圓筒型永磁直線電機的溫度場研究

曹勇

（武漢工程大學機電工程學院，湖北武漢 430000）

0 引言

現代社會離不開石油能源，我國更是一個石油消費大國，因此石油開采技術一直是研究重點[1]。在人類進入現代化的石油開采時代后，逐漸形成了有桿采油和無桿采油兩類石油開采方式。目前以游梁式采油系統為代表的有桿采油應用得更為廣泛，但隨著我國多數油田進入開采的中后期，水平井和大斜度井的數目逐漸增多，這將加劇有桿采油系統的抽油桿和油井套管的偏磨問題。由圓筒型永磁直線電機和往復泵組成的無桿采油系統不用抽油桿柱傳遞能量，而是將電動機與抽油泵組合在一起下放至油井深處，由直線電動機驅動往復泵的柱塞作往復直線運動，從而將原油舉升至地面。由于省去了中間的傳動裝置，簡化了動力傳遞過程，整個系統的能源利用率有所提高，也從根本上解決了桿管偏磨問題，因此逐漸得到廣泛的應用。

作為無桿采油系統的動力裝置，圓筒型永磁直線電機具有推力密度大的優點[2]，但其工作溫度相比有桿采油系統中的旋轉電機更高的缺點也不可忽視。有桿采油系統的旋轉電機在地面工作，而本文研究的圓筒型永磁直線電機常工作于油井下方約1～3km 處，環境溫度可達100℃甚至更高。由于井下的空間非常狹小，因此無法布置額外的設備來加強電機的散熱效果，同時為了提供滿足要求的電磁推力，通入電機繞組的正弦電流往往比較大，因此會產生大量的熱量，造成電機運行時的溫度偏高。溫升過高會損壞電機絕緣材料，嚴重時可能直接導致電機燒毀[3]。因此，研究圓筒型永磁直線電機的溫升情況，對解決電機的可靠性問題具有重要意義。

本文設計了一種適用于無桿采油系統的圓筒型永磁直線電機，并給出了計算電機溫度場的主要步驟，可以了解圓筒型永磁直線電機的溫升情況，為電機的熱設計提供了參考依據。

1 圓筒型永磁直線電機的設計

按照結構的不同直線電機可以分為圓盤型、扁平型、圓筒型以及弧型等。油井一般為圓孔狀，考慮到要能夠在油井中安全的下放和提起，因此圓筒型永磁直線電機相比于其他結構更加適合作為無桿采油系統的井下動力裝置。

雖然直線電機與旋轉電機在結構上有很大的不同，但其實圓筒型永磁直線電機是旋轉電機為直線運動場景而開發的產品，因此其原理上有著諸多相同之處。旋轉電機的定子和轉子分別對應著圓筒型永磁直線電機的定子和動子，圖1 是圓筒型永磁直線電機的三維圖。

圖1 圓筒型永磁直線電機

給電機繞組通一交流電使其產生能夠沿著電機軸向移動的行波磁場，電機的電磁推力是由動子永磁體的勵磁磁場與行波磁場相互作用產生的。由于定子是固定的，于是動子開始做直線運動，調換三相交流電的任意兩相即可實現動子的掉頭從而使動子做往復直線運動。

1.1 圓筒型永磁直線電機定子設計

圓筒型永磁直線電機的定子主要包含繞組和鐵心兩大部分，由多匝線圈繞制成餅狀的繞組嵌放在鐵心槽內，當位于地面的控制柜向繞組線圈中輸入三相交流電時，繞組會產生磁場，采用導磁材料制作的鐵心能夠有效地引導磁力線。

直線電機的繞組形式有很多種分類方式，按槽內線圈層數可分為單層繞組、雙層繞組；按繞組布置方式可分為集中繞組、分布繞組。單層繞組由于沒有層間絕緣，其空間利用率比雙層繞組更高，因此本文電機采取單層繞組。圓筒型永磁直線電機的繞組由線圈卷成餅狀嵌放在定子鐵心槽內，在電機的兩端并沒有多余的無效繞組，因此相比于旋轉電機和扁平型直線電機，圓筒型永磁直線電機的線圈利用率更高，大大降低了電機制造成本。直線電機繞組的排列方式可以參考旋轉電機，根據極對數和槽數可以計算出槽距電角度，然后畫出槽電動勢星形圖，據此得到電機繞組的排列方式。

本電機的繞組主要由銅導線和外包裹的絕緣材料及黏合劑組成。為了充分利用槽內空間，本電機采用矩形截面銅導線，相比于圓銅線，扁銅線可以更加充分地利用鐵心槽內的空間，并且散熱性能更加優秀。

縱向疊片式、橫向疊片式以及窗疊片式是直線電機鐵心的主要結構形式?？v向疊片式結構是由若干組在周向上等距離分布的鐵心縱向裝配而成，一定數量的硅鋼片疊壓在一起構成一組鐵心，這種結構可以較大程度地減少渦流損耗，但結構復雜，裝配困難。窗疊片式結構的鐵心裝配比較方便，渦流損耗也較小，但矩形的疊片不適合井下潛油直線電機圓筒型的要求，不宜采取此結構。橫向疊片式結構具有結構簡單，易于制造和裝配的優點，被廣泛應用于各類直線電機中，其主要缺點是鐵心渦流損耗較大，但本文電機的運行速度不快，電源頻率較低，可以克服該問題。綜上所述，橫向疊片式鐵心結構是本文電機最好的選擇。橫向疊片式鐵心由兩種規格的硅鋼片疊壓而成，一種是包含軛部的硅鋼片，一種是包含齒部和軛部的硅鋼片。此外，考慮到硅鋼片會產生渦流損耗，因此在兩種規格的硅鋼片的圓周方向上留有1～2mm 的間隙，來切斷因電機磁場變化而產生的渦流回路，減小電機的鐵心損耗。

兩種規格的硅鋼片按照一定的排列順序疊壓在一起就能組成帶有繞組槽的定子鐵心，其中定子鐵心槽距以及定子極距與電機的電源頻率和動子運動速度有關。

1.2 圓筒型永磁直線電機動子設計

圓筒型永磁直線電機的動子就是傳統旋轉電機的轉子，能夠對其他機構做功。動子由永磁體、導磁套和不導磁軸組成，環狀的永磁體和導磁套交替嵌在不導磁軸上。高性能的稀土永磁材料主要有釹鐵硼和釤鈷兩種，釹鐵硼相對于釤鈷具有更高的剩磁和矯頑力，抗去磁能力強，磁能積較大；其退磁曲線呈線性，回復線與退磁曲線相一致；但其溫度系數較大，在高溫下的表現不如釤鈷?？紤]到成本及加工能力差異，本文電機永磁體選用高牌號的燒結釹鐵硼永磁體，具體牌號為N35UH。

根據充磁方式的不同，潛油直線電機存在3 種永磁體充磁結構：Halbach 充磁結構、徑向充磁結構、軸向充磁結構。3 種充磁結構各有優缺點，考慮到經濟成本和安裝難易程度，選擇軸向充磁結構。

2 熱源損耗的計算

電機作為一個動力裝置，在將電能轉化為機械能對外界做功時，必然存在著能量損耗，產生能量損耗的部分稱之為電機的發熱源。這些能量損耗會以熱量的形式，一部分通過熱傳導和熱對流傳遞到外部環境中，而剩余部分則通過熱傳導傳遞到電機各個部分，引起電機各部分的溫升。圓筒型永磁直線電機的能量損耗主要指繞組銅損耗、定子鐵心損耗、永磁體渦流損耗以及機械損耗，這些損耗也就是電機發熱的根源。

對于如何計算這些損耗，許多學者展開過研究，并給出了計算公式。繞組銅損耗就可以根據焦耳定律得到[4]，并且繞組線圈的阻值會隨著電機溫度的升高而變化，如果需要考慮精度的話，可以將溫度對線圈阻值的影響考慮進去。

機械損耗包括軸承損耗和油膜損耗，根據設計經驗機械損耗取值為輸出功率的1%。

電機的定子鐵心損耗主要由磁滯損耗、渦流損耗和附加損耗組成。磁滯損耗是由于磁滯現象而損失的能量。電機運行中時刻變化的磁場會導致定子鐵心產生感應電流，感應電流引起的損耗稱為渦流損耗，永磁體渦流損耗的產生與此類似。雖然定子鐵心損耗和永磁體渦流損耗可以根據相關公式計算得出，但其計算公式涉及許多電磁場的參數，為了計算的便捷性，可以利用有限元軟件Maxwell 來計算。Maxwell 軟件是一款分析物體電磁場的權威軟件，給電機施加電流源激勵并設置好各項參數后，就能求解出各項損耗值。使用軟件的好處在于可以在改變電機結構尺寸以及其他參數的情況下快速計算出結果，以此探究它們對電機損耗和性能的影響規律，從而找到最優的電機尺寸。

3 對流散熱系數的計算

熱量傳遞是自然界中一種常見現象，人們將熱量傳遞的方式總結為3 種：熱傳導、熱對流以及熱輻射。在電機溫度場的研究中，熱輻射所傳遞的熱量十分有限，因此不予考慮。

電機發熱源向電機的各個部分傳遞熱量就是熱傳導過程，主要發生在固體物質中。傅里葉定律對熱傳導過程做出了準確定義，其中涉及的一個重要參數便是導熱系數。在一般情況下，認為物體的導熱系數僅與它所使用的材料有關，因此通過查閱電機各部分采用的材料就能得到它們的導熱系數，其中繞組由于組成的成分比較復雜，因此需要計算其等效導熱系數。

本文研究的圓筒型永磁直線電機工作的環境充斥著原油，原油的流動會帶走電機產生的熱量，這一熱量傳遞過程稱之為熱對流過程，對流換熱系數是熱對流過程中的一個重要參數。熱對流過程雖然復雜，但描述熱對流過程的牛頓冷卻公式在形式上卻很簡單，因為它把各種影響因素集中在對流換熱系數上了，因此求解電機熱對流問題的關鍵在于對流換熱系數的計算。根據傳熱學的相關知識和理論可以計算得到對流換熱系數[5]。同時，許多相關學者針對各類工況做了大量實驗，總結了許多經驗公式用來快速計算對流換熱系數，但在使用時要注意使用范圍且不得隨意外推。

4 溫度場計算

當圓筒型永磁直線電機的熱源和對流換熱系數確定后，就能夠借助有限元軟件Ansys 計算電機的溫度場。在電機瞬態溫度場的計算中，發現電機的瞬時溫度并不是線性變化的，在電機開始運行時，其溫度會增長得非常迅速，原因在于此時電機與周圍環境的溫度差還比較小，電機的散熱量遠小于發熱量。在經過一段時間的穩定運行后，電機的散熱能力逐漸提高，因此電機的溫度增長速度開始放緩，等到電機散熱量與發熱量一致時，電機的溫度將趨于一個穩定值。

由于電機的主要熱量來自于繞組銅損耗，并且中間區域的散熱要比兩端差些，因此圓筒型永磁直線電機的最高溫度會出現在中部區域的繞組處。為了有效地防止電機繞組線圈之間漏電短路，在線圈的外部都會包裹一層絕緣層，但大多數絕緣層材料的導熱性能非常差，因此熱量會被阻隔在繞組槽內。為了改善這一情況，可以考慮在繞組槽內涂抹一層導熱膠，提高熱量的傳遞效率。

電機溫度場中最需要關注的就是過熱點，一旦過熱點的溫度超出該點材料的正常工作溫度，那么就可能引起電機過熱燒毀。本文電機的過熱點發生在繞組處，而絕緣材料的工作溫度是有限度的，根據所用材料的不同可以分為A 級絕緣、B 級絕緣等。考慮到圓筒型永磁直線電機的高溫工作環境，可以選取耐溫等級較高的絕緣材料。永磁體的溫度也是關注重點，因為永磁體的溫度過高則會產生退磁現象，導致電機的推力下降。

溫度場的研究是為了輔助電機熱設計，通過分析過熱點，可以有針對性地改進電機結構，以確保電機在實際應用中能夠長期穩定地工作。

5 結語

本文介紹了一種應用于石油開采領域的圓筒型永磁直線電機，首先介紹了電機的定子和動子結構，并講解了電機的工作原理。為了應對高溫的工作環境，介紹了電機溫度場的計算過程。通過Maxwell 軟件可以算得到電機的損耗，再通過經驗公式可以計算得到電機與原油接觸面的對流換熱系數，然后就能夠使用Ansys 熱模塊計算得到電機的溫度場，通過分析過熱點，可以有針對性地改進電機結構。