潜油电机机械损耗及隔磁段电磁参数计算分析

论文摘要

潜油电机作为潜油电泵机组的动力部分,是一种立式三相异步电动机,工作于数千米井下的特殊环境中,定转子采用分段的细长结构,气隙中充满专用润滑油。转子由同轴的若干个独立的笼型转子单元组成,每两个单元之间装有扶正轴承;与扶正轴承相对应的定子铁心处装有隔磁段。显然,普通三相感应电动机的通用设计方法不再完全适合潜油电机,但是目前国内外还没有一种完善的充分考虑其特殊结构和工作环境的设计方法,多数仍是采用传统普通异步电机设计方法,这在工程实践中很难满足实际准确度需求,误差很大。本文根据国内外潜油电机设计的研究现状,分析了目前设计中所存在的问题。针对设计中的关键技术问题,结合其结构特点运用电磁场理论、流体理论等技术理论对潜油电机的设计方法进行了深入具体的研究,形成了具有高准确度的设计方法。首先研究了气隙中充满专用润滑油后对潜油电机机械损耗的影响,着重分析了电机高速旋转时润滑油对转子形成的油摩损耗,采用流体力学的原理并结合潜油电机稳态运行时止推轴承动块、静块及扶正轴承的摩擦损耗的经验公式得到了潜油电机机械损耗的准确计算方法,通过对实例的计算、实验对比,证明了该方法的有效性。分析了潜油电机隔磁段处漏磁对电机性能参数的影响,定义了潜油电机特有的隔磁段漏抗。建立了隔磁段三维有限元模型,通过求解其中的磁场储能来获得该漏抗值,实验证明隔磁段漏抗对电机的性能参数有较大的影响,在电机的设计中必须考虑。同时利用有限元模型,在保证计算结果正确的前提下,对定转子铁心磁导率的非线性做了简化后计算了转子扶正轴承中的附加涡流损耗。分析了采用现有钢外套扶正轴承的潜油电机其附加损耗对电机效率的影响,并研究了采用新型具有大电阻率而又不导磁的合金材料制造扶正轴承外套时,可将该损耗显著降低,对电机效率影响可忽略不计。结合潜油电机直径很小长度很大难以采用传统斜槽,文中通过将转子槽中心线与键中心线设计成某一定特定角度,转子铁心叠压时分别采用冲片的正反面,形成不同的转子铁心,安装在扶正轴承的两侧,在整个电机中起到了等效斜槽的作用。研制了两台模拟实验样机,样机设计时考虑了既能够反映所要研究的问题又要结构简单易于制造。两台实验样机采用相同的电磁设计方案,不同的结构设计。样机由两段组成,输出功率6 kW,电压290 V,总装完成后电机的长度是1.6 m。样机中一台定转子之间装有隔磁段和扶正轴承;另一台样机没有扶正轴承,转子分段处用卡簧固定。样机制造完成后,首先应用前文所述方法对样机的扶正轴承附加涡流损耗及其机械损耗进行了理论计算。购置了相关实验设备并分别对两台样机进行了实验,分析两组实验数据,得到了扶正轴承附加涡流损耗和机械损耗的实验值。最后对比相关参数的计算值与实验值表明,考虑本文所提出的参数后的计算结果更加接近实验值,直接验证了研究内容的正确性。对样机的定子隔磁段漏抗进行了间接验证,证明了文中所述理论计算方法具有很高的准确度。在上述研究基础上,对潜油电机隔磁段漏抗做了应用研究,深入研究了隔磁段漏抗随电机功率等级、隔磁段宽度、隔磁段数量以及扶正轴承与相邻两段转子相对位置的变化,对现有各功率等级潜油电机在不同隔磁段宽度下的隔磁段漏抗做了大量的计算,得到潜油电机漏抗曲线族,为今后潜油电机的设计提供了可靠的依据。论文的研究成果为潜油电机的设计提供了参考,并考虑到今后产品的批量生产,提出了电机结构中的通用性、适应性和可靠性的设计。所提出的方法和研究成果不仅具有理论意义,而且具有较高的实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 潜油电机的结构特点
• 1.2.1 潜油电机基本结构
• 1.2.2 潜油电机的结构特点
• 1.3 潜油电机国内外研究现状
• 1.3.1 国外潜油电机的研究现状
• 1.3.2 国内潜油电机的研究现状
• 1.4 潜油电机设计中存在的问题
• 1.4.1 定子隔磁段对潜油电机电磁参数的影响
• 1.4.2 转子扶正轴承中附加损耗的计算
• 1.4.3 机械损耗的计算
• 1.4.4 齿谐波磁场的消除
• 1.4.5 温度场的计算
• 1.4.6 分节均压的问题
• 1.5 电机内电磁场数值计算的研究现状
• 1.5.1 问题的提出
• 1.5.2 电机内电磁场数值计算的意义
• 1.5.3 电机内电磁场的数值计算方法
• 1.5.4 电机电磁场数值计算方法的应用与发展
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第2章 潜油电机流体场电磁场建模与求解原理
• 2.1 潜油电机流体场计算方法
• 2.1.1 油摩损耗的计算
• 2.1.2 计算流体力学概述
• 2.1.3 潜油电机内流体与流动的基本特征
• 2.1.4 计算流体力学控制方程
• 2.1.5 流场计算的边界条件
• 2.1.6 基于有限体积法的控制方程求解过程
• 2.1.7 潜油电机流体场计算的数学模型
• 2.2 三维涡流电磁场计算的理论基础
• 2.2.1 涡流场控制方程
• 2.2.2 涡流场边界条件
• 2.2.3 隔磁段漏抗求解方法
• 2.3 潜油电机三维涡流场模型
• 2.3.1 建模遵循的原则
• 2.3.2 模型的建立
• 2.4 本章小结
• 第3章 潜油电机机械损耗计算
• 3.1 转子与润滑油的摩擦损耗
• 3.1.1 油摩损耗的数值解法
• 3.1.2 油摩损耗的近似解析解法
• 3.2 扶正轴承及止推轴承的摩擦损耗
• 3.2.1 扶正轴承的摩擦损耗
• 3.2.2 止推轴承动静块的摩擦损耗
• 3.3 潜油电机的机械损耗
• 3.4 本章小结
• 第4章 潜油电机隔磁段电磁参数计算
• 4.1 隔磁段漏抗的计算
• 4.1.1 隔磁段漏抗计算的有限元分析
• 4.1.2 实例计算与实验验证
• 4.2 扶正轴承附加损耗的计算
• 4.2.1 转子转动效应
• 4.2.2 铁心磁导率非线性问题的处理
• 4.2.3 扶正轴承附加损耗的计算
• 4.3 隔磁段电磁参数求解中存在的问题
• 4.4 本章小结
• 第5章 潜油电机实验方法研究
• 5.1 模拟样机的设计
• 5.1.1 模拟样机的电磁设计
• 5.1.2 模拟样机的机械结构设计
• 5.2 模拟样机的制造
• 5.3 实验验证
• 5.3.1 样机的设计数据与实验数据的对比
• 5.3.2 扶正轴承附加损耗的实验验证
• 5.3.3 隔磁段漏抗的实验验证
• 5.4 隔磁段电磁参数的应用研究
• 5.4.1 隔磁段漏抗的应用研究
• 5.4.2 扶正轴承附加损耗的应用研究
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢