加油站用潜油电泵直驱永磁电机研究与设计

张义勋 张炳义

摘 要：针对加油站加油系统中自吸式加油机存在管路铺设复杂、气阻现象导致加油机出油量下降甚至不出油的现象，使用潜油电泵直驱永磁电机代替传统的自吸泵，供电系统由单相市电经整流逆变转换为三相交流电实现电机驱动。基于潜油电泵直驱永磁电机进行额定参数选取，完成电磁方案设计，并利用Ansys Maxwell对电机进行二维场有限元仿真，对比不同极槽配合下电机空载气隙磁密、空载反电势，得出最优方案。对于少槽电机，采用梯形槽结构可以提高材料利用率，磁密分布更均匀。

关键词：潜油电泵;直驱永磁电机;极槽配合

0    引言

国内加油站基本使用自吸式加油机，然而自吸式加油机常常带来一些不可避免的问题，影响了加油站的发展[1-2]。

潜油泵的加油系统在加油站中可以实现一泵供多机（枪），使加油量更大、速度更快。几台同型号的加油机共用一根接自油罐的进油管（即油罐的出油管），不会造成互相影响、流量不均的现象[3]。即使一台加油机停泵，也不会因抽入空气而断流。这种工艺大大简化了管路铺设，使加油站的布局更加灵活。潜油泵的加油工艺不会受油罐直径变大或埋得太深、油管变长或管路拐弯等因素的影响，能保证加油站的正常运营[4-5]。

现有的潜油泵多以单相异步电机作为驱动电机，而单相异步电机系统稳定性低，且电机功率密度低、体积大、寿命短。随着电力电子技术的成熟，三相永磁同步电机的控制得以更进一步发展，永磁电机在各行各业逐渐取代了异步电机。对泵、三相永磁同步电机及控制器实现一体化设计，并将其应用在加油站加油系统中，可使加油系统更加可靠地运行。在设计控制器的时候，加入单相全波整流电路，将单相的市电整流成直流，然后再通过逆变电路将直流电逆变为交流电用以驱动电机，通过压力传感器检测管道内油压反馈给控制器，控制器可以根据管道内压力快速响应，保证加油机正常稳定运行。

1    潜油电泵直驱永磁电机设计

1.1    电机额定数据设计

本文所设计潜油电机额定数据的给定，需要考虑到实際应用中的情况，加油站多分布于城市中，即为220 V交流单相供电，而本文所设计电机为三相供电，这就需要将单相交流电逆变为三相交流电，而这个过程将会用到整流逆变电路。所设计的永磁电机功率PN为1.2 kW，转速为3 000 r/min，考虑市电存在20%浮动，通过单相桥式全波整流为直流电压：

Ud=0.9×0.8U1=158 V       （1）

通过三相逆变电路逆变得出的三相交流电的额定相电压为：

U1N=0.45Ud=71 V            （2）

所以，选择电机的额定相电压为70 V。

1.2    电机热负荷确定

电机的热负荷与电机的电负荷和电密成正比，电机的热负荷选取得越高，电机允许的电负荷和电密越高，电机成本就越低[6]。过高的热负荷会使电机的温升过高，产生永磁体高温失磁、绕组烧损等故障。因此，适当选取电机的热负荷可以提高材料的利用率，降低成本，提高运行可靠性。本文设计的电机应用在潜油电泵中，电机浸在石油中，其散热条件非常好，属于水冷散热，所以电机的热负荷选择在1 400～1 600 A2/（cm·mm2），电负荷确定在250～260 A/cm。

1.3    电机极槽配合选择

电机转速与极对数、频率之间关系：

n=                             （3）

式中，f为电机频率;p为电机极对数。

由式（3）可发现，对于高速电机而言，若电机极数过多，则频率将会过高，这将使得定子铁耗过大，因此电机不宜做成多极，选取2极或4极为宜。若选用2极，则永磁体跨距过大，高速运转下容易发生撕裂现象，对机械强度要求过高;此外，2极电机轭部磁密较大，轭部尺寸较大，故电机极数选为4极，额定频率选为100 Hz。

设计定子的槽数主要取决于每极每相槽数q，一般而言，q在2～6中进行选择。由于本文所设计电机为小功率电机，q一般在1、2、3中进行选择，本电机尺寸不大，若槽数过多可能会造成槽尺寸过小，使得机械强度下降，同时下线困难，因此选定每极每相槽数q为2，电机极槽配合选为4极24槽。

分数槽绕组在超低速大转矩永磁同步电机中应用广泛，可以很大程度上削弱电机谐波含量及齿槽转矩，提高电机性能。本文根据潜油电泵永磁电机的特点，选择4极9槽的极槽配合，完成电磁方案设计。通过有限元分析，对比4极24槽设计方案，选择最优的极槽配合。对于少槽电机的定子冲片槽型，分别对梨形槽和梯形槽两种槽型进行仿真对比，以提高冲片的利用率，使磁密分布更合理。

1.4    少槽电机定子冲片设计

对于4极9槽电机，若依然采用梨形槽，槽底弧度过大，将会导致轭部与齿部连接处材料的严重浪费，还会导致槽底与定子外径距离过小，使电机机械强度下降。所以采用梯形槽设计，在保证定子轭部磁密的同时提高槽的有效截面积，可进一步减小电机体积，提高材料利用率。

2    永磁电机建模与有限元分析

2.1    潜油电泵永磁电机建模

根据设计的电磁方案，利用CAXA软件画出电机的定、转子冲片结构图，导入Maxwell软件中进行空载仿真，通过分析空载反电势、空载气隙磁密波形，验证电磁设计方案的准确性，分析不同极槽配合对电机性能的影响。

2.2    电机空载性能分析

通过建模仿真，得出4极24槽和4极9槽电机空载反电势波形和气隙磁密波形。空载反电势波形如图1、图2所示。

由图1、图2可知，选择4极9槽电机空载反电势波形有明显的改善，谐波含量有很大的改善。

通过对气隙磁密波形进行傅里叶分析得到4极24槽气隙磁密波形谐波畸变率为41.56%，4极9槽气隙磁密波形谐波畸变率为27.99%，所以选择4极9槽的极槽配合。

2.3    少槽電机梯形槽和梨形槽对比

对于4极9槽电机，梨形槽和梯形槽对电机的定子轭部磁密影响很大。通过有限元分析，对定子磁力线分布进行对比，磁力线分布图如图3所示。

由图3得出，在定子齿部与定子轭部交接处，梯形槽比梨形槽利用率高，提高了材料的利用率;相同定子外径和内径下，定子槽面积大，可以降低电机的电负荷，提高电机的性能。梯形槽设计时槽底设计为与定子冲片外圆同弧度的圆弧。

3    结语

本文对加油站将自吸式加油机改为由永磁电机驱动的潜油电泵进行电磁设计与有限元分析，得出4极9槽的极槽配合对电机的性能改善很多，可见分数槽绕组的应用不仅仅局限于超低速大转矩电机，对于中速电机，分数槽绕组同样可以削弱电机空载反电势谐波。对于槽数少的电机，得出梯形槽的槽型可以提高定子硅钢片的利用率，提高电机的性能。

[参考文献]

[1] 魏光涛，张琳叶，王振升.潜油泵在加油站设计中应用的必要性[J].化学工程与装备，2010（2）：63.

[2] 陈子如.汽车加油站潜油泵的选型、工艺设计与应用[J].石油库与加油站，2012，21（2）：1-6.

[3] 李行.潜油泵功能与自吸泵的对比[J].石油库与加油站，2003，

12（3）：32-33.

[4] 蒲鹤，修德欣，丁莉丽，等.加油站节能型潜油泵的研制与测试[J].安全、健康和环境，2017，17（12）：5-7.

[5] 王刚.加油站潜油泵加油工艺的应用探讨[J].化工设计通讯，2018，44（10）：103.

[6] 张炳义，杨帅，刘忠奇，等.潜油泵直驱单元组合式永磁电机热负荷分析[J].微电机，2014，47（7）：1-4.

收稿日期：2020-03-30

作者简介：张义勋（1994—），男，辽宁沈阳人，硕士研究生，研究方向：永磁电机及其控制。

张炳义（1954—），男，辽宁沈阳人，博士，博士生导师，研究方向：永磁电机及其控制。