馮進(jìn)，董斌，陳斌

(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

井下渦輪永磁發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)及其有限元分析

馮進(jìn)，董斌，陳斌

(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

為滿足現(xiàn)代鉆井供電的長時(shí)間和大功率要求，采用理論計(jì)算和有限元分析相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)了一種渦輪驅(qū)動(dòng)的井下永磁發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速2500r/min時(shí)，輸出相電壓有效值為48.6V，功率1026W，最高轉(zhuǎn)速4050r/min,輸出相電壓為82.3V。采用Ansoft Maxwell軟件對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行電磁場分析，確定了發(fā)電機(jī)負(fù)載特性，利用Ansoft Maxwell軟件和Workbench軟件聯(lián)合進(jìn)行發(fā)電機(jī)的熱力學(xué)分析，確定了穩(wěn)態(tài)最大溫升為21.99℃。該設(shè)計(jì)對(duì)井下儀器供電有重要意義。

渦輪永磁發(fā)電機(jī);電磁場分析;熱力學(xué)分析

隨著鉆井技術(shù)發(fā)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(fā)揮的作用越來越大，對(duì)電量要求也越來越大[1]。傳統(tǒng)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(fèi)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(fā)電機(jī)可有效解決鋰電池諸多弊端，理論使用時(shí)間無限。國外產(chǎn)品連續(xù)使用時(shí)間已達(dá)500h以上，維修時(shí)只需要更換少數(shù)易損件(如軸承)，可重復(fù)使用，提供電功率較大，耐高溫，已在MWD/LWD(隨鉆測量系統(tǒng)/隨鉆測井系統(tǒng))、自動(dòng)垂直鉆井系統(tǒng)及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。因此，研究井下渦輪永磁發(fā)電機(jī)具有重要的意義。

1 井下渦輪永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

井下渦輪永磁發(fā)電機(jī)按連接方式不同可以分為旋轉(zhuǎn)動(dòng)密硬連接形式和磁耦合連接形式2種。旋轉(zhuǎn)動(dòng)密硬連接形式井下渦輪永磁發(fā)電機(jī)動(dòng)密封易磨損造成泄露，磁耦合連接形式井下渦輪永磁發(fā)電機(jī)由于軸向長度增加造成負(fù)載突變時(shí)易產(chǎn)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(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)的井下渦輪永磁發(fā)電機(jī)采用自動(dòng)補(bǔ)償式動(dòng)密封和磁耦合傳動(dòng)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

注：1-端蓋；2-隔離罩；3-深溝球軸承；4-活塞環(huán)；5-渦輪；6-高速扶正軸承；7-高速推力軸承；8-活塞環(huán)；9-補(bǔ)償彈簧；10-接頭；11-軸承座；12-角接觸軸承；13-定子組件；14-轉(zhuǎn)子組件；15-機(jī)座；16-導(dǎo)線；17-軸承座；18-角接觸軸承；19-電源管理裝置；20-卡扣；21-轉(zhuǎn)軸；22-高速動(dòng)密封組件；23-定位環(huán)；24-磁耦合器外磁鋼；25-磁耦合器內(nèi)磁鋼；26-高速動(dòng)密封組件；27-補(bǔ)償彈簧；28-定位環(huán)；29-墊片；30-螺栓。圖1 井下渦輪永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

發(fā)電機(jī)的補(bǔ)償式動(dòng)密封結(jié)構(gòu)由補(bǔ)償彈簧(9)、補(bǔ)償彈簧(27)、高速動(dòng)密封組件(22)、高速動(dòng)密封組件(26)、活塞環(huán)(4)和活塞環(huán)(8)組成，構(gòu)成2對(duì)補(bǔ)償式高速動(dòng)密封[3]。2對(duì)補(bǔ)償式高速動(dòng)密封之間充滿高溫潤滑油，當(dāng)潤滑油損失時(shí)補(bǔ)償彈簧自動(dòng)補(bǔ)償潤滑油體積變化，動(dòng)密封間壓強(qiáng)比外面大，阻止泥漿進(jìn)入動(dòng)密封，提高了軸承壽命。磁耦合器的內(nèi)外磁鋼分別與渦輪和轉(zhuǎn)軸固連，在隔離罩的作用下，發(fā)電機(jī)內(nèi)空間形成完全密封，完全隔離泥漿。該結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)不會(huì)出現(xiàn)泄露和滑脫現(xiàn)象，可以提高發(fā)電機(jī)的壽命。

2 井下渦輪永磁發(fā)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 永磁材料選擇

由于井下高溫環(huán)境和發(fā)電機(jī)徑向尺寸受限，所以要求永磁材料居里溫度點(diǎn)高﹑溫度系數(shù)小和磁能積大。常用于工業(yè)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(shù)大，不適用在高溫環(huán)境，鐵氧體永磁材料最大磁能積較小，發(fā)電機(jī)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(dá)710～810℃，溫度系數(shù)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(jī)外特性出發(fā)，估算發(fā)電機(jī)所需永磁體體積[4]：

(1)

式中，PN是發(fā)電機(jī)額定容量，kW；σ0是漏磁系數(shù)；Kad是將直軸電樞磁動(dòng)勢折算到轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢的折算系數(shù)；KFd是發(fā)電機(jī)短路時(shí)每對(duì)極的永磁體磁動(dòng)勢與2倍直軸電樞磁動(dòng)勢的倍數(shù)；f是頻率,Hz；Ku是電壓系數(shù)；KΦ是氣隙磁通波形系數(shù)；C是永磁體磁利用系數(shù)，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(shù)σ0﹑Kad﹑KFd﹑Ku和KΦ均在一定范圍，PN﹑f和(BH)max給定，預(yù)計(jì)永磁體磁利用系數(shù)C即可確定所需永磁體體積。

2.3 磁路計(jì)算

空載磁通計(jì)算公式為：

(2)

計(jì)算各部分磁壓降和磁導(dǎo)，確定空載工作點(diǎn)，進(jìn)而取得空載氣隙磁通：

Φδ0=(bm0-hm0λσ)BrAm

(3)

式中，bm0是永磁體空載時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度標(biāo)幺值；hm0是永磁體空載時(shí)退磁強(qiáng)度標(biāo)幺值；λσ是漏磁導(dǎo)標(biāo)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(jié)合理論計(jì)算和電磁場有限元分析，確定了井下渦輪永磁發(fā)電機(jī)相關(guān)性能參數(shù)，如表1所示。

3 井下渦輪永磁發(fā)電機(jī)電磁場分析

Ansoft Maxwell軟件是一款計(jì)算結(jié)果精確和功能強(qiáng)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(fā)電機(jī)模型，設(shè)置外電路，采用瞬態(tài)求解器進(jìn)行電機(jī)的負(fù)載電磁場分析，確定額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速與輸出電壓關(guān)系、轉(zhuǎn)速與輸出功率關(guān)系、轉(zhuǎn)速與效率關(guān)系、轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)力矩關(guān)系以及不同負(fù)載下的轉(zhuǎn)速與輸出電壓關(guān)系。

表1 井下渦輪永磁發(fā)電機(jī)相關(guān)性能參數(shù)

3.1 發(fā)電機(jī)額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速與輸出電壓關(guān)系

發(fā)電機(jī)額定負(fù)載為6.9Ω，通過仿真分析知道額定轉(zhuǎn)速2500r/min時(shí)輸出電壓為48.6V，最高轉(zhuǎn)速4050r/min時(shí)輸出電壓為78.2V。繪制從轉(zhuǎn)速從0開始(等間距300r/min)至4800r/min不同轉(zhuǎn)速下輸出電壓曲線圖(見圖2)，發(fā)電機(jī)額定負(fù)載時(shí)電壓與轉(zhuǎn)速呈良好線性關(guān)系，轉(zhuǎn)速每增加300r/min輸出電壓有效值增加5.74V。

3.2 發(fā)電機(jī)額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速與輸出功率關(guān)系

輸出功率計(jì)算公式為：

(4)

式中，U幅值為輸出電壓幅值，V；R負(fù)載為負(fù)載電阻阻值,Ω。

根據(jù)仿真出的輸出相電壓幅值就可以計(jì)算出輸出功率，圖3是額定負(fù)載情況下轉(zhuǎn)速與輸出功率關(guān)系圖。額定轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)輸出功率為1026W，4050r/min時(shí)輸出轉(zhuǎn)速功率為2656W，輸出功率曲線類似拋物線，隨著轉(zhuǎn)速的增加，輸出功率增速越來越快。

圖2 額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速與輸出電壓關(guān)系 圖3 額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速與輸出功率關(guān)系

3.3 發(fā)電機(jī)額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速與效率關(guān)系

發(fā)電機(jī)的損耗由定子繞組銅損耗PCu﹑鐵損耗PFe和機(jī)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(jī)械損耗很難準(zhǔn)確計(jì)算，依據(jù)Y系列感應(yīng)電動(dòng)機(jī)實(shí)際測量結(jié)果取機(jī)械損耗為16W。圖4為額定負(fù)載情況下轉(zhuǎn)速和效率關(guān)系圖，由圖4可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2100r/min時(shí)發(fā)電機(jī)效率就超過90%，額定轉(zhuǎn)速2500r/min時(shí)效率為91%，隨著轉(zhuǎn)速增大，發(fā)電機(jī)效率越來越高，但增幅不明顯。

3.4 發(fā)電機(jī)額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)力矩關(guān)系

同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為：

T1=T0+Tem

(5)

圖5為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)力矩關(guān)系圖，由圖5可知，驅(qū)動(dòng)力矩越來越大，驅(qū)動(dòng)力矩增加速度也是越來越大，最后驅(qū)動(dòng)力矩增加速度趨近一個(gè)定值：轉(zhuǎn)速每增加300r/min驅(qū)動(dòng)力矩增加0.48N·m。發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩由渦輪提供，該曲線是渦輪設(shè)計(jì)依據(jù),驅(qū)動(dòng)渦輪必須滿足以下2點(diǎn)設(shè)計(jì)要求：在最小工作流量20L/s下額定轉(zhuǎn)速2500r/min時(shí)輸出扭矩為4.33N·m；在最大工作流量30L/s，渦輪的轉(zhuǎn)速與輸出扭矩曲線和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)力矩曲線交點(diǎn)處轉(zhuǎn)速即發(fā)電機(jī)最高工作轉(zhuǎn)速，電樞繞組的電流密度滿足要求。該發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的渦輪滿足上述2點(diǎn)設(shè)計(jì)要求，確定發(fā)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為4050r/min。

圖4 額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速與效率關(guān)系 圖5 額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)力矩關(guān)系

3.5 發(fā)電機(jī)不同負(fù)載電機(jī)輸出電壓特性

發(fā)電機(jī)在井下工作時(shí)負(fù)載通常是在一個(gè)范圍內(nèi)變化的，需要在不同的負(fù)載(1﹑2﹑3﹑4、7﹑10Ω)情況下仿真測定發(fā)電機(jī)輸出特性，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，同負(fù)載時(shí)輸出電壓隨轉(zhuǎn)速增大而增大，同轉(zhuǎn)速時(shí)負(fù)載越大輸出電壓越大：負(fù)載為4﹑7、10Ω時(shí)，輸出電壓與轉(zhuǎn)速呈良好線性關(guān)系，且輸出電壓相差不大；負(fù)載為1﹑2、3Ω時(shí)輸出電壓與轉(zhuǎn)速的線性關(guān)系較差，轉(zhuǎn)速越高，輸出電壓增加速度越小。

4 發(fā)電機(jī)熱力學(xué)分析與溫度場分布

發(fā)電機(jī)銅損是造成發(fā)電機(jī)溫升的主要原因，轉(zhuǎn)速越高發(fā)電機(jī)相電壓越大，銅損越大，所以發(fā)電機(jī)最大溫升發(fā)生在最高轉(zhuǎn)速時(shí)候。溫升越高，永磁體磁性能下降越多，同時(shí)對(duì)電樞繞組的絕緣也是考驗(yàn)。采用Ansoft Maxwell軟件與Workbench軟件聯(lián)合進(jìn)行發(fā)電機(jī)電磁熱耦合有限元仿真，按最大轉(zhuǎn)速(4050r/min)進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)應(yīng)用環(huán)境溫度200℃，即發(fā)電機(jī)定子外溫度200℃，發(fā)電機(jī)工作時(shí)定子外流淌著高速泥漿，所以對(duì)流換熱類型為水流冷卻類型。發(fā)電機(jī)的溫度場分布圖如圖7，發(fā)電機(jī)最大溫升為21.99℃，出現(xiàn)在電樞繞組上。

圖6 不同負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速與輸出電壓關(guān)系 圖7 發(fā)電機(jī)溫度場分布

5 結(jié)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(shè)計(jì)計(jì)算相結(jié)合方法，可提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性，縮短設(shè)計(jì)周期。

2)負(fù)載R≥4Ω時(shí)，輸出電壓與轉(zhuǎn)速呈良好的線性關(guān)系；負(fù)載R≤3Ω時(shí)，輸出電壓與轉(zhuǎn)速的線性關(guān)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(chǎn)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(qiáng)引起的。

3)電樞繞組采用R級(jí)絕緣所能承受的最大溫度為240℃，通過發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)電樞繞組絕緣等級(jí)是滿足要求的。

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[編輯] 洪云飛

2017-01-19

馮進(jìn)(1958-)，男，博士，教授，現(xiàn)主要從事流體機(jī)械設(shè)計(jì)方面的教學(xué)與研究工作，feng_jincad@126.com。

TE92

A

1673-1409(2017)09-0017-05

[引著格式]馮進(jìn)，董斌，陳斌.井下渦輪永磁發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)及其有限元分析[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2017,14(9)：17～21.