新型圆筒型永磁直线电机密封筒的设计与仿真分析

易小军，佘莹莹，万 涛，王 恒，吴英友

1.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064；

2.航天深拓（北京）科技有限公司，北京 100176；

3.广东海洋大学海洋工程与能源学院，广东 湛江 524029

圆筒型永磁直线电机是一种结构简单、体积小、推力大的动力设备，被广泛应用于抽油泵动力系统中。圆筒型永磁直线电机一般被安装在原油中［1］，原油的流动可以有效的降低电机的温度，但是对电机的密封性有着较高的要求。

纪树立等［2］将圆筒型永磁直线电机定子设计成整体密封结构，外壳与内筒及端板把定子绕组铁芯整体封装，与井液隔离并确保定子绝缘性能；动子永磁体设计成环状、外表面采用不锈钢材料进行满焊封装，与外界井液进行隔离，防止永磁材料被井液腐蚀或者损坏。这种结构有着良好的密封性，但内筒与永磁体表面的不锈钢都会增大永磁体与定子间的气隙，使得电机的推力下降。

张英勋［3］对圆筒型永磁直线电机的发展与背景做了详细的介绍，对抽油系统井下部分的密封与井上部分的工作原理做了说明，在电机的内孔封闭密封上，其采用在初级铁心上加工出防水槽，使用油田专用密封圈密封防水槽，外表面封闭是采用将初级套整体机壳焊接密封的方法。这种密封方法能够避免电机气隙增大，但是密封圈容易受到磨损，电机的寿命不长。

周广旭等［4］使用了一种动平衡圈对圆筒型永磁直线电机的定子进行密封，并在电机前后动平衡圈中充入高压油来平衡外部原油的压力。这种密封方式同样能够减小气隙，但是动平衡圈与动子间的密封工艺极高，电机长时间运转容易将动密封圈磨损，使得电机寿命降低。

韦福东等［5］对无密封结构圆筒型永磁直线电机的边端力矩进行了分析优化，对电机的槽口尺寸以及轴的尺寸影响电机的推力进行了分析。这种结构的圆筒型永磁直线电机的气隙较小，电机推力增大了许多，但是其线圈在原油中会受到腐蚀，使用寿命低。

本文在上述圆筒型永磁直线电机的结构基础上设计了一种新型定子密封结构，使用这种定子密封结构的圆筒型永磁直线电机不仅可以有较好的密封性能，同时还能保持良好的电机推力输出。

1 圆筒型永磁直线电机密封筒的结构设计与工作原理

1.1 结构设计

圆筒型永磁直线电机结构主要由动子和定子两部分组成，动子由轴与永磁体组成［6］，对于轴向充磁的电机，两永磁体间还需导磁材料作为导磁体；定子主要由硅钢片与绕组组成［7］，本文研制的电机在定子与动子之间增加了密封筒结构，这种结构的圆筒型永磁直线电机如图1 所示。

图1 新型圆筒型直线电机截面型图Fig.1 Section diagram of new tubular permanent magnet linear motor

传统密封筒结构是由单一的非导磁材料制成，磁路中磁阻较大。新型密封筒主要由导磁套与隔磁套相互交替焊接，将焊接部位打磨光滑而成，如图2 所示。导磁套与定子齿部对应，降低磁路磁阻；隔磁套位于两个定子齿部之间，减小漏磁损失。

图2 新型密封筒结构图Fig.2 Structure diagram of new seal tube

根据电机的初始参数计算电机各个部分的主要尺寸大小，圆筒型直线电机的初始参数如表1所示。

表1 初始参数表Tab.1 Initial parameters

在圆筒型直线电机中初级定子极距与电机运行速度、电流频率有直接关系，其关系式［8］为：

式中：τ为定子极距，mm；vn为电机运行速度，m/s；f为电流频率，Hz。

初级内径D1与电机的许多参数相关，其计算公式［9］为：

式中：(1-εL)为压降系数，即初级相电动势与初级相电压之比；FN为直线电机额定电磁推力，N；v1为电机同步速度，m/s；K为经验系数；f为绕组三相交流电流频率，Hz；Kdp为初级侧绕组系数，可以按照旋转电机中绕组因数的计算公式计算；p为极对数；τ为永磁直线电机的极距，mm；η为电机效率；A1为直线电机的电负荷，可通过查表选取，A/m；Bδ为气隙磁密的基波幅值，T；cosφ为电机的功率因数。

根据公式（1）和（2）可以计算出圆筒型永磁直线电机的一些主要参数，如表2 和表3 所示。

表2 电机主要尺寸参数Tab.2 Main dimension parameters of motor mm

表3 电机槽型参数Tab.3 Motor groove parameters mm

1.2 工作原理

圆筒型永磁直线电机中绕组在工作时会产生一种气隙磁场，气隙磁场做直线运动，又叫行波磁场。绕组产生的行波磁场与永磁体磁极相反，利用同极相斥，异极相吸的原理使直线电机动子产生相对移动［10］。图3 描述了新型密封筒的工作原理，图3 中红色箭头表示永磁体及绕组的磁路，密封筒中导磁套的磁阻远小于隔磁套的磁阻，绝大部分磁通沿着导磁体、导磁套、硅钢片形成一个回路。

图3 密封筒工作原理Fig.3 Working principle of seal tube

2 ANSYS 有限元仿真

圆筒型直线电机的导磁材料主要为非线性材料，直接利用公式计算磁感应强度、气隙磁密、电机的推力等电磁参数非常困难，使用有限元仿真可以准确的计算电机的电磁参数，从而评估电机的电磁性能。电机的电磁场分析一般使用静磁场以及瞬态磁场进行仿真分析。圆筒型永磁直线电机是轴对称结构，在ANSYS Maxwell 软件中建立二维模型进行仿真。

2.1 仿真模型的建立

在确定了圆筒型永磁直线电机的基本尺寸后，根据这些基本尺寸参数能够在ANSYS Maxwell中建立电机的二维仿真模型，如图4所示。

图4 仿真模型图Fig.4 Simulation model diagram

2.2 网格划分与边界条件

在二维电磁场有限元仿真中，对圆筒型直线电机模型的网格划分主要采用自适应的网格划分，划分精度如图5 所示。

图5 网格划分图Fig.5 Grid division diagram

电机电磁仿真要考虑模型磁饱和与漏磁情况［11］，因此边界条件多选用气球边界条件。设置仿真时间为0.2 s，因为，仿真时间过短，会导致电机推力曲线不完整，仿真时间过长，计算机的内存与CPU 等计算资源的消耗过大。

3 仿真结果

3.1 新型电机仿真结果

由图6 可以看到静磁场中永磁体、导磁套以及定子齿部磁密较高，动子以及定子轭部磁密较低，同时局部磁密较高。图7 为圆筒型永磁直线电机在额定电流时的瞬态磁场磁力线分布图，从图7 中可以看到永磁体与绕组产生的磁场通过气隙、密封筒以及硅钢片形成一个完整的回路，回路中间齿部磁场强度比较低。

图6 静磁场磁密分布图Fig.6 Magnetic density distribution of static magnetic field

图7 瞬态磁场磁力线分布图Fig.7 Magnetic field line distribution of transient magnetic field

定位力是评估电机定位精度的重要指标，其幅值越小越好［12-14］，从图8 中可知电机的定位力幅值为500 N。由图9 可以看出电机在额定电流（27 A）时的推力在1 kN 到2.8 kN 之间波动，可以计算得到平均推力约为1.94 kN，达到了设计要求。

图9 推力曲线图Fig.9 Thrust curve

3.2 密封筒结构对电机性能的影响

在新型圆筒型永磁直线电机的设计中，定子密封筒结构是导磁套与隔磁套相互焊接而成，探究密封筒结构对电机电磁性能的影响十分必要。将新型密封筒与传统密封筒结构以及无密封结构的圆筒型永磁直线电机进行仿真对比分析，可以更加直观的了解新型密封筒直线电机的性能。

图10 是上述3 种直线电机的推力曲线图，从图中可得无密封筒结构与新型密封筒结构的电机平均推力大小分别为2.13 kN 与1.94 kN，推力大小相差不大，推力波动幅度几乎一致，说明新型圆筒型永磁电机在有良好的定子密封性能的基础上，其推力大小略小于无密封结构的电机推力，都有着良好的推力输出；而使用单一无磁钢材料的传统密封筒结构在平均推力上要比上面2 种电机小得多，其平均推力大小为1.52 kN。

图10 3 种电机推力曲线图Fig.10 Thrust curves of three motors

为了探究密封筒厚度对电机推力的影响，在保持其他参数不变的条件下，改变密封筒的厚度，电机平均推力变化曲线如图11 所示。从图11 中可以看到，新型密封筒结构的直线电机平均推力几乎不受密封筒厚度的影响，传统非导磁材料密封筒直线电机平均推力随着密封筒厚度的增加而不断的减小；新型密封筒结构的直线电机平均推力大于传统非导磁材料密封筒直线电机平均推力。

图11 密封筒厚度与电机平均推力大小关系图Fig.11 Relationship between sealing cylinder thickness and thrust

电机在运行过程中会产生多种损耗，对电机损耗的计算也是非常重要。一般来说，电机的主要损耗有铜损耗、铁芯损耗以及机械损耗和杂散损耗等。根据Maxwell 2D 软件的仿真结果可以计算输出功率、输入功率、电机效率等。以额定电流（27 A）进行计算，铁损曲线如图12 所示。

图12 铁损曲线Fig.12 Iron loss curves

从图12 可以看出，平均铁芯损耗在100 ms 以后就趋于平稳了，因此，取100～200 ms 内的平均值作为直线电机的铁芯损耗，那么传统密封筒直线电机的铁芯损耗为PFe=0.185 W，无密封筒直线电机的铁芯损耗为PFe=0.331 W，新型密封筒直线电机的铁芯损耗为PFe=0.338 W。

圆筒型永磁直线电机的机械损耗主要有摩擦损耗、通风损耗以及一些其他的杂损耗，其大小一般取输出功率的1%，则机械损耗Pad=0.912 W。

电机的输出功率与电机的频率、极距以及推力大小都有关系，其计算公式为：

式中：FN为电机平均推力，kN。

电机的铜损耗主要是由电机绕组铜线电阻导致的，根据电机的绕组结构参数可以计算出电机每相电阻约为R=0.336 Ω（温度22 ℃时），电机的铜损耗计算公式［15］为：

式中：m为电机相数；I为电机电流有效值，A。电机的输入功率P1的计算公式为：

式（5）可以计算得到电机的效率，效率的计算公式［16］为：

由式（6）可以计算得到电机铜损耗、输入功率、输出功率以及效率等参数，计算结果如表4所示。

表4 电机功率参数表Tab.4 Motor power parameters

4 实验

对带新型密封筒直线电机进行了电机推力的实验分析，实验装置主要由带新型密封筒直线电机、往复抽油泵、过滤器、蓄能器、溢流阀、压力表、压力传感器等组成，如图13 所示。

图13 实验装置示意图Fig.13 Schematic diagram of experimental device

在实验装置中，电机推力主要通过压力传感器间接来表示，利用力与压力之间的关系来计算电机推力，电机与抽油泵装配关系如图14 所示。

图14 直线电机与抽油泵装配关系示意图Fig.14 Assembly relationship between linear motor and oil pump

在初始参数表中可以知道抽油泵的柱塞与电机动子接触面的面积A，读取压力传感器上的压力为P，那么电机平均推力FN与面积以及压力有如下关系式：

通过实验得到的压力可计算电机推力如图15所示。

图15 仿真与实验推力对比曲线图Fig.15 Comparison curves of thrust between simulation and experiment

5 仿真与实验结果分析

通过电磁场仿真分析可得，带新型密封筒的圆筒型永磁直线电机具有较大的推力输出，相较于带传统密封筒的圆筒型永磁直线电机推力提高了27%左右。新型密封筒的厚度对电机推力的影响比较小，可以根据电机在油井中所处的位置调整密封筒的厚度，以获得足够的结构强度。在电机效率方面，新型圆筒型永磁直线电机的效率有着一定的提高。

由实验结果可知，带新型密封筒的圆筒型永磁直线电机的推力实验值比仿真值小，其相对误差在4%以内。造成误差的原因是抽油泵柱塞有一定的摩擦，同时重力的影响也会造成误差。

6 结论

随着国际形势的紧张，能源安全的问题越来越受到重视，在石油开采领域，使用直线电机驱动往复泵技术能够极大提升开采效率。本文提出的新型密封筒装置，能够使圆筒型永磁直线电机保持较好的密封性，同时电机推力也没有明显下降，对圆筒型永磁直线电机的结构设计有一定的参考价值。