抽油機(jī)用盤式開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)*

韓朋 邊敦新 熊立新， 程建軍 夏強(qiáng) 馬宏昌 魯炳林

(1.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 2.山東科匯電力自動(dòng)化股份有限公司)

0 引 言

游梁式抽油機(jī)的膠帶傳動(dòng)系統(tǒng)在工作中極易出現(xiàn)問(wèn)題，如打滑、丟轉(zhuǎn)、降低傳動(dòng)效率和減速器受力不均等[1]。為了解決這些問(wèn)題，采用盤式電機(jī)主軸與減速器直接相連的半直驅(qū)方式。盤式電機(jī)則成為解決這些問(wèn)題的核心部件。目前，國(guó)內(nèi)已有盤式永磁同步電機(jī)應(yīng)用于游梁式抽油機(jī)的實(shí)例[2]，但是永磁同步電機(jī)存在成本高及永磁體不可逆退磁等問(wèn)題，而且永磁體退磁極易導(dǎo)致電機(jī)效率降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致不能平穩(wěn)啟動(dòng)抽油機(jī)。而開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor，SRM)與之相比，內(nèi)部沒(méi)有永磁體，且具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、轉(zhuǎn)速范圍寬、運(yùn)行效率高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大且電流小、可頻繁啟停以及過(guò)載能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)研究已經(jīng)比較成熟，且成功應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，如紡織、鍛造、液壓、油田和牽引機(jī)車等領(lǐng)域，特別是在抽油機(jī)上的應(yīng)用，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)相比其他類型的電機(jī)具有節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，且抽油機(jī)工作特性與電機(jī)合理匹配密不可分[3-4]。目前對(duì)盤式開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的研究大多都停留在試驗(yàn)研究階段，隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)盤式開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的需求日益廣泛，特別是其在抽油機(jī)中的應(yīng)用更為迫切，需要結(jié)合產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用需求開(kāi)展研究。

盤式SRM分為徑向磁通和軸向磁通兩類。徑向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(Radial-Flux Switched Reluctance Motor，RFSRM)結(jié)構(gòu)分為內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子兩種結(jié)構(gòu)。而軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(Axial-Flux Switched Reluctance Motor， AFSRM)結(jié)構(gòu)各式各樣，依據(jù)氣隙的分布及數(shù)量，分為單層氣隙、兩層氣隙和多層氣隙的結(jié)構(gòu)。兩層氣隙的AFSRM結(jié)構(gòu)又可分為U形、C形、內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)子和內(nèi)側(cè)定子等結(jié)構(gòu)[5-9]。

RFSRM的磁場(chǎng)在軸向具有對(duì)稱性，用簡(jiǎn)單的二維模型就能得到相對(duì)準(zhǔn)確的結(jié)果。而AFSRM的軸向和徑向磁場(chǎng)都不具有對(duì)稱性，造成了在非對(duì)齊位置時(shí)，傳統(tǒng)的解析法非常復(fù)雜且針對(duì)的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)限制也很大[10]，往往一換結(jié)構(gòu)就需要重新推導(dǎo)。文獻(xiàn)[11-13]中說(shuō)明，準(zhǔn)三維解析法在軸向磁通的永磁同步電機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用，而且對(duì)于軸向磁通的電機(jī)適用性強(qiáng)。文獻(xiàn)[14]中，運(yùn)用該方法計(jì)算了AFSRM在兩個(gè)關(guān)鍵位置的磁化曲線，但是非對(duì)齊位置的邊緣磁導(dǎo)部分造成了重復(fù)計(jì)算。對(duì)于這兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)的對(duì)比研究中，文獻(xiàn)[15]對(duì)8/6的兩種電機(jī)在定子極的面積相等的情況下，對(duì)兩電機(jī)的性能進(jìn)行了對(duì)比，得出了AFSRM在轉(zhuǎn)矩上比RFSRM更有優(yōu)勢(shì)的結(jié)論。文獻(xiàn)[16-17]研究說(shuō)明對(duì)于轉(zhuǎn)矩的改進(jìn)方面，更傾向于AFSRM。目前的研究中，多是針對(duì)一個(gè)特定尺寸約束進(jìn)行的研究。在實(shí)際應(yīng)用中，尺寸約束存在一個(gè)范圍。本文旨在研究尺寸約束范圍內(nèi)，電機(jī)兩種結(jié)構(gòu)是否都能滿足性能要求，選取哪一種結(jié)構(gòu)達(dá)到效益的最大化。

本文以內(nèi)轉(zhuǎn)子的RFSRM和內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)子的AFSRM為研究對(duì)象，在額定功率和轉(zhuǎn)速相同，軸向和徑向尺寸都滿足實(shí)際尺寸約束的情況下，對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)的盤式SRM進(jìn)行了主要尺寸及轉(zhuǎn)矩公式推導(dǎo)，并結(jié)合轉(zhuǎn)矩公式對(duì)轉(zhuǎn)矩性能進(jìn)行了比較分析。運(yùn)用解析法對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的電機(jī)磁化曲線進(jìn)行了計(jì)算。在準(zhǔn)三維解析法的基礎(chǔ)上，應(yīng)用直線開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的氣息磁導(dǎo)求解方法計(jì)算了AFSRM在非對(duì)齊位置的磁化曲線；在對(duì)齊位置，采用了兩極模型計(jì)算了磁化曲線。最后運(yùn)用三維有限元數(shù)值分析法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并制造樣機(jī)。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論和仿真分析結(jié)果的正確性。裝機(jī)試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明盤式開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在滿足生產(chǎn)性能要求的同時(shí)可以達(dá)到節(jié)能的效果。

1 盤式開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

RFSRM和AFSRM的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中電磁部分主要包括定子、轉(zhuǎn)子和定子繞組。

1—定子；2—轉(zhuǎn)子；3—定子繞組。圖1 SRM的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 Mechanical structure of SRM

RFSRM的定轉(zhuǎn)子磁極都采用平行齒。AFSRM的定子槽是平行槽，轉(zhuǎn)子磁極采用輻射齒(轉(zhuǎn)子齒的徑向邊延長(zhǎng)線與旋轉(zhuǎn)中心軸相交)，如圖2所示。圖2b只給出了一側(cè)的定子和全部轉(zhuǎn)子極。

圖2 SRM的電磁基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Basic electromagnetic structure of SRM

采用這兩種結(jié)構(gòu)的原因如下：①有利于散熱。由于盤式開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)本身機(jī)殼設(shè)計(jì)時(shí)，為了使尺寸更小，散熱部分相對(duì)薄弱。而這兩種結(jié)構(gòu)，定子線圈和鐵芯都靠近機(jī)殼，有利于散熱。②有利于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這兩種結(jié)構(gòu)的定子都是固定在機(jī)殼或端蓋上，安裝具有優(yōu)勢(shì)。

2 電機(jī)兩種結(jié)構(gòu)的理論分析

2.1 主要尺寸公式

2.1.1 RFSRM的主要尺寸

根據(jù)文獻(xiàn)[18]，RFSRM的尺寸滿足下式：

(1)

式中：Da為轉(zhuǎn)子鐵芯外直徑，m；lδ為鐵芯的軸向長(zhǎng)度，m；km為方波電流系數(shù)，取0.8；ki為峰值電流系數(shù)，取0.5；Bδ為電機(jī)磁負(fù)荷，T；A為電機(jī)電負(fù)荷，A/m；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；Pem為電磁功率，W。

2.1.2 AFSRM的主要尺寸

AFSRM電磁功率的公式推導(dǎo)在文獻(xiàn)[19]中有所介紹，但是根據(jù)此公式來(lái)確定電機(jī)的主要尺寸需要的參數(shù)較多。根據(jù)RFSRM的尺寸推導(dǎo)過(guò)程，對(duì)AFSRM的尺寸公式進(jìn)行了推導(dǎo)，則有：

(2)

式中：Dout為定子鐵芯外直徑，m；Din為定子鐵芯內(nèi)直徑，m；Dav為定子鐵芯平均直徑，m。

定子鐵芯平均直徑為：

Dav=(Dout+Din)/2

(3)

在轉(zhuǎn)矩相同，電負(fù)荷和磁負(fù)荷的乘積相同情況下，由式(1)和式(2)可知：

(4)

通過(guò)式(1)和式(2)可以單獨(dú)估算磁負(fù)荷和電負(fù)荷，計(jì)算出各自的尺寸；也可以在滿足性能的RFSRM的尺寸上，在相同磁負(fù)荷及電負(fù)荷下，通過(guò)式(4)計(jì)算出AFSRM的尺寸。

2.2 直徑比對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響

2.2.1 RFSRM的電磁轉(zhuǎn)矩與直徑比的關(guān)系

鐵芯的軸向長(zhǎng)度為：

lδ=L-π(Dout-2hsy)/Ns

(5)

式中：L為電機(jī)的軸向長(zhǎng)度，m；Ns為一個(gè)定子盤的定子極數(shù)；hsy為定子軛的厚度，m。

定子軛的厚度計(jì)算式為：

hsy=0.325Doutkrβs

(6)

式中：βs為定子極外徑處極弧，rad；kr為直徑比。

直徑比為：

kr=Din/Dout

(7)

由式(1)推導(dǎo)知，RFSRM的電磁轉(zhuǎn)矩Tem為：

(8)

2.2.2 AFSRM的電磁轉(zhuǎn)矩與直徑比的關(guān)系

由式(2)推導(dǎo)知，AFSRM的電磁轉(zhuǎn)矩Tem為：

(9)

電機(jī)軸向長(zhǎng)度L一定時(shí)，在兩種電機(jī)電負(fù)荷和磁負(fù)荷相同的情況下，電磁轉(zhuǎn)矩是kr和Dout的函數(shù)。kr的取值范圍為0～1。由式(8)和式(9)得出兩種電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與kr、Dout的關(guān)系，如圖3所示。圖3中Do_a和Do_r分別代表AFSRM和RFSRM的外直徑。

圖3 電磁轉(zhuǎn)矩與直徑比的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between electromagnetic torque and diameter ratio

由圖3可以看出，kr的取值在0.25～0.40之間時(shí)，AFSRM對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩較大。kr取值較小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)3個(gè)問(wèn)題：一是造成定子極外側(cè)寬度大，而內(nèi)側(cè)寬度小，內(nèi)側(cè)力學(xué)強(qiáng)度小，容易造成機(jī)械損害; 二是造成定子極內(nèi)側(cè)部分磁場(chǎng)先于外側(cè)飽和；三是考慮Din過(guò)小，平行槽的空間將限制繞組導(dǎo)線直徑的選型，從而造成銅耗過(guò)大。綜合以上考慮，AFSRM的直徑比kr很多時(shí)候取不到轉(zhuǎn)矩最大對(duì)應(yīng)的值，所以在滿足內(nèi)徑和力學(xué)性能要求的情況下，kr參考取值在0.6～0.7之間[20]。另外，隨著kr的增大，RFSRM對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩增大。考慮實(shí)際的定子軛和定子齒結(jié)構(gòu)，kr參考取值應(yīng)在0.4～0.7之間[18]。另外，在kr參考范圍內(nèi)，相同轉(zhuǎn)矩時(shí)，AFSRM鐵芯外直徑可以比RFSRM要小。

2.3 縱橫比對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響

2.3.1 RFSRM的電磁轉(zhuǎn)矩與縱橫比的關(guān)系

忽略電機(jī)外殼體尺寸，RFSRM的縱橫比為λ，即軸向長(zhǎng)度與電機(jī)整體外直徑之比：

λ=L/Dout

(10)

將上式代入式(8)得：

(11)

2.3.2 AFSRM的電磁轉(zhuǎn)矩與縱橫比的關(guān)系

AFSRM的縱橫比λ為：

λ=L/(Dout+2Lo_e)

(12)

式中：Lo_e為外側(cè)端部繞組的徑向長(zhǎng)度，m。

其計(jì)算式為：

(13)

將式(12)和式(13)代入式(9)得：

(14)

在RFSRM和AFSRM的直徑比kr分別取參考定值時(shí)，根據(jù)式(11)和式(14)得出轉(zhuǎn)矩與λ、L的關(guān)系，如圖4所示。圖4中La和Lr分別代表AFSRM和RFSRM的軸向長(zhǎng)度。

當(dāng)L一定時(shí)，λ減小即外直徑增大。由圖4可以看出：隨著λ減小，AFSRM對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩增大且增大速度較快；而RFSRM在縱橫比λ大于0.2時(shí)，隨著縱橫比減小，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩增大；在縱橫比λ小于0.2時(shí)，隨著縱橫比減小，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩減小。這是因?yàn)榭v橫比減小，RFSRM的端部繞組長(zhǎng)度也在增大，導(dǎo)致鐵芯軸向長(zhǎng)度也在減小，由式(8)得到的轉(zhuǎn)矩減小；當(dāng)縱橫比λ一定時(shí)，L越大，兩種電機(jī)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩也越大；在L較小時(shí)，AFSRM比RFSRM在轉(zhuǎn)矩上有優(yōu)勢(shì)。在L不是很苛刻的情況下，RFSRM的轉(zhuǎn)矩可以滿足電機(jī)性能要求。但是隨著L的減小，RFSRM的轉(zhuǎn)矩受到很大的影響，極易造成電機(jī)性能不能滿足要求的情況。

圖4 電磁轉(zhuǎn)矩與縱橫比的關(guān)系圖Fig.4 Relationship between electromagnetic torque and aspect ratio

由圖4還可以看出，在相同的軸向長(zhǎng)度L時(shí)，可以得出兩電機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線有個(gè)交點(diǎn)。針對(duì)λ取值，分為3種情況：①λ取交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值，兩種結(jié)構(gòu)的電機(jī)可以具有相同的尺寸和轉(zhuǎn)矩；②λ取小于交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值，則生產(chǎn)相同轉(zhuǎn)矩的兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)，AFSRM的整機(jī)外徑要小于RFSRM的整機(jī)外徑；③λ取大于交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值，則生產(chǎn)相同轉(zhuǎn)矩的兩種結(jié)構(gòu)的電機(jī)，RFSRM的整機(jī)外徑要小于AFSRM的整機(jī)外徑。

3 磁化曲線計(jì)算

3.1 RFSRM的磁化曲線計(jì)算

對(duì)于RFSRM，解析法研究相對(duì)成熟，也被大量實(shí)踐所證實(shí)[18， 21]。采用磁路法研究時(shí)，對(duì)齊位置采用兩極模型，從而計(jì)算出磁化曲線。非對(duì)齊位置可以近似認(rèn)為鐵芯磁導(dǎo)率無(wú)限大，磁動(dòng)勢(shì)集中在氣隙部分，從而求得最小電感。

3.2 AFSRM的磁化曲線計(jì)算

對(duì)于AFSRM，以雙定子盤(每個(gè)定子盤極數(shù)為24，轉(zhuǎn)子極數(shù)為16)的三相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)為例。

AFSRM利用準(zhǔn)三維解析法，將軸向磁通的電機(jī)沿徑向分割成厚度均勻的各層，將各層單獨(dú)分析，運(yùn)用近似方法將各層展開(kāi)為直線開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，分析步驟如圖5所示，然后應(yīng)用磁路法求氣隙磁導(dǎo)。

圖5 AFSRM分析步驟示意圖 Fig.5 AFSRM analysis steps

第j層的等效計(jì)算直徑可以表示為：

(15)

式中：Ls為定子極徑向長(zhǎng)度，m；N為計(jì)算層數(shù)。

Ls=(Dout-Din)/2

(16)

i=2j-1

(17)

式中：j為第j個(gè)計(jì)算層，取值為1，2，……，N。

計(jì)算層中，第j層的計(jì)算參數(shù)可表示為：

ds=Douttan(βs/2)

(18)

aj=πDj/Ns-ds

(19)

βr_j=βr

(20)

bj=βr_jDj/2

(21)

dj=(cj-aj)/2

(22)

(23)

式中：βr_j為轉(zhuǎn)子極弧，rad；aj為定子極寬，m；bj為轉(zhuǎn)子極寬，m；cj為轉(zhuǎn)子極間距，m；ds為定子槽寬，m；Ns為定子極數(shù)；βr_j為轉(zhuǎn)子極外徑處極弧，rad；βr為轉(zhuǎn)子極弧，rad。

3.2.1 非對(duì)齊位置電機(jī)的磁化曲線計(jì)算

對(duì)每一個(gè)計(jì)算層直接應(yīng)用直線開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的二維模型[22- 23]，運(yùn)用修正的直線開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的氣息磁導(dǎo)求解結(jié)論，即可快速地求出各計(jì)算層的氣隙磁導(dǎo)。在非對(duì)齊位置，鐵芯內(nèi)部平均磁密很小，可以近似認(rèn)為鐵芯磁導(dǎo)率無(wú)限大，磁動(dòng)勢(shì)集中在氣隙部分。在計(jì)算每一個(gè)計(jì)算層的氣隙磁導(dǎo)時(shí)，考慮如下假設(shè)，磁力線在氣隙中走簡(jiǎn)單曲線，如直線或圓弧線等，則氣隙中共有5種不同的磁通路徑，分別表示為1～5共5個(gè)區(qū)域，如圖6所示。

圖6 AFSRM非對(duì)齊位置的計(jì)算層展開(kāi)圖Fig.6 Expansion diagram of the calculation layer in the unaligned position of AFSRM

圖6中虛線對(duì)應(yīng)的磁矢位A相等，由對(duì)稱性可以只針對(duì)模型的上半部分求解，從而得出整個(gè)的氣隙磁導(dǎo)。第j層的5個(gè)區(qū)域的氣隙磁導(dǎo)分別為：

(24)

P2_j=0.134μ0Ls/N

(25)

(26)

(27)

(28)

式中：htr為轉(zhuǎn)子極高度，m；g為第一氣隙長(zhǎng)度，m；μ0為真空中的磁導(dǎo)率。

計(jì)算層j上，對(duì)應(yīng)的非對(duì)齊位置的氣隙磁導(dǎo)為：

Pu_j=2P1_j+4P2_j+2P3_j+2P4_j+P5_j

(29)

對(duì)應(yīng)一個(gè)定子極位置的氣隙磁導(dǎo)為：

(30)

非對(duì)齊位置的最小電感為：

(31)

式中：Nph為相繞組匝數(shù)。

3.2.2 對(duì)齊位置電機(jī)的磁化曲線計(jì)算

忽略漏磁和磁分流，假設(shè)磁通均勻經(jīng)過(guò)勵(lì)磁的定子極、定子軛、轉(zhuǎn)子極而閉合，可簡(jiǎn)化為兩極模型。對(duì)于一個(gè)電周期的磁路，AFSRM對(duì)齊位置的計(jì)算層展開(kāi)圖如圖7所示。一個(gè)磁網(wǎng)孔的總磁動(dòng)勢(shì)為：

圖7 AFSRM對(duì)齊位置的計(jì)算層展開(kāi)圖Fig.7 Expansion diagram of the calculation layer in the aligned position of AFSRM

(32)

式中：hts為定子極長(zhǎng)度，m；lcs為磁通定子軛的路徑平均長(zhǎng)度，m；Hts、Htr、Hg、Hcs分別為定子極、轉(zhuǎn)子極、氣隙、定子軛對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m。

根據(jù)磁路原理，對(duì)于不同的磁通密度，可以得出對(duì)應(yīng)磁鏈與電流的關(guān)系，即磁化曲線。

4 有限元建模與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

上述理論分析和計(jì)算方法對(duì)于RFSRM和AFSRM這兩種結(jié)構(gòu)盤式開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具有通用性，為了驗(yàn)證由此進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)的可行性，重新優(yōu)化設(shè)計(jì)了RFSRM和AFSRM磁阻電機(jī)。具體指標(biāo)要求如下：額定功率30 kW、額定電壓514 V、額定轉(zhuǎn)速300 r/min，并且軸向尺寸不大于220 mm，外直徑不大于920 mm。

采用三相24/16結(jié)構(gòu)，并對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)(如定轉(zhuǎn)子極高、定轉(zhuǎn)子軛高和定轉(zhuǎn)子極弧)進(jìn)行優(yōu)化，最終確定相關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸及繞組參數(shù)如表1所示。

表1 24/16電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of 24/16 motor

通過(guò)三維有限元建模仿真，得到RFSRM和AFSRM的兩個(gè)關(guān)鍵位置的磁化曲線、相電流的波形圖及瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，分別如圖8、圖9和圖10所示。圖8a通過(guò)解析法和有限元法的比較，說(shuō)明了應(yīng)用改進(jìn)的準(zhǔn)三維解析法分析AFSRM的可行性。

圖8 兩個(gè)關(guān)鍵位置的磁化曲線Fig.8 Magnetization curves of two key positions

圖9 相電流仿真波形圖Fig.9 Phase current simulation waveform

圖10 瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩仿真波形圖Fig.10 Instantaneous torque simulation waveform

另外，分別對(duì)RFSRM和AFSRM的轉(zhuǎn)子極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。RFSRM優(yōu)化參數(shù)如圖11所示。圖11中α1、α2為突出和凹進(jìn)部分的圓弧角；h1、h2為突出和凹進(jìn)部分的厚度。取α1=α2，h1=h2，并分別取不同的數(shù)值，如表2所示，并進(jìn)行有限元建模仿真。

圖11 RFSRM轉(zhuǎn)子極結(jié)構(gòu)優(yōu)化Fig.11 Optimization of RFSRM rotor pole structure

表2 RFSRM轉(zhuǎn)子極優(yōu)化參數(shù)Table 2 Optimization parameters of RFSRM rotor pole

仿真結(jié)果中，取α1=α2=0.5°，h1=h2=1g時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩最大。與轉(zhuǎn)子極優(yōu)化前對(duì)比，平均轉(zhuǎn)矩提升了6.7%，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小了4.5%。

AFSRM的轉(zhuǎn)子極是分立的，需要做成中間突起的樣式才能安裝，如圖12所示。圖12中l(wèi)1為突起部分的長(zhǎng)度，l2為突起部分的厚度，l1、l2分別取不同的數(shù)值，如表3所示，并進(jìn)行有限元建模仿真。

圖12 AFSRM轉(zhuǎn)子極結(jié)構(gòu)優(yōu)化Fig.12 Optimization of AFSRM rotor pole structure

表3 AFSRM轉(zhuǎn)子極優(yōu)化參數(shù)mmTable 3 Optimization parameters of AFSRM rotor pole mm

仿真結(jié)果中，取l1=5.00 mm，l2=8.50 mm時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩最大。與轉(zhuǎn)子極優(yōu)化前對(duì)比，平均轉(zhuǎn)矩提升了5.2%，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小了8.3%。仿真結(jié)果說(shuō)明，在軸向尺寸為220 mm時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)的電機(jī)都滿足性能要求，而且AFSRM比RFSRM的外直徑要小。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)前文的理論和仿真結(jié)果，基于加工成本、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度及裝配難度考慮，由計(jì)算的電機(jī)參數(shù)選擇RFSRM這種結(jié)構(gòu)完成樣機(jī)的制造。搭建電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，如圖13所示。

圖13 電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)Fig.13 Motor experiment platform

該樣機(jī)的啟動(dòng)性能如圖14所示。在控制器的峰值電流下，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的2.3倍。電機(jī)滿載時(shí)，系統(tǒng)效率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖15所示。

圖14 最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Fig.14 Maximum starting torque

圖15 系統(tǒng)效率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線Fig.15 Change curve of system efficiency with rotation speed

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，樣機(jī)的試驗(yàn)參數(shù)如表4所示。

表4 樣機(jī)試驗(yàn)參數(shù)Table 4 Prototype experiment parameters

試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，在滿足尺寸范圍要求下，選擇徑向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)這種結(jié)構(gòu)制造樣機(jī)可以完成啟動(dòng)和運(yùn)行。通過(guò)裝機(jī)試驗(yàn)，并取24 h電表計(jì)量的數(shù)據(jù)與不同類型電機(jī)在沖程、沖次和日產(chǎn)量幾乎相同的情況下做節(jié)能對(duì)比，結(jié)果如表5所示。

表5 抽油機(jī)電機(jī)節(jié)能對(duì)比Table 5 Comparison of energy saving of pumping unit motors

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)相較于三相異步電機(jī)有功節(jié)電率達(dá)到27.4%，相較于交流永磁伺服電機(jī)有功節(jié)電率達(dá)到7.9%，說(shuō)明開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)與抽油機(jī)工作特性是匹配的，樣機(jī)滿足生產(chǎn)要求。

6 結(jié) 論

(1)在性能和尺寸滿足的范圍內(nèi)，基于加工成本、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度及裝配難度考慮，應(yīng)優(yōu)先選徑向磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)。當(dāng)軸向尺寸和外直徑要求比較苛刻的情況下，選擇軸向磁通的電機(jī)結(jié)構(gòu)則更具優(yōu)勢(shì)。

(2)針對(duì)AFSRM的磁化曲線，在非對(duì)齊位置時(shí)，修改的直線開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)氣隙磁導(dǎo)求解方法的精度較高，能夠滿足電機(jī)初期的設(shè)計(jì)要求。