【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直接驅動螺桿泵采油作為一項新技術逐漸被油田應用。潛油永磁同步電機作為該系統(tǒng)的動力機,其性能直接影響潛油螺桿泵機組乃至電泵井的質(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效率、降低其齒槽轉矩為目標,對電機電磁結構參數(shù)展開了優(yōu)化研究,并完成了樣機制造與試驗。首先,進行了低速大扭矩潛油永磁同步電機方案設計。根據(jù)永磁同步電機極槽配合分類特點,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行研究,對比分析了電機氣隙磁密、空載反電勢、齒槽轉矩、輸出轉矩、齒磁密等性能指標,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設計過程中參數(shù)多難以確定優(yōu)化參數(shù)的問題,對潛油永磁同步電機的損耗和齒槽轉矩進行了解析分析。通過分析損耗與齒槽轉矩的產(chǎn)生機理,推導反映損耗、齒槽轉矩與電機電磁參數(shù)之間關系的表達式,得出了8個影響損耗和齒槽轉矩的電磁結構參數(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電磁參數(shù)優(yōu)化設計。影響潛油永磁同步電機性能指標的電磁結構參數(shù)較多,但每個參數(shù)對電機性能指標的影響程度不同,且電磁結構參數(shù)之間存在交互作用;運用部分析因實驗設計,考慮因子間的交互效應及效應混雜,從得出的8個參數(shù)中篩選出了4個對電機性能具有顯著影響的因子。針對難以準確得出顯著因子與電機性能指標之間真實函數(shù)關系的問題,運用響應面法,擬合了顯著因子與效率、齒槽轉矩之間的二階響應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、齒槽轉矩最小的Pareto最優(yōu)前沿。針對潛油永磁同步電機實際加工制造中難免出現(xiàn)誤差因素對電機性能產(chǎn)生影響的問題,同樣以效率和齒槽轉矩為優(yōu)化目標,開展了潛油永磁同步電機穩(wěn)健參數(shù)設計。以篩選出的影響效率和齒槽轉矩的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合的試驗方案,得出了每個方案下的電機效率和齒槽轉矩的信噪比。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、齒槽轉矩最小的“Pareto最優(yōu)因子組合”。最后,根據(jù)優(yōu)化結果完成了潛油永磁同步電機的結構設計,并制造了一臺額定功率9.6kW、額定轉速150rpm的潛油永磁同步電機樣機及其試驗臺。進行了潛油永磁同步電機的空載試驗與模擬井下采油的負載試驗,測試中電機運行平穩(wěn),轉矩、轉速波動較小,效率較高,與理論分析結果接近,驗證了優(yōu)化設計的有效性。
[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.
【學位授予單位】：中國石油大學(華東)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TE93;TM341

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