加油站用潛油電泵直驅永磁電機研究與設計

張義勛 張炳義

摘 要：針對加油站加油系統中自吸式加油機存在管路鋪設復雜、氣阻現象導致加油機出油量下降甚至不出油的現象，使用潛油電泵直驅永磁電機代替傳統的自吸泵，供電系統由單相市電經整流逆變轉換為三相交流電實現電機驅動?；跐撚碗姳弥彬層来烹姍C進行額定參數選取，完成電磁方案設計，并利用Ansys Maxwell對電機進行二維場有限元仿真，對比不同極槽配合下電機空載氣隙磁密、空載反電勢，得出最優方案。對于少槽電機，采用梯形槽結構可以提高材料利用率，磁密分布更均勻。

關鍵詞：潛油電泵;直驅永磁電機;極槽配合

0? ? 引言

國內加油站基本使用自吸式加油機，然而自吸式加油機常常帶來一些不可避免的問題，影響了加油站的發展[1-2]。

潛油泵的加油系統在加油站中可以實現一泵供多機（槍），使加油量更大、速度更快。幾臺同型號的加油機共用一根接自油罐的進油管（即油罐的出油管），不會造成互相影響、流量不均的現象[3]。即使一臺加油機停泵，也不會因抽入空氣而斷流。這種工藝大大簡化了管路鋪設，使加油站的布局更加靈活。潛油泵的加油工藝不會受油罐直徑變大或埋得太深、油管變長或管路拐彎等因素的影響，能保證加油站的正常運營[4-5]。

現有的潛油泵多以單相異步電機作為驅動電機，而單相異步電機系統穩定性低，且電機功率密度低、體積大、壽命短。隨著電力電子技術的成熟，三相永磁同步電機的控制得以更進一步發展，永磁電機在各行各業逐漸取代了異步電機。對泵、三相永磁同步電機及控制器實現一體化設計，并將其應用在加油站加油系統中，可使加油系統更加可靠地運行。在設計控制器的時候，加入單相全波整流電路，將單相的市電整流成直流，然后再通過逆變電路將直流電逆變為交流電用以驅動電機，通過壓力傳感器檢測管道內油壓反饋給控制器，控制器可以根據管道內壓力快速響應，保證加油機正常穩定運行。

1? ? 潛油電泵直驅永磁電機設計

1.1? ? 電機額定數據設計

本文所設計潛油電機額定數據的給定，需要考慮到實際應用中的情況，加油站多分布于城市中，即為220 V交流單相供電，而本文所設計電機為三相供電，這就需要將單相交流電逆變為三相交流電，而這個過程將會用到整流逆變電路。所設計的永磁電機功率PN為1.2 kW，轉速為3 000 r/min，考慮市電存在20%浮動，通過單相橋式全波整流為直流電壓：

Ud=0.9×0.8U1=158 V? ? ? ?（1）

通過三相逆變電路逆變得出的三相交流電的額定相電壓為：

U1N=0.45Ud=71 V? ? ? ? ? ? （2）

所以，選擇電機的額定相電壓為70 V。

1.2? ? 電機熱負荷確定

電機的熱負荷與電機的電負荷和電密成正比，電機的熱負荷選取得越高，電機允許的電負荷和電密越高，電機成本就越低[6]。過高的熱負荷會使電機的溫升過高，產生永磁體高溫失磁、繞組燒損等故障。因此，適當選取電機的熱負荷可以提高材料的利用率，降低成本，提高運行可靠性。本文設計的電機應用在潛油電泵中，電機浸在石油中，其散熱條件非常好，屬于水冷散熱，所以電機的熱負荷選擇在1 400～1 600 A2/（cm·mm2），電負荷確定在250～260 A/cm。

1.3? ? 電機極槽配合選擇

電機轉速與極對數、頻率之間關系：

n=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中，f為電機頻率;p為電機極對數。

由式（3）可發現，對于高速電機而言，若電機極數過多，則頻率將會過高，這將使得定子鐵耗過大，因此電機不宜做成多極，選取2極或4極為宜。若選用2極，則永磁體跨距過大，高速運轉下容易發生撕裂現象，對機械強度要求過高;此外，2極電機軛部磁密較大，軛部尺寸較大，故電機極數選為4極，額定頻率選為100 Hz。

設計定子的槽數主要取決于每極每相槽數q，一般而言，q在2～6中進行選擇。由于本文所設計電機為小功率電機，q一般在1、2、3中進行選擇，本電機尺寸不大，若槽數過多可能會造成槽尺寸過小，使得機械強度下降，同時下線困難，因此選定每極每相槽數q為2，電機極槽配合選為4極24槽。

分數槽繞組在超低速大轉矩永磁同步電機中應用廣泛，可以很大程度上削弱電機諧波含量及齒槽轉矩，提高電機性能。本文根據潛油電泵永磁電機的特點，選擇4極9槽的極槽配合，完成電磁方案設計。通過有限元分析，對比4極24槽設計方案，選擇最優的極槽配合。對于少槽電機的定子沖片槽型，分別對梨形槽和梯形槽兩種槽型進行仿真對比，以提高沖片的利用率，使磁密分布更合理。

1.4? ? 少槽電機定子沖片設計

對于4極9槽電機，若依然采用梨形槽，槽底弧度過大，將會導致軛部與齒部連接處材料的嚴重浪費，還會導致槽底與定子外徑距離過小，使電機機械強度下降。所以采用梯形槽設計，在保證定子軛部磁密的同時提高槽的有效截面積，可進一步減小電機體積，提高材料利用率。

2? ? 永磁電機建模與有限元分析

2.1? ? 潛油電泵永磁電機建模

根據設計的電磁方案，利用CAXA軟件畫出電機的定、轉子沖片結構圖，導入Maxwell軟件中進行空載仿真，通過分析空載反電勢、空載氣隙磁密波形，驗證電磁設計方案的準確性，分析不同極槽配合對電機性能的影響。

2.2? ? 電機空載性能分析

通過建模仿真，得出4極24槽和4極9槽電機空載反電勢波形和氣隙磁密波形?？蛰d反電勢波形如圖1、圖2所示。

由圖1、圖2可知，選擇4極9槽電機空載反電勢波形有明顯的改善，諧波含量有很大的改善。

通過對氣隙磁密波形進行傅里葉分析得到4極24槽氣隙磁密波形諧波畸變率為41.56%，4極9槽氣隙磁密波形諧波畸變率為27.99%，所以選擇4極9槽的極槽配合。

2.3? ? 少槽電機梯形槽和梨形槽對比

對于4極9槽電機，梨形槽和梯形槽對電機的定子軛部磁密影響很大。通過有限元分析，對定子磁力線分布進行對比，磁力線分布圖如圖3所示。

由圖3得出，在定子齒部與定子軛部交接處，梯形槽比梨形槽利用率高，提高了材料的利用率;相同定子外徑和內徑下，定子槽面積大，可以降低電機的電負荷，提高電機的性能。梯形槽設計時槽底設計為與定子沖片外圓同弧度的圓弧。

3? ? 結語

本文對加油站將自吸式加油機改為由永磁電機驅動的潛油電泵進行電磁設計與有限元分析，得出4極9槽的極槽配合對電機的性能改善很多，可見分數槽繞組的應用不僅僅局限于超低速大轉矩電機，對于中速電機，分數槽繞組同樣可以削弱電機空載反電勢諧波。對于槽數少的電機，得出梯形槽的槽型可以提高定子硅鋼片的利用率，提高電機的性能。

[參考文獻]

[1] 魏光濤，張琳葉，王振升.潛油泵在加油站設計中應用的必要性[J].化學工程與裝備，2010（2）：63.

[2] 陳子如.汽車加油站潛油泵的選型、工藝設計與應用[J].石油庫與加油站，2012，21（2）：1-6.

[3] 李行.潛油泵功能與自吸泵的對比[J].石油庫與加油站，2003，

12（3）：32-33.

[4] 蒲鶴，修德欣，丁莉麗，等.加油站節能型潛油泵的研制與測試[J].安全、健康和環境，2017，17（12）：5-7.

[5] 王剛.加油站潛油泵加油工藝的應用探討[J].化工設計通訊，2018，44（10）：103.

[6] 張炳義，楊帥，劉忠奇，等.潛油泵直驅單元組合式永磁電機熱負荷分析[J].微電機，2014，47（7）：1-4.

收稿日期：2020-03-30

作者簡介：張義勛（1994—），男，遼寧沈陽人，碩士研究生，研究方向：永磁電機及其控制。

張炳義（1954—），男，遼寧沈陽人，博士，博士生導師，研究方向：永磁電機及其控制。