复合式圆筒型磁通切换潜油直线电机研究

作     者：曹壮 

作者单位：苏州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘吉柱

授予年度：2022年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

主      题：复合式潜油柱塞泵 磁通切换直线电机 电磁分析 温度场分析 

摘      要：随着我国经济快速发展,各行各业对石油的需求量与日俱增,当前采用设备对低产液井的适应性较差,大量的低产量井未得到开采。潜油电机是潜油举升系统中重要的驱动源,它的设计直接关系到整体系统的性能指标。通常潜油直驱柱塞泵系统主要包含潜油直线电机、保护器、柱塞泵、扶正器及井下传感器。这种结构存在机组尺寸过长,永磁体易发生退磁、腐蚀、压溃等问题,大大影响系统寿命。针对上述问题,本文设计了一款复合式圆筒型磁通切换直线电机应用于潜油直驱柱塞泵系统,并对其电磁及温度场进行了仿真和实验研究。首先,本文针对当前潜油直驱柱塞泵机组尺寸过长,永磁体易失效等问题,参考潜油柱塞泵系统架构,对复合式磁通切换潜油电泵进行结构方案设计,提出将圆筒型磁通切换直线电机次级中孔与柱塞泵柱塞复合的方式,降低系统尺寸,电机永磁体与绕组位于同一侧,有助于解决散热问题。研究电机磁场调质机理,作为指导电机设计的依据,同时对电机运动特性进行分析,得出推力及运动关系。其次,对圆筒型磁通切换直线电机进行几何建模,结合电机设计理论,对比槽极方案及绕组方案的优缺点,根据井下工况确定电机整体尺寸约束。再将电机待优化尺寸进行参数化建模,通过有限元法对比,总结出几何参数尺寸与电机性能指标之间的变化规律。选择出较优的电磁方案,并对优化后电机性能进行分析。然后,根据电磁场损耗理论,对电机各部分热源进行分析。通过有限元法求出优化后电机关键位置损耗的数学模型,根据热力学相关理论,计算出关键部位热生成率及换热系数。根据电机损耗的数学模型及关键位置固液面的换热系数,最终通过仿真分析计算出复合式磁通切换直线电机温度稳态场,分析并总结复合电泵温度分布特点,对比不同的铁芯材料温度分布情况,并研究温度对电机性能的影响变化规律。最后,根据设计方案制作单元样机,通过测试平台采集电机反电动势、齿槽力、推力、响应、误差、温升等关键参数。与仿真对比,验证了设计方案的准确性,对潜油直驱柱塞泵的结构设计提供一定的借鉴意义。