新型无齿轮曳引式抽油机用永磁同步电机设计与仿真研究.docx

《新型无齿轮曳引式抽油机用永磁同步电机设计与仿真研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《新型无齿轮曳引式抽油机用永磁同步电机设计与仿真研究.docx（54页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、本科毕业设计（论文）题目：新型无齿轮曳引式抽油机用永磁同步电机设计与仿真研究永磁同步电机磁场有限元分析学 院:专 业:班 级:学 生:学 号:职称:指导教师:抽油机是油田生产常用的设备之一，无需减速机构的低冲次、高冲程的无齿轮曳引式抽油机由于具有机构简单、高效节能等优点成为抽油机领域的研究热点之一；为了简化抽油机的机械机构，减轻繁重的日常维护工作，本文使用高效的永磁同步电动机，无齿轮曳引式抽油机用永磁同步电动机改变了抽油机的运行机理，取消了复杂的动力传递和转换环节，减少电机损耗，使整机效率提高本文介绍了ANSYS软件的有限元分析功能，并应用ANSYS软件的有限元分析功能以及能量法等方法对无齿轮

2、曳引式抽油机的机架，驱动用电机的主轴，天轮和曳引轮等主要部件进行了有限元的静态分析和极限情况的瞬态分析，确定了所设计的部件在所遇到的工况下是安全的，确保了抽油机整体的安全性。本文主要研究内容如下：(1)利用有限元对永磁同步电动机进行磁场分析与计算。(2)利用有限元建立磁场求解模型，仿真空载磁场的分布、气隙磁密、空载电动势和电机在实际负载下的磁场分布。研究得到的结果如下：(1)应用有限元分析与计算得到了磁力线分布图、气隙磁密波形、瞬态时空载反电动势波形图。(2)在有限元磁场分析计算中，有限元剖分对解的精度有着不可忽视的影响，通过提高剖分的节点数，计算精度将有所提高。根据磁场分布对不同的区域，合理

3、的选择剖分单元尺寸进行剖分，可以得到较为满意的剖分结果。【关键词】抽油机；永磁同步电动机；磁路分析AbstractPumping unit is common equipment in the production of oil field, low frequency,highstroke gearless traction oil pumping unit is the hot spot in the field of pumping unit because ofa simple structure, high efficiency and energy-saving advantage

4、s, gearless traction oilPumPing unit Changes the operation of pumping mechanism with Permanent MagneticSynchronous Motor(PMSM) and cancells a complex power transmission and conversion links,so that machine efficiency increased.This paper introduces the finite-element analysis functions of software A

5、NSYS , andthe finite element analysis methods of function and the energy method for gearless traction oilPumPing unit with motor frame, driving the spindle, head sheave and tractive sheave etc., themain components of the static finite element analysis and limit circumstance of transientanalysis, ide

6、ntified in the design of components met conditions are safe, ensure the safety ofthe pumping unit overall. This paper studies gearless traction oil PumPing unit withPermanent Magnetic Synchronous Motor(PMSM).First. Analysing and calculating the magnetic field of permanent magnet synchronousmotor, by

7、 finite element.Second. Buliding the solution model of Magnetic field, simulating No-load magneticfield distribution, and air gap flux density, no-load voltage and the motors magneticfield in the actual load distribution.Research results are as follows:First- I get a map of the magnetosphere, air ga

8、p flux density wave, transient no-loadback-EMF waveform diagram by finite element.Second. In finite element analysis calculation, the impact of finite element mesh on thesolution accuracy can not be ignored. By increasing the number of nodes in split, theaccuracy will be improved. According to the m

9、agnetic field distribution on thedifferent rational, making a sensible choice split to split the unit size, we can getmore satisfactory results.I Key Words Pumping Unit, Permanent Magnetic Synchronous Motor(PMSM), Magneticcircuit analysis摘要IAbstractII目录III图表目录4第1章绪论11.1 课题背景及选题意义11.2 国内外抽油机的发展状况41.2

10、.1 我国抽油机的发展概况41.2.2 国外抽油机的发展概况51.2.3 国内外抽油机的对比61.3 国内外永磁同步电动机的发展概况71.3.1 国内发展概况81.3.2 国外发展概况81.4 研究内容81.5 章节安排8第2章抽油机系统的结构与工作原理102.1 新型抽油机的机械结构及工作原理102.1.1 机械结构102.1.2 工作原理102.2 新型抽油机用永磁同步电动机结构及其工作原理112.2.1 电机结构112.2.2 工作原理152.3 主要性能指标及永磁同步电动机的主要参数162.4 小结17第3章永磁同步电动机的电磁设计183.1 永磁同步电动机的设计183.2 主要尺寸选

11、择193.3 永磁体设计193.4 电磁设计参数203.5 小结20第4章抽油机用永磁同步电机的磁场有限元分析214.1 ANSYS11.0 的介绍214.2 磁场有限元分析基本原理214.3 永磁同步电动机磁场的有限元分析和计算234.4 边界条件的确定244.5 永磁同步电机磁场有限元分析数学模型建立254.5.1 指定材料属性274.5.2 设定边界条件和激励源274.6 仿真分析结果284.7 小结30第5章全文总结与展望315.1 本文总结315.2 后续工作展望31参考文献32致谢34图表目录图1-1抽油机的分类3图2-1新型无齿轮曳引式抽油机的结构10图2-2永磁同步电动机的横截

12、面示意图12图2-3表面式转子磁路结构12图2-4内置径向式转子磁路结构13图2-5内置切向式转子磁路结构14图2-6内置混合式转子磁路结构14图2-7爪极式转子磁路结构15图2-8永磁同步电机工作原理图16图3-1永磁同步电动机电磁设计流程18表3-1电磁设计主要参数20图4-1永磁同步电动机求解区域24图4-2电机定转子结构26图4-5永磁同步电动机具体的剖分结果28图4-6磁力线分布图29图4-7气隙磁密波形29图4-8瞬态时空载反电动势波形30表3-1电磁设计主要参数201.1 课题背景及选题意义与世界石油资源量相比，我国具有石油资源量相对不足的缺点。我国石油资源最终可采储量约为130

13、150亿吨，仅占世界石油可采储量砰（4563亿吨）3%左右。到2000年底，我国石油剩余可采储量为24. 6亿吨，仅占世界剩余可采储量（1402. 8亿吨）的1.8%0按每平方公里国土的平均资源比较，我国石油可采资源量的丰度值约为世界平均值的57%0剩余可采储量丰度值仅为世界平均值的37%o与世界石油资源量相比，我国具有石油资源量相对不足的缺点。而我国石油缺口即使按比较慢的消费增长速度预测，到20102020年我国石油供应缺口仍将依次为1. 26和2. 05亿吨。因此全国各个油田务必要增加油井的产量。我国的油田大部分为早期注水开发，油井的含水量逐年上升，要提高原油产量，必须加大井液提升的能力。

14、因而机采的节能成为待解决的问题之一。随着油田开发的不断深入，我国大多数油田已经进入了开发的中后期阶段，井底压力降低，这就要求抽油机的抽汲能力增强。但目前我国油田广泛采用的抽油机仍然是传统的游梁式抽油机。在传统的抽油机看来，用电动机直接拖动这种低速的抽油机是不可能的，所以必须在原动机与工作机之间设置一个既能减速又能增速的传动装置一减速器。抽油机减速器是一个用来减速、增矩的齿轮传动装置，它是在原动机与工作机之间完成协调转速与匹配力矩的一个传动机械。但是在机械传动过程中，齿轮传动不可避免地存在着机械磨损，由于磨损使整个抽油机系统的效率大为降低，噪音加剧。为了减低机械磨损和传动产生的磨擦热，润滑油的使

15、用是必不可少，定期的更换润滑油不仅增加了日常维护费用，而且油气、油污也会对环境造成直接污染。无需减速机构的低冲次、高冲程的无齿轮曳引式抽油机由于具有结构简单、高效节能等优点成为抽油机领域的研究热点之一，其具有重要的科学意义和实用价值。与游梁式抽油机相比，使抽油机的传动效率明显提高，驱动电动机的功率降低一半，系统的功率因数保持在0.95以上，相同吨位的抽油机占地面积为原来的三分之一，并且抽油机冲程次数可以随意无级调节，平衡调节可以轻松进行，没有减速机，可以不用润滑油，给维护工作带来方便。近年来，国外各大石油公司研究开发了各种新型抽油机，为更经济有效地开采石油做出了卓越贡献。在新型抽油机中,长冲程抽油机品种最多，占有更大的比例，具有较好的抽油性能、提高石油产量、降低采油成本、提高经济效益等优点。根据技术发展预测结果，在今后很长一段时期内，长冲程抽油机仍将是世界抽油机发展的主流和方向，长冲程抽油机将会有更大的发展。