新型無齒輪曳引式抽油機(jī)用永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)與仿真研究

1、本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）題 目：新型無齒輪曳引式抽油機(jī)用永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)與仿真研究永磁同步電機(jī)磁場有限元分析學(xué) 院：專 業(yè)：班 級：學(xué) 生： 學(xué) 號：指導(dǎo)教師： 職稱：摘 要抽油機(jī)是油田生產(chǎn)常用的設(shè)備之一，無需減速機(jī)構(gòu)的低沖次、高沖程的無齒輪曳引式抽油機(jī)由于具有機(jī)構(gòu)簡單、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)成為抽油機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一；為了簡化抽油機(jī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，減輕繁重的日常維護(hù)工作，本文使用高效的永磁同步電動(dòng)機(jī)，無齒輪曵引式抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)改變了抽油機(jī)的運(yùn)行機(jī)理，取消了復(fù)雜的動(dòng)力傳遞和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，減少電機(jī)損耗，使整機(jī)效率提高本文介紹了ANSYS軟件的有限元分析功能，并應(yīng)用ANSYS軟件的有限元分析功能以

2、及能量法等方法對無齒輪曳引式抽油機(jī)的機(jī)架，驅(qū)動(dòng)用電機(jī)的主軸，天輪和曳引輪等主要部件進(jìn)行了有限元的靜態(tài)分析和極限情況的瞬態(tài)分析，確定了所設(shè)計(jì)的部件在所遇到的工況下是安全的，確保了抽油機(jī)整體的安全性。本文主要研究內(nèi)容如下：(1) 利用有限元對永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行磁場分析與計(jì)算。(2) 利用有限元建立磁場求解模型，仿真空載磁場的分布、氣隙磁密、空載電動(dòng)勢和電機(jī)在實(shí)際負(fù)載下的磁場分布。研究得到的結(jié)果如下：(1) 應(yīng)用有限元分析與計(jì)算得到了磁力線分布圖、氣隙磁密波形、瞬態(tài)時(shí)空載反電動(dòng)勢波形圖。(2) 在有限元磁場分析計(jì)算中，有限元剖分對解的精度有著不可忽視的影響，通過提高剖分的節(jié)點(diǎn)數(shù)，計(jì)算精度將有所提高。

3、根據(jù)磁場分布對不同的區(qū)域，合理的選擇剖分單元尺寸進(jìn)行剖分，可以得到較為滿意的剖分結(jié)果?！娟P(guān)鍵詞】抽油機(jī)；永磁同步電動(dòng)機(jī)；磁路分析AbstractPumping unit is common equipment in the production of oil field, low frequency,high stroke gearless traction oil pumping unit is the hot spot in the field of pumping unit because of a simple structure, high efficiency and energy

4、-saving advantages. gearless traction oil PumPing unit Changes the operation of pumping mechanism with Permanent Magnetie Synehronous Motor(PMSM) and cancells a complex power transmission and conversion links, so that machine efficiency increased. This paper introduces the finite-element analysis fu

5、nctions of software ANSYS , and the finite element analysis methods of function and the energy method for gearless traction oil PumPing unit with motor frame, driving the spindle, head sheave and tractive sheave etc., the main components of the static finite element analysis and limit circumstance o

6、f transient analysis, identified in the design of components met conditions are safe, ensure the safety of the pumping unit overall. This paper studies gearless traction oil PumPing unit with Permanent Magnetie Synehronous Motor(PMSM).First. Analysing and calculating the magnetic field of permanent

7、magnet synchronous motor. by finite element.Second. Buliding the solution model of Magnetic field, simulating No-load magnetic field distribution, and air gap flux density, no-load voltage and the motor's magnetic field in the actual load distribution.Research results are as follows:First. I get

8、 a map of the magnetosphere, air gap flux density wave, transient no-load back-EMF waveform diagram by finite element.Second. In finite element analysis calculation, the impact of finite element mesh on the solution accuracy can not be ignored. By increasing the number of nodes in split, the accurac

9、y will be improved. According to the magnetic field distribution on the different rational, making a sensible choice split to split the unit size, we can get more satisfactory results.【Key Words】Pumping Unit, Permanent Magnetie Synehronous Motor(PMSM), Magnetic circuit analysis目 錄摘 要IAbstractII目 錄II

10、I圖表目錄4第1章 緒 論11.1 課題背景及選題意義11.2 國內(nèi)外抽油機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r5 我國抽油機(jī)的發(fā)展概況5 國外抽油機(jī)的發(fā)展概況6 國內(nèi)外抽油機(jī)的對比71.3 國內(nèi)外永磁同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況8 國內(nèi)發(fā)展概況9 國外發(fā)展概況91.4 研究內(nèi)容91.5 章節(jié)安排9第2章 抽油機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理112.1 新型抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理11 機(jī)械結(jié)構(gòu)11 工作原理112.2 新型抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及其工作原理12電機(jī)結(jié)構(gòu)12工作原理162.3 主要性能指標(biāo)及永磁同步電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)172.4 小結(jié)18第3章 永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)193.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)193.2 主要尺

11、寸選擇203.3 永磁體設(shè)計(jì)203.4 電磁設(shè)計(jì)參數(shù)213.5 小結(jié)21第4章 抽油機(jī)用永磁同步電機(jī)的磁場有限元分析224.1ANSYS11.0的介紹224.2磁場有限元分析基本原理224.3永磁同步電動(dòng)機(jī)磁場的有限元分析和計(jì)算244.4邊界條件的確定254.5永磁同步電機(jī)磁場有限元分析數(shù)學(xué)模型建立26指定材料屬性28設(shè)定邊界條件和激勵(lì)源284.6仿真分析結(jié)果294.7小結(jié)31第5章 全文總結(jié)與展望325.1 本文總結(jié)325.2 后續(xù)工作展望32參考文獻(xiàn)33致 謝35圖表目錄圖1-1 抽油機(jī)的分類4圖2-1新型無齒輪曳引式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)11圖2-2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的橫截面示意圖13圖2-3表面式

12、轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)13圖2-4內(nèi)置徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)14圖2-5內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)15圖2-6內(nèi)置混合式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)15圖2-7爪極式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)16圖2-8 永磁同步電機(jī)工作原理圖17圖3-1永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)流程19表3-1電磁設(shè)計(jì)主要參數(shù)21圖4-1永磁同步電動(dòng)機(jī)求解區(qū)域25圖4-2電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)27圖4-5永磁同步電動(dòng)機(jī)具體的剖分結(jié)果29圖4-6 磁力線分布圖30圖4-7 氣隙磁密波形30圖4-8 瞬態(tài)時(shí)空載反電動(dòng)勢波形31表3-1電磁設(shè)計(jì)主要參數(shù)19第1章 緒 論1.1 課題背景及選題意義與世界石油資源量相比，我國具有石油資源量相對不足的缺點(diǎn)。我國石油資源最終可采儲量約為13015

13、0億噸，僅占世界石油可采儲量砰(4563億噸)3%左右。到2000年底，我國石油剩余可采儲量為24.6億噸，僅占世界剩余可采儲量(1402.8億噸)的 1.8%。按每平方公里國土的平均資源比較，我國石油可采資源量的豐度值約為世界平均值的57%。剩余可采儲量豐度值僅為世界平均值的37%。與世界石油資源量相比，我國具有石油資源量相對不足的缺點(diǎn)。而我國石油缺口即使按比較慢的消費(fèi)增長速度預(yù)測，到20102020年我國石油供應(yīng)缺口仍將依次為 1.26和2.05億噸。因此全國各個(gè)油田務(wù)必要增加油井的產(chǎn)量。我國的油田大部分為早期注水開發(fā)，油井的含水量逐年上升，要提高原油產(chǎn)量，必須加大井液提升的能力。因而機(jī)采

14、的節(jié)能成為待解決的問題之一。隨著油田開發(fā)的不斷深入，我國大多數(shù)油田已經(jīng)進(jìn)入了開發(fā)的中后期階段，井底壓力降低，這就要求抽油機(jī)的抽汲能力增強(qiáng)。但目前我國油田廣泛采用的抽油機(jī)仍然是傳統(tǒng)的游梁式抽油機(jī)。在傳統(tǒng)的抽油機(jī)看來，用電動(dòng)機(jī)直接拖動(dòng)這種低速的抽油機(jī)是不可能的，所以必須在原動(dòng)機(jī)與工作機(jī)之間設(shè)置一個(gè)既能減速又能增速的傳動(dòng)裝置一減速器。抽油機(jī)減速器是一個(gè)用來減速、增矩的齒輪傳動(dòng)裝置，它是在原動(dòng)機(jī)與工作機(jī)之間完成協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)速與匹配力矩的一個(gè)傳動(dòng)機(jī)械。但是在機(jī)械傳動(dòng)過程中，齒輪傳動(dòng)不可避免地存在著機(jī)械磨損，由于磨損使整個(gè)抽油機(jī)系統(tǒng)的效率大為降低，噪音加劇。為了減低機(jī)械磨損和傳動(dòng)產(chǎn)生的磨擦熱，潤滑油的使用是必不

15、可少，定期的更換潤滑油不僅增加了日常維護(hù)費(fèi)用，而且油氣、油污也會對環(huán)境造成直接污染。無需減速機(jī)構(gòu)的低沖次、高沖程的無齒輪曳引式抽油機(jī)由于具有結(jié)構(gòu)簡單、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)成為抽油機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，其具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。與游梁式抽油機(jī)相比，使抽油機(jī)的傳動(dòng)效率明顯提高，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率降低一半，系統(tǒng)的功率因數(shù)保持在0.95以上，相同噸位的抽油機(jī)占地面積為原來的三分之一，并且抽油機(jī)沖程次數(shù)可以隨意無級調(diào)節(jié)，平衡調(diào)節(jié)可以輕松進(jìn)行，沒有減速機(jī)，可以不用潤滑油，給維護(hù)工作帶來方便。近年來，國外各大石油公司研究開發(fā)了各種新型抽油機(jī)，為更經(jīng)濟(jì)有效地開采石油做出了卓越貢獻(xiàn)。在新型抽油機(jī)中，長沖程抽油機(jī)品

16、種最多，占有更大的比例，具有較好的抽油性能、提高石油產(chǎn)量、降低采油成本、提高經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)技術(shù)發(fā)展預(yù)測結(jié)果，在今后很長一段時(shí)期內(nèi)，長沖程抽油機(jī)仍將是世界抽油機(jī)發(fā)展的主流和方向，長沖程抽油機(jī)將會有更大的發(fā)展。 游梁式抽油機(jī)存在以下問題:(l)系統(tǒng)整體傳動(dòng)效率低。游梁式抽油機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為異步電動(dòng)機(jī)-皮帶輪-減速機(jī)-搖臂-游梁-抽油桿，傳動(dòng)鏈不僅長而且相互之間的耦合效率低。異步電動(dòng)機(jī)的效率與負(fù)載率直接相關(guān)，游梁式抽油機(jī)電機(jī)負(fù)載率低于40%，其效率一般僅為0.6左右。該系統(tǒng)皮帶傳動(dòng)的效率一般為0.93左右，兩級齒輪減速的效率0.8左右，搖臂與游梁間的傳動(dòng)效率一般在0.9左右。因此，游梁式抽油

17、機(jī)的整體傳動(dòng)效率不足50%。(2)系統(tǒng)的功率因數(shù)低。游梁式抽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用通用系列的異步電動(dòng)機(jī)，為了滿足抽油機(jī)起動(dòng)力矩的需要，必須選取大1一2個(gè)功率等級的電動(dòng)機(jī)。游梁式抽油機(jī)的負(fù)荷特點(diǎn)是要求的起動(dòng)力矩大，但是運(yùn)行時(shí)由于巨大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性和平衡機(jī)構(gòu)的作用，需要的功率僅為電機(jī)額定功率的1/31/2，而異步電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)都與負(fù)載率直接相關(guān)，所以電機(jī)的效率和功率因數(shù)都比較低。若不采取補(bǔ)償措施，其平均功率因數(shù)僅能保持在0.4左右。這對于油井分布地域廣闊的抽油機(jī)供電系統(tǒng)來說，其供電線路的損耗將是非常巨大的。(3)抽油機(jī)體積龐大。游梁式抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)決定了其體積的龐大，一般游梁式抽油機(jī)的平均占地面積為

18、50平方米，一般12型抽油機(jī)的重量平均在26噸以上。不僅增加制造工業(yè)難度，而且加大了原材料消耗。(4)振動(dòng)噪聲嚴(yán)重。游梁式抽油機(jī)由于傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的原因，振動(dòng)和噪聲十分嚴(yán)重。以遼河油田為例，其部分油井分布在城鄉(xiāng)居民的生活區(qū)和辦公區(qū)，抽油機(jī)振動(dòng)和噪聲給這些區(qū)域的人們帶來了十分嚴(yán)重的干擾。(5)運(yùn)行調(diào)整維護(hù)困難。游梁式抽油機(jī)的平衡調(diào)節(jié)是靠操作者的感覺決定，調(diào)節(jié)的不好，不僅會產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，而且對抽油機(jī)的使用壽命會造成重大影響。沖程次數(shù)只有調(diào)節(jié)皮帶輪的直徑，減速機(jī)需要定時(shí)添加潤滑油等都給生產(chǎn)帶來巨大的不便，并且每個(gè)操作都是重體力勞動(dòng)。無游梁式抽油機(jī)最大優(yōu)點(diǎn)是不用四連桿機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橥鶑?fù)直線運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)

19、規(guī)律除上下死點(diǎn)有短時(shí)間加減速運(yùn)動(dòng)外，大部分時(shí)間是勻速運(yùn)動(dòng)，使慣性載荷大幅度下降，抽油機(jī)的性能得到較大改善。無游梁式抽油機(jī)容易實(shí)現(xiàn)長沖程，相對沖程損失小，有效沖程長。而長沖程抽油機(jī)沖次較低，大大降低了運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的加速度，慣性載荷小，如鏈條抽油機(jī)、皮帶抽油機(jī)等。但這些抽油機(jī)還存在一些較大的問題，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)件多、成本高，特別是大多數(shù)采用軟連接，擺動(dòng)輪直徑不能過大。近年來隨著永磁材料和永磁電機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，開發(fā)和生產(chǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)越來越受到國內(nèi)外抽油機(jī)行業(yè)的重視。永磁同步電動(dòng)機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)越性能并以其高效節(jié)能、低噪聲等優(yōu)勢成為當(dāng)今電機(jī)行業(yè)的新寵。本課題正是在此基礎(chǔ)上提出了研制新型無齒輪曳引式抽

20、油機(jī)。其動(dòng)力源采用永磁同步電動(dòng)機(jī)取代傳統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)，正由于永磁同步電動(dòng)機(jī)的低速大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)越性能，使得其可以直接和負(fù)載相連，取消掉了中間的減速器機(jī)構(gòu)，使得抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)大大的簡化，效率有了很大的提高，節(jié)約了大量的電能，減小了噪聲污染。永磁同步無齒輪曳引技術(shù)是抽油機(jī)行業(yè)一次重大的技術(shù)進(jìn)步，對提高采油裝備的現(xiàn)代化及運(yùn)行效率，對油田穩(wěn)產(chǎn)，節(jié)能降耗，提高開發(fā)效率都具有重大的意義。抽油機(jī)分類如圖1-1所示。抽油機(jī)設(shè)備總類游梁式抽油機(jī)無游梁式抽油機(jī)氣動(dòng)平衡抽油機(jī)機(jī)械平衡抽油機(jī)無齒輪曵引式抽油機(jī)直線式抽油機(jī)鏈條式抽油機(jī)皮帶式抽油機(jī)后置式機(jī)械平衡抽油機(jī)前置式機(jī)械平衡抽油機(jī)游梁平衡抽油機(jī)曲柄平衡抽油機(jī)復(fù)合平衡抽油

21、機(jī)曲柄平衡抽油機(jī)懸掛偏置游梁平衡抽油機(jī)調(diào)徑變距游梁平衡抽油機(jī)前置式曲柄平衡抽油機(jī)下偏杠鈴游梁復(fù)合平衡式抽油機(jī)常規(guī)復(fù)合平衡抽油機(jī)擺桿式游梁平衡抽油機(jī)特型雙驢頭游梁式抽油機(jī)偏輪式游梁抽油機(jī)矮型抽油機(jī)常規(guī)曲柄平衡抽油機(jī)異相曲柄復(fù)合平衡抽油機(jī)圖1-1 抽油機(jī)的分類從我國采油工藝技術(shù)發(fā)展要求、經(jīng)濟(jì)效益分析及市場預(yù)測結(jié)果可知，新型無齒輪抽油機(jī)具有較好的適應(yīng)性、先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性，是一種較好的有發(fā)展前途的采油設(shè)備。故對本課題進(jìn)行深入研究非常必要。這種永磁同步無齒輪曳引式抽油機(jī)的優(yōu)點(diǎn):節(jié)能效果好，平均節(jié)電50%。一是用低速大轉(zhuǎn)矩稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)取代異步電動(dòng)機(jī)，改變了抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，具有游梁抽油機(jī)無可比擬的動(dòng)力

22、特性;二是取消了復(fù)雜的動(dòng)力傳遞和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，也沒有減速箱、曲柄連桿、平衡塊、游梁、驢頭等，使整機(jī)機(jī)械效率提高;三是采用閉環(huán)控制，可根據(jù)井況自動(dòng)改變頻率、電壓等，功率因數(shù)卯%以上，方便采集抽汲參數(shù)及電參數(shù)，實(shí)現(xiàn)智能遠(yuǎn)程控制;四是啟動(dòng)電流低。降低裝機(jī)容量。地面抽汲參數(shù)調(diào)整方便。先進(jìn)的控制系統(tǒng)和無觸點(diǎn)傳感技術(shù)使得油井抽汲參數(shù)做到在線無級調(diào)整，極大地減輕操作、維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度為油井的自動(dòng)化管理創(chuàng)造了條件。可降低電網(wǎng)沖擊負(fù)荷。由于低速大轉(zhuǎn)矩稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，并且只有異步電動(dòng)機(jī)60%的功率，大大降低對供電電網(wǎng)的需求容量，為減少基本建設(shè)投資創(chuàng)造了良好的條件。防過載能力強(qiáng)，能適應(yīng)在各種工況條件下，

23、進(jìn)行采油作業(yè)，具有良好的性能。1.2 國內(nèi)外抽油機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r1.2.1 我國抽油機(jī)的發(fā)展概況目前，我國抽油機(jī)主要制造廠有十幾家，產(chǎn)品主要以游梁式抽油機(jī)為主，約占抽油機(jī)總數(shù)的98%99%，有30多種規(guī)格，并已形成了系列，基本上滿足了陸地油田開采的需要。各種新型節(jié)能游粱式抽油機(jī)，如前置式抽油機(jī)、異相曲柄平衡抽油機(jī)、前置式氣平衡抽油機(jī)、配有CJT型節(jié)能拖動(dòng)裝置的常規(guī)抽油機(jī)和用窄V形帶傳動(dòng)的常規(guī)抽油機(jī)等均已在全國各個(gè)油田推廣應(yīng)用，井取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。長沖程、低沖次的無游梁式抽油機(jī)的研制也取得了一些進(jìn)展，如由勝利油用設(shè)計(jì)并與有關(guān)廠家協(xié)作生產(chǎn)的鏈條式長沖程抽油機(jī)，已有近千臺在各油田投入使用，在低沖次抽

24、油和抽稠油方面已初見成效。此外，桁架結(jié)構(gòu)的滑輪組增距式抽油機(jī)、滾筒式長沖程抽油機(jī)進(jìn)入了試用階段；齒輪增距式長沖程抽油機(jī)的研制工作也取得了新的進(jìn)展。重量輕、成本低、便于調(diào)速和調(diào)整沖程的液壓抽油機(jī)，經(jīng)過幾年的研制和工業(yè)性試采油，也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。其它型式新穎的抽油機(jī)，如帶傳動(dòng)游梁式抽油機(jī)、新型搖桿抽油機(jī)、大輪式游粱抽油機(jī)，六連桿游粱式抽油機(jī)和斜并抽油機(jī)也正處于開發(fā)和研制過程中。目前，我國油田現(xiàn)場在用或正在試驗(yàn)的長沖程抽油機(jī)大概可以分為五大類:(l)常規(guī)游梁抽油機(jī)或改進(jìn)型抽油機(jī)是油田生產(chǎn)的主力機(jī)型，這幾種類型的抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，使用和制造方便，但游梁式抽油機(jī)所存在的能耗高、重量大和由于四桿機(jī)構(gòu)的限制

25、，游梁擺角不能過大，難以實(shí)現(xiàn)長沖程、低沖次的問題。導(dǎo)致整機(jī)體積過大，重量偏重由于其結(jié)構(gòu)的不合理性，使得常規(guī)游梁式抽油機(jī)無法解決“大馬拉小車”，能耗高的缺點(diǎn)。(2)四連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)抽油機(jī)，這類抽油機(jī)主要是以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為主機(jī)構(gòu)的增程式、浮動(dòng)輪式等幾種。從結(jié)構(gòu)上講，這種抽油機(jī)既可采用曲柄重塊平衡，又可采用滑塊平衡或氣動(dòng)平衡，但由于滑塊行程均比懸點(diǎn)行程小，因此采用滑塊氣動(dòng)平衡方式較好，但是抽油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝維護(hù)困難，目前在油田應(yīng)用已經(jīng)很少。(3)多連桿機(jī)構(gòu)的抽油機(jī)，為了克服四連桿機(jī)構(gòu)抽油機(jī)的缺點(diǎn)，因此研制了六連桿抽油機(jī)和旋轉(zhuǎn)驢頭抽油機(jī)。盡管這類抽油機(jī)的動(dòng)力性能較常規(guī)及有所改善，但并不顯著。另外結(jié)構(gòu)較

26、四連桿抽油機(jī)要復(fù)雜，所以一般可作為一種補(bǔ)充機(jī)型。(4)滾筒式抽油機(jī)，是利用換向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)滾筒正、反轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)柔性件繞過天輪驅(qū)動(dòng)懸點(diǎn)做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的抽油機(jī)。常用的心型滾筒和主回零扭矩?fù)Q向滾筒，還有普通滾筒等幾種形式。但是由于換向系統(tǒng)的可靠性和壽命較低，沒能在油田大面積推廣。(5)鏈條式抽油機(jī)，是利用軌跡鏈條上的特殊鏈節(jié)，帶動(dòng)往返架往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)懸點(diǎn)上下運(yùn)動(dòng)的抽油機(jī)。這種抽油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是:平衡性能好，且調(diào)平衡方便，換向和工作是往返架受側(cè)向力小，重量輕;但移動(dòng)較多，氣平衡系統(tǒng)有密封和失載保護(hù)問題等。因此故障率較高?？傊畤鴥?nèi)還有多種類型長沖程抽油機(jī)處于研制和試驗(yàn)階段。以上任何一種抽油機(jī)都有傳動(dòng)一換向系

27、統(tǒng)、支撐系統(tǒng)和平衡系統(tǒng)三大部分組成。傳動(dòng)一換向系統(tǒng)配有減速機(jī)，它將原動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成懸點(diǎn)的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，具有減速功能的部分，一般選用常規(guī)減速、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。平衡系統(tǒng)是針對抽油機(jī)特殊的載荷情況用來調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，以保證原動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。1.2.2 國外抽油機(jī)的發(fā)展概況前世界各國仍然大面積的應(yīng)用游梁式抽油機(jī)。美國生產(chǎn)抽油機(jī)的公司有十幾家，品種復(fù)雜，形式繁多。僅1988年第15版的API Spec 11E中規(guī)定的常規(guī)游梁式抽油機(jī)系列就有77種型號，型式有前置式和偏置式。此外，法國，加拿大，前蘇聯(lián)，羅馬尼亞等國家均有生產(chǎn)多種游梁式抽油機(jī)的廠家。近年來，國外各大石油公司研究開發(fā)了各種新型抽油機(jī)，為

28、更經(jīng)濟(jì)有效地開采石油做出了卓越貢獻(xiàn)。在新型抽油機(jī)中，長沖程抽油機(jī)品種最多，占有更大的比例，具有較好的抽油性能、提高石油產(chǎn)量、降低采油成本、提高經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn)?？v觀國外各種長沖程抽油機(jī)，大致可分為增大沖程游梁式抽油機(jī)、增大沖程無游梁抽油機(jī)和長沖程無游梁抽油機(jī)三種類型。 (l)增大沖程游梁式抽油機(jī)是利用各種機(jī)構(gòu)或元件的運(yùn)動(dòng)特性和工作原理增大游梁式抽油機(jī)的沖程長度。國外增大沖程抽油機(jī)由美國芍ncaid沖程倍增抽油機(jī);英國增大沖程游梁式抽油機(jī);原蘇聯(lián)增大沖程游梁式抽油機(jī);美國Lufkin公司RoTAFLEx皮帶抽油機(jī)(如圖 1.4所示)等。(2)增大沖程無游梁式抽油機(jī)是利用各種機(jī)構(gòu)或元件的運(yùn)動(dòng)特性和工

29、作原理增大無游梁抽油機(jī)的沖程長度。例如美國Lowjack低矮型增大沖程無游梁式抽油機(jī)等。(3)長沖程無游梁式抽油機(jī)的特點(diǎn)是:沒有游梁、不采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)換向、也不采用增大沖程機(jī)構(gòu)，利用抽油機(jī)本身機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)沖程抽油。該抽油機(jī)有立式和臥式兩種結(jié)構(gòu)形式:一是立式長沖程無游梁式抽油機(jī)，這種抽油機(jī)所有設(shè)備置于地面上，一般為機(jī)架立式結(jié)構(gòu)型式，占地面積較小，但占用空間高度較大。例如:美國ROTAFLEX長沖程、低沖次抽油機(jī);法國Mape長沖程無游梁式抽油機(jī);Dynovation公司長沖程無游梁叢式井抽油機(jī)等;二是臥式長沖程無游梁抽油機(jī)，該抽油機(jī)主要設(shè)備置于地面上，平衡中置于地下套管之中，一般為臥式結(jié)

30、構(gòu)型式，占用地和空間高度較小。例如:美國 westen Gear Co. 長沖程無游梁液壓抽油機(jī)等。1.2.3 國內(nèi)外抽油機(jī)的對比我國抽油機(jī)與國際先進(jìn)水平差距甚大，我國新型節(jié)能抽油機(jī)發(fā)展緩慢，目前我國使用的節(jié)能型抽油機(jī)有前置式抽油機(jī)、異相曲柄平衡抽油機(jī)、前置式氣平衡抽油機(jī)、配有CJT型節(jié)能拖動(dòng)裝置的常規(guī)抽油機(jī)和用窄V形帶傳動(dòng)的常規(guī)抽油機(jī)，有些剛剛結(jié)束試制轉(zhuǎn)入使用，僅就前3種抽油機(jī)來看，品種規(guī)格還不全，批量生產(chǎn)量還很少，因此全面推廣應(yīng)用受到一定限制。如我國目前生產(chǎn)的前置式抽油機(jī)只有12型和16型兩種規(guī)格，迄今僅有500多臺在油田使用。而美國Lu fk in公司1959年就取得專利的馬克型抽油機(jī)(

31、即前置式抽油機(jī))，目前有8個(gè)檔次46種規(guī)格。羅馬尼亞的前置式抽油機(jī)也有35種規(guī)格。我國的第一批異相曲柄平衡抽油機(jī)是1986年6月通過部級鑒定的，現(xiàn)在只有為數(shù)不多的廠家生產(chǎn)。而早在60年代美CMI公司就采用計(jì)算機(jī)模擬動(dòng)態(tài)分析輔助設(shè)計(jì)研制出了異相曲犧平衡抽油機(jī)。由于這種抽油機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)，其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)已達(dá)到了目前在用抽油機(jī)的最好水平，因而在世界范圍內(nèi)獲得了廣泛的應(yīng)用。我國生產(chǎn)的前置式氣平衡抽油機(jī)目前僅有6種規(guī)格，懸點(diǎn)載荷為50140KN，沖程為1.85mH。而美國勒夫金公司生產(chǎn)的前置式氣平衡抽油機(jī)刪有26種規(guī)格，懸點(diǎn)載荷為48.47213.19K N,沖程為1.376.10m。國外上述幾種節(jié)能型抽油

32、機(jī)還廣泛地采用了先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)，從而能保證采油作業(yè)始終處于最佳狀態(tài)。與此同時(shí)，有些國家還先后研制了許多型式新穎的節(jié)能抽油機(jī)。如美國JoWay工具公司研制的一種前置式全膠帶傳動(dòng)無齒輪減速器抽油機(jī)，稱為大圈抽油機(jī)，是采用一個(gè)裝在曲柄上直徑為3.05m的膠帶輪來傳動(dòng)的，具有運(yùn)行平穩(wěn)、扭矩均衡和良好的節(jié)能效果。美國D.L.M鋼鐵公司研制的一種特殊結(jié)構(gòu)型式的輪式抽油機(jī),只需一臺2.27.4kW 的電動(dòng)機(jī)就可以驅(qū)動(dòng),現(xiàn)場使用情況表觀,可節(jié)電80%.另外，還有其它型式的如齒形膠帶傳動(dòng)抽油機(jī)、天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)、智能抽油機(jī)和玻璃鋼抽油桿抽油機(jī)等節(jié)能型抽油機(jī)。這些抽油機(jī)應(yīng)用于世界各個(gè)地區(qū)、各種工況條件下的抽

33、油作業(yè)，均取得了良好的節(jié)能效果。長沖程抽油機(jī)的發(fā)展速度不能適應(yīng)采油業(yè)的需要目前，我國常用的長沖程抽油機(jī)的沖程一般不超過5m，故我國大多數(shù)把沖程超過4.5m的稱為長沖程抽油機(jī)。目前我國油田在用的絕大部分長沖程抽油機(jī)的沖程均在5m以下，且種類不多，規(guī)格不全，發(fā)展速度緩慢。如我國的鏈條式長沖程抽油機(jī)，早在60年代就開始研制，由于多方面原因，直到最近幾年才初步在各油田推廣應(yīng)用。而沖程超過6m的國產(chǎn)長沖程抽油機(jī)如KCJ16853HZ抽油機(jī)和 LZCJ127.273HB抽油機(jī)，仍處在試用階段。但在國外，自70年代以來，長沖程抽油機(jī)(國外系指沖程超過6m的抽油機(jī)為長沖程抽油機(jī))的開發(fā)和推廣應(yīng)用則得到了很大的

34、發(fā)展，有些抽油機(jī)的沖程已達(dá)到20m以上，并已發(fā)展到多品種、系列化。如美國國民供應(yīng)公司生產(chǎn)的鏈條式長沖程抽油機(jī)，沖程為9.14m，沖數(shù)為3min-1，同時(shí)還采用微機(jī)監(jiān)控井下泵的工作情況。該公司研制的世界上第一臺智能抽油機(jī)，總高僅2.44m，其最大沖程卻已經(jīng)達(dá)到12.19m，沖程長度可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。而Wes-tern Gear公司生產(chǎn)的液壓驅(qū)動(dòng)、重錘平衡(重錘置于一事先挖好的鼠洞內(nèi))的長沖程抽油機(jī)，沖程可達(dá)24.38m，懸點(diǎn)載荷為155.6kN。液壓抽油機(jī)仍處于研制階段，我國液壓抽油機(jī)的起步較晚，加之我匣液壓技術(shù)水平與國際先進(jìn)水平存在著差距，從而阻礙 了液壓抽油機(jī)的發(fā)展。山吉林工業(yè)大學(xué)研制的第一臺國

35、產(chǎn)液壓抽油機(jī)1987年底通過工廠臺架試驗(yàn)，經(jīng)試樂運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)存在不少問題，如漏油、發(fā)熱、可靠性差，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于游梁式抽油機(jī)，關(guān)鍵液壓元件的質(zhì)量較差等。加之液壓抽油機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)比游粱式抽油機(jī)復(fù)雜得多，從而阻礙了其推廣應(yīng)用。早在40年代，美、蘇就已先后研制出液壓抽油機(jī)(美國Lu fk in公司曾經(jīng)生產(chǎn)出4種型號、最大懸點(diǎn)載荷158KN、沖程為6.112.2m的液壓抽油機(jī)。蘇聯(lián)全蘇石油機(jī)械研究院和阿塞拜疆石油機(jī)械研究所也先后試制成3種型號、懸點(diǎn)載荷30150kN，沖程310m的液壓抽油機(jī))。隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，國外液壓抽油機(jī)的研制和推廣應(yīng)用近年來又有了新的發(fā)展。如加拿大熱能發(fā)展有限公司研制的液

36、缸式無游梁抽油機(jī)，特別適于用來開采稠油。這種抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷為57.57106.75kN，沖程為2.794.88m，并配有電了控制監(jiān)測系統(tǒng)，用控制抽油機(jī)沖程及沖程位置、沖程參數(shù)，監(jiān)控抽油桿足否過載，確保抽油系統(tǒng)安全運(yùn)行。美國Mape公司生產(chǎn)的液壓驅(qū)動(dòng)塔架式長沖程抽油機(jī)，有6種規(guī)格，其沖程可以從2.5m 調(diào)到10m，并可在05min范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)沖程次數(shù)。這些液壓抽油機(jī)已廣泛地應(yīng)用于油田采油作業(yè)中。1.3 國內(nèi)外永磁同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況國內(nèi)外學(xué)者都在研究永磁同步電動(dòng)機(jī)的各種轉(zhuǎn)子形狀，其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則都是通過增加磁通、減弱電樞反應(yīng)或高速運(yùn)行來提高功率密度和效率。同時(shí)永磁同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能研究和起動(dòng)過程研

37、究一直以來是國內(nèi)外專家研究分析的焦點(diǎn)。永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的計(jì)算精確度直接決定了電動(dòng)機(jī)的性能，因而永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法目前顯得越來越重要。1.3.1 國內(nèi)發(fā)展概況我國在永磁同步電動(dòng)機(jī)的開發(fā)和應(yīng)用上取得重大成就，先后開發(fā)了應(yīng)用于紡織行業(yè)中織布機(jī)、細(xì)紗機(jī)以及化纖機(jī)械、風(fēng)機(jī)泵類等多種規(guī)格和型號的永磁同步電動(dòng)機(jī)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。800W紡織專用永磁同步電動(dòng)機(jī)是國內(nèi)第一臺研制成功的永磁同步電動(dòng)機(jī)，效率高達(dá)91%，功率因數(shù)高于0.95，節(jié)能率高達(dá)10%以上，己經(jīng)進(jìn)行生產(chǎn)并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。而且我國己研制成最大容量為110kW和250kW的永磁同步電動(dòng)機(jī)。我國稀土資源豐富，高性能的稀土永磁材料已

38、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，釹鐵硼的產(chǎn)量現(xiàn)己居世界第一位，釹鐵硼的價(jià)格也趨向合理。計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)資料表明，中小型永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率可提高5%，節(jié)電率10%，某些專用永磁同步電機(jī)節(jié)電達(dá)15%20%，所以發(fā)展永磁同步電動(dòng)機(jī)是新世紀(jì)電機(jī)工業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢。永磁同步電動(dòng)機(jī)具有很高的矯頑力，故充磁方向很薄的永磁體就可提供較高的氣隙磁密和磁勢。因此，除了傳統(tǒng)的徑向磁路結(jié)構(gòu)外，當(dāng)極數(shù)較少時(shí)，還可采用切向磁路結(jié)構(gòu)或混合式結(jié)構(gòu)。雖然國內(nèi)關(guān)于永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究己經(jīng)進(jìn)行了很多工作，但迄今為止，永磁同步電動(dòng)機(jī)在我國并沒有得到全方面的推廣，其原因是多方面的。其一是永磁同步電動(dòng)機(jī)成本很高，但是隨著稀土永磁材料的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)的成本

39、呈下降趨勢，同時(shí)在永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中如何選用適量的稀土永磁體用量以成為學(xué)術(shù)界研究分析的重點(diǎn)。此外，永磁同步電動(dòng)機(jī)的鐵耗相比于異步電動(dòng)機(jī)比較復(fù)雜，如何準(zhǔn)確分析和計(jì)算是設(shè)計(jì)高效節(jié)能永磁同步電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵。1.3.2 國外發(fā)展概況國外利用永磁材料進(jìn)行永磁同步電動(dòng)機(jī)的開發(fā)已經(jīng)有20多年的歷史。1978年，法國的CEM公司研制的ISOSYN系列0.5518.5kW的稀土鈷永磁同步電動(dòng)機(jī)，效率比一般的異步電動(dòng)機(jī)高2%10%，功率因數(shù)提高0.050.15。1.4 研究內(nèi)容本課題主要研究新型無齒輪曵引式抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)的仿真，通過對新型無齒輪曵引式抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁特性計(jì)算所得到的參數(shù)結(jié)果應(yīng)用

40、有限元分析軟件對新型無齒輪曵引式抽油機(jī)用永磁同步電機(jī)進(jìn)行磁場分析，得到仿真結(jié)果。1.5 章節(jié)安排第1章緒論，介紹課題-新型無齒輪曵引式抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)的來源及研究意義和國內(nèi)外的發(fā)展概況。第2章主要介紹新型無齒輪曵引式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理及新型無齒輪曵引式抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理。第3章介紹永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁計(jì)算的主要思想及方法。第4章根據(jù)前一章的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行有限元的分析，得到新型無齒輪曵引式抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)的仿真結(jié)果。第5章是對新型無齒輪曵引式抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)研究的結(jié)論與后續(xù)工作展望。第2章 抽油機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理2.1 新型抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理2

41、.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)由于常規(guī)游梁式抽油機(jī)受四連桿機(jī)構(gòu)和減速機(jī)的限制，存在平衡效果差、慣性載荷大、傳動(dòng)效率低、能耗大等弊端。新型無齒輪曳引式抽油機(jī)采用全新的工作原理，在變頻控制方面采用多項(xiàng)高新技術(shù)，改變了傳統(tǒng)抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，是一種新型無游梁曳引式抽油機(jī)。新型無齒輪曳引式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。直線電機(jī)配重動(dòng)子定子基座柔性連繩抽油機(jī)連桿圖2-1新型無齒輪曳引式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)2.1.2 工作原理新型無齒輪曳引式抽油機(jī)的工作原理:改變了過去抽油桿由三相交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)經(jīng)四連桿機(jī)構(gòu)和減速機(jī)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的方法，通過低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，取消減速機(jī)，將低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直接

42、轉(zhuǎn)化為抽油桿的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。該抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、占地面積小、調(diào)節(jié)方便、易于操作，具有更加完善的運(yùn)動(dòng)性能、動(dòng)力性能和平衡性能。與相同規(guī)格的常規(guī)抽油機(jī)相比，其質(zhì)量和占地面積僅為常規(guī)游梁式抽油機(jī)的50%，特別是新型無齒輪曳引式抽油機(jī)的效率高，上下沖程速度可以單獨(dú)無級調(diào)整，可用于稠油、深井和大排量抽油。2.2 新型抽油機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及其工作原理2.2.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)近年來永磁材料在研究開發(fā)上取得了重大進(jìn)展，這樣永磁同步電動(dòng)機(jī)有了迅速的發(fā)展。不僅小功率的永磁同步電動(dòng)機(jī)品種繁多，而且容量較大的、百千瓦級的永磁同步電動(dòng)機(jī)也開始生產(chǎn)。永磁同步電動(dòng)機(jī)可分成兩類:一類是反電動(dòng)勢波形和供電電流波形都是理

43、想矩形波的無刷直流電動(dòng)機(jī)，另一類永磁同步電動(dòng)機(jī)兩種波形都是正弦波，就是通常所說的永磁同步電動(dòng)機(jī)。本論文主要介紹第二種正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)。抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中所需要的理想驅(qū)動(dòng)模型是要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩。所謂低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩通常是指系統(tǒng)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)速低于500rpm、額定轉(zhuǎn)矩在500N·m以上的傳動(dòng)系統(tǒng)，或者說通常必須由減速機(jī)才能實(shí)現(xiàn)的拖動(dòng)系統(tǒng)。對于直流電動(dòng)機(jī)由于機(jī)械換相器的存在，降低了傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。對于要求電機(jī)頻繁正反轉(zhuǎn)起動(dòng)、負(fù)載率經(jīng)常變化的抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，直流電動(dòng)機(jī)是難以勝任的。另外，直流電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)的原因，體積比異步電動(dòng)機(jī)大，或者說使系統(tǒng)的傳輸功率密度降低，

44、振動(dòng)、噪聲以及換向電磁干擾等的存在，難以滿足各種不同負(fù)載的要求。交流異步電動(dòng)機(jī)為了達(dá)到低轉(zhuǎn)速就必須制成高極數(shù)。然而，由于異步電動(dòng)機(jī)很難做成高極數(shù)，隨著電機(jī)極數(shù)的增加使電動(dòng)機(jī)電流增大，損耗增大，溫度升高，運(yùn)行特性變壞。因此，在抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)通常需要與減速機(jī)配套使用才能滿足負(fù)載對力矩和速度的需要。因此，傳統(tǒng)的抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)模式一般是減速機(jī)一電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)模式，使用的電動(dòng)機(jī)主要是三相異步電動(dòng)機(jī)。由于有齒輪箱的減速機(jī)存在，抽油機(jī)系統(tǒng)所帶來的問題有效率低、噪聲大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)工作難度大等。對比上述兩種電機(jī)，永磁同步電動(dòng)機(jī)不需要?jiǎng)?lì)磁電流，采用金屬粘貼技術(shù)可使轉(zhuǎn)子制造變得非常容易，實(shí)現(xiàn)的工藝簡單，

45、可以輕松制成高極數(shù)，配合以低頻變頻器，很容易實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩。永磁同步電動(dòng)機(jī)仍然是由定子(電摳)、轉(zhuǎn)子以及機(jī)殼等結(jié)構(gòu)部件構(gòu)成，與電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別主要在于轉(zhuǎn)子磁極采用了永磁結(jié)構(gòu)，因此也就可以省去了滑環(huán)和電刷裝置。圖2-2為一臺永磁同步電動(dòng)機(jī)的橫截面示意圖。圖中1定子、2永磁體、3轉(zhuǎn)軸、4轉(zhuǎn)子鐵心。1234圖2-2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的橫截面示意圖本節(jié)將主要介紹永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)。永磁同步電動(dòng)機(jī)與其他電機(jī)的最主要的區(qū)別是轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)可分為三種：表面式、內(nèi)置式和爪極式。1) 表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)又分為凸出式（圖2-3(a)）和插入式（圖

46、2-3(b)）兩種，對采用稀土永磁的電機(jī)來說，由于永磁材料的相對回復(fù)磁導(dǎo)率接近1，所以表面凸出式轉(zhuǎn)子在電磁性能上屬于隱極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；而表面插入式轉(zhuǎn)子的相鄰兩永磁磁極間有著磁導(dǎo)率很大的鐵磁材料，故在電磁性能上屬于凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。圖中1永磁體、2轉(zhuǎn)子鐵心、3轉(zhuǎn)軸。ab321123(a)(b)圖2-3表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本較低、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小等優(yōu)點(diǎn)，在矩形波永磁同步電動(dòng)機(jī)和恒功率運(yùn)行范圍不寬的正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。此外，表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的永磁磁極易于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)，使之成為能使電動(dòng)機(jī)氣隙磁密波形趨近于正弦波的磁極形狀，可顯著提高電動(dòng)機(jī)乃至整個(gè)傳動(dòng)

47、系統(tǒng)的性能。表面插入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可充分利用轉(zhuǎn)子磁路的不對稱所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電動(dòng)機(jī)的功率密度，動(dòng)態(tài)性能較凸出式有所改善，制造工藝也較簡單，常被某些調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)所采用。但漏磁系數(shù)和制造成本都較凸出式大?？傊砻媸睫D(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的制造工藝簡單、成本低，應(yīng)用較為廣泛，尤其適宜于矩形波永磁同步電動(dòng)機(jī)。但因轉(zhuǎn)子表面無法安放起動(dòng)繞組，無異步起動(dòng)能力，不能用于異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)。2) 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間（對外轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)則為永磁體內(nèi)表面與轉(zhuǎn)子鐵心外圓之間）有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，極靴中可以放置鑄鋁籠或銅條籠，起阻尼或（和）起動(dòng)作

48、用，動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能好，廣泛應(yīng)用于要求有一部起動(dòng)能力或動(dòng)態(tài)性能高的永磁同步電動(dòng)機(jī)。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體收到極靴的保護(hù)，其轉(zhuǎn)自磁路結(jié)構(gòu)的不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩也有助于提高電動(dòng)機(jī)的過載能力和功率密度，而且易于“弱磁”擴(kuò)速。按永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系，內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)又可分為徑向式、切向式和混合式三種。圖中1轉(zhuǎn)軸、2永磁體槽、3永磁體、4轉(zhuǎn)子導(dǎo)條。dc213443143a2143b(a)(b)(c)(d)圖2-4內(nèi)置徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)徑向式結(jié)構(gòu)（圖2-4）的優(yōu)點(diǎn)是漏磁系數(shù)小、轉(zhuǎn)軸上不需要采取隔磁措施、極弧系數(shù)易于控制、轉(zhuǎn)子沖片機(jī)械強(qiáng)度高、安裝永磁體后轉(zhuǎn)子不易變形等。圖2-4(a)是早期

49、采用的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，現(xiàn)已較少采用。圖2-4(b)和(c)中，永磁體軸向插入永磁體槽并通過隔磁磁橋限制漏磁通，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度高，因而近年來應(yīng)用較為廣泛。圖2-4(c)比(b)提供了更大的永磁體空間。圖2-4(d)屬于外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，它也屬于內(nèi)置徑向式的磁路結(jié)構(gòu)。切向式結(jié)構(gòu)（圖2-5）的漏磁系數(shù)較大，并且需采用響應(yīng)的隔磁措施，電動(dòng)機(jī)的制造工藝和制造成本較徑向式結(jié)構(gòu)有所增加。其優(yōu)點(diǎn)在于一個(gè)極距下的磁通由相鄰兩個(gè)磁極并聯(lián)提供，可得到更大的每極磁通。此外，采用切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩在電動(dòng)機(jī)功率密度和擴(kuò)展電動(dòng)機(jī)的恒功率運(yùn)行范圍都是很有利的。圖中1轉(zhuǎn)軸、2空氣隔磁槽3-永磁體

50、、4轉(zhuǎn)子導(dǎo)條。341ba)341(a)(b)圖2-5內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)混合式結(jié)構(gòu)（圖2-6）集中了徑向式和切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)和制造工藝均較復(fù)雜，制造成本也比較高，圖2-6(a)是由德國西門子公司發(fā)明的混合式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，需采用非磁性轉(zhuǎn)軸或采用隔磁銅套，主要應(yīng)用于采用剩磁密度較低的鐵氧體永磁的永磁同步電動(dòng)機(jī)。圖2-6(b)所示結(jié)構(gòu)的徑向部分永磁體磁化方向長度約是切向部分永磁體磁化方向長度的一半。圖2-6(c)和(d)是由圖2-4徑向式結(jié)構(gòu)(b)和(c)衍生來的兩種混合式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。其永磁體的徑向部分與切向部分的磁化方向長度相等，也采取隔磁磁橋隔磁。在圖2-4(b)和(c)、圖2

51、-6(c)和(d)這四種結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子依次可為安放永磁體提供更多的空間，空載漏磁系數(shù)也依次減小，但制造工藝卻依次更復(fù)雜，轉(zhuǎn)子沖片的機(jī)械強(qiáng)度也依次有所下降。1轉(zhuǎn)軸、2永磁體槽、3永磁體、4轉(zhuǎn)子導(dǎo)條。3214c3241d3421a3421b(a)(b)(c)(d)圖2-6內(nèi)置混合式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)在選擇轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)時(shí)還應(yīng)考慮到不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)的交、直軸同步電抗Xq、Xd及其比例Xq/Xd（成為凸極率）也不同。在相同的條件下，上述三類內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的直軸同步電抗Xd相差不大，但是他們的交軸同步電抗Xq卻相差較大。較大的Xq和凸極率可以提高電動(dòng)機(jī)的嵌入同步能力、磁阻轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)機(jī)的過載倍數(shù)，因此

52、設(shè)計(jì)高過載倍數(shù)的電動(dòng)機(jī)時(shí)可充分利用大的凸極率所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩。3) 爪極式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)爪極式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)通常由兩個(gè)帶爪的法蘭盤和一個(gè)圓形的永磁體構(gòu)成，圖2-7為其結(jié)構(gòu)示意圖。左右法蘭盤的爪數(shù)相同，且兩者的爪極互相錯(cuò)開，沿圓周均勻分布，永磁體軸向充磁，因而左右法蘭盤的爪極分別形成極性相異，互相錯(cuò)開的永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁極。爪極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)的性能較低，又不具備異步起動(dòng)能力，但結(jié)構(gòu)和工藝較為簡單。圖中1左法蘭盤、2圓環(huán)形永磁體、3右法蘭盤4非磁性轉(zhuǎn)軸。1324圖2-7爪極式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)2.2.2 工作原理永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理與同步電動(dòng)機(jī)是相似的，因此從同步電動(dòng)機(jī)的基本原理出發(fā)討論其工作

53、原理。與異步電動(dòng)機(jī)類似，同步電動(dòng)機(jī)是由定子和轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成。定子部分包括鐵心、通以三相交流電流的定子繞組，轉(zhuǎn)子部分包括主磁極、裝在主磁極上的通以直流電流的勵(lì)磁繞組、籠型啟動(dòng)繞組和電刷等部件。同步電動(dòng)機(jī)的工作原理如圖2-6所示，在定子繞組中通以三相交流電流，可在氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，如果三相交流電流的頻率為f，定子的極對數(shù)為p，則該旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度為這個(gè)旋轉(zhuǎn)速度也成為同步轉(zhuǎn)速。圖2-8 永磁同步電機(jī)工作原理圖轉(zhuǎn)子繞組中通入直流電流，將在氣隙中又形成一個(gè)與轉(zhuǎn)子繞組直流電流相對應(yīng)的直流勵(lì)磁磁場，使電動(dòng)機(jī)體積和質(zhì)量大為減小，結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，效率比同容量異步機(jī)高4%13%，功率因素提高5%20%

54、。永磁同步電動(dòng)機(jī)也是由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子由鐵心、定子繞組組成，其中定子繞組是通過對稱三相交流電流的三相繞組。轉(zhuǎn)子是可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁通的永久磁鐵。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場是由永久磁鐵產(chǎn)生的，應(yīng)盡可能為正弦形，所以其轉(zhuǎn)子上的永磁體表面做成面包形，以形成不均勻氣隙，產(chǎn)生正弦形的氣隙磁場。如果在電動(dòng)機(jī)軸上裝一臺轉(zhuǎn)子位置檢測器，則可以實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置反饋，保證定子繞組中電流頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是一一對應(yīng)，這種具有位置檢測裝置的永磁同步電動(dòng)機(jī)屬于自控式同步電動(dòng)機(jī)，有自啟動(dòng)的能力，轉(zhuǎn)子上下不需要額外安裝啟動(dòng)繞組。永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理與同步電動(dòng)機(jī)相似，定子繞組通入三相交流電流后，三相交流電流

55、在轉(zhuǎn)子氣隙中形成旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場（以N0,S0表示）以同步角速度0旋轉(zhuǎn)。與普通的同步電動(dòng)機(jī)不同，由于永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是永久磁鐵，其轉(zhuǎn)子磁通是永久磁鐵產(chǎn)生，而不需要再對轉(zhuǎn)子繞組通入直流電流，根據(jù)兩異性磁鐵互相吸引的原理，定子磁鐵的N0（或S0）極吸住轉(zhuǎn)子永久永久磁鐵的S(或N)極，以同步角速度在空間旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)子和定子磁場同步旋轉(zhuǎn)。維持轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩是定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子永久磁鐵相互作用產(chǎn)生的。2.3 主要性能指標(biāo)及永磁同步電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)新型無齒輪曵引式抽油機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如下：1、 系統(tǒng)工作環(huán)境：-40+50；2、 沖程長度：48m連續(xù)可調(diào)，最大沖程長度8m；3、 沖程次數(shù)：23/min連

56、續(xù)可調(diào)；4、 沖程誤差：±15cm；5、 抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)換向；6、 改善抽油機(jī)的運(yùn)行可靠性，定期自檢、自診斷及軟件保護(hù)功能。主要指標(biāo)與技術(shù)參數(shù)：1、 電機(jī)額定功率：20kW2、 相數(shù)：3，Y型連接3、 極數(shù)對p：204、 額定相電壓：220V5、 額定頻率：2OHz6、 功率因數(shù):0.9432.4 小結(jié)本章研究了新型無齒輪曵引式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理和永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理。本章提出了新型無齒輪曵引式抽油機(jī)的主要技術(shù)性能指標(biāo)及永磁同步電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)。第3章 永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)3.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)基本方法和普通同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法有很全相似之處，但也存在不同之處。其基本設(shè)計(jì)思路：由技術(shù)要求首先確定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和永磁體材料性能，再由電磁負(fù)荷(A,B)，確定主要尺寸(Dil和leff)，其電磁設(shè)計(jì)計(jì)算流程如圖3.1所示。該方程思路清晰，參數(shù)確定和方案調(diào)整都很方便，對電機(jī)研發(fā)人員來說非常習(xí)慣，但需要很多經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。已知或給定設(shè)計(jì)任務(wù)確定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式估計(jì)A,B確定電機(jī)基本尺寸D、L，設(shè)計(jì)定子沖片確定磁鋼用量，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子沖片磁路計(jì)算，空載點(diǎn)計(jì)算繞