книги / Моделирование цилиндрических линейных вентильных двигателей для различных отраслей промышленности

Рис. 5.3. Расчётная идеализированная модель ЦЛВД

С целью упрощения расчётной модели двигателя предположим следующее:

1. Среда ферромагнитных сердечников индуктора является непроводящей и практически не имеет магнитного сопротивления ( c , c 0 ). Двигатель по направлению оси Х бесконечен,

адлина его активной части lмод 2 p .

2.В направлении поперечной оси Y ширина двигателя также бесконечна.

3.Индуктор обладает гладким сердечником, т.е. не имеет пазов. Величина воздушного зазора будет влиять на силу взаимодействия индуктора и вторичного элемента.

4.Магнитная проницаемость в зонах 2 и 4 будет одинакова

исоставит величину 0 .

5.Полюса вторичного элемента шириной b обладают бесконечно большой магнитной проницаемостью.

6.Магнитная индукция в воздушном зазоре направлена по оси Z, т.е. имеет одну единственную составляющую.

7.Постоянные магниты, установленные на вторичном элементе, имеют осевую (аксиальную) намагниченность, направление которой совпадает с осью Х.

8.Магнитная проницаемость и ширина постоянных магнитов

соответственно равны 0 и hм .

101

Реальный постоянный магнит и его геометрические размеры представлены на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Реальный постоянный магнит ЦЛВД

По причине преобразования системы координат некоторые действительные размеры постоянных магнитов, устанавливаемых на немагнитном штоке вторичного элементы, будут отличаться. Ширина магнита останется прежней hм (рис. 5.5), а длина изменит-

ся, и согласно рис. 5.4 будет определяться уже по пунктирной линии lср .

l	ср		Dм dм	.	(5.8)
		2

Во вновь полученной декартовой системе координат высоту постоянного магнита по координате Z определим по формуле

a Dм dм .

(5.9)

м	2

На рис. 5.3 пунктирной линией изображён путь замыкания магнитного поля, который соответствует всем принятым допущениям в расчётной модели двигателя. Согласно рисунку магнитный поток постоянного магнита индуктора двигателя дважды пересекает воздушный поток между статором и вторичным элементом, захватывая при этом по половине двух соседних полюсов.

102

Рис. 5.5. Постоянный магнит ЦЛВД, развернутый в декартовой системе координат

Таким образом, сопротивление воздушного зазора, которое учитывает полученный в результате перехода путь магнитного поля, определим по формуле

R	4	,	(5.10)
	0 b l
где l (D2 ) – длина воздушного зазора двигателя;			D2 – диа-

метр вторичного элемента цилиндрической формы с постоянными магнитами.

Магнитное сопротивление и площадь постоянного магнита, устанавливаемого на вторичном элементе, на участке hм определим по формулам

	Rм	H0	hм 2	;	Sм lср aм .	(5.11)
		B2 Sм
	Магнитодвижущая сила постоянного магнита вторичного эле-
	мента определим по формуле
			Fм H0		hм .	(5.12)

С целью упрощения процесса решения и получения достаточно точного результата представим реальную магнитную цепь ЦЛВД на интересующей нас половине полюса в виде эквивалентной

электрической схемы замещения (рис. 5.6). Такой переход стал возможен при соблюдении принятых допущений.

103

Рис. 5.6. Схема замещения магнитной цепи ЦЛВД

С помощью эквивалентной электрической схемы замещения определим интересующие параметры:

1. Магнитный поток на половине полюса:

				Fм	.	(5.13)
				Rм R

2. Индукция в воздушном зазоре ЦЛВД на выбранном участке:

B

2

,

(5.14)

ср Sпол

где Sпол b l – площадь полюса длиной l и высотой b.

Согласно общеизвестной формуле [82], ЭДС фазы обмотки индуктора

E1 4,44 wф m f kоб ,

где kоб 1 – обмоточный коэффициент; wф – количество витков одной фазы обмотки индуктора двигателя; m Bm D2 – ам-

плитуда основного магнитного потока; Bm Bср 2 – амплитуда

магнитной индукции.

Согласно рис. 5.1 среднюю длину проводников катушек одной фазы определим по формуле

lф (D2 2 2 bк ) wф .

Тогда активное сопротивление проводников одной фазы с учётом температуры нагрева обмотки определим по формуле

R		[1 (t 20 С)]	lф	,
	20
t			Sпр

104

где 20 – удельное сопротивление проводникового материала при

температуре окружающей среды 20 °С; – учитывающий текущую температуру коэффициент сопротивления; t – температура.

Напряжение фазы ЦЛВД

Uф (I Rt )2 E12 .

Регулирование скорости пуска и разгона двигателя осуществляется с помощью преобразователя частоты в диапазоне частот0,5–6 Гц.

Выводы

Разработана методика расчёта геометрических размеров и основных параметров и характеристик ЦЛВД для электропривода планшайбы шлифовального станка. Электропривод такого типа обеспечивает линейное возвратно-поступательное движение рабочего органа (вторичного элемента) без использования сложных кинематических схем преобразования вращательного движения в случае возможного применения асинхронных двигателей. Применение в таком электроприводе специализированного источника питания (преобразователя частоты) позволит совместно с ЦЛВД организовать движение планшайбы шлифовального станка по более сложной траектории (в том числе по фигуре Лиссажу). Предложенные технические решения (применение ЦЛВД и преобразователя частоты) позволяют сократить время получения необходимых характеристик поверхности обрабатываемых на шлифовальном станке деталей.

105

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.Разработана методика для расчёта рабочих характеристик ЦЛВД в цилиндрической системе координат методом конечных элементов в программе ANSYS Maxwell. Разработаны математическая модель и методика расчёта ЦЛВД, основанные на теории электрических и магнитных цепей, учитывающие насыщение участков магнитной цепи, что позволяет рассчитывать рабочие характеристики двигателя и проводить многовариантные расчёты с целью рационализации конструкции. При этом время расчёта по данной методике меньше, чем для расчёта методом конечных элементов, реализуемого в ANSYS Maxwell.

2.Путём расчёта вариантов конструкции ЦЛВД получены зависимости его тягового усилия от геометрических параметров. Анализ рабочих характеристик ЦЛВД для разных рабочих частот показал, что максимальную энергоэффективность ЦЛВД в составе ПБНА достигает при максимальной частоте рабочего хода и минимальной обратного.

3.Рационализация конструкции ЦЛВД увеличила его удельное тяговое усилие до значения 6350 Н/м, что позволяет создать реальный двигатель длиной менее 8 м для добычи нефти на глубоких

исверхглубоких скважинах.

Результаты исследования могут быть использованы для проектирования и создания высокотяговых ЦЛВД с постоянными магнитами. Реализация полученных методик находит и может найти дальнейшее применение при проектировании ЦЛВД и создании наиболее энергоэффективных алгоритмов управления ЦЛВД.

4. Представлены методы расчёта ЦЛВД для нефтяной и машиностроительной отраслей. Эти методы настолько универсальны, что могут быть использованы для расчёта ЦЛВД, применяемых в других областях народного хозяйства.

106

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Абдулин Ф.С. Добыча нефти и газа. – М.: Недра, 1983. – 256 с.

2.Адонин А.Н. Добыча нефти штанговыми насосами. – М.: Не-

дра, 1979. – 425 с.

3.Адонин А.Н. Процессы глубинно-насосной добычи нефти. –

М.: Недра, 1964. – 263 с.

4.Добыча нефти штанговыми насосами / А.К. Мухаметзянов, И.Н. Чернышов, А.И. Липерт, С.Б. Ишемгужин. – М.: Недра, 1993. – 352 с.

5.Нефть новой России. Ситуация, проблемы, перспективы / под ред. В.Ю. Александрова; Рос. акад. ест. наук (РАЕН). – М.: Древле-

хранилище, 2007. – 688 с.

6.Бурмакин А.М. Низкоскоростной дугостаторный асинхронный двигатель для станков-качалок малодебитных нефтяных скважин: дис. … канд. техн. наук: 05.09.01. – Екатеринбург, 2011. – 166 с.

7.Семенов В.В., Огарков Е.М., Коротаев А.Д. Специальные асинхронные электрические двигатели для нефтедобычи: моногр. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014. – 286 с.

8.Основные решения магнитофугального привода для ударновращательного бурения: техн. отчет / сост. Л.Н. Штурман; Нефтемашпроект. – М., 1939.

9.Штурман Л.Н. Гидроэлектрический бесштанговый погружной насос // Нефтяное хозяйство. – 1946. – № 9. – С. 10–17.

10.Аракелян А.К., Афанасьев А.А., Чиликин М.Г. Вентильный электропривод с синхронным двигателем и зависимым инвертором. –

М.: Энергия, 1977. – 224 c.

11.Локшин Л.И., Семенов В.В. Глубинный плунжерный насос

сцилиндрическим индукторным двигателем // Электропривод с линейными электродвигателями: тр. всесоюз. науч. конф. – Киев, 1976. – Т. 2. – С. 39–43.

12.Линейные электродвигатели погружного исполнения для привода глубинных плунжерных насосов / Л.И. Локшин, В.В. Се-

107

менов, А.Н. Сюр, Г.А. Чазов // Тезисы докладов Уральской конференции по магнитной гидродинамике. – Пермь, 1974. – С. 51–52.

13.Линейные погружные электронасосы / Л.И. Локшин, В.В. Семенов [и др.] // Тезисы докладов Уральской конференции по магнитнойгидродинамике. – Пермь, 1974. – С. 52–53.

14.Семенов В.В. Линейный асинхронный двигатель плунжерного насоса с вторичным элементом, совмещающим функцию рабочего тела и управления: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.09.01. – Свердловск, 1982. – 17 с.

15.Семенов В.В. Основные тенденции в построении систем управления линейным двигателем привода глубинных насосов // Сб. науч. тр. УПИ. – Свердловск, 1977. – С. 47–53.

16.Локшин Л.И., Сюр А.Н., Чазов Г.А. К вопросу создания бесштангового насоса с линейным электроприводом // Машины

инефтяное оборудование. – 1979. – № 12. – С. 37–39.

17.Семенов В.В., Чазов Г.А. Перспективы эффективного использования глубинно-насосного бесштаногового поршневого агрегата с линейным двигателем // Геология, разработка, бурение и эксплуатация нефтяных месторождений Пермского Приуралья: сб. на-

уч.тр. / ПермНИПИнефть. – М., 1978. – С. 90–95.

18.Локшин Л.И. Электромагнитные соотношения в линейном цилиндрическом двигателе погружного типа // Специальная электрическая машина и системы электропривода: сб. науч. тр. – Пермь, 1976. – № 194. – С. 212–222.

19.Локшин Л.И., Леванов В.А. Расчет радиальной силы в линейных цилиндрических двигателях // Специальные электрические машины и системы электропривода: сб. науч. тр. – Пермь, 1976. –

№ 194. – С. 55–62.

20. Локшин Л.И., Резин М.Г. Электромагнитные процессы в линейной цилиндрической многополюсной машине // Уральская конференция по применению магнитной гидродинамики в металлургии: материалы конф. – Пермь, 1974. – № 2. – С. 45–46.

21. Семенов В.В., Локшин Л.И. Система управления скважинным насосом с погружным линейным электродвигателем // Геоло-

108

гия, разработка и эксплуатация нефтяных месторождений Пермского Приуралья: сб. статей. – М., 1975. – № 13.

22.Семенов В.В., Чазов Г.А. Регулирование процессом разработки залежи с использованием линейного двигателя плунжерного насоса // Особенности геологии и разработки нефтяных месторождений Пермского Приуралья: сб. науч. тр. / ИГ и РГИ. – М., 1981. –

С. 107–110.

23.Семенов В.В. Цилиндрические линейные асинхронные двигатели для привода погружных плунжерных насосов: дис. … канд. техн. наук: 05.09.01 / Урал. гос. ун-т – УПИ. – Екатеринбург, 2006. – 135 с.

24.Веселовский О.Н., Коняев А.Ю., Сарапулов Ф.Н. Линейные асинхронные двигатели. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 254 с.

25.Ижеля Г.И., Ребров С.А., Шаповаленко А.Г. Линейные асинхронные двигатели. – Киев: Техника, 1975. – 135 с.

26.Ижеля Г.И., Шевченко В.И. Создание линейных электродвигателей, перспективы внедрения в народное хозяйство и их экономическая эффективность // Электропривод с линейными электродвигателями: сб. науч. тр. всесоюз. науч. конф. по электроприводам

слинейными электродвигателями. – Киев, 1975. – С. 13–20.

27.Свечарник Д.В. Линейный электропривод. – М.: Энергия, 1979. – 153 с.

28.Свечарник Д.В. Электрические машины непосредственного привода. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 208 с.

29.Постоянные магниты: справ. / под ред. Ю.М. Пятина. – М.:

Энергия, 1980. – 376 с.

30.Мишин Д.Д. Магнитные материалы: учеб. пособие. – М.:

Высш. школа, 1981. – 335 с.

31.Бакиров Р.И., Попов М.С., Бердин С.М. Первый опыт применения плунжерных насосов с погружным линейным электроприводом в ОАО «НК "РОСНЕФТЬ"» // Научно-технический вестник ОАО «НК "РОСНЕФТЬ"». – М.: Нефтяное хозяйство, 2016. – № 2. –

С. 72–75.

32.Ключников А.Т., Коротаев А.Д., Шутёмов С.В. Моделирование цилиндрического линейного вентильного двигателя // Элек-

тротехника. – М.: Знак, 2013. – № 11. – С. 14–17.

109

33.Цилиндрический линейный вентильный электродвигатель для погружного бесштангового насоса / А.Т. Ключников, А.Д. Коротаев, Н.В. Шулаков, С.В. Шутёмов // Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике: материалы междунар. науч.-техн. конф. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2015. –

С. 158–162.

34.Промышленное использование нетрадиционных технических

итехнологических решений для нефтедобычи на промыслах Пермского края / Э.Ю. Вдовин, Л.И. Локшин, В.В. Семенов [и др.] // Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике: материалы междунар. науч.-техн. конф. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. поли-

техн. ун-та, 2016. – С. 212–222.

35.Шулаков Н.В., Шутёмов С.В. Применение цилиндрического линейного вентильного двигателя в качестве привода плунжерных нефтедобывающих агрегатов // Автоматизация в электроэнергетике

иэлектротехнике: материалы междунар. науч.-техн. конф. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2016. – С. 161–167.

36.Шулаков Н.В., Шутёмов С.В. Перспективы использования цилиндрического линейного вентильного двигателя в качестве привода плунжерных нефтедобычных агрегатов // Фундаментальные исследования. – Пенза: Изд-во Акад. естествознания, 2016. –

№ 12-4. – С. 795–799.

37.Шутёмов С.В. Исследование цилиндрического линейного вентильного электродвигателя для погружного бесштангового насоса // Фундаментальные исследования. – Пенза: Изд-во Акад. естест-

вознания, 2016. – № 12-4. – С. 800–805.

38.Коротаев А.Д., Шулаков Н.В., Шутёмов С.В. Экспериментальные исследования цилиндрического линейного вентильного электродвигателя // Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий АПЭЭТ-2014: сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. – Екатеринбург: Изд-во УрФУ, 2014. – С. 198–200.

39.Мирзин А.М., Коротаев А.Д., Шутёмов С.В. Усилие тяжения цилиндрического линейного вентильного двигателя с постоянными магнитами между статором и вторичным элементом // Современные проблемы науки и образования. – Пенза: Изд-во Акад. есте-

ствознания, 2013. – № 6. – С. 61.

110