潜油电机设计及多物理场耦合计算

潜油电机驱动的潜油电泵适用于丛式井、斜井及水平井的深井采油，尤其是海上油田开采。潜油电机特殊的结构及运行环境导致其在电磁设计、流体流动及传热、制造工艺和试验等方面均与普通电动机有所不同。本书深入系统论述了潜油电机在设计、温升预测、多物理场耦合分析等方面的相关基础理论及应用现状，为潜油电机电磁设计、流体流动、温升预测、电机内多物理场耦合研究等构建了较为完善的理论体系。本书内容主要包括潜油电机的研究现状及发展趋势、潜油电机设计、潜油电机优化设计、潜油电机分段处电磁参数计算、潜油电机分段处多场耦合计算、潜油电机三维稳态传热特性研究、基于流体网络解耦的潜油电机温升预测、热网络法在潜油电机温度预测中的应用、潜油电机温升试验和潜油电机温升降低措施。
本书可作为电机设计及制造机构从事电机研发、安装及运行维护的工程技术人员的参考资料，亦可供高等院校和科研院所中电机电气温升预测及热管理领域的研究生和教师学习参考。

前言
第1章 潜油电机的研究现状及发展趋势 1
1.1 潜油电机的结构及特点 1
1.1.1 潜油电机的基本结构 1
1.1.2 潜油电机的结构特点 4
1.2 潜油电机的研究现状 6
1.2.1 潜油电机电磁设计 6
1.2.2 潜油电机多物理场耦合 10
1.3 潜油电机的发展趋势 12
第2章 潜油电机设计 15
2.1 潜油电机设计概述 15
2.1.1 潜油电机设计流程 15
2.1.2 潜油电机设计特点 19
2.2 6极潜油电机设计 30
2.2.1 定转子槽数及绕组的设计 30
2.2.2 主要结构尺寸确定 34
2.3 分数槽集中绕组潜油电机设计 37
2.3.1 分数槽集中绕组潜油电机电抗修正 38
2.3.2 分数槽集中绕组潜油电机性能分析 48
2.3.3 双分数槽集中绕组潜油电机设计 52
2.3.4 双分数槽集中绕组潜油电机性能分析 56
2.4 异步启动永磁潜油电机设计 62
2.4.1 永磁潜油电机设计特点 62
2.4.2 4极异步启动永磁潜油电机样机 65
2.5 6极永磁潜油电机设计 67
2.5.1 6极永磁潜油电机结构 67
2.5.2 转子斜极式设计及齿槽定位力矩计算 68
2.5.3 空载漏磁系数计算 72
2.5.4 空载漏磁系数影响因素 76
第3章 潜油电机优化设计 83
3.1 免疫遗传算法 83
3.1.1 免疫遗传算法原理 83
3.1.2 免疫遗传算法流程 85
3.1.3 免疫遗传算法在数学模型上的应用 87
3.2 基于免疫遗传算法的潜油电机优化设计 89
3.2.1 潜油电机优化设计数学模型 89
3.2.2 潜油电机优化设计的目标函数 90
3.2.3 优化设计约束条件 91
3.2.4 优化变量的选取 93
3.2.5 免疫遗传算法优化程序设计 94
3.3 潜油电机优化设计实例计算 97
3.3.1 潜油电机优化过程的参数选用 97
3.3.2 优化设计的结果与分析 100
第4章 潜油电机分段处电磁参数计算 102
4.1 三维涡流电磁场基础 102
4.1.1 流体场控制方程 102
4.1.2 涡流场边界条件 105
4.1.3 隔磁段漏抗求解方法 106
4.2 潜油电机三维涡流场模型 107
4.2.1 建模遵循的原则 107
4.2.2 模型的建立 108
4.3 隔磁段漏抗的计算 112
4.3.1 隔磁段漏抗计算的有限元分析 112
4.3.2 实例计算与试验验证 114
4.4 扶正轴承附加损耗的计算 116
4.4.1 转子转动效应 116
4.4.2 铁心磁导率非线性问题的处理 117
4.4.3 附加损耗结果分析 120
4.4.4 间接试验验证 122
4.5 隔磁段电磁参数求解中存在的问题 124
第5章 潜油电机分段处多场耦合计算 125
5.1 潜油电机分段处各场数学模型 125
5.1.1 分段处电磁场数学模型 125
5.1.2 分段处温度场数学模型 126
5.1.3 分段处受力分布数学模型 128
5.2 潜油电机分段处耦合特性研究 130
5.2.1 分段处电磁场分析 130
5.2.2 分段处温度场分析 134
5.2.3 分段处受力分析 138
5.3 分段处尺寸变化对电动机耦合特性的影响 141
第6章 潜油电机三维稳态传热特性研究 146
6.1 潜油电机冷却及流体特点 146
6.1.1 潜油电机特殊的油路系统 146
6.1.2 潜油电机内流体流动的约束条件 147
6.1.3 计算边界条件 152
6.1.4 通用控制方程及其离散化 154
6.2 潜油电机损耗分布特性的数值分析 155
6.2.1 铁心损耗数值计算 155
6.2.2 分段处涡流损耗数值计算 158
6.2.3 机械损耗数值计算 159
6.2.4 定转子铜耗数值计算 160
6.2.5 热源的分布 161
6.3 潜油电机稳态传热特性研究 161
6.3.1 传热模型建立 161
6.3.2 相关系数的确定 163
6.3.3 流速与传热特性的关系 164
6.3.4 流体流动特性对传热特性的影响 166
第7章 基于流体网络解耦的潜油电机温升预测 170
7.1 潜油电机流体网络模型 170
7.1.1 数学模型及边界条件 170
7.1.2 流体场的网络模型 172
7.1.3 物理模型及网格剖分 175
7.2 传热模型的建立及损耗的计算 178
7.2.1 传热模型的建立 178
7.2.2 电机损耗的计算 180
7.3 潜油电机流体场及传热计算 185
7.3.1 电机温度场计算结果 185
7.3.2 电机流体场的热效应 189
7.4 试验数据对比分析 194
第8章 热网络法在潜油电机温度预测中的应用 196
8.1 潜油电机热网络模型的建立 196
8.1.1 热网络法基本原理 196
8.1.2 潜油电机的热网络模型 197
8.2 潜油电机热网络模型参数的求解 199
8.2.1 等效热阻 199
8.2.2 热源及热容 204
8.3 基于热网络法计算潜油电机温度 205
8.3.1 热网络法计算电机温度原理 206
8.3.2 求解程序设计 207
8.3.3 温度计算结果及试验验证 209
8.4 热力学第二定律在潜油电机传热中的应用 212
8.4.1 各节点熵产计算 213
8.4.2 各节点*损率计算 214
第9章 潜油电机温升试验 217
9.1 潜油电机测试平台构建 217
9.1.1 潜油电机试验的现状 217
9.1.2 潜油电机工作状态模拟 219
9.1.3 温升测试装置研制 222
9.2 潜油电机温度测试试验 225
9.2.1 测温方案的制定 225
9.2.2 样机温度测试 227
第10章 潜油电机温升降低措施 231
10.1 电机内部油路循环系统的强化 231
10.1.1 打油叶轮的设计及安装 231
10.1.2 电机内充油外循环套筒的设计 232
10.2 电机磁负荷的优化分布 233
10.2.1 定子磁通密度的优化 233
10.2.2 转子磁通密度的优化 234
10.3 电机制造工艺改进 236
10.3.1 定子压装工艺的改进 236
10.3.2 定子绕组下线工艺及工装匹配的改进 239
10.4 油井井液流速的提高 241
10.4.1 合理选配电机外径 241
10.4.2 减小油井的套管内径 242
10.4.3 增大油井的排量 243
参考文献 245