石油抽油机用外转子永磁电机设计与有限元分析

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1、学兔兔www.xuetutu.com第1期(总第194期)机械工程与自动化NO．12016年2月MECHANICALENGINEERING&AUT0MAT10NFeb．文章编号：1672-6413(2016)01—0088—03石油抽油机用外转子永磁电机设计与有限元分析冯晓鹏，李昕涛，贡德鹏(1．太原科技大学机械工程学院，山西太原030024；2．太原科技大学电子信息工程学院，山西太原030024)摘要：结合石油抽油机的工况，设计了一种外转子永磁同步电机，该电机具有低转速、大转矩、直驱式的特点，解决了传统石油抽油机效率低的问题。运用ANSYSMaxwell软件建立了分析

2、模型，对电机空载特性进行了仿真计算，分析气隙磁密波形对电机性能的影响，并对电机设计进行了优化。关键词：外转子永磁电机；设计；有限元计算；气隙磁密中图分类号：TM351：TP391．7文献标识码：A0引言1．1外转子永磁电机主要尺寸的确定抽油机主要分为游梁式和无游梁式两种。游梁式本文研究分析的外转子永磁同步电机的转速为抽油机俗称“磕头机”，是目前主要的抽油设备，其主要25r／rain，由式(1)可确定相应的极对数：特点是结构简单、便于维护，但是结构笨重，在抽油的一一．㈩‘lJ一个冲次中负载不均衡，电动机输出功率有70是无用功，耗能大。无游梁式抽油机主要有皮带传动式、链其中

3、：为极对数，取为40对极；为电机转速，条传动式等，其中，直线电机传动和液压传动实现了直r／min。代入相关参数，计算得_厂一16．7Hz。驱式，但成本高，维护不便口]。针对此现象，笔者研究表1外转子永磁电机参数了一种新型的外转子永磁电机，将该电机应用在塔式抽油机上，实现低转速、大转矩、直驱式的抽油过程，与游梁式抽油机相比，抽油效率提高了50，节约电能4O。对于外转子永磁电机而言，电机定子外径与铁芯1外转子永磁电机电磁方案的确定长度之间的关系可以通过式(2)计算：外转子永磁电机在塔式抽油机上的应用如图1所DZf一6．1×10。×PKNKdbAB8(2)na'示。电机外形呈

4、圆盘状，在电机两侧，卷筒与外转子通~过螺纹连接固定在一起；抽油杆皮带和配重皮带分别其中：D为电枢外径，m；z，为电枢铁芯长度，m；P为以相反的方向绕在卷筒上，当抽油时，抽油杆向上运电机的计算功率，kW；a，尸为计算极弧系数；K为气隙动，配重向下运动，抽油杆复位向下运动时，配重往上磁场的波形系数；K为电枢的绕组系数；A为电枢绕运动，完成一次抽油过程。组的电负荷，A／m；B为气隙磁密最大值，T。式(2)中，电磁功率P和额定转速是根据设计参数给定的，其他参数如极弧系数、波形系数等的变化2范围较小，因此，电负荷A及气隙磁密B的选择对电5机主要尺寸影响大，决定了电机的体积。磁负荷

5、的选择由选用的永磁材料性能和永磁体尺寸决定，永磁体6材料选取之后，磁负荷的变化范围就确定了；当气隙磁7密B确定之后，外转子永磁电机的电负荷对电机尺寸的影响起到了关键作用。电负荷的表达式为：1一支架；2一配重；3一配重皮带；4一外转子永磁电机；5一抽油杆皮带；6一悬点；7一抽油杆A一．㈦图1塔式抽油机结构简图根据石油抽油机的工作参数，确定外转子永磁同其中：为电机相数；w为每相串联导体数；J为绕组步电机的技术参数，如表1所示。相电流。收稿El期：2Ol503—30；修订日期：2015—11—03作者简介：冯晓鹏(1989一)，男，河南鲁山人，在读硕士研究生，研究方向为机电一

6、体化及应用。学兔兔www.xuetutu.com学兔兔www.xuetutu.com·9O·机械工程与自动化2016年第1期在定子槽开口处，磁密达到最大值1．8T，定子齿平均从图6可以得出，空载气隙磁密波形近似接近正磁密为1．5T。空载时，径向气隙磁密波形如图5所示。弦波分布，对电机性能影响较大的是5次谐波和7次由图5得出，气隙磁密波形顶部并不平整，有凹谐波。由图7可以得出，5次谐波占基波的比例为陷，这是由于定子槽口处的磁阻较大引起的缺陷，有限10．2，7次谐波占基波的比例为4．7％，5次谐波对元计算气隙磁密最大值为0．9l1T。电机性能的影响主要是绕组带来的，可以采用

7、短距集对气隙磁密曲线进行傅里叶分解，如图6所示。中绕组来消除；采用定子斜槽可以消除各次谐波的影气隙磁密各次谐波幅值如图7所示。响，达到减小电机振动的目的，使电机运行更平稳。—、0．＼、、黼。谐波谐墨o．翻褪l—一I△f、＼I一厂h撞遂墨o．厘＼、一一—一厦一．o．隙磁密碍始波形．谐波次数距离／mm设计了一种80极90槽、转速为25r／min的外转子永E2]亭孳-现代永磁电机理论与设ifEM]·-IL,q．：机械工业磁电：毫戛式传动。E33≮：港口起重机用低速大扭矩电机的优化设计况进行有)孽限思元分析Y⋯SMa．x。w⋯ell、，，，亨；美