油田封層用永磁直線電機設計與優化

宋賀申，王泰華，許孝卓

（河南理工大學 電氣工程與自動化學院，焦作 454000）

0 引言

油田開采進入特高含水期后，油層層間矛盾加劇，要求對高出水層找水、堵水，從而達到穩油、控水的目的[1,2]。國內外找堵水方法主要有產液剖面測試找水技術、封隔器找堵水技術、井下液壓開關層找堵水技術和井下電動開關調層找堵水技術。伍朝東[3]等人提出井下智能找堵水技術，該技術主要是利用智能開關器的機械式找堵水。目前智能開關器閥體的驅動機構普遍采用的是旋轉電機加減速器的形式[4]。永磁直線電機以體積小、響應快、控制簡單、電磁推力大等優點廣泛應用于航空航天、交通運輸、機器人、壓縮機等領域[5～7]。本文提出油田封層用無槽電樞圓筒永磁直線直流電機（slotless armature tubular permanent magnet linear DC motor，SLATPMLDM），它采用直線電機直接驅動智能開關器閥體，取消了減速器和中間轉換裝置，簡化了系統結構，提高了開關器的執行效率。智能開關器的結構及其在丟手管柱中的位置如圖1所示。

圖1 智能開關器和丟手管柱

1 SLATPMLDM結構

1.1 電機設計指標

電機在井下3千米惡劣環境中工作[8]，工作環境溫度最高約為130℃。電機絕緣材料等級選擇F級。受智能開關器尺寸的限制，電機定子外徑不大于32mm。由耐高溫12V電池供電，其最大連續輸出電流為2A，電機運動行程約為20mm，電機正常工作時要克服約為15N的液壓阻力。SLATPMLDM的設計指標如表1所示。

表1 SLATPMLDM設計指標

1.2 電機結構設計

SLATPMLDM剖面結構示意圖如圖2所示，其主要結構設計參數如表2所示。

圖2 SLATPMLDM剖面結構圖

表2 SLATPMLDM主要結構參數

電機工作時，電樞繞組通入直流電，電樞受安培力的作用帶動閥體運動，改變電流大小與極性，即可改變電機直線運動速度和方向[9]，從而實現開關器液流孔的打開和關閉。

2 電樞繞組前移式SLATPMLDM設計

分析圖2SLATPMLDM結構圖，其磁鋼軸向長度與電樞繞組長度相等，為首端齊平式結構。設永磁體和氣隙中磁勢均勻，則圖2中S1，S2，S3磁勢關系式為：

上式中，H2(x)為定子背鐵和電樞鐵心的磁場強度，是位移x的函數。Hc為永磁體的矯頑力。L1～L3分別為S1～S3回路經過定子背鐵和電樞鐵心的平均磁路長度。

為簡化分析，做出以下假設：

1）磁路經由N極永磁體、定子背鐵、S極永磁體、氣隙和電樞鐵心形成閉合磁路，且永磁體對應氣隙段形成均勻垂直于電樞繞組的磁場，隔磁環對應氣隙段氣隙磁場為零；

2）電樞繞組，永磁體和鐵心均為理想材料（μFe=∞，μr=μ0）；

3）電機兩端開斷處，漏磁忽略不計；

4）磁力線回路S1，S2，S3左右均勻分布；

5）電樞繞組平均半徑為re。

由B=μH，可以得到如圖3所示的氣隙磁感應強度隨位置x的變化曲線Bg(x)。

圖3 氣隙磁感應強度分布

如圖3所示，由安培定律F=NBgIL，可以得到電樞受力表達式：

對式(4)化簡可得：

為簡化處理，令l1=l3，式(5)可化簡為：

考慮到電樞位移d∈(0,E)，且E≤l1/2時，電樞受力為：

由此可得：

式(8)表示的電磁力與位移特性曲線如圖4所示。

圖4 電機出力特性曲線

從圖4可看出，電樞受力最大值出現在d=0處，為磁鋼與電樞繞組首端齊平處。若改變電樞繞組與磁鋼的相對初始位置，電樞受力曲線會有這樣的變化規律：先增加，待極大值出現后，再遞減。這時圖4中出力特性曲線將會右移，與坐標軸所圍面積相應增大，可以得到更大的平均推力。

為此改進電機的結構，定子背鐵長度不變，調整磁鋼與電樞繞組的初始相對位置。圖5中a表示電樞繞組前移量，表現為磁鋼向右移，調整前后電機的體積幾乎沒有發生變化。

圖5 改進后的電機結構

改進后氣隙磁感應強度Bg'隨位置x變化曲線Bg'(x)如圖6所示。

圖6 改進后的氣隙磁感應強度分布

那么，電樞受力為：

a值不能取得過大，取a

改進后的電磁力與位移特性曲線如圖7虛線部分所示。對比兩條特性曲線可看出，改進前電樞運動行程后期出力下降快。造成這種結果的主要原因是，電樞繞組經過隔磁環所對應氣隙段后，逐漸運動到下一段磁鋼反向充磁區域，有效切割磁力線減少，且受安培反向力，造成出力減少。

圖7 改進前后電機出力特性曲線

若電機工作行程d=l1/2，圖7中A0陰影部分面積表示新的特性曲線出力減少的部分，A1則是其增加的部分，顯然A1面積大于A0面積。從而可以得知，調整電樞繞組與磁鋼的相對初始位置，電樞繞組能夠更加充分利用氣隙磁密。因此可以在保證電機工作行程不變的前提下，提高電機的平均推力。

3 仿真驗證

電樞繞組前移式電機相比于電樞繞組首端齊平式，主要優點是改善了出力特性曲線，提高了平均推力。根據圖2中SLATPMLDM結構圖及表1電機結構參數，利用ANSYS Maxwell有限元軟件，建立了電機二維有限元模型（a=0），在此基礎上不斷改變a值，觀察不同a值時電機推力特性曲線。圖8表明了隨著a值的不斷增加，電機輸出推力特性曲線向右移動。

圖8 不同a值時電機出力特性曲線

其中，a=0是電樞繞組首端齊平式電機，a>0則是電樞繞組前移式電機。圖9顯示了不同a值對電機平均推力的影響。在012mm后，平均推力逐漸減少。

圖9 不同a值時電機平均推力

圖10表明了不同a值時電機推力波動率的變化規律。在013mm后，推力波動率逐漸增加。表3給出了不同a值時電機平均推力、推力密度和推力波動率。對比兩種電機指標可知，電樞繞組前移式電機明顯優于電樞繞組首端齊平式電機。由表3可知，平均出力密度最大值出現在a=12mm處，與a=0mm相比較，平均推力提高了41.68%，推力密度提高了55.47%，推力波動減少了72.60%。

圖10 不同a值時電機推力波動率

表3 不同a值時電機平均推力、推力密度和推力波動率對比

4 結語

根據油田封層用直線電機特性要求，提出并設計了一款無槽電樞圓筒永磁直線直流電機。對提出的電樞繞組前移式SLATPMLDM進行詳細理論分析，有限元仿真分析結果表明，電樞繞組與永磁體相對初始位移為12mm時，與傳統齊平式結構相比，不改變行程和磁路形式，電機出力平均值和推力密度取得最大值，推力波動率取得最小值。為該類電機結構的設計提供了一種新思路，同時對進一步提高智能開關器智能化水平具有重要意義。