永磁式磁定位器矩角特性的計算與分析

蔡池淵, 張 娟

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司 油田技術(shù)研究院，北京 101149;2.黑龍江省工業(yè)技術(shù)研究院，哈爾濱 150001)

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永磁式磁定位器矩角特性的計算與分析

蔡池淵1, 張 娟2

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司 油田技術(shù)研究院，北京 101149;2.黑龍江省工業(yè)技術(shù)研究院，哈爾濱 150001)

作為一種永磁式磁力機(jī)械，永磁式磁定位器具有運行效率高、定位準(zhǔn)確的特點，在油田隨鉆測井、醫(yī)療器械等方面具有廣泛的應(yīng)用。以一種隨鉆測井用永磁式磁定位器為研究對象，在對其結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采用有限元法計算磁定位器的電磁場和矩角特性，并對不同極數(shù)、不同齒寬時的矩角特性進(jìn)行對比研究。研究結(jié)果表明，合理的極對數(shù)和齒寬的選擇能夠有效提高磁定位器的最大轉(zhuǎn)矩。在此基礎(chǔ)上，研制了一臺樣機(jī)并進(jìn)行了實驗研究。仿真和實驗結(jié)果驗證了采用數(shù)值計算進(jìn)行永磁式磁定位器分析和設(shè)計的有效性。

磁定位器；矩角特性；有限元法

0 引 言

作為一種磁力機(jī)械，永磁式磁定位器具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、運行效率高、定位準(zhǔn)確等一系列優(yōu)點，在油田測井定量采樣系統(tǒng)、醫(yī)療器械等方面具有廣泛的應(yīng)用[1, 3]。然而，由于尺寸和參數(shù)的選擇對磁定位器內(nèi)的氣隙磁場的影響較大，磁定位器的矩角特性隨尺寸和參數(shù)的變化比較敏感。因此，如何合理地選擇尺寸和參數(shù)，一直是磁定位器研究中的關(guān)鍵問題[4]。

評價磁定位器的主要指標(biāo)包括矩角特性和最大轉(zhuǎn)矩。在磁定位器的設(shè)計中，需要合理確定尺寸和電磁參數(shù)，從而在一定的體積下得到盡可能大的轉(zhuǎn)矩。盡管磁定位器的結(jié)構(gòu)比較簡單，但是關(guān)于其設(shè)計計算的參考文獻(xiàn)相對較少。本文以一種油田測井定量采樣系統(tǒng)用永磁式磁定位器為研究對象，在對其結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采用有限元法計算磁定位器的電磁場和矩角特性，并對不同極數(shù)、不同齒寬時的矩角特性進(jìn)行對比研究。

1 工作機(jī)理分析與電磁場計算

1.1 結(jié)構(gòu)與工作機(jī)理分析

本文所研究的永磁式磁定位器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 永磁式磁定位器結(jié)構(gòu)

永磁式磁定位器由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，轉(zhuǎn)子與測井定量采樣系統(tǒng)中的電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸連接，定子固定在系統(tǒng)臺架上。其中，轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子軛和N、S 極性交替排列的多塊永磁體組成，它作為磁定位器磁路中的磁勢源，用于提供磁動勢，從而產(chǎn)生氣隙磁場；定子由帶齒槽結(jié)構(gòu)的硅鋼片疊壓而成。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子帶動磁定位器轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)磁阻最小原理，定子和轉(zhuǎn)子之間將產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，從而提供定位功能。由于定子為磁阻結(jié)構(gòu)，因此定子和轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)矩本質(zhì)上為磁阻轉(zhuǎn)矩。圖2為永磁式磁定位器典型的矩角特性曲線，其中橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，縱坐標(biāo)為定轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)矩。

圖2 永磁式磁定位器的典型矩角特性曲線

可以看出，a點為磁定位器的不穩(wěn)定平衡點，c點為磁定位器的穩(wěn)定平穩(wěn)點。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子停在a點和c點之間的任意位置時，磁定位器的正向轉(zhuǎn)矩會使得轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，最終穩(wěn)定在c點；同理，當(dāng)轉(zhuǎn)子停在c點和d點之間的任意位置時，磁定位器的負(fù)向轉(zhuǎn)矩會使得轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，最終也穩(wěn)定在c點。這就是磁定位器實現(xiàn)定位功能的原理。因此，在一個機(jī)械圓周上，磁定位器有2p個定位位置，其中p為磁定位器的極對數(shù)。

需說明的是，在永磁式磁定位器的設(shè)計中和分析，靜態(tài)矩角特性是需要考慮的主要性能指標(biāo)，尤其是最大輸出轉(zhuǎn)矩需滿足應(yīng)用要求。這就需要設(shè)計者合理地確定尺寸和電磁參數(shù)，從而在一定的體積下得到盡可能大的輸出轉(zhuǎn)矩。

1.2 電磁場數(shù)值計算

永磁式磁定位器的設(shè)計和分析應(yīng)以電磁場計算為基礎(chǔ)。忽略磁定位器軸向有限長度所帶來的軸向端部效應(yīng)時，可通過二維電磁場樹脂計算對其進(jìn)行計算和分析，從而得到靜態(tài)和動態(tài)矩角特性曲線。

本文采用ANSYS Maxwell有限元計算軟件，對磁定位器內(nèi)的二維電磁場進(jìn)行數(shù)值計算。求解區(qū)域如圖3所示，其中定子外徑為49 mm。極對數(shù)為6時，磁定位器內(nèi)的磁場分布如圖4所示。

圖3 磁定位器的求解區(qū)域

圖4 磁定位器內(nèi)的磁力線分布

可以看出，磁定位器內(nèi)的磁通可分為兩部分：主磁通穿過氣隙，經(jīng)定子齒和定子軛形成閉合磁回路，用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；而相鄰永磁體之間存在較大的漏磁。磁定位器優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)即是盡可能減小漏磁通，增大主磁通，從而得到盡可能大的轉(zhuǎn)矩。

2 矩角特性計算與分析

2.1 矩角特性計算

利用商用有限元軟件，建立穩(wěn)態(tài)電磁場模型，通過逐步改變轉(zhuǎn)子位置，并計算相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，即可得到永磁式磁定位器的矩角特性曲線。當(dāng)定子外徑為49 mm，軸向長度為23 mm，極對數(shù)為6，定子齒所跨角度為10°時，計算得到磁定位器的矩角特性如圖5所示。

圖5 極對數(shù)為6時的矩角特性

可以看出，在磁定位器的矩角特性中，主要成分為基波轉(zhuǎn)矩，同時也存在較大成分的二次轉(zhuǎn)矩分量，它使得矩角特性曲線的左右半周呈現(xiàn)不對稱現(xiàn)象。

2.2 極對數(shù)和定子齒寬對矩角特性的影響分析

在永磁磁力耦合器主要尺寸一定的前提下，磁定位器的極數(shù)對輸出轉(zhuǎn)矩的影響比較大。若磁定位器的極數(shù)較少，由于此時單個磁極所跨的機(jī)械角度較大，氣隙中磁通密度將呈現(xiàn)平頂波，使磁密的幅值降低，因此磁定位器的最大轉(zhuǎn)矩也將減小；反之，若過度增加磁定位器的極數(shù)，磁極間漏磁將增加，使永磁體的利用率降低，最大輸出轉(zhuǎn)矩也將下降。此外，定子齒寬對磁定位器的轉(zhuǎn)矩也有較大的影響；定子齒寬影響氣隙磁密的大小和氣隙磁場分布，從而影響磁定位器的矩角特性。

本文分別計算了5對極、6對極和7對極三種情況下，定子齒所跨角度從4°變化到14°時永磁式磁定位器所能傳遞的最大轉(zhuǎn)矩，其結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同極對數(shù)時的矩角特性比較

通過對比可以看出，在本文的給定尺寸下，當(dāng)極對數(shù)為6、定子齒所跨角度為5°時，可以得到最大轉(zhuǎn)矩。

3 實驗研究

根據(jù)以上計算結(jié)果，本文制作了樣機(jī)，其示意圖如圖7所示。

圖7 永磁式磁定位器樣機(jī)

本文利用壓力傳感器對6對極磁定位器樣機(jī)的矩角特性進(jìn)行了測試。具體測試過程：將磁定位器定子通過卡盤固定在分度盤上，轉(zhuǎn)子通過剛性桿水平地壓按在傳感器上。在測試中，需保證剛性桿始終處在水平位置，否則將對測試結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。通過調(diào)整分度頭的位置來改變磁定位器轉(zhuǎn)子和定子之間的角度，將壓力傳感器的輸出電壓換算成對應(yīng)的壓力值，然后乘以剛性桿的長度(即力臂)可獲得在相應(yīng)位置處轉(zhuǎn)子和定子之間所傳遞的轉(zhuǎn)矩大小。

測試得到的最大轉(zhuǎn)矩約為1.6 N·m，而計算得到的最大轉(zhuǎn)矩為1.671 N·m。

可以看出，測試結(jié)果與有限元計算結(jié)果之間的誤差較小，驗證了采用數(shù)值計算進(jìn)行永磁式磁定位器設(shè)計和分析的有效性和正確性。兩者之間的誤差主要是由于永磁體磁特性不一致造成的。

4 結(jié) 論

(1)永磁式磁定位器的轉(zhuǎn)矩中除了基波分量外，還存在較大成分的二次分量。

(2) 極對數(shù)和定子齒寬對永磁式磁定位器的矩角特性有較大的影響。

[1] KIM Cherl-Jin,LEE Kwan-Yong,HAN Kyoung-Hee,et al.A study on the constant braking performance of eddy current braker with speed variation[C]//Proc.of IEEE Int.Conf.Electrical Machines and Systems (ICEMS),北京,2003:217-221.

[2] 李勇,崔友,陸永平.一種高速電磁制動器制動過程的動態(tài)特性分析[J].電工技術(shù)學(xué)報，2007,22(8):131-135.

[3] 崔予柯.線性永磁制動器的原理與特性研究[J].煤礦機(jī)電，2012,(3):59-61.

[4] 菅志軍.永磁磁力耦合器矩角特性和渦流損耗的研究[J].微電機(jī)，2013,45(8):34-37.

Computation and Analysis of Torque-Angle Characteristic of Magnetic Trackers with Permanent Magnet Excitation

CAIChi-yuan,ZHANGJuan

(1.Oilfield Technology Research Institute,COSL,Beijing 101149,China; 2.Industrial Technology Research Institute of Heilongjiang Province,Harbin 150001,China)

As a kind of permanent-magnet(PM)-type magnetic machinery, the PM magnetic tracker apparatus enjoys the features of high efficiency, accurate positioning, and has been widely used in oil field logging, medical equipment, etc. In this paper, a PM magnetic tracker used in oil field logging was set as the research object, and its structure and working principle were analyzed. Based on it, the magnetic field and torque-angle characteristic were calculated using finite element method. Further, the pole and stator tooth width were optimized to achieve the higher torque. It is shown that the reasonable choice pole number and tooth width can effectively improve the maximum torque of the magnetic tracker. On this basis, a prototype was designed and manuscript. The comparison of experimental and calculation results prove the validity and correctness of the analysis above.

magnetic tracker； torque-angle characteristic； finite element method

2015-04-27

TM351

A

1004-7018(2016)01-0022-02