潜油永磁同步电机铁耗分析与计算

张 啸,张信杰,肖文生,崔俊国,张 鹏

(中国石油大学(华东),青岛266580)

0 引 言

近年来,随着油田的不断开发,井况变得越来越复杂,原有的机械采油已经不能满足高效率、低检修率的要求。因为永磁同步电机具有效率高、功率因数大、功率密度高等优点,潜油永磁同步电机直接驱动螺杆泵的采油技术逐步发展起来[1-3]。潜油永磁同步电机结构紧凑,极其细长,在井下狭小环境里工作产生的各种损耗转化成热量,井下散热条件恶劣,若散热不及时,永磁体温升过大,产生不可逆退磁,将会影响电机各种性能甚至损坏电机[4]。因此对潜油永磁同步电机的损耗分析计算能够降低电机温升,提高电机性能,增加电机的使用寿命,降低维修率。

崔俊国等总结出影响电机铁耗与铜耗的电磁结构参数[5],但是参数选择较为复杂;韩力、胡笳等基于Bertotti铁耗分离模型对无刷双馈电机铁耗进行了计算[6-7],但仅考虑了铁心的交变磁化对铁耗的影响。事实上,在对旋转电机进行铁耗计算,还要考虑旋转磁化对其的影响。

基于以上问题,本文提出了适用于潜油永磁同步电机铁耗计算的两种铁耗模型,通过二维磁场时步有限元计算对几个特殊点进行了谐波分析,并对铁耗进行计算,通过实验对比了模型的准确性。

1 潜油永磁同步电机结构及基本参数

潜油永磁同步电机的结构图如图1所示,参数如表1所示。

图1 潜油永磁同步电机结构图

表1 电机参数

2 电机铁耗模型的建立

为了准确分析潜油永磁同步电机铁耗,需要建立电机铁耗模型[8-10],采用了两种铁耗计算模型进行对比分析,如表2所示。为便于后续的分析,在定子铁心的轭部、齿部、靠近气隙处分别取A,B,C点,如图2所示。

表2 两种铁耗模型

图2 ABC 3点选取示意图

2.1 1号铁耗模型

铁耗分析计算是电机研究重点。目前计算铁耗的通用模型是Bertotti在文章中提出的铁耗分离模型[11],他认为铁耗主要包括磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗,与电磁场密切相关。

电机在工作过程中,定子铁心处于交变磁场,假设磁通密度是正弦波时,硅钢片材料被反复磁化,并且磁畴之间不断相互摩擦产生能量损耗,这部分损耗称为磁滞损耗ph,其计算公式:

通过定子铁心的磁通随时间不断变化,在定子铁心中产生感应电动势,从而产生涡流导致能量损耗,这部分损耗为涡流损耗pc,其计算公式:

附加损耗pe产生机理并不十分明确,一般认为外部磁场和涡流产生的磁场不均匀导致磁畴壁周围感应出涡流从而产生损耗。其计算公式:

式(1)～式(3)中:kh为磁滞损耗系数,与材料有关;α为磁滞损耗计算参数,与材料有关;Bm为磁密幅值;Kc为涡流损耗系数,与材料有关;B为磁通密度;θ为磁通密度变化角度;Ke为附加损耗系数,与材料有关;f为磁通交变频率。

因此电机定子单位质量的铁心损耗:

图3是A,B,C这3个点磁通密度模随时间的变化曲线。从图3中可以看出,3点磁密幅值分别为1.023 2 T,1.482 6 T,1.503 0 T。

图3 ABC这3点磁通密度曲线

2.2 2号铁耗模型

Bertotti的铁耗模型以及商业软件Ansoft在计算电机铁耗时默认磁通密度是正弦波,且软件在计算铁耗时将磁滞损耗计算参数α取为2,对于中小型电机损耗的计算,这种方法是满足要求的,但对于大型、高速等电机,谐波对电机的铁耗影响不能忽视。依据谐波分析原理,在电机中任意一点的磁通密度都可以将其分解为一系列谐波分量之和,因此,在任意磁场波形下产生的铁耗等于基波磁场和各次谐波磁场产生的铁耗之和。在图2中选定了位于轭部、齿部、靠近气隙处的A,B,C点,这3个点的径向磁密和切向磁密随时间变化曲线和傅里叶谐波分析图如图4所示。

图4 ABC 3点切向径向磁密曲线及谐波分析

交流旋转电机在工作过程中,内部的磁场不仅有交变变化,同时还存在旋转变化,旋转变化的磁场同样会导致电机损耗。以C处基波的椭圆形旋转磁场为例,可以将其磁通密度矢量分解成长轴磁通密度为Bimax和短轴磁通密度为Bimin两个正交的椭圆形磁场,如图5所示,此时的电机铁耗可以等效为两个正交的交变损耗。单位质量的磁滞损耗、涡流损耗、附加损耗和总的铁损耗表达式:

图5 C点基波椭圆形磁场

式中:Bx为径向磁通密度;By为轴向磁通密度;n为谐波次数;fi为第i次谐波频率;Bim为第i次谐波幅值。

通过式(5)可以得到单位质量的铁心损耗,则总的铁心损耗pFe-Loss即为各单元铁耗之和,即:

式中:ρ为铁心密度;L为铁心长度;Ak为第k个单元面积;N为铁心单元总数;pFek为第k个单元铁心损耗。

3 铁耗计算及分析

利用Ansoft/Maxwell软件,对上述电机铁耗模型进行有限元分析计算。在计算铁耗时,只计算11次以下的谐波分量。

大中型电机的定子槽多采用开口槽形式,主要考虑了线圈制作与绝缘这两个方面的要求,在电机后续装配过程中,将线圈以及绝缘作为整体嵌入定子槽中[12]。但是定子采用开口槽后,会导致铁心的附加损耗增加[13],因此合理设置槽开口大小,对于减小电机损耗有重要意义。考虑到电机的工作环境,将定子设置为闭口槽,这同实际应用中的电机是一致的。

在不同的转速下,利用1号铁耗模型计算结果以及考虑谐波和旋转磁场影响的2号铁耗模型计算结果如图6所示。在图6中可以对比发现,2号铁耗模型的计算结果都比1号铁耗模型大,随着转速的增加,二者的差值有增大趋势。虽然潜油永磁同步电机在较低的频率下工作,但是由于其铁心长度比普通电机长很多,即使转速变化很小,频率的微小改变都会让电机铁耗有较大的变化。同时也可以说明,传统的计算公式只考虑磁密幅值是不准确的,谐波以及旋转磁化对潜油永磁同步电机的损耗影响较大。虽然计算出来的电机铁耗很小,但是考虑到潜油电机的工作环境,散热非常困难,这点铁耗就不容忽视。

图6 转速对两种铁耗模型的影响规律

4 实验分析

为了验证所建立模型的准确性,在工厂实验平台对114系列潜油永磁同步电机进行了损耗测试,如图7所示。假设铜耗pCu和机械损耗p1在电机运行过程中,不随转速的改变而发生变化,在如上假设之上分离出相应的铁耗结果,如表3所示。

图7 实验平台

表3 铁耗实验测量值

铜耗采用式(1)～式(8)计算:

式中:m为相数;I为相电流;R为绕组阻值。

对于潜油永磁同步电机,机械损耗的计算比较复杂,一般取额定功率的2%左右[5]。

通过表3与图6对比可以发现,电机在不同转速下的铁耗测量值均比两种模型要大,而且2号铁耗模型的计算值与实际测量值更接近,从而证明了2号铁耗模型的有效性。计算值与测量值有差别,可能与在分离铁耗之前所做的假设有关,在铁耗模型中也未考虑到温度等环境因素对铁耗带来的影响。

5 结 语

1)通过Ansoft/Maxwell软件对电机进行电磁仿真对比了1号铁耗模型和2号铁耗模型发现,考虑谐波以及旋转磁化得到的损耗比只考虑磁密幅值得到的损耗要大,对于潜油永磁同步电机这部分差值不能忽略。

2)通过电机实验可以发现,2号铁耗模型更接近于实际测量值,但是在计算过程中未考虑永磁体等铁耗以及各种环境因素,因此与测量值还有差别。

3)潜油永磁同步电机的工作频率低,相比于几千瓦的铜耗来讲,铁耗较小,但是考虑到潜油永磁同步电机的工作环境,永磁体有可能产生永久性退磁等问题,这部分铁耗意义重大。