井下渦輪永磁發電機設計及其有限元分析

馮進，董斌，陳斌

(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

井下渦輪永磁發電機設計及其有限元分析

馮進，董斌，陳斌

(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

為滿足現代鉆井供電的長時間和大功率要求，采用理論計算和有限元分析相結合的方法設計了一種渦輪驅動的井下永磁發電機。發電機在額定轉速2500r/min時，輸出相電壓有效值為48.6V，功率1026W，最高轉速4050r/min,輸出相電壓為82.3V。采用Ansoft Maxwell軟件對發電機進行電磁場分析，確定了發電機負載特性，利用Ansoft Maxwell軟件和Workbench軟件聯合進行發電機的熱力學分析，確定了穩態最大溫升為21.99℃。該設計對井下儀器供電有重要意義。

渦輪永磁發電機;電磁場分析;熱力學分析

隨著鉆井技術發展，集測量、傳輸和控制于一體的井下智能儀器在鉆井過程發揮的作用越來越大，對電量要求也越來越大[1]。傳統的高溫鋰電池供電有諸多弊端：輸出功率較小，不能滿足儀器大功率用電要求；電量有限，更換頻繁，停鉆增加鉆井費用；使用條件有限，目前只能低于160℃井下工作；易泄露，造成井下污染[2]。井下渦輪永磁發電機可有效解決鋰電池諸多弊端，理論使用時間無限。國外產品連續使用時間已達500h以上，維修時只需要更換少數易損件(如軸承)，可重復使用，提供電功率較大，耐高溫，已在MWD/LWD(隨鉆測量系統/隨鉆測井系統)、自動垂直鉆井系統及旋轉導向系統中得到了廣泛的應用。因此，研究井下渦輪永磁發電機具有重要的意義。

1 井下渦輪永磁發電機結構設計

井下渦輪永磁發電機按連接方式不同可以分為旋轉動密硬連接形式和磁耦合連接形式2種。旋轉動密硬連接形式井下渦輪永磁發電機動密封易磨損造成泄露，磁耦合連接形式井下渦輪永磁發電機由于軸向長度增加造成負載突變時易產生柔性諧振和滑脫[2]。為了克服這2種形式井下渦輪永磁發電機的缺點，筆者設計的井下渦輪永磁發電機采用自動補償式動密封和磁耦合傳動相結合的結構，具體結構如圖1所示。

注：1-端蓋；2-隔離罩；3-深溝球軸承；4-活塞環；5-渦輪；6-高速扶正軸承；7-高速推力軸承；8-活塞環；9-補償彈簧；10-接頭；11-軸承座；12-角接觸軸承；13-定子組件；14-轉子組件；15-機座；16-導線；17-軸承座；18-角接觸軸承；19-電源管理裝置；20-卡扣；21-轉軸；22-高速動密封組件；23-定位環；24-磁耦合器外磁鋼；25-磁耦合器內磁鋼；26-高速動密封組件；27-補償彈簧；28-定位環；29-墊片；30-螺栓。圖1 井下渦輪永磁發電機結構示意圖

發電機的補償式動密封結構由補償彈簧(9)、補償彈簧(27)、高速動密封組件(22)、高速動密封組件(26)、活塞環(4)和活塞環(8)組成，構成2對補償式高速動密封[3]。2對補償式高速動密封之間充滿高溫潤滑油，當潤滑油損失時補償彈簧自動補償潤滑油體積變化，動密封間壓強比外面大，阻止泥漿進入動密封，提高了軸承壽命。磁耦合器的內外磁鋼分別與渦輪和轉軸固連，在隔離罩的作用下，發電機內空間形成完全密封，完全隔離泥漿。該結構發電機不會出現泄露和滑脫現象，可以提高發電機的壽命。

2 井下渦輪永磁發電機參數設計

2.1 永磁材料選擇

由于井下高溫環境和發電機徑向尺寸受限，所以要求永磁材料居里溫度點高﹑溫度系數小和磁能積大。常用于工業的3種永磁材料(釹鐵硼永磁材料、釤鈷永磁材料和鐵氧體永磁材料)中，釹鐵硼永磁材料溫度系數大，不適用在高溫環境，鐵氧體永磁材料最大磁能積較小，發電機尺寸大。綜合考慮，選用釤鈷永磁材料YXG-30系類，居里溫度高達710～810℃，溫度系數僅為-0.0003%K-1，最大磁能積220～240kJ/m3。

2.2 永磁體體積估算

從電機外特性出發，估算發電機所需永磁體體積[4]：

(1)

式中，PN是發電機額定容量，kW；σ0是漏磁系數；Kad是將直軸電樞磁動勢折算到轉子磁動勢的折算系數；KFd是發電機短路時每對極的永磁體磁動勢與2倍直軸電樞磁動勢的倍數；f是頻率,Hz；Ku是電壓系數；KΦ是氣隙磁通波形系數；C是永磁體磁利用系數，C=bm0hmk，一般bm0≈0.60～0.85,hmk≈0.6～0.7；(BH)max是永磁體最大磁能積,kJ/m3。

系數σ0﹑Kad﹑KFd﹑Ku和KΦ均在一定范圍，PN﹑f和(BH)max給定，預計永磁體磁利用系數C即可確定所需永磁體體積。

2.3 磁路計算

空載磁通計算公式為：

(2)

計算各部分磁壓降和磁導，確定空載工作點，進而取得空載氣隙磁通：

Φδ0=(bm0-hm0λσ)BrAm

(3)

式中，bm0是永磁體空載時磁感應強度標幺值；hm0是永磁體空載時退磁強度標幺值；λσ是漏磁導標幺值；Br是永磁體剩磁密度,T；Am是永磁體提供每極磁通的截面積,mm2。

結合理論計算和電磁場有限元分析，確定了井下渦輪永磁發電機相關性能參數，如表1所示。

3 井下渦輪永磁發電機電磁場分析

Ansoft Maxwell軟件是一款計算結果精確和功能強大的二維/三維電磁場有限元分析軟件。建立井下渦輪永磁發電機模型，設置外電路，采用瞬態求解器進行電機的負載電磁場分析，確定額定負載時轉速與輸出電壓關系、轉速與輸出功率關系、轉速與效率關系、轉速與驅動力矩關系以及不同負載下的轉速與輸出電壓關系。

表1 井下渦輪永磁發電機相關性能參數

3.1 發電機額定負載時轉速與輸出電壓關系

發電機額定負載為6.9Ω，通過仿真分析知道額定轉速2500r/min時輸出電壓為48.6V，最高轉速4050r/min時輸出電壓為78.2V。繪制從轉速從0開始(等間距300r/min)至4800r/min不同轉速下輸出電壓曲線圖(見圖2)，發電機額定負載時電壓與轉速呈良好線性關系，轉速每增加300r/min輸出電壓有效值增加5.74V。

3.2 發電機額定負載時轉速與輸出功率關系

輸出功率計算公式為：

(4)

式中，U幅值為輸出電壓幅值，V；R負載為負載電阻阻值,Ω。

根據仿真出的輸出相電壓幅值就可以計算出輸出功率，圖3是額定負載情況下轉速與輸出功率關系圖。額定轉速發電機輸出功率為1026W，4050r/min時輸出轉速功率為2656W，輸出功率曲線類似拋物線，隨著轉速的增加，輸出功率增速越來越快。

圖2 額定負載時轉速與輸出電壓關系 圖3 額定負載時轉速與輸出功率關系

3.3 發電機額定負載時轉速與效率關系

發電機的損耗由定子繞組銅損耗PCu﹑鐵損耗PFe和機械損耗Pmec組成，定子繞組銅損耗和鐵損耗可通過有限元分析得到，機械損耗很難準確計算，依據Y系列感應電動機實際測量結果取機械損耗為16W。圖4為額定負載情況下轉速和效率關系圖，由圖4可知，當轉速為2100r/min時發電機效率就超過90%，額定轉速2500r/min時效率為91%，隨著轉速增大，發電機效率越來越高，但增幅不明顯。

3.4 發電機額定負載時轉速與驅動力矩關系

同步發電機的轉矩方程為：

T1=T0+Tem

(5)

圖5為發電機轉速與驅動力矩關系圖，由圖5可知，驅動力矩越來越大，驅動力矩增加速度也是越來越大，最后驅動力矩增加速度趨近一個定值：轉速每增加300r/min驅動力矩增加0.48N·m。發電機驅動力矩由渦輪提供，該曲線是渦輪設計依據,驅動渦輪必須滿足以下2點設計要求：在最小工作流量20L/s下額定轉速2500r/min時輸出扭矩為4.33N·m；在最大工作流量30L/s，渦輪的轉速與輸出扭矩曲線和發電機的轉速與驅動力矩曲線交點處轉速即發電機最高工作轉速，電樞繞組的電流密度滿足要求。該發電機設計的渦輪滿足上述2點設計要求，確定發電機的最大轉速為4050r/min。

圖4 額定負載時轉速與效率關系 圖5 額定負載時轉速與驅動力矩關系

3.5 發電機不同負載電機輸出電壓特性

發電機在井下工作時負載通常是在一個范圍內變化的，需要在不同的負載(1﹑2﹑3﹑4、7﹑10Ω)情況下仿真測定發電機輸出特性，結果如圖6所示。由圖6可知，同負載時輸出電壓隨轉速增大而增大，同轉速時負載越大輸出電壓越大：負載為4﹑7、10Ω時，輸出電壓與轉速呈良好線性關系，且輸出電壓相差不大；負載為1﹑2、3Ω時輸出電壓與轉速的線性關系較差，轉速越高，輸出電壓增加速度越小。

4 發電機熱力學分析與溫度場分布

發電機銅損是造成發電機溫升的主要原因，轉速越高發電機相電壓越大，銅損越大，所以發電機最大溫升發生在最高轉速時候。溫升越高，永磁體磁性能下降越多，同時對電樞繞組的絕緣也是考驗。采用Ansoft Maxwell軟件與Workbench軟件聯合進行發電機電磁熱耦合有限元仿真，按最大轉速(4050r/min)進行分析。設計應用環境溫度200℃，即發電機定子外溫度200℃，發電機工作時定子外流淌著高速泥漿，所以對流換熱類型為水流冷卻類型。發電機的溫度場分布圖如圖7，發電機最大溫升為21.99℃，出現在電樞繞組上。

圖6 不同負載時轉速與輸出電壓關系 圖7 發電機溫度場分布

5 結論

1)采用電磁場﹑流場及溫度場等多物理場仿真分析與理論設計計算相結合方法，可提高設計準確性，縮短設計周期。

2)負載R≥4Ω時，輸出電壓與轉速呈良好的線性關系；負載R≤3Ω時，輸出電壓與轉速的線性關系較差，這是由于電阻越小電樞繞組電流增長的速度越快，電樞繞組產生與磁鋼磁場反向的磁場，從而削弱電樞繞組的有效切割磁感線效果越強引起的。

3)電樞繞組采用R級絕緣所能承受的最大溫度為240℃，通過發電機溫度場分布有限元分析知道電樞繞組最高溫度221.99℃，說明發電機電樞繞組絕緣等級是滿足要求的。

[1]呂官云，孫峰，馮進，等.一種井下發電機的渦輪設計及其測試[J].石油天然氣學報(江漢石油學院學報)，2013,33(5):152～155.

[2]黃曉凡，林恩懷.石油鉆井用泥漿發電機綜述[J].石油儀器，2013,27(1)：31～33.

[3]彭勇，蔣莊德.自動垂直鉆井工具用渦輪發電機磁力驅動器設計[J].石油鉆采工藝，2014,36(1)：126～128.

[4]周靜，雷瑞利，常鵬.井下永磁發電機的設計與試驗分析[J]．微電機，2014，47(3)：11～15.

[5]唐任遠.現代永磁電機理論與設計[M].北京：機械工業出版社，1997：300.

[編輯] 洪云飛

2017-01-19

馮進(1958-)，男，博士，教授，現主要從事流體機械設計方面的教學與研究工作，feng_jincad@126.com。

TE92

A

1673-1409(2017)09-0017-05

[引著格式]馮進，董斌，陳斌.井下渦輪永磁發電機設計及其有限元分析[J].長江大學學報(自科版)，2017,14(9)：17～21.