电驱可控震源驱动电机匹配设计与优化研究

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.020

工程设计学报

2023, Vol. 30

Issue (2): 172-181 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.020

优化设计

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

Research on matching design and optimization of drive motor of electric drive vibroseis

Qin LI(

),Rui YAN,Zhiqiang HUANG,Gang LI

School of Mechatronics Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China

全文: PDF(4175 KB) HTML

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

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 motor's 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 motor's 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 optimization

收稿日期: 2022-06-17 出版日期: 2023-05-06

CLC:

TE 91

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(41902326);四川省重点研发计划项目(22GJHZ0284);南充市-西南石油大学市校科技战略合作专项资金资助项目(SXHZ048)

作者简介: 李琴（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: 3328732395@qq.com, http://orcid.org/0000-0003-2894-9026

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李琴,闫瑞,黄志强,李刚. 电驱可控震源驱动电机匹配设计与优化研究[J]. 工程设计学报, 2023, 30(2): 172-181.

Qin LI,Rui YAN,Zhiqiang HUANG,Gang LI. Research on matching design and optimization of drive motor of electric drive vibroseis[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(2): 172-181.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.020 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I2/172

符号	参数	量值
m	总质量	14 000 kg
A	迎风面积	6.24 m²
α	纵向坡度倾斜角	26°
v	最高车速	18 km/h
$C D$	空气阻力系数	0.5
f	滚动阻力系数	0.06

表1 可控震源整车的基本参数

表2 重锤的基本参数

表3 驱动电机的动力参数

表4 驱动电机的结构参数

图1 驱动电机的二维有限元模型

图2 驱动电机模型的网格划分及边界设置

图3 驱动电机的区域划分

图4 空载与额定工况下驱动电机各区域的磁通密度波形

图5 驱动电机各区域磁通密度谐波幅值

图6 驱动电机各区域高次谐波占比

图7 驱动电机磁通密度分布云图

图8 空载时气隙的径向磁通密度

图9 空载时气隙径向磁通密度谐波幅值

图10 空载时气隙径向磁通密度的基波和3次谐波随气隙长度的变化曲线

图11 空载时气隙的切向磁通密度

图12 空载时气隙切向磁通密度最大值随气隙长度的变化曲线

图13 电机效率随气隙长度的变化曲线

图14 驱动电机转子结构

方案编号	$R i b$ /mm	$O 2$ /mm	$H R i b$ /mm
1	14	34	11
2	14	35	12
3	14	36	13
4	15	34	12
5	15	35	13
6	15	36	11
7	16	34	13
8	16	35	11
9	16	36	12

表5 电机转子结构优化正交试验方案

图15 电机转子结构优化正交试验结果

图16 电机样机组件和电驱可控震源

图17 电机功率变化曲线

图18 电机功率和液压系统流量变化的归一化拟合曲线

图19 驱动电机效率随负载率的变化曲线

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