电驱可控震源驱动电机匹配设计与优化研究_李琴.pdf

第 30 卷第 2 期2023 年 4 月 工程设计学报 Chinese Journal of Engineering DesignVol.30 No.2Apr.2023电驱可控震源驱动电机匹配设计与优化研究李琴，闫瑞，黄志强，李刚（西南石油大学 机电工程学院，四川 成都 610500）摘 要：电驱可控震源复杂的工况环境对驱动电机的性能提出了较高的要求。针对可控震源在行驶和激振工况下的动力需求，开展了驱动电机动力参数匹配设计，确定了驱动电机的主要设计参数；建立了驱动电机的二维有限元模型，采用子域法研究了电机在空载、额定工况下的磁通密度特性和谐波幅值，分析了电机磁通谐波畸变规律；开展了电机气隙长度优化设计以及电机转子结构的正交优化试验，得到了转子最优结构参数，并研制了电机样机。结果表明：在电机隔磁桥、永磁体与转子边缘之间区域的磁通密度波形畸变严重；永磁体与转子边缘之间区域的高次谐波对电机的影响较大，其3次谐波在基波中的占比高达83%；优化后电机效率可达96.8%。研究结果为电驱可控震源的优化提供了参考。关键词：电驱可控震源；永磁同步电机；参数匹配；有限元分析；优化中图分类号：TE 91 文献标志码：A 文章编号：1006-754X（2023）02-0172-10Research on matching design and optimization of drive motor of electric drive vibroseisLI Qin,YAN Rui,HUANG Zhiqiang,LI Gang(School of Mechatronics Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)Abstract：The higher performance requirements for the drive motor are put forward because of the complex operating environment of the electric drive vibroseis.Aiming at the power requirements of the vibroseis under driving and excitation conditions,the matching design of the drive motors power parameters was carried out,and the main design parameters of the drive motor were determined;a 2D finite element model of the drive motor was established,the magnetic flux density characteristics and harmonic amplitude of the motor under no-load and rated operating conditions were studied using the subdomain method,and the law of harmonic distortion of the motors magnetic flux was analyzed;the optimal design of the air gap length of the motor and the orthogonal optimization test of the motor rotor structure were carried out,and the optimal structural parameters of the rotor were obtained.Therefore,a motor prototype was developed.The results showed that the magnetic flux density waveform in the motor magnetic isolation bridge and the region between the the permanent magnet and the rotor edge was severely distorted;the high-order harmonics in the region between the permanent magnet and the rotor edge had a significant impact on the motor,the proportion of the third harmonic in the fundamental wave was as high as 83%;the efficiency of the optimized motor reached 96.8%.The research results provide a reference for the optimization of electric drive vibroseis.Key words：electric drive vibroseis;permanent magnet synchronous motor;parameter matching;finite element analysis;optimizationdoi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.020收稿日期：20220617 修订日期：20220719本刊网址在线期刊：http:/ 琴（1970），女，四川眉山人，副教授，硕士生导师，硕士，从事石油天然气装备智能化研究，E-mail:,http:/orcid.org/0000-0003-2894-9026第 2 期李琴，等：电驱可控震源驱动电机匹配设计与优化研究传统的可控震源是一种由大功率柴油机驱动的油气勘探装备，在勘探作业中其噪声和尾气排放量大1-2，因此研发由电机驱动的可控震源刻不容缓。可控震源工作环境复杂，瞬时功率变化大，且放置电机的空间狭小，其特殊的工况要求驱动电机具有功率密度大、效率高、扭矩大等特点3。目前，用于电动汽车驱动的电机主要有感应电机、直流电机、开关磁阻电机和永磁同步电机4。永磁同步电机具有损耗小、功率密度大等特点，适用于低速、高速等各种复杂工况5，成为电动汽车常用的动力源。在驱动电机的设计过程中，电机与驱动设备的参数匹配设计至关重要。赵艳娥等6-8提出将汽车动力性所要求的最大功率作为电机的峰值功率，并提出以电机的额定功率乘以过载系数来确定电机的峰值功率，但这些方法对工况复杂的电驱可控震源电机参数的匹配并不适用。目前对车用电机的研究大多侧重于结构设计及优化，如：谢颖等9-10从提高电机功率密度的角度出发，提出了驱动电机结构参数优化设计方法，为从整车性能要求出发的电动汽车驱动电机本体结构的参数优化设计提供了理论指导；王群京等11-12研究了转子参数、极弧系数等对V形内置式永磁同步电机齿槽转矩对称性的影响，有效减小了电机的齿槽转矩；王淑旺等13对车用永磁同步电机定子铁心的损耗进行了分析与计算，为电机效率的提升和散热优化奠定了基础；Tao等14-17以永磁同步电机为研究对象，采用有限元法分析了电机结构对电机工作特性和机械特性的影响，并设计了样机对有限元计算结果进行了验证。综上，目前国内外学者对大功率工程车辆驱动电机的匹配设计与优化鲜有研究，而可控震源复杂的工况环境对驱动电机的性能提出了更高的要求。因此，作者进行了电驱可控震源驱动电机（以下简称驱动电机）动力参数匹配设计，确定了驱动电机的动力参数；建立了永磁同步电机的二维有限元模型，采用子域法研究了电机在空载、额定工况下的磁通密度特性和谐波幅值；开展了驱动电机气隙长度的优化设计及转子结构的正交优化试验，以提高电机工作效率，降低反电动势总谐波畸变率（total harmonic distortion，THD）；通过样机测试来验证电驱可控震源的可行性。1 驱动电机动力参数匹配设计 电机作为电驱可控震源唯一的动力源，其性能参数对整车的动力性和经济性有很大影响，因此对电机与可控震源的传动系统进行合理的功率匹配设计具有重要意义。为此，本文以可控震源整车的动力性为约束条件，对可控震源进行行驶和重锤激振两种工况下的电机动力参数匹配设计。可控震源整车的基本参数如表1所示。1.1电机额定功率匹配设计当电驱可控震源行驶时，为了使驱动电机运行在高效率区，把可控震源在最高车速时的需求功率作为电机的额定功率。可控震源在行驶时纵向坡度对需求功率的影响较大，故须考虑坡度对需求功率的影响。电机的需求功率Pn为18：Pn=()Ff+Fi+Fwv3 600=v3 600(mgfcos+mgsin+CDAv221.15)(1)式中：Ff为可控震源的滚动阻力；Fi为爬坡阻力；Fw为气动阻力；为额定效率。可控震源的永磁同步电机应满足最大转速和爬坡能力的要求，因此其额定功率P应满足19：P Pmax(2)Pmax=Pn(3)式中：为电机的过载系数。可控震源的最高车速为18 km/h，取=26，根据式(1)至式(3)可得Pn=344.848 kW，则取P=350 kW。1.2电机峰值功率匹配设计当电驱可控震源激振时，首先由提升液压缸将可控震源车身顶起，随后通过液压系统驱动重锤上下运动20。可控震源重锤的基本参数如表2所示，其振动频率范围为1.580 Hz。表1可控震源整车的基本参数Table 1Basic parameters of vibroseis vehicle符号mAvCDf参数总质量迎风面积纵向坡度倾斜角最高车速空气阻力系数滚动阻力系数量值14 000 kg6.24 m22618 km/h0.50.06表2重锤的基本参数Table 2Basic parameters of heavy hammer符号GMS参数额定出力质量行程量值2 000 N5 905 kg0.203 m 173工程设计学报第 30 卷 根据重锤的质量和行程，实现重锤运动所需的功率Pz为：Pz=G22Msin(qt)|t2sin(qt)-2tqcos(qt)|(4)式中：q为扫描信号频率变化率。由于可控震源传动系统和液压系统都存在机械损耗，因此实现重锤运动所需的最大功率Pzmax须满足21-22：Pzmax=PzjR(5)式中：j为机械效率，取j=0.9；R为容积效率，取R=0.87。当可控震源的振动频率为1.5 Hz时，根据式(4)和式(5)可得Pz max=432.56 kW。综上，将电机的额定功率和峰值功率分别取为350 kW 和 450 kW，这样既可以保证可控震源在18 km/h车速下的高效率，又可以保证其在低频激振时重锤的稳定运行。驱动电机的动力参数如表 3所示。2 驱动电机磁通密度特性分析 2.1电机结构参数及模型基于驱动电机动力参数匹配设计的要求及可控震源后车架安装布局空间的限制，电机的结构参数如表4所示。其永磁体材料为N40UH，定转子材料为50WW1300。要求电机的噪声低、功率密度高和过载能力强，因此采用三相内开槽V形径向式电机转子结构。利用ANSYS Maxwell软件建立电机的二维有限元模型，如图1所示。2.2求解方程和边界条件永磁同步电机的电磁分布比较复杂，因此作适当的假设，以提高计算效率。在建模过程中，作如下假设23：1）假设电机永磁体和铁芯的材料均为各向同性；2）假设电磁场为似稳电磁场；3）定子铁芯的外部磁场很弱，因此不考虑定子铁芯以外的磁场。将定转子铁芯的单元尺寸最大值设置为5 mm，永磁体单元尺寸最大值设置为2 mm；设置电机绕z轴旋转。电机模型的网格划分及边界设置如图 2所示。建立的电机模型为全域计算模型，其边值解算为：|x()1Azx+y()1Azy=