永磁式磁定位器矩角特性的計算與分析

蔡池淵, 張 娟

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

?

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.中海油田服務股份有限公司 油田技術研究院，北京 101149;2.黑龍江省工業技術研究院，哈爾濱 150001)

作為一種永磁式磁力機械，永磁式磁定位器具有運行效率高、定位準確的特點，在油田隨鉆測井、醫療器械等方面具有廣泛的應用。以一種隨鉆測井用永磁式磁定位器為研究對象，在對其結構和工作機理進行分析的基礎上，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、不同齒寬時的矩角特性進行對比研究。研究結果表明，合理的極對數和齒寬的選擇能夠有效提高磁定位器的最大轉矩。在此基礎上，研制了一臺樣機并進行了實驗研究。仿真和實驗結果驗證了采用數值計算進行永磁式磁定位器分析和設計的有效性。

磁定位器；矩角特性；有限元法

0 引 言

作為一種磁力機械，永磁式磁定位器具有結構簡單、運行可靠、運行效率高、定位準確等一系列優點，在油田測井定量采樣系統、醫療器械等方面具有廣泛的應用[1, 3]。然而，由于尺寸和參數的選擇對磁定位器內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的變化比較敏感。因此，如何合理地選擇尺寸和參數，一直是磁定位器研究中的關鍵問題[4]。

評價磁定位器的主要指標包括矩角特性和最大轉矩。在磁定位器的設計中，需要合理確定尺寸和電磁參數，從而在一定的體積下得到盡可能大的轉矩。盡管磁定位器的結構比較簡單，但是關于其設計計算的參考文獻相對較少。本文以一種油田測井定量采樣系統用永磁式磁定位器為研究對象，在對其結構和工作機理進行分析的基礎上，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、不同齒寬時的矩角特性進行對比研究。

1 工作機理分析與電磁場計算

1.1 結構與工作機理分析

本文所研究的永磁式磁定位器的結構如圖1所示。

圖1 永磁式磁定位器結構

永磁式磁定位器由定子和轉子兩部分組成，轉子與測井定量采樣系統中的電機轉子同軸連接，定子固定在系統臺架上。其中，轉子由轉子軛和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，從而產生氣隙磁場；定子由帶齒槽結構的硅鋼片疊壓而成。

當電機轉子帶動磁定位器轉子旋轉時，根據磁阻最小原理，定子和轉子之間將產生轉矩，從而提供定位功能。由于定子為磁阻結構，因此定子和轉子之間的轉矩本質上為磁阻轉矩。圖2為永磁式磁定位器典型的矩角特性曲線，其中橫坐標為轉子轉角，縱坐標為定轉子之間的轉矩。

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定平衡點，c點為磁定位器的穩定平穩點。當電機轉子停在a點和c點之間的任意位置時，磁定位器的正向轉矩會使得轉子繼續旋轉，最終穩定在c點；同理，當轉子停在c點和d點之間的任意位置時，磁定位器的負向轉矩會使得轉子反轉，最終也穩定在c點。這就是磁定位器實現定位功能的原理。因此，在一個機械圓周上，磁定位器有2p個定位位置，其中p為磁定位器的極對數。

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

1.2 電磁場數值計算

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

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

圖3 磁定位器的求解區域

圖4 磁定位器內的磁力線分布

可以看出，磁定位器內的磁通可分為兩部分：主磁通穿過氣隙，經定子齒和定子軛形成閉合磁回路，用于產生轉矩；而相鄰永磁體之間存在較大的漏磁。磁定位器優化設計的目標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，建立穩態電磁場模型，通過逐步改變轉子位置，并計算相應的轉矩，即可得到永磁式磁定位器的矩角特性曲線。當定子外徑為49 mm，軸向長度為23 mm，極對數為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，主要成分為基波轉矩，同時也存在較大成分的二次轉矩分量，它使得矩角特性曲線的左右半周呈現不對稱現象。

2.2 極對數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，磁定位器的極數對輸出轉矩的影響比較大。若磁定位器的極數較少，由于此時單個磁極所跨的機械角度較大，氣隙中磁通密度將呈現平頂波，使磁密的幅值降低，因此磁定位器的最大轉矩也將減小；反之，若過度增加磁定位器的極數，磁極間漏磁將增加，使永磁體的利用率降低，最大輸出轉矩也將下降。此外，定子齒寬對磁定位器的轉矩也有較大的影響；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矩，其結果如圖6所示。

圖6 不同極對數時的矩角特性比較

通過對比可以看出，在本文的給定尺寸下，當極對數為6、定子齒所跨角度為5°時，可以得到最大轉矩。

3 實驗研究

根據以上計算結果，本文制作了樣機，其示意圖如圖7所示。

圖7 永磁式磁定位器樣機

本文利用壓力傳感器對6對極磁定位器樣機的矩角特性進行了測試。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，否則將對測試結果產生較大的影響。通過調整分度頭的位置來改變磁定位器轉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的壓力值，然后乘以剛性桿的長度(即力臂)可獲得在相應位置處轉子和定子之間所傳遞的轉矩大小。

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

可以看出，測試結果與有限元計算結果之間的誤差較小，驗證了采用數值計算進行永磁式磁定位器設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 論

(1)永磁式磁定位器的轉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特性分析[J].電工技術學報，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，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