井下涡轮永磁发电机设计及其有限元分析

冯进，董斌，陈斌

(长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023)

井下涡轮永磁发电机设计及其有限元分析

冯进，董斌，陈斌

(长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023)

为满足现代钻井供电的长时间和大功率要求，采用理论计算和有限元分析相结合的方法设计了一种涡轮驱动的井下永磁发电机。发电机在额定转速2500r/min时，输出相电压有效值为48.6V，功率1026W，最高转速4050r/min,输出相电压为82.3V。采用Ansoft Maxwell软件对发电机进行电磁场分析，确定了发电机负载特性，利用Ansoft Maxwell软件和Workbench软件联合进行发电机的热力学分析，确定了稳态最大温升为21.99℃。该设计对井下仪器供电有重要意义。

涡轮永磁发电机;电磁场分析;热力学分析

随着钻井技术发展，集测量、传输和控制于一体的井下智能仪器在钻井过程发挥的作用越来越大，对电量要求也越来越大[1]。传统的高温锂电池供电有诸多弊端：输出功率较小，不能满足仪器大功率用电要求；电量有限，更换频繁，停钻增加钻井费用；使用条件有限，目前只能低于160℃井下工作；易泄露，造成井下污染[2]。井下涡轮永磁发电机可有效解决锂电池诸多弊端，理论使用时间无限。国外产品连续使用时间已达500h以上，维修时只需要更换少数易损件(如轴承)，可重复使用，提供电功率较大，耐高温，已在MWD/LWD(随钻测量系统/随钻测井系统)、自动垂直钻井系统及旋转导向系统中得到了广泛的应用。因此，研究井下涡轮永磁发电机具有重要的意义。

1 井下涡轮永磁发电机结构设计

井下涡轮永磁发电机按连接方式不同可以分为旋转动密硬连接形式和磁耦合连接形式2种。旋转动密硬连接形式井下涡轮永磁发电机动密封易磨损造成泄露，磁耦合连接形式井下涡轮永磁发电机由于轴向长度增加造成负载突变时易产生柔性谐振和滑脱[2]。为了克服这2种形式井下涡轮永磁发电机的缺点，笔者设计的井下涡轮永磁发电机采用自动补偿式动密封和磁耦合传动相结合的结构，具体结构如图1所示。

注：1-端盖；2-隔离罩；3-深沟球轴承；4-活塞环；5-涡轮；6-高速扶正轴承；7-高速推力轴承；8-活塞环；9-补偿弹簧；10-接头；11-轴承座；12-角接触轴承；13-定子组件；14-转子组件；15-机座；16-导线；17-轴承座；18-角接触轴承；19-电源管理装置；20-卡扣；21-转轴；22-高速动密封组件；23-定位环；24-磁耦合器外磁钢；25-磁耦合器内磁钢；26-高速动密封组件；27-补偿弹簧；28-定位环；29-垫片；30-螺栓。图1 井下涡轮永磁发电机结构示意图

发电机的补偿式动密封结构由补偿弹簧(9)、补偿弹簧(27)、高速动密封组件(22)、高速动密封组件(26)、活塞环(4)和活塞环(8)组成，构成2对补偿式高速动密封[3]。2对补偿式高速动密封之间充满高温润滑油，当润滑油损失时补偿弹簧自动补偿润滑油体积变化，动密封间压强比外面大，阻止泥浆进入动密封，提高了轴承寿命。磁耦合器的内外磁钢分别与涡轮和转轴固连，在隔离罩的作用下，发电机内空间形成完全密封，完全隔离泥浆。该结构发电机不会出现泄露和滑脱现象，可以提高发电机的寿命。

2 井下涡轮永磁发电机参数设计

2.1 永磁材料选择

由于井下高温环境和发电机径向尺寸受限，所以要求永磁材料居里温度点高﹑温度系数小和磁能积大。常用于工业的3种永磁材料(钕铁硼永磁材料、钐钴永磁材料和铁氧体永磁材料)中，钕铁硼永磁材料温度系数大，不适用在高温环境，铁氧体永磁材料最大磁能积较小，发电机尺寸大。综合考虑，选用钐钴永磁材料YXG-30系类，居里温度高达710～810℃，温度系数仅为-0.0003%K-1，最大磁能积220～240kJ/m3。

2.2 永磁体体积估算

从电机外特性出发，估算发电机所需永磁体体积[4]：

(1)

式中，PN是发电机额定容量，kW；σ0是漏磁系数；Kad是将直轴电枢磁动势折算到转子磁动势的折算系数；KFd是发电机短路时每对极的永磁体磁动势与2倍直轴电枢磁动势的倍数；f是频率,Hz；Ku是电压系数；KΦ是气隙磁通波形系数；C是永磁体磁利用系数，C=bm0hmk，一般bm0≈0.60～0.85,hmk≈0.6～0.7；(BH)max是永磁体最大磁能积,kJ/m3。

系数σ0﹑Kad﹑KFd﹑Ku和KΦ均在一定范围，PN﹑f和(BH)max给定，预计永磁体磁利用系数C即可确定所需永磁体体积。

2.3 磁路计算

空载磁通计算公式为：

(2)

计算各部分磁压降和磁导，确定空载工作点，进而取得空载气隙磁通：

Φδ0=(bm0-hm0λσ)BrAm

(3)

式中，bm0是永磁体空载时磁感应强度标幺值；hm0是永磁体空载时退磁强度标幺值；λσ是漏磁导标幺值；Br是永磁体剩磁密度,T；Am是永磁体提供每极磁通的截面积,mm2。

结合理论计算和电磁场有限元分析，确定了井下涡轮永磁发电机相关性能参数，如表1所示。

3 井下涡轮永磁发电机电磁场分析

Ansoft Maxwell软件是一款计算结果精确和功能强大的二维/三维电磁场有限元分析软件。建立井下涡轮永磁发电机模型，设置外电路，采用瞬态求解器进行电机的负载电磁场分析，确定额定负载时转速与输出电压关系、转速与输出功率关系、转速与效率关系、转速与驱动力矩关系以及不同负载下的转速与输出电压关系。

表1 井下涡轮永磁发电机相关性能参数

3.1 发电机额定负载时转速与输出电压关系

发电机额定负载为6.9Ω，通过仿真分析知道额定转速2500r/min时输出电压为48.6V，最高转速4050r/min时输出电压为78.2V。绘制从转速从0开始(等间距300r/min)至4800r/min不同转速下输出电压曲线图(见图2)，发电机额定负载时电压与转速呈良好线性关系，转速每增加300r/min输出电压有效值增加5.74V。

3.2 发电机额定负载时转速与输出功率关系

输出功率计算公式为：

(4)

式中，U幅值为输出电压幅值，V；R负载为负载电阻阻值,Ω。

根据仿真出的输出相电压幅值就可以计算出输出功率，图3是额定负载情况下转速与输出功率关系图。额定转速发电机输出功率为1026W，4050r/min时输出转速功率为2656W，输出功率曲线类似抛物线，随着转速的增加，输出功率增速越来越快。

图2 额定负载时转速与输出电压关系 图3 额定负载时转速与输出功率关系

3.3 发电机额定负载时转速与效率关系

发电机的损耗由定子绕组铜损耗PCu﹑铁损耗PFe和机械损耗Pmec组成，定子绕组铜损耗和铁损耗可通过有限元分析得到，机械损耗很难准确计算，依据Y系列感应电动机实际测量结果取机械损耗为16W。图4为额定负载情况下转速和效率关系图，由图4可知，当转速为2100r/min时发电机效率就超过90%，额定转速2500r/min时效率为91%，随着转速增大，发电机效率越来越高，但增幅不明显。

3.4 发电机额定负载时转速与驱动力矩关系

同步发电机的转矩方程为：

T1=T0+Tem

(5)

图5为发电机转速与驱动力矩关系图，由图5可知，驱动力矩越来越大，驱动力矩增加速度也是越来越大，最后驱动力矩增加速度趋近一个定值：转速每增加300r/min驱动力矩增加0.48N·m。发电机驱动力矩由涡轮提供，该曲线是涡轮设计依据,驱动涡轮必须满足以下2点设计要求：在最小工作流量20L/s下额定转速2500r/min时输出扭矩为4.33N·m；在最大工作流量30L/s，涡轮的转速与输出扭矩曲线和发电机的转速与驱动力矩曲线交点处转速即发电机最高工作转速，电枢绕组的电流密度满足要求。该发电机设计的涡轮满足上述2点设计要求，确定发电机的最大转速为4050r/min。

图4 额定负载时转速与效率关系 图5 额定负载时转速与驱动力矩关系

3.5 发电机不同负载电机输出电压特性

发电机在井下工作时负载通常是在一个范围内变化的，需要在不同的负载(1﹑2﹑3﹑4、7﹑10Ω)情况下仿真测定发电机输出特性，结果如图6所示。由图6可知，同负载时输出电压随转速增大而增大，同转速时负载越大输出电压越大：负载为4﹑7、10Ω时，输出电压与转速呈良好线性关系，且输出电压相差不大；负载为1﹑2、3Ω时输出电压与转速的线性关系较差，转速越高，输出电压增加速度越小。

4 发电机热力学分析与温度场分布

发电机铜损是造成发电机温升的主要原因，转速越高发电机相电压越大，铜损越大，所以发电机最大温升发生在最高转速时候。温升越高，永磁体磁性能下降越多，同时对电枢绕组的绝缘也是考验。采用Ansoft Maxwell软件与Workbench软件联合进行发电机电磁热耦合有限元仿真，按最大转速(4050r/min)进行分析。设计应用环境温度200℃，即发电机定子外温度200℃，发电机工作时定子外流淌着高速泥浆，所以对流换热类型为水流冷却类型。发电机的温度场分布图如图7，发电机最大温升为21.99℃，出现在电枢绕组上。

图6 不同负载时转速与输出电压关系 图7 发电机温度场分布

5 结论

1)采用电磁场﹑流场及温度场等多物理场仿真分析与理论设计计算相结合方法，可提高设计准确性，缩短设计周期。

2)负载R≥4Ω时，输出电压与转速呈良好的线性关系；负载R≤3Ω时，输出电压与转速的线性关系较差，这是由于电阻越小电枢绕组电流增长的速度越快，电枢绕组产生与磁钢磁场反向的磁场，从而削弱电枢绕组的有效切割磁感线效果越强引起的。

3)电枢绕组采用R级绝缘所能承受的最大温度为240℃，通过发电机温度场分布有限元分析知道电枢绕组最高温度221.99℃，说明发电机电枢绕组绝缘等级是满足要求的。

[1]吕官云，孙峰，冯进，等.一种井下发电机的涡轮设计及其测试[J].石油天然气学报(江汉石油学院学报)，2013,33(5):152～155.

[2]黄晓凡，林恩怀.石油钻井用泥浆发电机综述[J].石油仪器，2013,27(1)：31～33.

[3]彭勇，蒋庄德.自动垂直钻井工具用涡轮发电机磁力驱动器设计[J].石油钻采工艺，2014,36(1)：126～128.

[4]周静，雷瑞利，常鹏.井下永磁发电机的设计与试验分析[J]．微电机，2014，47(3)：11～15.

[5]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1997：300.

[编辑] 洪云飞

2017-01-19

冯进(1958-)，男，博士，教授，现主要从事流体机械设计方面的教学与研究工作，feng_jincad@126.com。

TE92

A

1673-1409(2017)09-0017-05

[引著格式]冯进，董斌，陈斌.井下涡轮永磁发电机设计及其有限元分析[J].长江大学学报(自科版)，2017,14(9)：17～21.