井下泥浆涡轮永磁同步发电机的优化设计

作     者：王德鹏 

作者单位：青岛理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周晓燕

授予年度：2022年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 082001[工学-油气井工程] 080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：涡轮永磁同步发电机 解析算法 齿槽转矩 模拟退火算法 田口算法 效率 

摘      要：在石油钻井的过程中,随钻测试仪器能够及时测量反馈井的斜度、方位、井下温度、钻杆扭矩等参数,是钻井工程顺利进行的安全保障。大多数随钻测试仪器的供电采用锂电池,此种方式存在供电量小、安全度小、污染严重等多种弊端。采用永磁同步发电机的供电方式可克服掉锂电池供电所带来的诸多缺陷,提高供电稳定性,能够为钻井工程的顺利进行提供相应保障。石油钻井过程中,通常采用循环泥浆对钻头进行冷却和润滑,若将流动泥浆中蕴含的压能和势能转化为电能,可达到循环利用能源,节能减排的目的。本文正是以一台依靠循环泥浆来进行发电的井下泥浆涡轮永磁同步发电机为研究对象,通过改良电机参数达到降低永磁电机齿槽转矩,改善电机性能,提高发电效率的目的。首先以井下泥浆涡轮永磁同步发电机为原型,建立了其在空载和负载状态下的全局解析模型,在电机各区域建立了矢量磁位方程,采用分离变量法求解了各区域偏微分方程并得到解析解,解析解反映了电机模型结构参数对磁场的影响。将解析计算结果与有限元计算结果进行了对比,验证了所建立解析模型的合理性和精确性。其次以解析模型为基础,利用麦克斯韦张量法推导出了电机齿槽转矩解析计算表达式,并提出了全局解析-模拟退火算法。以电机定子槽口宽度、极弧系数、永磁体厚度、气隙长度为优化变量,以齿槽转矩幅值为优化目标,分别进行了单变量优化实验和多变量优化实验,优化结果显示:不同的优化实验可使得电机齿槽转矩有不同程度的降低,但多变量优化效果要高于单变量优化效果,电机齿槽转矩幅值降低更明显。根据不同实验的优化结果分别对电机进行了重新建模,对优化后各电机模型的空载气隙磁密、空载感应电动势、气隙磁密谐波中的高次谐波含量状况与优化前进行了比较,证明了本文新提出的全局解析-模拟退火算法对于电机优化效果的显著性。再次永磁同步发电机的效率高低是客观反应电机性能的重要指标,电机效率运算一般都是基于有限元模型进行,然而全局解析-模拟退火算法的应用对象为解析模型,因此无法直接对电机效率进行优化设计,所以本文采用田口算法对电机进行的效率优化。田口算法本质为一种实验工程优化法,因此需要大量的工程实验数据作为分析的基础,另外,本算法是一种局部寻优算法,相比于全局解析-模拟退火算法这种全局寻优算法寻优区间要小一些,所以更方便进行工程实验,鉴于上述几点,本文电机效率的优化实验是基于有限元计算模型。最后,通过对各组实验结果进行均值分析,因子效应分析、方差分析,寻找到了电机设计的最优参数组合,使得电机损耗大幅降低,效率明显提升,电机性能也得到了显著改善。