一种新型井下泥浆发电机设计原理

摘要:井下泥浆发电机由于其特殊的工作环境,要求发电机的设计过程中首先确定用永磁发电机各个机械结构参数及电枢绕组参数,并使电机的性能达到要求的标准。因此本文首先介绍了永磁电机结构参数的确定,接着利用软件进一步定性的分析了各个参数对永磁发电机性能的影响规律,以便在设计时调整参数使电机满足性能要求。

关键词:永磁发电机;磁路计算;磁场计算;Ansoft

引言

石油钻井无线随钻测量系统(MWD)是为油田钻井设备配套的专业定向和监控仪器,它利用脉冲器将钻具在井下的工作状态、井眼轨迹等参数通过介质送到地面接收系统,为钻井工程师提供实时操作指导。近年来,该系统已被广泛用于各个油田,而且对其性能和功能的要求越来越高。在石油钻井无线随钻测量系统(MWD)中,泥浆永磁同步发电机是用来提供能量的,它使用高磁能积的永磁材料作为磁钢,无需励磁绕组,提高了可靠性;转子结构简单,电机的体积及重量小;由于转子结构免去了转子磁场所需的励磁功率和滑环之间摩擦的机械耗损,使得永磁发电机效率大为提高,并在MWD系统中得到广泛应用。但是,传统的泥浆永磁同步发电机采用的是盘式结构,发电功率低,从一定程度上阻碍了MWD系统性能的提高及功能的增加。设计研究泥浆永磁同步发电机,提高发电机的功率对推动无线随钻系统的发展具有重要意义。

1永磁发电机磁路结构的选择

永磁发电机的电枢绕组通常在定子上,永磁体以各种不同的结构形式安放于转子上,常见的转子磁路结构有径向式、切向式、混合式和轴向式四种,而在实际的应用中,常以切向转子磁路结构和径向转子磁路结构居多。井下用永磁发电机采用的径向式转子磁路结构。

径向式转子磁路结构中的稀土永磁体工作于串联状态,只有一块永磁体的面积提供发电机每极气隙磁通,两块磁铁的磁化方向长度对磁路提供磁势。其永磁体磁化方向与气隙磁通轴线方一致且离气隙较近,漏磁系数小,因此在相同的功率条件下所需永磁体材料少,使电机体积,重量减少。漏磁系数小也会使在相同的外磁路磁势下永磁体提供的气隙有效磁通大,电枢反应的去磁作用减少,外特性较硬,电压变化率减小,短路电流减少,因此径向式转子磁路结构的永磁发电机的运行性能稳定。这些特点十分符合井下仪器用永磁发电机的要求,所以选择使用径向式转子磁路结构。

2永磁电机主要结构尺寸的确定

定子内径D和电枢长度l的确定

根据电机设计原理有:

给定的额定功率为90W,效率η在80%以上,取η为95%,则计算功率为97.5 W。

α为极弧系数,对于小功率发电机α的取值范围在0.5~0.7之间,这里取α为0.7。

KΦ为磁场波形系数,一般取值为:1.1。

Kdp为电枢基波绕组系数,取值为:0.96。

B?啄(T)为电机的气隙磁密,主要由所选的永磁材料的剩余磁密Br决定。初选时可根据永磁材料和磁极结构选取,通常为0.65~0.85 Br。本设计所选的永磁材料为XGS-200,其剩余磁通密度Br为1.02T,矫顽力为HC760kA/m,所以初步选取B?啄为0.8Br,大小是0.816T。

A(A/m)为电负荷,对于连续运行小功率的永磁电机,一般取电负荷

A?燮30A/cm功率小时通常取小值。这里取电负荷为20A/cm。

n为转速,根据给定数据为3000rmp。

λ为长径比:λ=l/D,其中l为电枢长度,一般可取λ为0.4~0.6,这样根据公式计算出定子内径D后可进一步计算得电枢长度l。

经计算定子内径D为:64.9mm,电枢长度l为38.4mm。

·永磁体磁化方向长度bM的计算

K?滓为气隙系数,预取大小为1.1;Ku为电机工作时克服电枢反应的去磁作用,永磁体磁势应增大的系数,在1.04~1.15间预取,本设计中取值为:1.15;KS为磁路饱和系数,可在1.03~1.2范围内预取本设计中取值为:1.2。δ(m)为气隙长度,取值为0.5mm。电机的气隙磁密Bδ(T)取值为:0.816T。

·电枢绕组槽数Z的计算

电枢绕组的槽数根据下式计算得来:

Z=2pmq

其中m为相数,一般来讲电机的相数为3。取每极每相槽数q为1,极对数p为4则电枢绕组的槽数Z为:24。

·线径dcu的计算

绕组中线径的初值可由公式估算得出,但是估算得的线径一般来讲并非符合标准线规的线径,需要进一步根据标准线规表查得标准线径dcu

其中IN(A)是额定电流,由给定的数据得出为:2.12A,

a为并联支路数:1

J(A/mm2)为电流密度,电流密度的选择与发电机的运行状态和冷却条件有关,一般可参考电磁式同步发电机数据选择,但当运行条件和运行状态相同时,永磁式耗损小,故J可稍提高。根据经验数据初始时取J为10A/mm2。

将数据带入公式可得dcu0为:0.26mm。经查标准线规表可得出标准线径dcu=0.3mm。

定子槽尺寸计算

一般来讲,要确定定子槽尺寸首先需要确定槽面积,然后再根据槽面积来计算槽的其余各个尺寸,常见的参考资料都会介绍各种槽形尺寸的计算,这里不再赘述。而槽形尺寸面积的估算公式为:

其中,mc为每槽层数,因为本设计中采用单层槽所以mc为1;mz为绕组并绕根数,在本设计中也选为1;dcum为每根导体最大线径,由于本设计中只有一种线径,所以其大小根据可知为0.3mm ;Ks为预取槽满率一般取大约0.36~0.43;Wc为每槽导体数为24,这样计算得槽面积为:6mm2。

3 结构参数对性能参数的影响分析

在电机设计过程中,不可能一次便设计出完全符合要求的电机,通常要对几个结构参数值进行反复调整才行。发电机的性能参数是由结构参数和材料性能决定的,在永磁发电机的设计计算过程中,为了使设计出的发电机能够满足要求,需要作性能参数的调节,而性能参数的调节是通过改变发电机的结构参数来实现的。如果能够掌握了结构参数影响性能参数和外特性的规律,就可以对结构参数进行有目的和有效的调节,便可以缩短设计周期。

永磁电机的结构参数很多,其中对性能参数影响较大的结构参数如:永磁体磁化方向长度hM,电枢绕组线径dCu、极弧系数а、气隙长度δ等。

在分析各个结构参数对电机性能参数的影响时,用到了Ansoft的RMxprt。这里选用的分析对象为一个三相八极,径向结构的永磁电机。

·永磁体磁化方向长度hM对性能参数的影响

永磁体磁化方向长度hM直接影响到磁体磁动势Fm、永磁体内磁导G0及永磁体虚拟漏磁通Ф0的大小,因而对性能参数中的空载感应电动势和电枢反应电抗都有影响。且分析永磁体的长细比hM/Am影响着永磁体最佳工作点。

hM和性能参数的关系曲线如图3所示。

从图3中可以看出,增加hM将使电枢反应电抗减小,空载感应电势增加,绕组电阻增加,对漏阻抗的影响很小。因为电枢反应电抗对外特性影响较大,减小电枢反应电抗可以使外特性的斜率降低,因此hM是调节外特性的一个重要参数

气隙δ对性能参数的影响

保持样机定子的结构参数不变,但转子有关尺寸会随气隙δ变化作相应的改变,对一组不同的气隙δ进行了电磁计算,计算结果如表2所示,δ与性能参数的关系曲线如图4所示。

气隙δ对绕组电阻影响很小,对漏电抗的影响也很小。从表和图中可看出增加气隙δ将使空载电动势、电枢反应电抗都减小。

极弧系数α对性能参数的影响

保持其它结构参数不变,对一组不同的极弧系数α进行计算,计算结果如表3所示,α和性能参数的关系曲线如图5所示

从表和图中可以看出,增加极弧系数α将使空载电势增加、电枢反应电抗增加从而使固有电压变化率增加。

线径dcu对性能参数的影响

线径dcu只对性能参数中的电阻有影响,增加线径dcu显然能有效地降低电枢绕组电阻,使外特性的斜率降低或绝对电压降减小,同时不影响空载电势和电枢反应电抗。故增大线径也是降低固有电压变化率的一种手段,特别是对低速小容量发电机比较有效。但线径dcu的大小和电流密度有关,并且要保持合理的槽满率,在改变线径时就要相应地改变齿槽尺寸,线径增加,齿槽尺寸也要增加,从而使电机的尺寸增加,另外,由于绕组的重量和线径dcu平方及匝数的一次方成正比,故增大线径的同时用铜量也将有所增加。

4 利用Ansoft对永磁发电机的设计

以一台三相八极、径向结构的永磁电机为例,详细的说明了Ansoft软件在永磁电机设计中的应用,根据电机的技术参数的要求,利用相关公式计算出永磁电机具体结构参数后,首先将各个结构参数输入到RMxprt中,即可查得包括满载数据、空载磁路数据、稳态参数、材料消耗在内的计算结果,当然也可以查询气隙磁密、电压、电流的曲线,但是一般来讲其曲线都失真,要想获得较真时的曲线需要对电机做有限元分析,这就用到了Ansoft软件包中的Maxwell。

5 结语

泥浆永磁同步电机对石油钻井无线随钻测量系统(MWD)有着至关重要的作用。本文结合泥浆永磁同步发电机的特点,利用Ansoft RMxprt对泥浆永磁同步发电机技术进行了研究,并提出了一个可以满足泥浆永磁同步发电机的设计方案。采用根据电机设计原理确定电枢铁心和电枢绕组的初始数据,再利用前面对发电机结构参数与性能参数的影响规律,通过直接调整有关结构参数来改变性能参数,使外特性满足要求的方法。利用Ansoft RMxprt对设计永磁电机所需的结构参数:永磁体磁化方向长度、线径、气隙长度、极弧系数对发电机性能的影响作了分析了解。

参考文献

[1]胡广振,王德江,齐慧彬,陈义成.高效永磁风力发电机的设计.微特电机.1999,33(1):25-28

[2]赵朝会,李遂亮,王新威.径向和切向结构永磁同步发电机的比较研究.大电机技术.2007,(4):1-4

[3]王自,张晓英,陈国第.车用永磁发电机的研制.微电机.2000,33(1):49-53

[4]张兆强.永磁同步风力发电机的有限元分析.大电机技术.2007,(5):19-21

[5]Design and Finite2Element Analysis of an Outer2Rotor Permanent2Magnet Generatorfor Directly Coup led Wind Tur2 bines J ianyi Chen,Chemmangot V. Nayar, Longya XuIEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, Vol. 36, No. 5,SEPTEMBER 2000.