油田封层用永磁直线电机设计与优化

宋贺申，王泰华，许孝卓

（河南理工大学 电气工程与自动化学院，焦作 454000）

0 引言

油田开采进入特高含水期后，油层层间矛盾加剧，要求对高出水层找水、堵水，从而达到稳油、控水的目的[1,2]。国内外找堵水方法主要有产液剖面测试找水技术、封隔器找堵水技术、井下液压开关层找堵水技术和井下电动开关调层找堵水技术。伍朝东[3]等人提出井下智能找堵水技术，该技术主要是利用智能开关器的机械式找堵水。目前智能开关器阀体的驱动机构普遍采用的是旋转电机加减速器的形式[4]。永磁直线电机以体积小、响应快、控制简单、电磁推力大等优点广泛应用于航空航天、交通运输、机器人、压缩机等领域[5～7]。本文提出油田封层用无槽电枢圆筒永磁直线直流电机（slotless armature tubular permanent magnet linear DC motor，SLATPMLDM），它采用直线电机直接驱动智能开关器阀体，取消了减速器和中间转换装置，简化了系统结构，提高了开关器的执行效率。智能开关器的结构及其在丢手管柱中的位置如图1所示。

图1 智能开关器和丢手管柱

1 SLATPMLDM结构

1.1 电机设计指标

电机在井下3千米恶劣环境中工作[8]，工作环境温度最高约为130℃。电机绝缘材料等级选择F级。受智能开关器尺寸的限制，电机定子外径不大于32mm。由耐高温12V电池供电，其最大连续输出电流为2A，电机运动行程约为20mm，电机正常工作时要克服约为15N的液压阻力。SLATPMLDM的设计指标如表1所示。

表1 SLATPMLDM设计指标

1.2 电机结构设计

SLATPMLDM剖面结构示意图如图2所示，其主要结构设计参数如表2所示。

图2 SLATPMLDM剖面结构图

表2 SLATPMLDM主要结构参数

电机工作时，电枢绕组通入直流电，电枢受安培力的作用带动阀体运动，改变电流大小与极性，即可改变电机直线运动速度和方向[9]，从而实现开关器液流孔的打开和关闭。

2 电枢绕组前移式SLATPMLDM设计

分析图2SLATPMLDM结构图，其磁钢轴向长度与电枢绕组长度相等，为首端齐平式结构。设永磁体和气隙中磁势均匀，则图2中S1，S2，S3磁势关系式为：

上式中，H2(x)为定子背铁和电枢铁心的磁场强度，是位移x的函数。Hc为永磁体的矫顽力。L1～L3分别为S1～S3回路经过定子背铁和电枢铁心的平均磁路长度。

为简化分析，做出以下假设：

1）磁路经由N极永磁体、定子背铁、S极永磁体、气隙和电枢铁心形成闭合磁路，且永磁体对应气隙段形成均匀垂直于电枢绕组的磁场，隔磁环对应气隙段气隙磁场为零；

2）电枢绕组，永磁体和铁心均为理想材料（μFe=∞，μr=μ0）；

3）电机两端开断处，漏磁忽略不计；

4）磁力线回路S1，S2，S3左右均匀分布；

5）电枢绕组平均半径为re。

由B=μH，可以得到如图3所示的气隙磁感应强度随位置x的变化曲线Bg(x)。

图3 气隙磁感应强度分布

如图3所示，由安培定律F=NBgIL，可以得到电枢受力表达式：

对式(4)化简可得：

为简化处理，令l1=l3，式(5)可化简为：

考虑到电枢位移d∈(0,E)，且E≤l1/2时，电枢受力为：

由此可得：

式(8)表示的电磁力与位移特性曲线如图4所示。

图4 电机出力特性曲线

从图4可看出，电枢受力最大值出现在d=0处，为磁钢与电枢绕组首端齐平处。若改变电枢绕组与磁钢的相对初始位置，电枢受力曲线会有这样的变化规律：先增加，待极大值出现后，再递减。这时图4中出力特性曲线将会右移，与坐标轴所围面积相应增大，可以得到更大的平均推力。

为此改进电机的结构，定子背铁长度不变，调整磁钢与电枢绕组的初始相对位置。图5中a表示电枢绕组前移量，表现为磁钢向右移，调整前后电机的体积几乎没有发生变化。

图5 改进后的电机结构

改进后气隙磁感应强度Bg'随位置x变化曲线Bg'(x)如图6所示。

图6 改进后的气隙磁感应强度分布

那么，电枢受力为：

a值不能取得过大，取a

改进后的电磁力与位移特性曲线如图7虚线部分所示。对比两条特性曲线可看出，改进前电枢运动行程后期出力下降快。造成这种结果的主要原因是，电枢绕组经过隔磁环所对应气隙段后，逐渐运动到下一段磁钢反向充磁区域，有效切割磁力线减少，且受安培反向力，造成出力减少。

图7 改进前后电机出力特性曲线

若电机工作行程d=l1/2，图7中A0阴影部分面积表示新的特性曲线出力减少的部分，A1则是其增加的部分，显然A1面积大于A0面积。从而可以得知，调整电枢绕组与磁钢的相对初始位置，电枢绕组能够更加充分利用气隙磁密。因此可以在保证电机工作行程不变的前提下，提高电机的平均推力。

3 仿真验证

电枢绕组前移式电机相比于电枢绕组首端齐平式，主要优点是改善了出力特性曲线，提高了平均推力。根据图2中SLATPMLDM结构图及表1电机结构参数，利用ANSYS Maxwell有限元软件，建立了电机二维有限元模型（a=0），在此基础上不断改变a值，观察不同a值时电机推力特性曲线。图8表明了随着a值的不断增加，电机输出推力特性曲线向右移动。

图8 不同a值时电机出力特性曲线

其中，a=0是电枢绕组首端齐平式电机，a>0则是电枢绕组前移式电机。图9显示了不同a值对电机平均推力的影响。在012mm后，平均推力逐渐减少。

图9 不同a值时电机平均推力

图10表明了不同a值时电机推力波动率的变化规律。在013mm后，推力波动率逐渐增加。表3给出了不同a值时电机平均推力、推力密度和推力波动率。对比两种电机指标可知，电枢绕组前移式电机明显优于电枢绕组首端齐平式电机。由表3可知，平均出力密度最大值出现在a=12mm处，与a=0mm相比较，平均推力提高了41.68%，推力密度提高了55.47%，推力波动减少了72.60%。

图10 不同a值时电机推力波动率

表3 不同a值时电机平均推力、推力密度和推力波动率对比

4 结语

根据油田封层用直线电机特性要求，提出并设计了一款无槽电枢圆筒永磁直线直流电机。对提出的电枢绕组前移式SLATPMLDM进行详细理论分析，有限元仿真分析结果表明，电枢绕组与永磁体相对初始位移为12mm时，与传统齐平式结构相比，不改变行程和磁路形式，电机出力平均值和推力密度取得最大值，推力波动率取得最小值。为该类电机结构的设计提供了一种新思路，同时对进一步提高智能开关器智能化水平具有重要意义。