直驱抽油机模拟系统无刷直流电机的电磁设计

论文摘要

本文对传统游梁式抽油机进行了改造,提出一种由外转子无刷电机直接驱动抽油机的结构,省去抽油机系统中减速器和四连杆等环节,利用对外转子无刷直流电机的正反转控制实现抽油杆的往返运动。这种结构可解决传统抽油机多级传动带来的效率低、功率因素低、运行维护费用高、无法自由调节冲程等问题。通过研究直驱抽油机模拟系统方案的可行性,本文对直驱抽油机模拟系统无刷直流电机进行了分析和设计,为实现油田外转子永磁无刷电机直接驱动抽油机打下技术基础,主要研究成果如下：(1)根据直驱抽油机模拟系统无刷直流电机的设计指标,通过分析电机的磁路特点,完成了电机结构和预估参数的选取。利用永磁电机等效磁路法得到电机的电磁设计参数,并在MATLAB中实现了电磁程序的编写；(2)利用ANSYS有限元软件建立直驱抽油机模拟系统无刷直流电机的一对极模型,深入分析电机的磁场分布规律,研究了电枢结构及电枢反应对磁场分布的影响。结合电磁场有限元理论和电机运行特点对电机模型的静态特性进行了二维有限元计算,进一步优化电机电磁设计参数；(3)实现了定子斜槽在有限元中的转矩计算,通过对比定子斜槽与定子直槽两种情况下的转矩波形,证明结论斜槽可以有效地抑制无刷直流电机的转矩波动；(4)结合等效磁路法和有限元计算法,得到直驱抽油机模拟系统无刷直流电机的电磁设计方案,并加工电机。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景与意义
• 1.2 课题的提出
• 1.3 永磁无刷直流电机的特点
• 1.4 永磁无刷直流电机的发展及研究现状
• 1.4.1 永磁无刷直流电机的发展
• 1.4.2 永磁无刷直流电机在油田中的应用
• 1.4.3 永磁无刷直流电机的研究现状
• 1.5 外转子永磁无刷直流电机的系统结构
• 1.5.1 外转子永磁无刷直流电机的结构特点
• 1.5.2 逆变器
• 1.5.3 转子位置传感器
• 1.6 外转子永磁无刷直流电机的工作原理
• 1.7 本文的研究内容
• 第二章 直驱抽油机模拟系统无刷直流电机的等效磁路设计
• 2.1 设计指标
• 2.2 等效磁路的电磁设计流程图
• 2.3 转子励磁结构设计
• 2.3.1 永磁材料的选择
• 2.3.2 永磁体形状和充磁方式的选择
• 2.3.3 永磁体尺寸的选择
• 2.3.4 极对数的选择
• 2.4 定子结构设计
• 2.4.1 定子绕组的选择
• 2.4.2 定子槽数的选择
• 2.4.3 定子槽形的确定
• 2.5 直驱抽油机模拟系统无刷直流电机的电磁设计
• 2.5.1 预估电机主要尺寸
• 2.5.2 预估漏磁系数和极弧系数
• 2.5.3 预估气隙磁密
• 2.5.4 永磁体工作图的确定
• 2.5.5 气隙磁密的确定
• 2.5.6 导线线径的选择
• 2.6 参数计算
• 2.6.1 损耗计算
• 2.6.2 效率计算
• 2.6.3 电枢绕组的感应电动势
• 2.6.4 电枢电流
• 2.6.5 电磁转矩
• 2.6.6 转速
• 2.7 直驱抽油机模拟系统无刷直流电机在MATLAB中的电磁程序计算
• 2.7.1 电机机械结构参数和预估参数结果
• 2.7.2 电机空载工作点的确定
• 2.7.3 电机负载工作点的确定
• 2.7.4 电机的电磁参数结果
• 2.7.5 电机等效磁路电磁设计结果分析
• 2.8 本章小结
• 第三章 直驱抽油机模拟系统无刷直流电机的有限元分析
• 3.1 电磁场基本理论
• 3.2 电磁场的有限元求解过程
• 3.3 直驱抽油机模拟系统无刷直流电机的有限元建模
• 3.3.1 电机的实体建模
• 3.3.2 赋予材料属性
• 3.3.3 划分网络
• 3.3.4 施加边界条件和载荷
• 3.4 直驱抽油机模拟系统无刷直流电机的磁力线分析
• 3.5 直驱抽油机模拟系统无刷直流电机的磁密分析
• 3.5.1 电枢未开槽时的磁密分布
• 3.5.2 电枢开槽时的磁密分布
• 3.6 本章小结
• 第四章 直驱抽油机模拟系统无刷直流电机的有限元计算
• 4.1 漏磁系数的计算
• 4.1.1 极间漏磁系数的计算
• 4.1.2 端部漏磁系数的计算
• 4.2 气隙系数的计算
• 4.3 感应电动势的计算
• 4.4 转矩计算
• 4.5 定子为斜槽时的转矩计算
• 4.5.1 齿槽转矩的解析分析
• 4.5.2 定子直槽时的齿槽转矩
• 4.5.3 定子斜槽时的齿槽转矩
• 4.5.4 定子斜槽在有限元中的实现
• 4.5.5 定子为斜槽时的转矩计算
• 4.6 本章小结
• 第五章 直驱抽油机模拟系统无刷直流电机的电磁设计结果
• 5.1 直驱抽油机模拟系统无刷直流电机的电磁设计参数
• 5.2 直驱抽油机模拟系统无刷直流电机的实体加工图
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 研究生期间发表的论文
• 参考文献