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无齿轮石油钻探泥浆泵用永磁同步电动机研究

孙亮  
【摘要】: 泥浆泵是石油钻探设备的重要组成部分。泥浆泵向钻孔里输送泥浆或水等冲洗液,以达到冷却钻头,携带岩屑及保护井壁等作用。现代石油钻井技术的发展对泥浆泵的性能提出越来越高的要求,因此研制由低速大转矩永磁同步电动机直接驱动泥浆泵曲轴,取消原减速机构的无齿轮泥浆泵显得很有意义。本文主要对无齿轮泥浆泵主驱动用永磁同步电动机设计进行深入研究,得出一些具有工程应用价值的结果。 本文由以下四部分组成: 第一部分:对原有泥浆泵传动结构进行改造,由永磁同步电动机直接驱动曲轴,实现无齿轮传动。并对其控制系统进行设计,由高性能变频器和增量式编码器构成永磁电动机矢量控制系统,并辅以继电器电气控制,实现对泥浆泵系统的控制。 第二部分:给出泥浆泵主驱动用永磁电机设计指标和性能参数,研究适合泥浆泵电机的设计方法。对如何选取电磁负荷、磁通密度、气隙长度、定转子尺寸和永磁块尺寸等主要电机设计参数进行论述。并针对石油钻井现场出现供电电压高于或低于电机额定电压值的情况,提出宽电压应用“多抽头”绕组线圈的设计方法,并在油田现场验证该方法实用可行。 第三部分:无齿轮泥浆泵主驱动用永磁电机主要根据永磁电机设计基本理论,并结合泥浆泵负载情况、应用环境和结构特点来进行电磁设计。应用Matlab软件,编制和调试泥浆泵用永磁同步电动机电磁计算软件。同时利用Ansoft软件对所设计的电机进行有限元分析,得出气隙磁密波形、磁场分布和空载反电动势等仿真图。 最后,在上述研究工作基础上,研制一台15kW、额定转速为80r/min的变频起动泥浆泵主驱动用永磁同步电动机样机,并对样机进行空载和负载性能测试。效率达到90%以上,过载能力达到2.2倍,测试结果表明样机性能达到设计要求,并验证本文无齿轮泥浆泵用永磁电机所采用设计方法的正确性。


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