低速直驱永磁潜油电动机分析与设计

低速直驱永磁潜油电动机分析与设计

覃杰

慈溪汇丽机电股份有限公司

摘要：近年来，随着油田生产技术的发展和开发难度的加大，潜油电机作为油田主要的驱动设备，在油田的开采过程中发挥着越来越重要的作用。低速直驱永磁潜油电动机是潜油电机中的一种，它具有高转矩、低转速、体积小、重量轻、效率高等特点，广泛应用于石油开采设备上。目前低速直驱永磁潜油电机的设计研究较少，因此针对低速直驱永磁潜油电动机进行了分析与设计，并利用 ANSYS软件对电动机进行了有限元分析。通过有限元仿真验证了该电动机的设计是合理的，能够满足油田对电机的要求。

关键词：低速直驱；永磁潜油电动机；设计分析

引言：低速直驱永磁潜油电动机主要由定子、转子、转轴以及减速器组成。这一类电机的转子是在转子铁芯上绕制一个定子线圈，转子铁芯上绕一个永磁体，转子铁芯与转轴固定。根据直驱电机的结构特点，在电机的定子槽口和转子槽口之间布置了一些导磁体，通过改变磁路结构，使每极磁路磁阻最小，从而实现了较高的功率密度。根据要求，低速直驱永磁潜油电动机的额定功率为20 kW。在满足了高功率密度要求之后，电机的设计指标为：额定电压380V；额定电流60A；额定转速0~3000r/min；额定转矩0.40 Nm；额定功率为20 kW的电动机。本文使用有限元软件 ANSYS对低速直驱永磁潜油电动机进行了仿真分析。

1.电动机结构和工作原理

低速直驱永磁潜油电动机主要由定子、转子永磁体、转子槽、定子外圆等部件组成。该电动机采用内置式安装，将转子外圆固定在内腔上。转子磁路采用传统的磁滞回线，转子内外圆之间为气隙，定子由多个扇形磁极组成。电机的气隙大小为0.2 mm，空载感应电动势为0V，负载感应电动势为100V，额定功率为15 kW。电机的机械结构简单、安装方便，可在井下通过采油工艺直接进行一系列开采工作，对潜油系统的维护简单，可减少电机本身对井口设备的依赖。该电机主要应用于常规驱动方式难以实现的井下工况。

其中，定子由一块较大的永磁体铁心和一块较小的硅钢片组成；转子由铁心、定转子相绕组、端环和端盖组成。与三相异步电动机相比，它具有结构简单，体积小、重量轻，维护方便等优点。工作原理是通过定子上的磁感应强度变化而产生磁场，将电能转化为机械能，从而带动旋转的机械运动。与三相异步电动机相比，其结构简单，成本较低。低速直驱永磁潜油电动机的结构和工作原理与三相异步电动机基本相同，只是定子和转子是由不一样的材料制成。低速直驱永磁潜油电动机具有低速运行的特点，其转速较低，不会出现过大的机械冲击和振动，适用于抽油机井下采油作业。另外，该电动机在使用过程中可以很方便地实现过载保护和自动启停功能。此外低速直驱永磁潜油电动机还具有低转速、高转矩等特点。

2.定子铁心结构参数设计

低速直驱永磁潜油电动机的定子铁心尺寸较小，设计时选用硅钢片作为铁心材料。定子结构主要由定子铁心和外罩式机壳组成。其中定子铁心采用阶梯状的结构形式，它主要由定子槽口、磁极、叠片、槽口及端盖组成。定子槽口分为上下两部分,分别用来放置永磁体和绕组。定子槽口宽度一般取值为0.7～1.2 mm,槽口高度通常取值为0.9～1.2 mm。

与同尺寸的其他电动机相比，低速直驱永磁潜油电动机的铁心长度较短，因此根据需要进行铁心结构设计。由于电动机的尺寸较小，所以需要选用硅钢片厚度较小的硅钢片，其厚度为0.5 mm，并采用阶梯状结构。为了节省铁耗和提高效率，在设计中选用了低磁阻型的槽形结构，这样不仅能使铁耗降低，还能增加转矩密度。同时,为了防止漏磁现象发生,应尽量避免槽口中有尖角或直角,以免影响磁力线的走向。此外,为了保证足够的散热面积,可以适当增大槽深。为了减少电动机定子部分的机械应力，同时提高定子铁心的稳定性，需要在定子槽口处增加铜垫，通过计算铜垫片与槽口之间的距离D=0 mm来满足要求。定子部分绕组采用了非对称结构。对于绕组采用单极式匝间绝缘设计。

3.气隙磁场分析

气隙磁场是由永磁体表面的磁密产生的，气隙磁场的作用就是用来激励永磁体表面的磁密，从而产生电枢反应。电机设计中要充分考虑电机的气隙磁场特性，

当转子转动时,会在定子轭部形成闭合回路,此时气隙中产生交变的径向力,进而引起气隙磁场的畸变。通过 ANSYS软件，利用“直接法”对电机模型进行有限元分析，得到了电动机在额定负载和满载两种工况下气隙磁场和相应电磁转矩的结果。当负载为额定值时，此时的气隙磁场幅值最大；当负载为70%时，此时气隙磁场幅值最小；当负载为100%时，此时气隙磁场幅值最大。因此在实际生产中设计永磁电动机时要考虑到设计工况下气隙磁场的变化情况，使电磁力在设计工况下满足要求[1]。

4.电磁设计

低速直驱永磁潜油电动机是由两部分构成的，分别为定子和转子。电机定子为矩形结构，定子槽内充有永磁体，由于永磁体属于易失磁材料，所以在电机运行时应确保其处于不被磁饱和的状态。为了便于加工制造,定子铁心采用阶梯状结构,这种结构有利于改善电机的起动性能,且易于装配。定子槽口宽度一般取值为0.7~1.2 mm,槽口高度通常取值为0.9~1.2 mm。同时，电机还需设计冷却系统以保证其稳定运行。本文研究的低速直驱永磁潜油电动机额定功率为45 kW，额定转速为750r/min，额定电压为380V，额定电流为330A，功率因数为0.94。为了降低制造成本，要求电机的制造工艺简单，同时能够满足生产的工艺要求

[2]。

5.转矩计算

由于转矩是潜油电机最重要的性能指标之一，而转矩的大小又与永磁体的尺寸直接相关。目前常用的计算电机转矩的方法有两种：一是基于电磁理论建立模型；二是基于电磁计算软件建立模型。前者虽然准确可靠但计算量很大,后者则相对简便快捷。因此,本文采用第二种方法建立模型,利用 Matlab 语言编程实现转矩的快速计算。首先根据齿槽转矩和定子磁极进行永磁体尺寸设计，在满足电机性能要求的前提下，根据永磁体尺寸计算出极弧系数a、d，再根据磁极面积S，可计算出槽口宽度和空载电流。齿槽转矩为：在这里采用最小二乘法计算出极对数b。在空载和负载情况下，电机空载时的齿槽转矩分别为0.42N·m和0.45N·m[3]。

6.性能分析

低速直驱永磁潜油电动机的主要性能指标包括空载感应电动势、空载反电动势谐波含量及负载时的输出转矩。为得到电机的空载性能，需要首先确定定子磁场，然后计算其在定子中产生的磁场，再对磁场进行处理。低速直驱永磁潜油电动机采用了对称的气隙磁密和磁通密度曲线，在计算出每个磁极上产生的定子磁场时，只需计算每个定子槽口的磁场。该电动机设计采用了较为先进的电磁计算软件，故不需要单独设置一个磁场模块即可完成整个电机的磁场仿真过程。根据不同频率下电机气隙磁通密度和分布情况以及转矩特性，分析不同频率下电机的空载性能和负载运行性能[4]。

7.绕组设计

由于潜油电机为永磁直驱结构，因此绕组应选用与之匹配的绕组。绕组槽数及磁极组合根据电动机的负载性质、工作频率、功率等级以及电动机尺寸等确定。低速直驱永磁潜油电动机的绕组采用外电路全联成式，其主要由内外两套绕组组成，内绕组为绕线转子，外绕组为直轴，外绕组极弧系数选择了0.95。考虑到电动机运行时转子槽口过小会引起涡流损失，因此在转子上开了一些槽口，以改善转矩脉动。由于该电动机的工作频率为50 Hz，因此选用Y、 PW、 XY三种型式的Y形绕组。由于 XY型绕组的磁极对称性好，因此将其用作电动机的绕组时，可以减少了电机绕组匝数。另外，两套绕组接法使电动机的转子损耗得到了有效降低。

8.有限元仿真分析

利用 ANSYS软件对设计的低速直驱永磁潜油电动机进行了仿真，首先将转子上的气隙长度设定为10 mm，然后将转子磁极换成永磁体。设置不同的定子槽形状和不同的定子铁心长度，并设置不同的气隙长度，以得到不同的空载气隙磁密，随着定子槽口宽度的不断增大,空载气隙磁密也随之逐渐增大。这是因为随着槽口宽度的增大,气隙长度相应地缩短,导致气隙磁密增大。然后对所得仿真数据进行对比分析，选择最优方案。

通过仿真分析可以看出，转子磁极形状对电动机整体性能影响较小，但对气隙磁密影响较大，并且当转子磁极长度为50 mm时电机的转矩性能最优；随着定子槽数增加，气隙磁密峰值相应增大，在合理范围内气隙磁密幅值越大越好；定子铁心长径比对空载反电动势有一定影响；定子槽宽度对空载反电动势影响较大。并且当铁心长径比为2时，气隙中磁密峰值较小；当铁心长径比为4时，气隙中磁密峰值较大。综合以上因素,最终确定低速直驱永磁潜油电动机的最佳参数为:定子槽口宽度为10 mm,定子槽数为4,定子铁心长径比为4,铁心直径为100 mm,槽口深度为10 mm。这些结论为以后设计电机提供了理论依据[5]。

结论：综上所述，低速直驱永磁潜油电动机具有高转矩、低转速、体积小、重量轻等特点，但与永磁同步电动机相比，低速直驱永磁潜油电动机的设计仍存在一些问题：（1）永磁材料选用上，选用永磁体的磁能积更大，因此电机转矩和转速更高，但是永磁体的体积也更大，因此电机体积要比永磁同步电动机大；（2）磁极结构上，因转子结构限制了电机转矩和转速的提升空间，因此只能选用相对较小的极数来保证较高转矩和较快转速；（3）定转子配合上，由于永磁体体积比永磁体更大且永磁体的工作温度远高于永磁体，因此可以采用低转速和高磁能积相配合的方式来提高电机转矩和转速；（4）定子结构上，定子绕组采用Y形连接方式并在端部连接铜排来减少绕组匝数，但铜排连接时存在气隙磁场谐波，且铜排厚度与铜厚比（或转子气隙长度）对谐波影响较大。本文在设计低速直驱永磁潜油电动机时虽然也存在一些问题，但总体来说所设计的低速直驱永磁潜油电动机结构合理、性能良好，能够满足油田对电机的要求。

参考文献：

[1]孟雨竹,曹建平.低速直驱永磁潜油电动机分析与设计[J].电气应用,2022,41(11):62-68+11.

[2]崔俊国,高翔,肖文生,赵海洋,张俊,鲁中歧,邵建鑫.基于田口法的钻井直驱永磁同步电机设计及优化[J].石油机械,2022,50(04):38-48.

[3]孔凡红. 新能源低速电动轨道机车直驱永磁同步电机的设计[D].曲阜师范大学,2021.

[4]白冰. 砂磨机用直驱永磁电机设计及其性能分析[D].沈阳工业大学,2019.

[5]刘佳,李晨曦,李荣,季飚,卜飞飞,秦海鸿.基于前馈补偿的永磁直驱电机低速抗扰动滑模控制策略[J].微特电机,2023,51(01):38-44.