一种井下直线发电机的设计及仿真分析

科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·176·2023年第14期
文章编号：2095-6835（2023）14-0176-03
一种井下直线发电机的设计及仿真分析
雷鹏燕
（四川建筑职业技术学院，四川德阳618000）
摘要：针对现在井下智能石油监测系统用电的需要，结合直线发电的优点，设计了一种新型的圆筒型直线发电机。

该发电机根据电机学原理，充分考虑了井下的实际工况，利用抽油杆与油管的有规律的相对运动，使安装在油管上的线圈切割安装在抽油杆上的永磁体，从而形成稳定的感应电流，综合考量完成井下发电机的结构设计。

利用ANSOFT MAXWELL对圆筒型永磁发电机进行电动势分析，验证了发电机设计的正确性。

为了验证本设计主要承力结构的力学性能，通过对ABAQUS软件进行二次开发，对结构中的危险部分进行力学分析，验证了整体装配体疲劳强度满足设计要求。

关键词：井下发电机；发电性能分析；力学性能；疲劳强度分析
中图分类号：TM313文献标志码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2023.14.054
在如今石油资源越加紧张的时代，石油开采过程中，井下环境的数据采集、监测和传输是影响井下石油开采安全和效率的重要原因[1]。

而这些过程离不开井下电源对用电设备电能的供应。

随着井下数据采集监测仪器功能的增加，井下设备对用电量需求和稳定电源的要求也随之增加[2]。

但是井下这些智能设备对电压的要求为低压、稳定、持续。

纵观现阶段的井下设备供电系统，最常用的2种井下供电为蓄电池供电与通过电缆将井上的电量输送到井下，但是，以上2种供电方式都存在一定的弊端。

近年来，国内外学者提出了直接在井下设计发电机来提供电能的思路并取得了一定的成果。

前期绝大部分是利用涡轮发电技术。

井下涡轮发电技术为井下发电提供了可能，然而该技术存在一些固有的弊端：①发电量得不到保证；②涡轮发电会产生大量的热，使井下环境更加危险；③机械能转化为井下可利用的电能的较少。

因此，学者们正在积极探索新的发电技术，以提升井下发电机的工作能力和可靠性。

本设计是将圆筒型直线发电机的结构、工作原理与机抽井井下环境进行有机结合，在满足井下压力、温度的环境要求下设计出能够应用于机抽井井下测控设备供电的高效发电机。

井下发电机的创新点有：①结构创新在于结合圆筒型波浪发电的优点，永磁直线发电机的应用领域扩宽至井下机抽井发电。

该发电机基于法拉第电磁感应原理，利用抽油杆与油管之间的相对运动方式，为井下提供了稳定、持续且长期的供电。

②条件创新在于利用发电机电磁场有限元分析原理，通过ANSOFT MAXWELL软件中的电磁场分析模块结合井下发电机的实际应用环境进行感应电动势分析，从而验证了本设计发电电量。

通过以上的分析对圆筒型直线发电机的井下应用得到了验证，并对今后的井下发电模块的结构设计起到了很大的启发作用。

1直线感应发电机结构设计
直线发电机是由普通旋转感应发电机改进而来，其最根本的工作原理与最初的旋转发电机大体一致，常见的旋转发电机发电原理是转子做旋转运动，与定子槽内的电子线圈切割磁感线，电子线圈内便产生感应电动势；与旋转发电机发电原理类似的是，直线发电机原理是圆筒型直线发电机的次级与安装于初级中的绕组形成相对直线运动并切割磁感线，产生感应电动势[3]。

本文研究的直线发电机是圆筒型永磁直线发电机。

虽然直线发电机与旋转发电机的原理类似，但是结构上存在很大不同，本设计提出的用于井下发电的圆筒型永磁直线发电机三维结构如图1所示，结构参数如表1所示。

其中，永磁体的材料选用第二代稀土钐钴永磁材料，是目前磁性第二高的永磁材料，且剩磁密度大，最高可在温度为300℃
的条件下持续工作。

1—油管；2—密封圈；3—定子槽；4—上端抽油杆；
5—异径接头；6—导流接头；7—空心杆；8—被铁；
9—永磁体；10—蓄电池。

图1圆筒型井下永磁发电机三维示意图
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·177·表1发电机设计参数
名称数值
极距/mm46
径向永磁体长度/mm23
轴向永磁体长度/mm23
槽距/mm15
槽宽/mm11
外径/mm92
内径/mm46
背铁厚度/mm6
永磁体厚度/mm4
气隙/mm2
匝数/圈120
槽深/mm12
本发电机工作原理为：发电机的空心杆通过导流
接头以及异径接头连接上端抽油杆，下端采用同种连
接方式连接下端抽油泵，中空杆进而跟随抽油杆做直
线运动，永磁体安装于中空管外壁；而发电机的绕组
则固定于油管内壁上的定子槽内，当永磁体跟随中空
管运动时与安装于油管内壁的绕组形成相对运动，根
据法拉第电磁感应定律，进而产生电量。

2永磁直线感应发电机电动势分析
通过建立Transient瞬态求解器，单位设为cm，选
用Cylindrical about Z坐标系，具体模型如图2所示，
绕组材料采用纯铜，永磁体安放在初级背铁的表面，
是发电机的磁场来源。

图2发电机模型图
圆筒型直线发电机的次级、背铁以及空心杆是与
抽油杆相连，也就是说次级的运动是与机抽井的抽油
杆运动保持一致。

计算得到初级的运动方程为
v=1.41sin0.94t。

发电机在0.1s内的空载感应仿真电动势的波形图
如图3所示。

次级以正弦形式进行运动，速度逐渐变
大，当磁极运动到第15ms的时候，速度达到最大，
此时，空载电动势也到达最大值58.5V。

随后，次级
跟随抽油杆向下运动，感应电动势随之变化。

当次级
运动到60ms时，感应电动势进入新的一个周期。

图3正弦速度下的空载感应电动势
综合以上分析，按照抽油杆工作的实际运动状态，
所设计的永磁直线发电机的电压经过稳流器满足井下
监测仪器对于稳定低压持续的电源需要。

3永磁直线发电机主要承力结构力学分析
在有杆泵抽油过程中，抽油杆柱，特别是下部抽
油杆柱的工作条件非常恶劣。

国内外的统计资料表明，
大量的抽油杆断裂事故发生在抽油杆下部1/3段。

由于
本文设计的发电机位于抽油杆柱末端，其强度和可靠
性因此也面临考验[4-5]。

本设计中的油筒规格为2.875in
（1in≈2.54cm）。

抽油杆、柱塞杆、空心杆材料采用20CrMo，导流
接头和异径接头为45号钢，主要结构模型如图4所示。

注：从左到右依次为抽油杆/抽油泵柱塞杆螺纹端、异径接头、
导流接头、空心杆。

图4承力结构件简化模型
对装配体进行网格划分设置：划分网格如图5所
示，其中抽油杆、柱塞杆螺纹端网格数量为2438，异
径接头网格数量为22903，导流接头网格数量为
22724，空心杆网格数量2240。

图5模型网格
上冲程分析结果如图6所示。

该装配体为在螺纹
预应力与外力下的应力分布，从图中可以看出：螺纹
时间/ms
①
①A相电压
②B相电压
③C相电压
②
③
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预紧力与外力作用下，最大应力仅为101.7MPa ，表明
在螺纹预紧力与外力作用下也不会使结构产生破坏。

图6装配体应力分布（上冲程）
下冲程计算与上冲程计算类似，只是更换了外载荷大小和方向。

第二步分析中的下冲程分析结果如图7所示，从图中可以看出：螺纹预紧力与外力作用下，最大应力仅为74.1MPa ，表明在螺纹预紧力与外力作
用下也不会使结构产生破坏。

图7装配体应力分布（下冲程）
4结论
综上所述，本设计充分考虑井下环境、尺寸，将
永磁直线发电机拓宽应用于井下。

为了进一步验证本设计的可用性。

通过利用ANSOFT MAXWELL 电磁仿真软件对直线感应发电机进行分析电动势分析，分析结果表明本设计的发电机的空载电动势可以达到58.5V ，完全符合井下的监测设备的用电需要。

为了验证本发电机的安全性，利用ABAQUS 软件分析得到本设计的永磁直线发电机结构完全符合石油开采的安全性的要求。

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[5]
全国石油钻采设备和工具标准化技术委员会.GB/T 18607—2008抽油泵及其组件规范[S].出版社不详，2008.
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作者简介：雷鹏燕（1993—），女，山西朔州人，硕士研究生，助教，专任教师，研究方向为石油开采井下数据监测。

（编辑：张超）
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扫描任务，反馈邮件中的url 是否匹配到黑名单，从而指示上层应用程序对邮件的放行策略。

5结论
本文介绍了YARA 及基于YARA 的内容识别程序框架，以邮件内容识别为例介绍了基于YARA 的黑、白名单检测应用，对于做内容识别、模式匹配的其他工作有一定的参考意义。

参考文献：
[1]陈凯.反垃圾邮件网关测试技术[J].电信网技术，2009（8）：40-42.
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张乐君，邓鑫，张乐群，等.面向邮件网关类系统的电子邮件账户维护方法[J].应用科学，2012，39（5）：52-56.
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何新贵，郭甫阳.中文文本的关键词自动抽取和模糊分类[J].中文信息学报，1999（1）：10-16.————————
作者简介：杨旺喜（1985—），男，硕士，助理工程师，主要从事装备质量监督与检验验收方面的工作与研究。

（编辑：张超）
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