Герметичный источник питания для геофизической скважинной аппаратуры

Развитие передовых промышленных технологий с возросшими потребностям в новых источниках электрической энергии, а также ужесточение требований по качеству вырабатываемого напряжения и тока автономными электромашинными установками инициировало интерес к разработке и оптимизации существующих видов электрических машин. Такие устройства необходимы для электропитания комплексов, не имеющих централизованного энергоснабжения. Например, удаленные сейсмологические и метеорологические станции, радиопередатчики устройств распределенного контроля, а также ретрансляторы средств мобильной связи и многое др. [51,67,68,69,72,90].

В данной работе проводится разработка электромашинного источника питания скважинного прибора применяемого при бурении1 наклонно-направленных и горизонтальных скважин на нефть и газ. Предполагается увеличение времени безотказной работы скважинного генератора за счет герметичного исполнения магнитной системы электрической машины. Применение генератора дисковой конструкции дает возможность наряду с высокими энергетическими показателями данной машины установить немагнитные экраны между ротором и статором, защищающие активные элементы магнитной системы (постоянные магниты, изоляцию обмоток) от разрушающего воздействия агрессивной среды.

Задачей разработки нового электромашинного генератора является исследование электромагнитных процессов, протекающих в электрической машине при малом количестве полюсов и стержней статора. Именно в оптимизации зубцовой зоны и в снижении зубцового эффекта с анализом динамических характеристик машины просматривается основное направление исследовательской работы. Также не достаточно изученным является влияние величины воздушного зазора на форму выходного напряжения вследствие объемного распределения характеристик магнитного поля в рабочем воздушном зазоре электрической машины с аксиальным магнитным потоком. Данное исследование необходимо проводить с использованием методов и алгоритмов, позволяющих анализировать параметры трехмерных магнитных полей и моделировать на базе их характеристики машины при изменении угла положения ротора относительно статора машины. Построение, таким образом, динамических характеристик способствует более глубокой проработке конфигурации активной зоны, а значит и разработке скважинного генератора с наилучшими энергетическими показателями при условии герметичного исполнения магнитной системы.

В целом, разработанные математические модели и результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при создании герметичных электромашинных источников питания с применением электрической машины дисковой конструкции.

Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации № МК-1128.2004.8.

Целью > диссертационной работы является разработка и исследование электромашинного синхронного генератора дисковой конструкции, предназначенного для электропитания скважинного прибора. В связи с этим решаются следующие задачи:

• разработка математических моделей для исследования трехмерного магнитного поля дискового генератора;

• проведение комплекса теоретических исследований для поиска наилучших размеров геометрии магнитной системы;

• создание программного комплекса, позволяющего наглядно моделировать стационарные и квазистационарные электромагнитные процессы в нелинейных магнитных системах;

• разработка конструкции скважинного генератора;

• изготовление макетного образца дискового генератора для экспериментальной оценки результатов теоретических исследований.

Научной новизной является:

1. Разработана полевая модель электромеханического устройства на основе расчета трехмерного магнитного поля для моделирования динамических режимов работы дисковых генераторов, которая позволяет проводить исследование дисковых электрических машин с большим воздушным зазором.

2. Создана трехмерная статическая математическая модель магнитного поля для оценки влияния геометрических характеристик магнитной системы на энергетические показатели дискового генератора.

3. Определены наилучшие геометрические размеры активной части с целью получения наибольших удельных показателей мощности дискового генератора.

4. Исследован характер распределения магнитного поля в зубце статора дискового генератора при статической нагрузке для оценки неоднородности магнитного поля, определения потоков рассеяния и влияния геометрических характеристик статора на энергетические параметры дискового генератора.

Практическую ценность представляют следующие результаты исследовательской работы:

1. Разработана перспективная конструкция герметичного дискового генератора для автономных источников питания.

2. Предложена методика расчета стационарного магнитного поля, которая позволяет исследовать магнитное поле в активном объеме электрических машин.

3. Разработан алгоритм полевой модели электромеханического устройства для моделирования и исследования динамических режимов работы.

4. Создан программный комплекс моделирования статических и динамических электромагнитных процессов, который позволяет проводить исследования дискового генератора для автономных систем электропитания.

Методы исследования.

При исследовании электромагнитных процессов, протекающих в магнитной системе дискового генератора, в настоящей работе использовались теория электрических машин, метод интегрирования по источникам поля, трехмерные математические модели электромагнитного поля, метод простых итераций и метод Зейделя для решения систем нелинейных уравнений, а также эксперименты с макетными образцами дискового электромашинного генератора.

Все исследования проведены с применением современных ПЭВМ.

Апробация.

Результаты проведенных исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на следующих конференциях:

• VII научно-техническая конференция Сибирского химического комбината, (г. Северск, 2002г);

• IX международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2003 г.);

• международная научно-техническая1 конференция «Электроэнергетика, Электротехнические системы и комплексы» (г. Томск, 2003 г.);

• международная научно-техническая конференция с международным участием «Электротехника, Электромеханика и электротехнологии» (г. Новосибирск, 2003 г.);

• всероссийская научно-техническая конференция «Современные тенденции в развитии и конструировании коллекторных и других электромеханических преобразователей энергии» (г. Омск, 2003 г.);

• научно-техническая конференция «Технология и автоматизация атомной энергетики» (г. Северск, 2003г);

• X юбилейная международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2004 г.).

Публикации.

По результатам выполненной работы опубликовано 10 докладов, 1 научная статья и оформлена заявка на патентование вновь разработанной конструкции скважинного генератора, предназначенного для электропитания скважинного прибора.

Реализация результатов работы.

Основные выводы, полученные при исследовании синхронного генератора торцевой конструкции, используются при выполнении работ по проектированию электромашинного скважинного источника питания, разрабатываемого по заданию ООО «ТНГИ» .

На основе приведенной методики расчета трехмерных магнитных полей разработана компьютерная программа, которая используется в учебном процессе при подготовке студентов в Северском государственном технологическом институте.

Разработанная компьютерная программа для расчета трехмерных магнитных полей используется в ООО ПФК «Экси-Кей» Центр магнитных технологий при исследовании и разработке устройств магнитной обработки воды, оптимизации магнитной системы и улучшении технико-экономических показателей.

Структура и объем диссертации

.

Работа состоит из пяти разделов и заключения, содержащих 113 страниц машинописного текста, 8 таблиц, 35 рисунков, списка литературы из 114 наименований и 2 приложения.

В первом разделе обоснована актуальность задач разработки и исследования дисковых электромашинных генераторов. Сформулирована цель, поставлены основные задачи, описана научная новизна и практическая ценность диссертационной работы, приведена краткая аннотация выполненной работы по разделам.

Во втором разделе проведен обзор существующих малогабаритных автономных генераторов, изложены основные вопросы выбора конструкции и последующего проектирования магнитной системы скважинного генератора. Определены задачи исследований.

В третьем разделе представлен анализ методов расчета электромагнитных полей, на основе которого был выбран метод интегрирования по источникам поля. Описаны методика и алгоритмы программы расчета трехмерного магнитного поля дискового генератора. На основе метода интегрирования по источникам поля разработаны математические модели дисковой машины с полным описанием особенностей геометрии и нелинейности характеристик элементов магнитной системы.

В четвертом разделе приведены результаты теоретических исследований магнитного поля торцевой машины. С помощью разработанной программы расчета проанализировано изменение характеристик объемного магнитного поля вдоль зубца статора, произведена оценка потоков рассеяния. Также исследовано влияние параметров геометрии статора на величину результирующего магнитного потока и определены те параметры, которые в наибольшей степени оказывают воздействие на энергетические показатели машины.

В пятом разделе представлены результаты экспериментальных исследований макетных образцов скважинного генератора. Для проведения исследований было изготовлено и испытано два макетных образца для сравнения энергетических характеристик машины при двух способах изготовления маг-нитопровода статора. В результате проведенных испытаний определены внешние характеристики генератора при изменении, величины воздушного зазора и скорости вращения ротора машины. Получены осциллограммы выходного напряжения при сдвиге дисков роторов друг относительно друга и при работе генератора под нагрузкой.

В заключении приведены основные результаты выполненных научных исследований. Изложены рекомендации, которые могут быть использованы при проектировании малогабаритных торцевых машин с возбуждением от постоянных магнитов.

5.4. Выводы.

1. Полученные в результате проведенных экспериментов зависимости подтвердили правильность выбранных методов и адекватность созданных математических моделей. В результате сравнения расчетных характеристик с экспериментально полученными данными, определена погрешность математических моделей дискового генератора, значение которой не превышает 10%.

2. Выполненный анализ характеристик при двух способах изготовления магнитопровода статора показал возможность применения цельнометаллических стержней статора, при этом потери составляют 16,4%.

3. Экспериментально определена оптимальная величина сдвига дисков роторов друг относительно друга, которая составляет 15−47 градусов, при которой форма выходного напряжения близка к синусоидальной. В этом случае также снижаются проявления зубцового эффекта и статического момента сопротивления в 2,5 раза. Снижение энергетических характеристик дискового генератора происходит на 5V7%.

4. Выполнено экспериментальное исследование внешних характеристик дискового генератора при изменении скорости вращения вала и величины воздушного зазора дисковой машины. Определен характер изменения энергетических характеристик дискового генератора. При увеличении воздушного зазора происходит снижение преобразуемой генератором активной мощности в допустимых пределах, что подтверждает возможность установки немагнитного экрана в воздушном зазоре.

6.

Заключение

.

В диссертационной работе поставлены и решены задачи теоретических и экспериментальных исследований, способствующие совершенствованию и созданию скважинного источника питания для геофизической аппаратуры, выполненного на базе дискового генератора.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Анализ литературы и патентов показал, что дисковые магнитоэлектрические генераторы обладают рядом положительных качеств, которые позволяют успешно применять их в маломощных герметичных автономных источниках питания. В качестве объекта исследования выбран дисковый электрический генератор с возбуждением от постоянных магнитов. Генератор выполнен с двумя роторами и расположенным между ними статором.

2. Для исследования маломощного генератора дисковой конструкции выбран метод интегрирования по источникам поля. Метод позволяет проводить расчет стационарных и квази стационарных полей электромеханических устройств любой конфигурации и сложности геометрии.

3. Разработана стационарная модель магнитного поля, которая предназначена для исследования трехмерного магнитного поля электромеханических устройств любой конфигурации с учетом нелинейности характеристик элементов магнитной системы.

4. Создана полевая модель электромеханического устройства, разработан алгоритм и программа расчета для исследования работы дисковых генераторов в динамических режимах.

5. Исследовано распределение трехмерного магнитного поля в стержне дисковой машины. Проявления неоднородности поля в стержне машины значительны, что подтверждают необходимость рассмотрения трехмерного распределения параметров магнитного поля при проектировании электрических машин с аксиальным магнитным потоком. Наиболее существенная неоднородность поля наблюдается вблизи границ элементов магнитопровода и в значительной степени проявляется при увеличении МДС.

Исследован характер влияния основных геометрических размеров магнитопровода статора на энергетические показатели дисковой машины. Проведен анализ изменения энергетических характеристик при изменении воздушного зазора, относительной ширины и абсолютной длины стержня дискового генератора. Установлено максимальное значение выходной мощности генератора (256 Вт) со следующей конфигурацией геометрии: внешний диаметр 0.1 м, длина стержня Lz= 0,038 м, относительная ширина стержня Ь* = 0,18.

Герметичность дискового электрического генератора достигается установкой немагнитного экрана между статором и ротором. Анализ полученных результатов расчета выходной мощности при увеличении воздушного зазора показал, что допустимо выполнение электрической машины с большим воздушным зазором. Возможна установка немагнитного экрана, толщиной до 2 мм в воздушном зазоре, который препятствует попаданию бурового раствора в полость статора и ротора и существенно повысить время безотказной работы скважинного прибора Сравнение характеристик при расчете и экспериментальных исследованиях дискового генератора с цельнометаллическими и шихтованными стержнями статора показало допустимость использования монолитного исполнения стержней при изготовлении маломощных дисковых генераторах. Потери от вихревых токов в этом случае составляют: при расчетах 16%, при экспериментальных исследованиях 16,4%. Проведены экспериментальные исследования макетных образцов дисковой машины. В ходе исследований были определены внешние характеристики дискового генератора при изменении скорости вращения вала и величины воздушного зазора торцевой машины. При увеличении воздушного зазора происходит снижение преобразуемой генератором активной мощности в допустимых пределах, что подтверждает возможность установки немагнитного экрана в воздушном зазоре.

10. Экспериментально определена оптимальная величина сдвига дисков роторов друг относительно друга, которая составляет 15-И 7 градусов, при которой форма выходного напряжения близка к синусоидальной. В этом случае также снижаются проявления зубцового эффекта и статического момента сопротивления в 2,5 раза. Снижение энергетических характеристик дискового генератора происходит на 5ч-7%.

11. При сравнении результатов теоретических исследований с экспериментально полученными данными, определена погрешность разработанных математических моделей дискового генератора, величина которой не превышает 10%.

12. Разработаны и переданы в ООО «Томск Нефтегазинжиниринг» (г. Томск) программа, алгоритмы, математические модели и результаты теоретических и экспериментальных исследований дисковой конструкции электромашинного генератора, направленные на увеличение безотказной работы за счет герметичного исполнения магнитной системы электрической машины. Разработана и передана в Северский государственный технологический институт (г. Северск) компьютерная программа, предназначенная для расчета трехмерных магнитных полей электромеханических устройств. Данная программа используется студентами специальности 180 400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов». Разработанная программа для расчета магнитных полей используется в ООО ПФК «Экси-Кей» Центр магнитных технологий (г. Томск) при исследовании и разработке устройств магнитной обработки воды.