磁场问题，一般用第一类和第二类边界条件，并且这两种边界的划分与求解函数的选择有关。在此主要介绍第一类和第二类边界条件：边界上的物理条件规定了物理量u在边界Г上的值(4-3)称为第一类边界条件。当物理量在边界上的值为零时，称为第一类齐次边界条件。边界上的物理条件规定了物理量u的法向微商在边界上的值(4-4)称为第二类边界条件。当u的法向微商为零时，称为第二类齐次边界条件。应用有限元法求解电机磁场时，应尽量缩小求解区域范围，一般可取电机外侧表面作为边界面，这属于一个强加的边界面。由于铁磁物质的磁导率远远大于空气磁导率，这种近似在工程上是合理的。一般情况下认为磁力线沿电机外侧表面闭合，这条边界属于第一类齐次边界。很多情况下，电机轴的外表面也被取为第一类齐次边界。以低速大转矩永磁同步电动机为例，其求解区域如图4.1所示。CCDFBAE图4-SEQ图4-\*ARABIC1永磁同步电动机求解区域对于两条弧线BFD和AEC，它们的边界条件为:ABFD=AABC=0(4-5)由于电机结构的对称性，旋转电机磁场沿圆周是周期变化的，具有周期性条件，这时计算可以只计算磁场的一部分。一般可取电机的一个极距范围作求解区域，此时，在AB和CD两条径向线上满足半周期边界条件，即AAB=-ACD(4-6)当然，如果只分析电机的空载磁场时，可以取半个极距为求解区，此时在磁极中心线EF上满足第一类齐次边界条件，即AEF=0(4-7)而在电机的相邻两极之间的中性线上，磁力线都是垂直穿过，磁位沿极间几何中性线方向的变化率为零，满足第二类齐次边界条件(4-8)因此，有限元分析的全过程可以简要地归纳为如下几部分；列出与偏微分方程边值问题等价的条件变分问题；将区域进行单元剖分，并在单元中构造出线性插值函数；将能量泛函的极值问题转化为能量函数的极值问题，建立线性代数方程组，并按第一类边界条件加以修改；求解线形代数方程组。永磁同步电机磁场有限元分析数学模型建立本节研究建模对象是新型无齿轮曳引式抽油机用永磁同步电动机。在应用ANSYS二维电磁场有限元分析软件进行几何建模，采用AutoCAD软件格式的.DXF文件建立的2D模型，可以转换成ANSYS几何模型。电机的结构如图4-2图4-SEQ图4-\*ARABIC2电机定转子结构如下图在AutoCAD2004中建立了2D模型，用DXF文件导入到ANSYS建模显示窗口的2D模型，如图4.3所示。建立完电机几何模型后，鼠标单击“DefineModel”然后点“GroupObjects”，几个实体生成线圈。考虑到永磁同步电动机的对称型和计算机处理数据速度，只建立了1/4模型，如下图在AutoCAD2004中建立了2D模型，用DXF文件导入到ANSYS建模显示窗口的2D模型，永磁同步电动机1/4模型及永磁同步电动机2D模型如图4.3和图4-4所示。图4-SEQ图4-\*ARABIC3永磁同步电动机1/4模型图4-SEQ图4-\*ARABIC4永磁同步电动机2D模型指定材料属性ANSYS软件的材料库可分为全局材料库、用户自定义材料库和遗传材料库。全局材料库可以在ANSYS所有软件中使用，但只能在ANSYS控制面板中修改或删除。用户自定义材料库是用户可以往一个项目中可以增加材料，用户通过材料模板可以对所使用的材料属性进行创建和编辑。在给用户提供尽可能多的用户向导的基础上，材料模型大大简化了材料的创建过程。遗传是可以从材料库中已存在的材料衍生出新材料，从而创建一个材料族，共享或继承基础材料的特性。本模型中使用的硅钢片DW470为自己新创建的新材料。在“MaterialSetup”点击Material鼠标左键单击Add，出现补“Material”，依次选择和输入相关参数，来完成定义。如B-H曲线，损耗曲线。对于具有线性退磁曲线的NdFeB材料，只需要定义相对磁导率和矫顽力。编辑完材料后，定义几何模型的材料属性和设定永磁体的磁性。将线圈的材料属性指定为铜，永磁体的材料属性指定为NdFeB,Stator、Rotor和Shaft的材料属性指定为DW470，将气隙和Band的材料属性指定为air。永磁体的磁力线方向按照永磁体的极性来确定。设定边界条件和激励源边界条件定义了在边界和未求解区域的场分布情况。对于部分建模的电机，采用对称边界条件，利用对称边界条件可以有效地节省计算资源。比如根据电机绕组周期对称只求解一个对称周期或两个对称周期，则要定义二元边界条件:奇对称或偶对称边界条件。指定主、从边界和定义定子外径的边界值，完成边界的设定。设置定子绕组参数，点击下拉菜单Edit/Select/Object/ByClicking，用鼠标在图形