圆筒型永磁直线电机的温度场研究

曹勇

（武汉工程大学机电工程学院，湖北武汉 430000）

0 引言

现代社会离不开石油能源，我国更是一个石油消费大国，因此石油开采技术一直是研究重点[1]。在人类进入现代化的石油开采时代后，逐渐形成了有杆采油和无杆采油两类石油开采方式。目前以游梁式采油系统为代表的有杆采油应用得更为广泛，但随着我国多数油田进入开采的中后期，水平井和大斜度井的数目逐渐增多，这将加剧有杆采油系统的抽油杆和油井套管的偏磨问题。由圆筒型永磁直线电机和往复泵组成的无杆采油系统不用抽油杆柱传递能量，而是将电动机与抽油泵组合在一起下放至油井深处，由直线电动机驱动往复泵的柱塞作往复直线运动，从而将原油举升至地面。由于省去了中间的传动装置，简化了动力传递过程，整个系统的能源利用率有所提高，也从根本上解决了杆管偏磨问题，因此逐渐得到广泛的应用。

作为无杆采油系统的动力装置，圆筒型永磁直线电机具有推力密度大的优点[2]，但其工作温度相比有杆采油系统中的旋转电机更高的缺点也不可忽视。有杆采油系统的旋转电机在地面工作，而本文研究的圆筒型永磁直线电机常工作于油井下方约1～3km 处，环境温度可达100℃甚至更高。由于井下的空间非常狭小，因此无法布置额外的设备来加强电机的散热效果，同时为了提供满足要求的电磁推力，通入电机绕组的正弦电流往往比较大，因此会产生大量的热量，造成电机运行时的温度偏高。温升过高会损坏电机绝缘材料，严重时可能直接导致电机烧毁[3]。因此，研究圆筒型永磁直线电机的温升情况，对解决电机的可靠性问题具有重要意义。

本文设计了一种适用于无杆采油系统的圆筒型永磁直线电机，并给出了计算电机温度场的主要步骤，可以了解圆筒型永磁直线电机的温升情况，为电机的热设计提供了参考依据。

1 圆筒型永磁直线电机的设计

按照结构的不同直线电机可以分为圆盘型、扁平型、圆筒型以及弧型等。油井一般为圆孔状，考虑到要能够在油井中安全的下放和提起，因此圆筒型永磁直线电机相比于其他结构更加适合作为无杆采油系统的井下动力装置。

虽然直线电机与旋转电机在结构上有很大的不同，但其实圆筒型永磁直线电机是旋转电机为直线运动场景而开发的产品，因此其原理上有着诸多相同之处。旋转电机的定子和转子分别对应着圆筒型永磁直线电机的定子和动子，图1 是圆筒型永磁直线电机的三维图。

图1 圆筒型永磁直线电机

给电机绕组通一交流电使其产生能够沿着电机轴向移动的行波磁场，电机的电磁推力是由动子永磁体的励磁磁场与行波磁场相互作用产生的。由于定子是固定的，于是动子开始做直线运动，调换三相交流电的任意两相即可实现动子的掉头从而使动子做往复直线运动。

1.1 圆筒型永磁直线电机定子设计

圆筒型永磁直线电机的定子主要包含绕组和铁心两大部分，由多匝线圈绕制成饼状的绕组嵌放在铁心槽内，当位于地面的控制柜向绕组线圈中输入三相交流电时，绕组会产生磁场，采用导磁材料制作的铁心能够有效地引导磁力线。

直线电机的绕组形式有很多种分类方式，按槽内线圈层数可分为单层绕组、双层绕组；按绕组布置方式可分为集中绕组、分布绕组。单层绕组由于没有层间绝缘，其空间利用率比双层绕组更高，因此本文电机采取单层绕组。圆筒型永磁直线电机的绕组由线圈卷成饼状嵌放在定子铁心槽内，在电机的两端并没有多余的无效绕组，因此相比于旋转电机和扁平型直线电机，圆筒型永磁直线电机的线圈利用率更高，大大降低了电机制造成本。直线电机绕组的排列方式可以参考旋转电机，根据极对数和槽数可以计算出槽距电角度，然后画出槽电动势星形图，据此得到电机绕组的排列方式。

本电机的绕组主要由铜导线和外包裹的绝缘材料及黏合剂组成。为了充分利用槽内空间，本电机采用矩形截面铜导线，相比于圆铜线，扁铜线可以更加充分地利用铁心槽内的空间，并且散热性能更加优秀。

纵向叠片式、横向叠片式以及窗叠片式是直线电机铁心的主要结构形式。纵向叠片式结构是由若干组在周向上等距离分布的铁心纵向装配而成，一定数量的硅钢片叠压在一起构成一组铁心，这种结构可以较大程度地减少涡流损耗，但结构复杂，装配困难。窗叠片式结构的铁心装配比较方便，涡流损耗也较小，但矩形的叠片不适合井下潜油直线电机圆筒型的要求，不宜采取此结构。横向叠片式结构具有结构简单，易于制造和装配的优点，被广泛应用于各类直线电机中，其主要缺点是铁心涡流损耗较大，但本文电机的运行速度不快，电源频率较低，可以克服该问题。综上所述，横向叠片式铁心结构是本文电机最好的选择。横向叠片式铁心由两种规格的硅钢片叠压而成，一种是包含轭部的硅钢片，一种是包含齿部和轭部的硅钢片。此外，考虑到硅钢片会产生涡流损耗，因此在两种规格的硅钢片的圆周方向上留有1～2mm 的间隙，来切断因电机磁场变化而产生的涡流回路，减小电机的铁心损耗。

两种规格的硅钢片按照一定的排列顺序叠压在一起就能组成带有绕组槽的定子铁心，其中定子铁心槽距以及定子极距与电机的电源频率和动子运动速度有关。

1.2 圆筒型永磁直线电机动子设计

圆筒型永磁直线电机的动子就是传统旋转电机的转子，能够对其他机构做功。动子由永磁体、导磁套和不导磁轴组成，环状的永磁体和导磁套交替嵌在不导磁轴上。高性能的稀土永磁材料主要有钕铁硼和钐钴两种，钕铁硼相对于钐钴具有更高的剩磁和矫顽力，抗去磁能力强，磁能积较大；其退磁曲线呈线性，回复线与退磁曲线相一致；但其温度系数较大，在高温下的表现不如钐钴。考虑到成本及加工能力差异，本文电机永磁体选用高牌号的烧结钕铁硼永磁体，具体牌号为N35UH。

根据充磁方式的不同，潜油直线电机存在3 种永磁体充磁结构：Halbach 充磁结构、径向充磁结构、轴向充磁结构。3 种充磁结构各有优缺点，考虑到经济成本和安装难易程度，选择轴向充磁结构。

2 热源损耗的计算

电机作为一个动力装置，在将电能转化为机械能对外界做功时，必然存在着能量损耗，产生能量损耗的部分称之为电机的发热源。这些能量损耗会以热量的形式，一部分通过热传导和热对流传递到外部环境中，而剩余部分则通过热传导传递到电机各个部分，引起电机各部分的温升。圆筒型永磁直线电机的能量损耗主要指绕组铜损耗、定子铁心损耗、永磁体涡流损耗以及机械损耗，这些损耗也就是电机发热的根源。

对于如何计算这些损耗，许多学者展开过研究，并给出了计算公式。绕组铜损耗就可以根据焦耳定律得到[4]，并且绕组线圈的阻值会随着电机温度的升高而变化，如果需要考虑精度的话，可以将温度对线圈阻值的影响考虑进去。

机械损耗包括轴承损耗和油膜损耗，根据设计经验机械损耗取值为输出功率的1%。

电机的定子铁心损耗主要由磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗组成。磁滞损耗是由于磁滞现象而损失的能量。电机运行中时刻变化的磁场会导致定子铁心产生感应电流，感应电流引起的损耗称为涡流损耗，永磁体涡流损耗的产生与此类似。虽然定子铁心损耗和永磁体涡流损耗可以根据相关公式计算得出，但其计算公式涉及许多电磁场的参数，为了计算的便捷性，可以利用有限元软件Maxwell 来计算。Maxwell 软件是一款分析物体电磁场的权威软件，给电机施加电流源激励并设置好各项参数后，就能求解出各项损耗值。使用软件的好处在于可以在改变电机结构尺寸以及其他参数的情况下快速计算出结果，以此探究它们对电机损耗和性能的影响规律，从而找到最优的电机尺寸。

3 对流散热系数的计算

热量传递是自然界中一种常见现象，人们将热量传递的方式总结为3 种：热传导、热对流以及热辐射。在电机温度场的研究中，热辐射所传递的热量十分有限，因此不予考虑。

电机发热源向电机的各个部分传递热量就是热传导过程，主要发生在固体物质中。傅里叶定律对热传导过程做出了准确定义，其中涉及的一个重要参数便是导热系数。在一般情况下，认为物体的导热系数仅与它所使用的材料有关，因此通过查阅电机各部分采用的材料就能得到它们的导热系数，其中绕组由于组成的成分比较复杂，因此需要计算其等效导热系数。

本文研究的圆筒型永磁直线电机工作的环境充斥着原油，原油的流动会带走电机产生的热量，这一热量传递过程称之为热对流过程，对流换热系数是热对流过程中的一个重要参数。热对流过程虽然复杂，但描述热对流过程的牛顿冷却公式在形式上却很简单，因为它把各种影响因素集中在对流换热系数上了，因此求解电机热对流问题的关键在于对流换热系数的计算。根据传热学的相关知识和理论可以计算得到对流换热系数[5]。同时，许多相关学者针对各类工况做了大量实验，总结了许多经验公式用来快速计算对流换热系数，但在使用时要注意使用范围且不得随意外推。

4 温度场计算

当圆筒型永磁直线电机的热源和对流换热系数确定后，就能够借助有限元软件Ansys 计算电机的温度场。在电机瞬态温度场的计算中，发现电机的瞬时温度并不是线性变化的，在电机开始运行时，其温度会增长得非常迅速，原因在于此时电机与周围环境的温度差还比较小，电机的散热量远小于发热量。在经过一段时间的稳定运行后，电机的散热能力逐渐提高，因此电机的温度增长速度开始放缓，等到电机散热量与发热量一致时，电机的温度将趋于一个稳定值。

由于电机的主要热量来自于绕组铜损耗，并且中间区域的散热要比两端差些，因此圆筒型永磁直线电机的最高温度会出现在中部区域的绕组处。为了有效地防止电机绕组线圈之间漏电短路，在线圈的外部都会包裹一层绝缘层，但大多数绝缘层材料的导热性能非常差，因此热量会被阻隔在绕组槽内。为了改善这一情况，可以考虑在绕组槽内涂抹一层导热胶，提高热量的传递效率。

电机温度场中最需要关注的就是过热点，一旦过热点的温度超出该点材料的正常工作温度，那么就可能引起电机过热烧毁。本文电机的过热点发生在绕组处，而绝缘材料的工作温度是有限度的，根据所用材料的不同可以分为A 级绝缘、B 级绝缘等。考虑到圆筒型永磁直线电机的高温工作环境，可以选取耐温等级较高的绝缘材料。永磁体的温度也是关注重点，因为永磁体的温度过高则会产生退磁现象，导致电机的推力下降。

温度场的研究是为了辅助电机热设计，通过分析过热点，可以有针对性地改进电机结构，以确保电机在实际应用中能够长期稳定地工作。

5 结语

本文介绍了一种应用于石油开采领域的圆筒型永磁直线电机，首先介绍了电机的定子和动子结构，并讲解了电机的工作原理。为了应对高温的工作环境，介绍了电机温度场的计算过程。通过Maxwell 软件可以算得到电机的损耗，再通过经验公式可以计算得到电机与原油接触面的对流换热系数，然后就能够使用Ansys 热模块计算得到电机的温度场，通过分析过热点，可以有针对性地改进电机结构。