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盤式永磁同步交流調速電機的設計研究

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摘要:盤式水磁同步交流調速電機以其特殊的結構,優越的性能特點被逐步應用于石油行業文中提出了一種雙定子單轉子盤式永磁同步交流調速電機,其主要應用在頂驅設備上。研究了電機空載與負載狀態下的電機性能,設計兩種螺旋水道進行溫度場對比分析,并對主要結構進行了有限元分析。該電動機采用了優化的電磁方案,緊湊的結構設計以及獨特的螺旋水道冷部方式。經樣機試驗,該電機具有良好的調速和溫升性能。為指導下一一步研發更高功率的同類型電機打下了堅實的基礎。

頂驅是一種新型的石油鉆井設備,它的應用給石油行業帶來了革命性的變化,鉆井效率和鉆井能力得到極大的提高。頂驅工作環境惡劣,承受載荷較為復雜,在鉆進過程中承受軸向載荷、振動沖擊等。傳統頂驅驅動電機起動力矩是頂驅實際負載的數倍,而頂驅實際負載功率卻遠小于電機的額定功率,即出現所謂的“大馬拉小車”現象,從而造成嚴重的電能原浪費,

盤式電機則能很好的解決起動問題。特別是盤式永磁電機,起動轉矩大、效率高,低速穩定性好,特別適合于頂驅設備。

本文根據頂驅設備實際工況要求,設計了515kW盤式水磁同步交流調速電機1-2,用于替代進口盤式永磁電機,適用于油田頂驅等設備。該電機軸向尺寸短、重量輕、體積小、結構緊湊、功率因數高、低速大轉矩、調速范圍寬、獨特的冷卻系統,解決了工作環境中因鹽霧對電機繞組絕緣破壞的問題,滿足了實際惡劣的工作環境。對我國石油行業有著極其重要的現實意義和應用價值,會給石油行業帶來巨大的經濟效益。

永磁同步電動機具有體積小、效率高、功率因數好等多項優點,而盤式電機的硅鋼片利用率高,軸向長度短,沒有疊壓工序,工藝性好。本文所設計的盤式永磁同步交流調速電機結合了永磁電機和盤式電機的優點。

1為本文所設計的盤式永磁同步交流洞速電   機結構示意圖,由兩個定子、一個轉子、主軸、軸 承,外蓋和端蓋等主要部件組成。定子固定在軸承端蓋上,轉子固定在主軸上。采用雙定子單轉子結購形式,定、轉子相互平行對等排列,兩邊雙定子繞組夾中間轉子形成雙氣隙,氣隙星平面型,氣隙磁場為軸向的3-4,此結構不僅可以克服單邊磁拉力,增加氣隙磁密,而且可以改善極面下磁密分布的均勻性,減少漏磁。  


為了降低渦流損耗,定子鐵心采用帶狀硅鋼片50WW270定子鐵心根據定子是否開槽分為有齒槽與無齒槽兩種”,在本設計中選用有齒槽,有齒槽在加工時采用專用的重卷床,用單沖模沖槽,邊卷邊沖一次完成。開槽鐵心可以減小氣隙面增大氣隙意密,減小所需永磁體用量,提高材料的利用率,節約電機制造成本。定子鐵心成型后,進行繞組嵌線,浸漆烘干后整體分別與驅動端端蓋和非驅動端瑞蓋進行裝配,組成驅動端定f和非驅動端定子。1.2轉子結構設計

轉子主要包括轉子鐵心、轉子壓板、轉子盤體、永磁體等主要部件。轉子盤體與轉子壓板為不銹鋼,裝子鐵心材料為10號鋼,永磁體為N38EH。永磁體具有高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線的優異性能。它的充磁方向與磁鋼表面垂直,從面在氣隙中產生多極的軸向磁場,轉子的永磁體沿圓周均勻分布,星N-S交替呈輻射狀排列。轉子盤體采用內嵌式結構,在轉子盤體上開有與電機極數相對應的若干個槽,永磁體鑲嵌在槽內,從而使轉子的軸向長度大幅度縮短,在滿足轉子盤體剛、強度的條件下,可提高盤式電機的功率密度。裝配時,永磁體采用扇形結構及表貼式安裝方式),漏磁系數比較小,氣隙磁通相對較大,水磁體利用率高。永磁體底面和側面均涂磁鋼膠,并用轉子壓板及螺釘固定[7-8

頂驅全天候工作,電機的發熱會很嚴重,必須有風機進行強制風冷。如果風機直接安裝在電機的軸伸端,必然會增加頂驅的高度,甚至導致頂驅不能安裝到井架空間內,本文所設計的電機冷卻系統采用水冷方式,驅動端端蓋和非驅動端端蓋均采用螺旋線水道設計。

為了設計合理的冷卻系統,對其進行速度、壓力等各項參數的綜合考慮,利用FLUENT軟件分析電機流場",根據冷卻系統模型及實驗結果分析計算,分別對515 kw盤式永磁同步交流調速電機端蓋水路進行對比:單螺旋和雙螺旋;對比不同尺寸水道換熱效果以及壓差。根據熱量值,經過充分計算,得出單、雙螺旋水道最優進口水速以及進出口壓力差值,如表1所示。單、雙螺旋水道壓力分布如圖2、圖3所示。

單螺旋水道與雙螺旋水道冷卻效果差不多,單螺游水道阻力小些,雙螺旋水道方便布置進出口,故選擇雙螺旋水道。

電機采用永磁同步電動機方案,滿足電機交流調速的要求,同時永磁同步電動機配合矢量控制可基本實現每個換相點都處在電機相電流和相反電勢的自然過零點,從而避免電流換相時產生較大的轉矩波動。
515kW盤式永磁同步交流調速電機的部分設計參數如表2所示。
 2電機主要設計參數

(1) 計算空載磁密分布如圖4所示。


(2)加載相電流有效值15125 A的外電路,電流超前空載反電勢44。穩定后的電磁轉矩波形如圖5所示。

求取電磁轉矩平均值為4.7kN.m,滿足1.5倍過載要求。

3盤式永磁同步交流調速電機有限元分析

運用Ansys Workbench有限元分析軟件對電機主軸進行應力分析。主軸的材料屬性設為35CrMo,考慮到主軸的實際情況,在豎直狀態下,主要是扭矩對主軸的影響,忽略其他次要因素影響,分析最大扭轉切應力是否符合主軸設計標準,其中最大電磁轉矩為

通過Whech的靜力計算得到主軸的最大扭轉川應方云圖如圖6所示,主軸的批轉切應

而主軸的許用扭轉切應力力最大值為40.5 MPa,

[7]40 -52 MPa。通過圓軸扭轉強度公式m T/W,其中W為抗扭截面系數,也可以得出了. c[],在主軸的允許范圍內,所以主軸的設計滿足強度要求。

在電機正常運行時,轉子盤體受到兩個大小相等方向相反的軸向磁拉力,合外力為零,但由于加工及裝配誤差存在,兩側氣隙磁密不相等,軸向磁拉力不為零??紤]此時主要受電磁轉矩切向力、軸向磁拉力、離心力影響,可能對轉子盤體有較大影響,故對此種情況進行應力和位移模擬分析[12]。經計算離心力:

F=mor=m(2πn)2r= [ (Gx 1000)/(n/10) ] x Mrx2   . (2mn)+x10-°=2.7N式中,G為平衡精度級,一般為6. 3:   n為轉速1600 /min; "”為轉子盤體質量Skg;,為轉子攝休離心運動半徑300m經計算,離心力很小可以忽略。此時在盤體內環面施加固定約束,在放置永磁體位置處,施加最大單邊軸向磁拉力:

F.= βmDLa. B.δ° 3*e=645 N式中,β為經驗系數; L為電樞長度; 8為單邊平均氣隙; Bs通常為0.5; M0為真空磁導率; eo 為初始偏心;在盤體外圓周施加最大電磁轉矩T=6146Nm。轉子盤體的材料設為1Cr18Ni9Ti不銹鋼。

通過轉子盤體應力云圖7可以看出,轉子盤體承受的最大應力為57.5 MPa,1Cr18Ni9Ti不銹鋼的屈服強度為195 MPa。得出轉子盤體的最大應力小于許用屈服強度,所以轉子盤體設計滿足強度要求。

通過轉子盤體變形位移云圖8可以看出,轉子盤體承受的最大變形為0.16 mm,得出轉了盤體的最大變形量小于氣隙(3 mm)6%,滿足轉子盤體剛度技術要求

該電機結構設計緊湊,大大縮小了體積和重量,符合工作環境尺寸安裝的要求。采用獨特的雙螺旋水道冷卻結構,為不同冷卻方式的研究提供-種新的方向。利用Ansys Workbench有限元分析軟件,通過對軸及轉子盤體等主要部件的載荷施加,能夠較為準確的反應出軸及轉子盤體的應力及變形分布規律,從而對整個電機系統準確設計進行指導。

采用3D電磁場對515 kW盤式永磁同步交流調速電機進行了建模仿真,通過電磁設計表明,在轉速1600 r/min以下,該電機擁有良好的恒轉矩特性,滿足工況的需要。而且該電機采用性能較高的200級絕緣材料和絕緣體系,提高了電機的可靠性。

通過515kW盤式永磁同步交流調速電機的研究表明:已掌握頂驅用515 kW盤式永磁同步交流調速電機的關鍵技術,為下一-步設計制造更高功率的同類型電機打下了堅實的基礎,具有很好的市場前景。






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