混合励磁井下涡轮发电机设计与试验研究

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1、石油机械一8一CHINAPETROLEUMMACHINERY2011年第39卷第7期●试验研究混合励磁井下涡轮发电机设计及试验研究王智明郭云尚捷(中海油服油田技术事业部)摘要针对现有井下发电机功率小、耐高温性能差的问题，设计了一种混合励磁井下涡轮发电机。给出了该发电机的设计方案和计算步骤，分析了高温环境对涡轮发电机的影响及采取的措施，并对其导轮及涡轮型式对发电量的影响做了分析。通过试验研究了高温、高压、钻井泵排量-9涡轮发电机性能的关系。结果表明，高压对发电机输出功率无影响，效率随温度的升高而明显下降

2、，在实验室条件下，发电机功率能够满足系统供电要求。关键词随钻测量混合励磁井下涡轮发电机导轮涡轮好的方法。混合励磁是电机气隙磁场的主要部分，0引言由永久磁铁建立，而电压调节所需的磁场变化部分靠辅助的电磁绕组来实现。设计采用感应式发电机随着人们对石油资源需求的不断增长以及勘探的形式来实现调压功能。发电机结构如图1所示，和计算机处理技术的不断发展，石油钻采转向采、控制线圈用来维持发电机电压稳定。测较网难的陆地和深海。完备高效的钻井液脉冲测井系统是钻采率的保障，涡轮发电机利用钻井液动能发电，可降低成本，节约能

3、源。涡轮发电机为钻井液脉冲测井系统提供电力，是井下供电技术的关键。但是现有井下发电机功率图1发电机结构示意图小，耐高温性能差，为此，笔者设计了混合励磁井1一轴承盖；2-控制线圈；3-磁下涡轮发电机。轴；4一定予线圈；5一角接触轴承根据高速率钻井液脉冲遥传系统的技术参数确1结构设计及相关计算定涡轮发电机技术指标：功率1．5kW，最大电压245VDC，最高环境温度175℃。钻进时，由钻柱来的高速钻井液流经导轮调整1．1永磁发电机部分设计流动方向后，有效冲击涡轮叶片旋转，叶片吸收钻1．1．1结构设计井液动能

4、，将其转换成驱动涡轮旋转的机械能，带为减少发电机的铁损，采用多极少槽结构的设动涡轮轴旋转，涡轮轴增速后带动发电机转子旋计方案来提高发电机的空间利用率。发电机的定子转，南于发电机旋转轴外部安装绕组线圈，在磁场机壳由导磁材料构成，可以作为磁路的一部分，以作用下，线圈切割磁力线产生电流。减少轭磁密。采用8极9槽分数槽结构来抑制定位永磁体一经充磁，其磁特性将不可调节，造成力矩与噪声。三相对称绕组Y形连接，节距取1，永磁发电机调压困难。虽然永磁发电机的电压变化与极距之比为8／9，可以提高绕组系数。采用平底率较电

5、励磁发电机小，但对电压稳定要求较高场合槽提高空间利用率。电动机的绝缘等级为C级，还必须采取稳压措施。采用混合励磁调压是目前较耐温为210oC。基金项目：中国海洋石油总公司综合科研项目“高速率泥浆脉冲遥传系统研究”(YFJ0504)。-种井下涡轮发电机已获闫家专利专利号：ZL200720103712．1。2011年第39卷第7期王智明等：混合励磁井下涡轮发电机设计及试验研究一9一转子采用瓦形磁钢径向磁路方案，具有结构简2O00c+o0~单、平衡性好的特点。同时还可以减小发电机绕组的电感，削弱电枢反应的影

6、响，避免磁饱和，以提s．75oe-(高发电机动态响应以及过载时的线性度。37~0,,-00磁钢采用粘接的方法固定于转子轴上，轴与磁轭为一体化设计。磁钢采用玻璃丝带绑扎工艺，形成整体，增加机械强度。采用增加磁钢厚度和气隙的方案，提高过载能力；尽量减小转子直径，降低惯量，提高响应。图4发电机定子磁场分布I．I．2参数确定及负载性能计算f：l采用有限元计算方法计算发电机基本参数。发黑2O00c+O0~电机工作在9000r／rain时，得到输出电压经三相s,,1250,'：+000不控整流变换后带100Q电阻

7、负载时的输出直流电：g0(Pe-I(Ii压波形与转矩波形，图2为输出电压与时间的关系i2．500c-00i曲线，图3为电磁转矩随时间变化曲线。403530>25裔20图5发电机转子磁场分布15lO1．3高温环境对发电机的影响分析1．3．1温度对发电机系统的影响导体电阻与电阻率及长度成正比，与其截面积成反比。电阻率P不仅与导体的材料有关，还与导图2输出电压与时间的关系曲线体的温度有关。在温度变化不大的范围内，几乎所有金属的电阻率都随温度做线性变化，即P：P(1+at)，式中t是摄氏温度，P是0时的电阻率

8、，a是电阻率温度系数。一般发电机绕组所用材料铜导线的电阻率在常温下为1．7×10～。随着温度的升高，电枢绕组电阻将增大，导致发电机铜耗增加，效率下降。另外，较高的温度也会影响发电机部件的绝缘性能，增大损耗；永磁材料的剩余磁图3电磁转矩随时间的变化曲线感应强度随温度可逆变化；温度的变化会使测控装1．2感应式发电机部分设计置器件的工作点产生漂移，放大倍数发生变化，影1．2．1结构设计响器件的特性。经计算，感应式发电机的定子外径取74mm，1．3．2针对温度的