【摘要】：隨著油田的不斷開發(fā),大斜度井、水平井以及高稠粘、高含砂蠟原油井逐漸增多,低速大扭矩潛油永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動螺桿泵采油作為一項(xiàng)新技術(shù)逐漸被油田應(yīng)用。潛油永磁同步電機(jī)作為該系統(tǒng)的動力機(jī),其性能直接影響潛油螺桿泵機(jī)組乃至電泵井的質(zhì)量和壽命,同時影響到原油產(chǎn)量及采油成本。本文以提高低速大扭矩潛油永磁同步電機(jī)效率、降低其齒槽轉(zhuǎn)矩為目標(biāo),對電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)展開了優(yōu)化研究,并完成了樣機(jī)制造與試驗(yàn)。首先,進(jìn)行了低速大扭矩潛油永磁同步電機(jī)方案設(shè)計(jì)。根據(jù)永磁同步電機(jī)極槽配合分類特點(diǎn),對閉口槽、半閉口槽兩種槽口形狀下各四種極槽配合方案進(jìn)行研究,對比分析了電機(jī)氣隙磁密、空載反電勢、齒槽轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)矩、齒磁密等性能指標(biāo),最終選取了12極36槽的整數(shù)槽方案。針對潛油永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)過程中參數(shù)多難以確定優(yōu)化參數(shù)的問題,對潛油永磁同步電機(jī)的損耗和齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了解析分析。通過分析損耗與齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生機(jī)理,推導(dǎo)反映損耗、齒槽轉(zhuǎn)矩與電機(jī)電磁參數(shù)之間關(guān)系的表達(dá)式,得出了8個影響損耗和齒槽轉(zhuǎn)矩的電磁結(jié)構(gòu)參數(shù);對找出的參數(shù)做參數(shù)化分析,確定出了各參數(shù)的初始值。其次,開展了潛油永磁同步電機(jī)電磁參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。影響潛油永磁同步電機(jī)性能指標(biāo)的電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)較多,但每個參數(shù)對電機(jī)性能指標(biāo)的影響程度不同,且電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)之間存在交互作用;運(yùn)用部分析因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì),考慮因子間的交互效應(yīng)及效應(yīng)混雜,從得出的8個參數(shù)中篩選出了4個對電機(jī)性能具有顯著影響的因子。針對難以準(zhǔn)確得出顯著因子與電機(jī)性能指標(biāo)之間真實(shí)函數(shù)關(guān)系的問題,運(yùn)用響應(yīng)面法,擬合了顯著因子與效率、齒槽轉(zhuǎn)矩之間的二階響應(yīng)模型并判定模型的有效性;采用帶精英策略的非支配排序遺傳算法得出了同時使效率最大、齒槽轉(zhuǎn)矩最小的Pareto最優(yōu)前沿。針對潛油永磁同步電機(jī)實(shí)際加工制造中難免出現(xiàn)誤差因素對電機(jī)性能產(chǎn)生影響的問題,同樣以效率和齒槽轉(zhuǎn)矩為優(yōu)化目標(biāo),開展了潛油永磁同步電機(jī)穩(wěn)健參數(shù)設(shè)計(jì)。以篩選出的影響效率和齒槽轉(zhuǎn)矩的4個顯著因子作為可控因子,選取了5個誤差因素作為噪聲因子,利用Taguchi方法,安排控制表和噪聲表相結(jié)合的試驗(yàn)方案,得出了每個方案下的電機(jī)效率和齒槽轉(zhuǎn)矩的信噪比。通過平均值分析,分別得出了使效率最大的最佳因子組合和使齒槽轉(zhuǎn)矩最小的最佳因子組合;通過變異數(shù)分析,得出了同時使效率最大、齒槽轉(zhuǎn)矩最小的“Pareto最優(yōu)因子組合”。最后,根據(jù)優(yōu)化結(jié)果完成了潛油永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并制造了一臺額定功率9.6kW、額定轉(zhuǎn)速150rpm的潛油永磁同步電機(jī)樣機(jī)及其試驗(yàn)臺。進(jìn)行了潛油永磁同步電機(jī)的空載試驗(yàn)與模擬井下采油的負(fù)載試驗(yàn),測試中電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn),轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速波動較小,效率較高,與理論分析結(jié)果接近,驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性。
[Abstract]:With the continuous development of oil fields, the number of oil wells with large inclination, horizontal wells and high viscosity, high sand and wax content is gradually increasing. As a new technology, low speed and high torque permanent magnet synchronous motor drive screw pump production gradually. The performance of the submersible permanent magnet synchronous motor (PMSM) as the power engine of the system directly affects the quality and life of the submersible screw pump unit and even the electric pump well as the crude oil output and the oil production cost. In order to improve the efficiency of low speed and large torque submersible permanent magnet synchronous motor and to reduce its grooving torque, the electromagnetic structural parameters of the motor are optimized, and the prototype manufacture and test are completed in this paper. Firstly, the scheme of low speed and high torque submersible permanent magnet synchronous motor is designed. According to the classification characteristics of pole slot matching of permanent magnet synchronous motor, four kinds of pole-slot matching schemes with closed slot and semi-closed slot are studied, and the air gap magnetic density, no-load back EMF, slot torque and output torque are compared and analyzed. Finally, the integer slot scheme with 12 poles and 36 slots is selected. In order to solve the problem that it is difficult to determine the optimal parameters in the design process of submersible permanent magnet synchronous motor (PMSM), the loss and grooving torque of submersible PMSM are analytically analyzed. By analyzing the generation mechanism of the loss and the slot torque, the expression of the relationship between the loss, the slot torque and the electromagnetic parameters of the motor is deduced, and eight electromagnetic structural parameters affecting the loss and the slot torque are obtained. The initial values of the parameters are determined by parameterized analysis. Secondly, the optimization design of electromagnetic parameters of submersible permanent magnet synchronous motor is carried out. There are many electromagnetic structure parameters that affect the performance index of the submersible permanent magnet synchronous motor, but each parameter has different influence on the performance index of the motor, and there is interaction between the electromagnetic structure parameters. Based on the experimental design, four factors which have significant influence on the motor performance are selected from the 8 parameters obtained by considering the interaction effect and the mixed effect among the factors. In order to solve the problem that it is difficult to get the true function relationship between salience factor and motor performance index, the second order response model between salience factor and efficiency and slot torque is fitted by using response surface method and the validity of the model is determined. By using the non-dominated sorting genetic algorithm with elitist strategy, the Pareto optimal frontiers with maximum efficiency and minimum slotting torque are obtained at the same time. In order to solve the problem that error factors inevitably affect the performance of submersible permanent magnet synchronous motor (PMSM), the robust parameter design of submersible PMSM is carried out with the aim of optimizing efficiency and grooving torque. Taking the four significant factors of influence efficiency and slot torque as controllable factors, five error factors were selected as noise factors, and Taguchi method was used to arrange the test scheme of combining control table and noise table. The motor efficiency and the signal-to-noise ratio (SNR) of the slotting torque under each scheme are obtained. Through the analysis of mean value, the optimal combination of factors which make the maximum efficiency and the minimum torque of the tooth groove are obtained, and the Pareto optimal factor combination which makes the efficiency maximum and the torque of the tooth slot minimum is obtained by the analysis of the variance number. Finally, the structural design of submersible permanent magnet synchronous motor (PMSM) is completed according to the optimized results, and a prototype of submersible permanent magnet synchronous motor (PMSM) with rated power of 9.6 kW and rated speed of 150rpm and its test-bed are manufactured. The no-load test of submersible permanent magnet synchronous motor (PMSM) and the load test of simulating downhole oil recovery are carried out. In the test, the motor runs smoothly, the torque and speed fluctuate less, and the efficiency is higher, which is close to the theoretical analysis results, and verifies the effectiveness of the optimal design.
【學(xué)位授予單位】：中國石油大學(xué)(華東)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TE93;TM341

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本文編號：2342335