T E L K O M N I K A ,   V o l . 9 ,   N o . 3 ,   D e c e m b e r   2 0 1 1 ,   p p .   5 1 5 ~ 5 2 2   I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   a c c r e d i t e d   b y   D G H E   ( D I K T I ) ,   D e c r e e   N o :   5 1 / D i k t i / K e p / 2 0 1 0           5 1 5       R e c e i v e d   J u l y   4 th ,   2 0 1 1 ;   R e v i s e d   J u l y   2 5 th ,   2 0 1 1 ;   A c c e p t e d   A u g u s t   6 t h ,   2 0 1 1   D e v e l o p m e n t   o f   T u b u l a r   L i n e a r   P e r m a n e n t   M a g n e t   S y n c h r o n o u s   M o t o r   U s e d   i n   O i l - w e l l   F i e l d         Y a n l i a n g   X u ,   X i q u a n   L i u   Sc h o o l   o f   E l e c t r i c a l   E n g i n e e r i n g ,   Sh a n d o n g   U n i v e r s i t y   N o . 1 7 9 2 3   J i n g s h i   R o a d ,   J i n a n   C i t y ,   P. R . C h i n a ,   2 5 0 0 6 1   Ph :   0 0 8 6 - 0 5 3 1 - 8 1 6 9 6 1 7 0 ,   e - m a i l :   x u y a n l i a n g @ s d u . e d u . c n       A b s t r a k   M o t o r   s i n k r o n   p e r m a n e n   m a g n e t   m o t o r   l i n e a r   t u b u l a r   ( T L P M S M )   d i k e m b a n g k a n   u n t u k   m e n g g a n t i   s i s t e m   p o m p a   m i n y a k - b a i k   b a r u   b e r n a m a   s e b a g a i   l i n e a r   m o t o r - d r i v e n .   Sa l a h   s a t u n y a   u n t u k   m e n g g a n t i k a n   s i s t e m   p o m p a   n o r m a l   b e a m   b a l a n c e d   t e r u t a m a   u n t u k   m e n g e l i m i n a s i   k e m u n g k i n a n   k e r u s a k a n   t i a n g   b a j a .   St r u k t u r n y a   d i t e n t u k a n   b e r d a s a r k a n   k e b u t u h a n   p e n g e m u d i a n   n y a t a   d a n   h a s i l   a n a l i s i s   b e r s e s u a i a n   y a n g   d i b e r i k a n .   Pa d a   p e n e l i t i a n   i n i   s e b u a h   p u r w a r u p a   T L PM S M   k e c i l   b e r d i a m e t e r   s t a t o r   l u a r   1 4 0 m m ,   p a n j a n g   s t a t o r   e f e k t i f   8 6 4 m m   d i r a n c a n g   d a n   d i p r o d u k s i   u n t u k   m e m v e r i f i k a s i   a n a l i s i s   t e o r i t i s   d a n   m e n y e l i d i k i   k i n e r j a ,   d a n   m e m b u a t   p e r s i a p a n   u n t u k   p u r w a r u p a   p r a k t i s   b e s a r   y a n g   l e b i h   b e s a r   d i   m a s a   d e p a n .       K a t a   k u n c i :   a n a l i s i s   F EM ,   e k p e r i m e n ,   o i l - w e l l   f i e l d       A b s t r a c t   T h e   t u b u l a r   l i n e a r   p e r m a n e n t   m a g n e t   s y n c h r o n o u s   m o t o r   ( T L PM S M )   i s   d e v e l o p e d   t o   c o n s t i t u t e   a   n e w   o i l - w e l l   p u m p   s y s t e m   n a m e d   a s   l i n e a r   m o t o r - d r i v e n   o n e   r e p l a c i n g   t h e   n o r m a l   b e a m   b a l a n c e d   p u m p   s y s t e m   m a i n l y   i n   o r d e r   t o   e l i m i n a t e   t h e   d a m a g e a b l e   s t e e l   p o l e .   I t s   s t r u c t u r e   i s   d e t e r m i n e d   b a s e d   o n   t h e   r e a l   d r i v e   d e m a n d   a n d   t h e   c o r r e s p o n d i n g   a n a l y s i s   r e s u l t s   a r e   g i v e n .   At   l a s t   a   s m a l l   p r o t o t y p e d   T L PM S M   w i t h   s t a t o r   o u t e r   d i a m e t e r   o f   1 4 0 m m ,   e f f e c t i v e   s t a t o r   l e n g t h   o f   8 6 4 m m   i s   d e s i g n e d   a n d   m a n u f a c t u r e d   t o   v e r i f y   t h e   t h e o r e t i c a l   a n a l y s i s   a n d   i n v e s t i g a t e   t h e   p e r f o r m a n c e ,   a n d   m a k e   p r e p a r a t i o n   f o r   t h e   l a r g e   p r a c t i c a b l e   p r o t o t y p e   i n   t h e   f u t u r e .       K e y w o r d s :   F EM   An a l y s i s ,   e x p r i m e n t ,   o i l - w e l l   f i e l d ,   t u b u l a r   l i n e a r   PM S M         1 .     I n t r o d u c t i o n   T h e   n o r m a l   b e a m - b a l a n c e d   p u m p   s y s t e m   s h o w n   i n   F i g u r e   1   w h i c h   i s   u s e d   w i d e l y   n o w a d a y s   i n   o i l   f i e l d   h a s   m a n y   d r a w b a c k s   s u c h   a s   l o w   l i f e - s p a n   o f   s t e e l   p o l e ,   l o w   s y s t e m   e f f i c i e n c y ,   h i g h   o c c u p i e d   g r o u n d   s p a c e   a n d   s o   o n .                                                           F i g u r e   1 .   N o r m a l   b e a m - b a l a n c e d     p u m p   s y s t e m             F i g u r e   2 .     P r e s e n t e d   l i n e a r   m o t o r - d r i v e n                                 p u m p   s y s t e m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                          I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   9 ,   N o .   3 ,     D e c e m b e r   2 0 1 1   :     5 1 5     5 2 2   5 1 6 S o   a   n e w   o i l - w e l l   p u m p   s y s t e m   n a m e d   a s   l i n e a r   m o t o r - d r i v e n   o n e   s h o w n   i n   F i g u r e   2   i s   p r e s e n t e d   t o   r e p l a c e   t h e   n o r m a l   s y s t e m   m a i n l y   t o   e l i m i n a t e   t h e   d a m a g e a b l e   s t e e l   p o l e ,   a s   w e l l   a s   t o   o b t a i n   o t h e r   p e r f o r m a n c e   i m p r o v e m e n t .   T h e   l i n e a r   m o t o r   w h i c h   c a n   b e   a d o p t e d   i n   t h e   n e w   o i l - w e l l   p u m p   s y s t e m   i s   c l a s s i f i e d   t o   p l a n a r   o n e   a n d   t u b u l a r   o n e   a c c o r d i n g   t o   i t s   s t r u c t u r e   c o n f i g u r a t i o n ,   o r   i n d u c t i o n   o n e   a n d   P M   o n e   a c c o r d i n g   t o   i t s   f i e l d   e x c i t a t i o n   m o d e .   C o n s i d e r i n g   t h e   r e q u i r e m e n t   o f   h i g h   f o r c e - t o - v o l u m e   a n d   e f f i c i e n c y ,   t h i n   a n d   l o n g   s t r u c t u r e ,   a n d   g o o d   a d a p t a b i l i t y   i n   b a d   s u r r o u n d i n g s   w i t h   h i g h   p r e s s u r e ,   h i g h   a m b i e n t   t e m p e r a t u r e ,   a n d   a b u n d a n c e   o f   m o i s t u r e   a n d   s a n d s ,   t u b u l a r   l i n e a r   p e r m a n e n t   m a g n e t   s y n c h r o n o u s   m o t o r   ( T L P M S M )   i s   t h e   m o s t   f e a s i b l e   c h o i c e .         T h e   r e a l   T L P M S M   u s e d   i n   t h e   l i n e r   m o t o r - d r i v e n   p u m p   s y s t e m   r e q u i r e s   m a x i m u m   f o r c e   p r o d u c t i o n   o f   a b o u t   4 0 0 0 0 N   w i t h   o u t e r   s t a t o r   d i a m e t e r   l e s s   t h a n   1 4 0 m m ,   w h i c h   m a y   l e a d   t o   a   v e r y   l o n g   m o v e r   o f   a b o u t   1 0 m   i n   c o n s i d e r a t i o n   o f   i t s   r u n   r a n g e   a n d   o t h e r   a c c e s s o r i e s .   T h a n k s   f o r   t h e   i n h e r e n t   a d v a n t a g e   o f   a l l   k i n d s   o f   l i n e a r   m o t o r s   t h a t   t h e y   c a n   e n l a r g e   t h e i r   f o r c e   c a p a b i l i t y   e a s i l y   j u s t   b y   e x t e n d i n g   t h e i r   e f f e c t i v e   l e n g t h s .   S o ,   i n   t h i s   p a p e r ,   o n l y   a   s m a l l   p r o t o t y p e d   T L P M S M   i s   a n a l y z e d ,   d e s i g n e d   a n d   m a n u f a c t u r e d   t o   m a k e   p r e p a r a t i o n   f o r   t h e   l a r g e   p r a c t i c a b l e   p r o t o t y p e   i n   t h e   f u t u r e .       2 .     S t r u c t u r e   a n d   A n a l y s i s   o f   t h e   T L P M S M   I n   o r d e r   t o   c o n s t i t u t e   t h e   p r a c t i c a b l e   p r o t o t y p e   i n   t h e   f u t u r e   e a s i l y   a c c o r d i n g   t o   t h e   s m a l l   p r o t o t y p e d   T L P M S M ,   t h e   l a t t e r   h a s   t h e   s a m e   t h r e e - p h a s e   p o w e r   s u p p l y   w i t h   r a t e d   v o l t a g e   o f   5 5 0 V ,   t h e   s a m e   r a t e d   r u n n i n g   s p e e d   o f   0 . 7 m / s ,   a n d   t h e   s a m e   s t a t o r   o u t e r   d i a m e t e r   a s   t h e   f o r m e r .   F o r   t h e   s a m e   r e a s o n ,   t h e   i n i t i a l l y   d e v e l o p e d   T L P M S M   d o n t   m i n d   i t s   r a t e d   a n d   m a x i m u m   f o r c e   p r o d u c t i o n .     2 . 1   W h o l e   S t r u c t u r e   w i t h   D y n a m i c   S e a l   T h e   T L P M S M   i s   u s e d   t o   d r i v e   d i r e c t l y   t h e   o i l - w e l l   p u m p   s i t u a t e d   u n d e r g r o u n d   w i t h   t h e   m a x i m u m   d e p t h   o f   3 k m   w h e r e   t h e r e   e x i s t s   a   p r e s s u r e   o f   a b o u t   3 0   M p a s ,   w h i c h   e x e r t s   a   g r e a t   c h a l l e n g e   t o   t h e   m o t o r s   s e a l   t o   g u a r d   t h e   w i n d i n g   i n s u l a t i o n ,   s o   a   d y n a m i c   s e a l   i s   a d o p t e d ,   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   3 .   H i g h - p r e s s u r e d   o i l   i s   f i l l e d   i n t o   t h e   T L P M S M ,   t h r o u g h   w h i c h   a   h i g h   f o r c e   o c c u r s   t o   k e e p   b a l a n c e   w i t h   t h e   a m b i e n t   p r e s s u r e   t h r o u g h   t h e   d y n a m i c   s e a l .   A s   a   r e s u l t ,   t h e   w i n d i n g   i n s u l a t i o n   i s   e a s y   t o   r e a l i z e .       2 . 2     S t a t o r   W i n d i n g ,   S t a t o r   C o r e   a n d   M o v e r   M a g n e t   C o n f i g u r a t i o n   T h r e e - p h a s e   T L P M S M   c a n   c o n s i s t   o f   m a n y   i d e n t i c a l   m o t o r   m o d u l e s ,   e v e r y   o f   w h i c h   m a y   b e   3 - s l o t / 2 - p o l e ,   3 - s l o t / 1 - p o l e ,   6 - s l o t / 1 - p o l e ,   9 - s l o t / 1 0 - p o l e ,   o r   1 2 - s l o t / 1 0 - p o l e .   I n   o r d e r   t o   o b t a i n   a   s i n u s o i d a l   b a c k - E M F   w a v e f o r m ,   a   s m o o t h   f o r c e   p r o d u c t i o n ,   a   h i g h   w i n d i n g   f u n d a m e n t a l   c o e f f i c i e n t   a n d   a   e a s y   m a n u f a c t u r e ,   9 - s l o t / 1 0 - p o l e   w i n d i n g   c o n f i g u r a t i o n   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   4   i s   c h o s e n   a n d   t h e   p r o t o t y p e d   T L P M S M   i s   c o m p o s e d   o f   f o u r   m o t o r   m o d u l e s   a n d   t h e n   e m p l o y s   3 6   s t a t o r   s l o t   a n d   4 0   e f f e c t i v e   p o l e s .   T h e   p o l e   p i t c h   i s   d e t e r m i n e d   a s   2 1 . 6 m m ,   w h i c h   m e a n s   i n v e r t e r   f r e q u e n c y   o u t p u t   o f   1 6 . 2 H z     i n   o r d e r   t o   r e a c h   t h e   d e m a n d     s p e e d   o f   0 . 7 m / s .           F i g u r e   3 .     T h e   d y n a m i c   s e a l   a d o p t e d   i n   t h e   T L P M S M     F i g u r e   4     S t a t o r   W i n d i n g   a n d   m o v e r   m a g n e t   c o n f i g u r a t i o n   o f   t h e   d e v e l o p e d   T L P M S M     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0       D e v e l o p m e n t   o f   T u b u l a r   L i n e a r   P e r m a n e n t   M a g n e t   S y n c h r o n o u s   M o t o r   .   ( Y a n l i a n g   X u )   5 1 7     I n   o r d e r   t o   r e d u c e   t h e   i r o n   l o s s ,   t h e   s t a t o r   c o r e   i s   f a b r i c a t e d   f r o m   I - s h a p e d   s i l i c o n   i r o n   l a m i n a t i o n   s h o w n   i n   F i g u r e   5 ,   a n d   F i g u r e   6   p r e s e n t s   a   p r o t o t y p e d   s t a t o r   c o r e   m o d u l e   w i t h   t w o   s t a t o r   c o i l s .                                             F i g u r e   5 .     S t a t o r   i r o n   m o d u l e   f r o m   I - s h a p e d               F i g u r e   6 .     A   p r o t o t y p e d   s t a t o r   c o r e   m o d u l e                           s i l i c o n   l a m i n a t i o n   [ 2 ] .                                                                                       w i t h   t w o   s t a t o r   c o i l s .       T h e r e   a r e   t h r e e   k i n d s   o f   m o v e r   m a g n e t   c o n f i g u r a t i o n s   w h i c h   c a n   b e   u s e d   i n   t h e   T L P M S M   n a m e d   a s   a x i a l   m a g n e t i z e d   c o n f i g u r a t i o n ,   r a d i a l   m a g n e t i z e d   o n e   a n d   H a l b a c h   m a g n e t i z e d   o n e   r e s p e c t i v e l y .   T h e   f i r s t   o n e   i s   a d o p t e d   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   4   i n   t h e   p r o t o t y p e d   T L P M S M   m a i n l y   t a k i n g   i t s   e a s y   m a n u f a c t u r e   i n t o   c o n s i d e r a t i o n ,   a n d   t h e n   t h e   s u i t a b l e   m a g n e t   a x i a l   l e n g t h   o f   1 1 . 6 m m   i s   c h o s e n   t o   o b t a i n   a   h i g h   f u n d a m e n t a l   n o - l o a d   f l u x   d e n s i t y .   T h e   N d F e B   m a g n e t   u s e d   i n   t h e   p r o t o t y p e d   f e a t u r e s   r e m n a n t   f l u x   d e n s i t y   o f   1 . 2 9 T   a n d   i n t r i n s i c   c o e r c i t i v e   f o r c e   o f   2 0 0 0 k A / m ,   w i t h   m a x i m u m   e n d u r a b l e   w o r k i n g   t e m p e r a t u r e   o f   1 8 0 ° C .       3 .     P a r a m e t e r   C a l c u l a t i o n   P a r a m e t e r s   o f   T L P M S M   m a i n l y   r e f e r   t o   l e a k a g e   r e a c t a n c e   w h i c h   c o n s i s t s   o f   s l o t   l e a k a g e   r e a c t a n c e ,   h a r m o n i c   o n e   a n d   t e e t h   t o p   o n e .   T h e   s e c o n d   a n d   t h e   t h i r d   o n e   a r e   s i m i l a r   t o   t h a t   o f   t h e   r o t a t i n g   e l e c t r i c   m a c h i n e s ,   s o   o n l y   s l o t   l e a k a g e   r e a c t a n c e   i s   c o n c e r n e d   h e r e .   F i g u r e   7   s h o w s   t h e   s t a t o r   s l o t   s t r u c t u r e   o f   T L P M S M .   F r o m   F i g u r e   7   I t   i s   e a s y   t o   g e t   t h e   s l o t   l e a k a g e   r e a c t a n c e   p e r   p h a s e .     a 2 0 2 s D ) 2 / z ( 9 f 2 2 X l m p =                                                                                                                                                                                     ( 1 )       w h e r e ,   D b 6 h D b 3 h h 2 b 3 h b h 1 2 t 1 t 0 1 t 0 0 a + + + = l ,   a n d   z   i s   t h e   t u r n   n u m b e r   p e r   p h a s e                                                                                                                                                                                     4 .   S t a t o r   M a g n e t o m o t i v e   F o r c e   A n a l y s i s   F o r   9 - s l o t / 1 0 - p o l e   T L P M S M ,   M M F   w a v e f o r m   o f   p h a s e   A   w h e n   f e d   b y   d i r e c t   c u r r e n t   a i c a n   b e   d e p i c t e d   i n   F i g u r e   8 ,   w h e r e   k c   i s   t h e   r a t i o   o f   s t a t o r   t o o t h   p i t c h   t o   p o l e   p i t c h .   F r o m   F i g u r e 8 ,   t h e   M M F   o f   p h a s e   w h e n   f e d   b y   t c o s I 2 w j   c a n   b e   e x p r e s s e d   a s :     ] 5 n c o s ) 2 n k s i n 2 1 0 n k 3 [ ( s i n n 1 t c o s F ) x ( f c c 1 n a p p - p w = ¥ = j                                                                                               ( 2 )     w h e r e ,   j j p = z I 2 F   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                          I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   9 ,   N o .   3 ,     D e c e m b e r   2 0 1 1   :     5 1 5     5 2 2   5 1 8     F i g u r e   7 .   S l o t   s t r u c t u r e   o f   T L P M S M         F i g u r e   8 .   M M F   w a v e f o r m   o f   p h a s e   A   w h e n   f e d   b y   d i r e c t   c u r r e n t     a i     T h e   M M F s   o f   p h a s e   B   a n d   C   c a n   a l s o   b e   o b t a i n e d   s i m i l a r   t o   t h a t   o f   p h a s e   A ,   t h e n   t h e   a r m a t u r e   r e s u l t a n t   M M F   o f   t h e   T L P M S M   i s   e a s i l y   a c h i e v e d   a n d   i t s   n / 5   o r d e r   c o m p o n e n t   c a n   b e   e x p r e s s e d   a s     = + = + w + = - w = k 3 n 0 2 k 3 n ) 5 / n x t c o s ( F 1 k 3 n ) 5 / n x t c o s ( F ) x ( f 5 / n 5 / n 5 / n                                                                                       ( 3 )     W h e r e ,   k   i s   t h e   p o s i t i v e   i n t e g e r   a n d   F n / 5   c a n   b e   e x p r e s s e d   a s       ) 9 n s i n 2 3 n ( s i n I n 2 z 2 3 F 5 / n p - p p = f ,   w h e n   n = 5 ,   F n /5   m e a n s   t h e   f u n d a m e n t a l   c o m p o n e n t   F 1 .   F i g u r e   9   g i v e s   t h e   v a r i a t i o n   o f   F n /5 / F 1   w i t h   c o m p o n e n t   o r d e r   n   w h i c h   s h o w s   t h a t   t h e   T L P M S M   w i t h   9   s l o t / 1 0   p o l e   i s   f u l l   o f   f r a c t i o n a l - o r d e r   M M F   h a r m o n i c s   a n d   t h e   m a g n i t u d e   o f   4 / 5   o r d e r   h a r m o n i c   i s   h i g h e r   t h a n   t h a t   o f   f u n d a m e n t a l   o n e .         F i g u r e   9 .   V a r i a t i o n   o f   F n /5 / F 1   w i t h   n       5 .     U n i l a t e r a l   M a g n e t i c   F o r c e   C a l c u l a t i o n   T h e o r e t i c a l l y ,   T L P M S M   f e a t u r e s   z e r o   n e t   a t t r a c t i v e   f o r c e   b e t w e e n   s t a t o r   a n d   m o v e r ,   b u t   o w i n g   t o   m o v e r   e c c e n t r i c i t y   r e s u l t i n g   f r o m   t h e   l i n e a r   b e a r i n g   c l e a r a n c e   a n d   t h e   f l e x i b i l i t y   o f   m o v e r   e s p e c i a l l y   i n   t h e   t h i n   a n d   l o n g   T L P M S M   s u c h   a s   t h e   p r e s e n t e d   i n   t h i s   p a p e r ,   u n i l a t e r a l   m a g n e t i c   f o r c e   c o m e s   i n t o   b e i n g   a n d   m a y   r e s u l t   i n   a   l a r g e   f r i c t i o n   d r a g   b y   w h i c h   t h e   m o t o r   f o r c e   m a y   r e d u c e   g r e a t l y .   C o n s i d e r i n g   t h e   l a r g e r   a i r - g a p   a n d   l a r g e r   t h i c k n e s s   o f   m a g n e t   o f   t h e   p r e s e n t e d   T L P M S M   i n   t h i s   p a p e r   w h i c h   r e s u l t s   i n   a   v e r y   s m a l l   a r m a t u r e   r e a c t i o n   o n   t h e   a i r - g a p   m a g n e t i c   f i e l d ,   t h e   u n i l a t e r a l   m a g n e t i c   f o r c e   i s   c a l c u l a t e d   i n   t h i s   p a p e r   o n l y   w h e n   i n   n o - l o a d .   T h e   u n i l a t e r a l   m a g n e t i c   f o r c e   c a n   b e   e x p r e s s e d   a s   i n   E q u a t i o n   ( 4 )   w h e n   t h e   m o v e r   h a s   a   e c c e n t r i c i t y   d i s t a n c e   o f   e   a p a r t   f r o m   t h e   s t a t o r [4 ] .   U n i l a t e r a l   m a g n e t i c   f o r c e   o f   t h e   p r o t o t y p e d   T L P M S M   i s   c a l c u l a t e d   b y   t h e   e q u a t i o n ( 4 )   a n d   3 - D   F E M   w h e n   t h e   m o t o r   h a s   a   e c c e n t r i c i t y   d i s t a n c e   o f   0 . 1 m m ,   0 . 2 m m ,   0 . 3 m m ,   0 . 4 m m ,   0 . 5 m m   r e s p e c t i v e l y ,   t h e   3 D - F E M   m e s h   a n d   t h e   c o m p a r i s o n   r e s u l t   a r e   s h o w n   i n   F i g u r e   1 0   a n d   F i g u r e   1 1 ,   f r o m   w h i c h ,   i t   i s   s h o w n   t h a t   t h e   a n a l y t i c a l   c a l c u l a t i o n   o f   t h e   u n i l a t e r a l   m a g n e t i c   f o r c e   i s   m a t c h e d   w i t h   i t s   3 D - F E M   o n e   a n d   t h a t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0       D e v e l o p m e n t   o f   T u b u l a r   L i n e a r   P e r m a n e n t   M a g n e t   S y n c h r o n o u s   M o t o r   .   ( Y a n l i a n g   X u )   5 1 9   t h e   p r o t o t y p e d   T L P M S M   w i l l   g e n e r a t e   a   v e r y   h i g h   u n i l a t e r a l   m a g n e t i c   f o r c e   w h e n   w i t h   a   l a r g e r   e c c e n t r i c i t y ,   a s   a   r e s u l t   a   h i g h   f r i c t i o n   m a y   o c c u r   b e t w e e n   s t a t o r   a n d   m o v e r .     e ) ( L p B R 2 F 0 2 1 u f d + a m p = d                                                                                                                                                                                                             ( 4 )     w h e r e ,     - p + + - m p + p p = d d ) h ) R R ( 1 l n ( R h K 2 ) R R ( K h 2 R L h a p m 2 1 2 p m 2 2 2 1 r p m p m     A n d   w h e r e ,   R 1   a n d   R 2     a r e   o u t e r   a n d   i n n e r   r a d i u s e s   o f   m a g n e t   r e s p e c t i v e l y ,   d   i s   a i r - g a p   l e n g t h ,   m r     i s   r e l a t i v e   r e c o i l   p e r m e a b i l i t y   o f   m a g n e t ,   L   i s   s t a t o r   l e n g t h ,   a n d   K d   i s   C a r t e r   c o e f f i c i e n t   w h i c h   i s   u s e d   t o   t a k e   t h e   s l o t   o p e n i n g   i n t o   c o n s i d e r a t i o n   a n d   B d   i s   a i r - g a p   f l u x   d e n s i t y   w h e n   n o   e c c e n t r i c i t y .                       F i g u r e   1 0 .   3 D - F E M   m e s h     F i g u r e                     1 1 .     U n i l a t e r a l   m a g n e t i c   f o r c e   c a l c u l a t i o n         T a b l e   1 .     S t r u c t u r e   S p e c i f i c a t i o n   o f   t h e   P r o t o t y p e d   T L P M S M   P a r a m e t e r   V a l u e   O u t e r   d i a m e t e r   o f   s t a t o r   1 4 0 m m   S t a t o r   c o r e   e f f e c t i v e   l e n g t h   8 6 4 m m   M o v e r   l e n g t h   4 0 0 0 m m   P o l e   p i t c h   2 1 . 6 m m   E f f e c t i v e   a i r - g a p   l e n g t h   2 . 3 m m   O u t e r   d i a m e t e r   o f   m a g n e t   3 0 . 7 m m   I n n e r   d i a m e t e r   o f   m a g n e t   2 2 . 5 m m               F i g u r e   1 2 .   T h e   p r o t o t y p e d   T L P M S M     6 .     P r o t o t y p e d   T L P M S M   a n d   I t s   2 D - F E M   A n a l y s i s ,   E x p e r i m e n t   A s   p r e s e n t e d   i n   s e c t i o n   2 . 2 ,   t h e   p r o t o t y p e d   T L P M S M   i s   c o m p o s e d   o f   f o u r   i d e n t i c a l   m o d u l e   m o t o r s ,   e v e r y   o f   w h i c h   a d o p t s   t h e   m e n t i o n e d   9 - s l o t / 1 0 - p o l e   s t r u c t u r e   a n d   w i t h   s t a t o r   c o r e   l e n g t h   o f   2 1 6 m m ,   s o   t h e   e f f e c t i v e   s t a t o r   c o r e   l e n g t h   o f   t h e   p r o t o t y p e d   T L P M S M   i s   8 6 4 m m .   I n   c o n s i d e r a t i o n   o f   t h e   d e m a n d e d   m o v e r s   r u n n i n g   r a n g e   o f   2 0 0 0 m m   a n d   o t h e r   s t r u c t u r e   a c c e s s o r i e s ,   t h e   w h o l e   m o v e r   l e n g t h   r e a c h e s   4 0 0 0 m m .   T h e   m a i n   s t r u c t u r e   s p e c i f i c a t i o n   o f   t h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                          I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   9 ,   N o .   3 ,     D e c e m b e r   2 0 1 1   :     5 1 5     5 2 2   5 2 0 d e v e l o p e d   P L P M S M   i s   s u m m e d   i n   T a b l e   I   a n d   t h e   p r o t o t y p e d   T L P M S M   i s   s h o w n   i n   F i g u r e   1 2 .     6 . 1   2 - D   F e m     A n a l y s i s     I n   o r d e r   t o   i n c r e a s e   t h e   m e s h   d e n s i t y     a s   w e l l   a s   t o   q u i c k e n   t h e   a n a l y s i s   w h e n   u s i n g   2 - D   F e m ,   o n l y   o n e   m o d u l e   m o t o r     i s   s p e c i f i e d   t o   s i m u l a t e   t h e   w h o l e   p r o t o t y p e d   T L P M S M .     F i g u r e   1 3   g i v e s   i t s   n o - l o a d   s i m u l a t i o n , f r o m ,   w h i c h ,   i t   c a n   b e   s e e n   t h a t   t h e   p r o t o t y p e d   T L P M S M   e m p l o y s   a   e x c e l l e n t   p h a s e   E M F   w a v e f o r m   d u e   t o   t h e   a d o p t i o n   o f   9 - s l o t / 1 0 - p o l e   s t r u c t u r e   a n d   r a t i o n a l   p o l e   p i t c h .         ( a )   N o - l o a d   f i e l d   d i s t r i b u t i o n       ( b )   N o - l o a d   a i r - g a p   f l u x   d e n s i t y     ( c )     n o - l o a d   E M F   w h e n   a t   s p e e d   o f   0 . 7 m / s     F i g u r e   1 3     2 d - F e m   N o - l o a d   s i m u l a t i o n   f o r   t h e   d e v e l o p e d   T L P M S M         ( a )   S p e e d   v a r i a t i o n     ( b )   M e g n e t i c   f o r c e   v a r i a t i o n     ( c )   P h a s e   c u r r e n t   v a r i a t i o n   F i g .   1 4     2 d - F e m   s t a r t i n g   s i m u l a t i o n   f o r   t h e   d e v e l o p e d   T L P M S M   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0       D e v e l o p m e n t   o f   T u b u l a r   L i n e a r   P e r m a n e n t   M a g n e t   S y n c h r o n o u s   M o t o r   .   ( Y a n l i a n g   X u )   5 2 1   T h e   s t a r t i n g   s i m u l a t i o n   i s   a l s o   e x e c u t e d   w h e n   g i v i n g   t e r m i n a l   s p e e d   o f   0 . 7 m / s ,   s u p p l i e d   b y   l o a d   f o r c e   o f   9 0 0 N   a n d   d a m p i n g   o f   2 8 5 . 7   N / ( m / s ) ,   a n d   t h e   r e s u l t s   a r e   s h o w n   i n   F i g u r e   1 4 ,   f r o m   w h i c h ,   i t   c a n   b e   s e e n   t h a t   t h e   p r o t o t y p e d   T L P M S M   h a s   a   g o o d   s t a r t i n g   p e r f o r m a n c e   a n d   h a s   a   s m o o t h   f o r c e   a n d   s p e e d   o u t p u t .     6 . 2     E x p e r i m e n t   T h e   n o - l o a d   b a c k   p h a s e   v o l t a g e   w a v e f o r m   i s   g i v e n   i n   F i g u r e 1 5 ,   w h i c h   p r e s e n t s   a   g o o d   s i n u s o i d a l   o n e   a n d   r e s u l t s   d e f i n i t e l y   i n   a   s m o o t h   r u n n i n g .   W h e n   t h e   i n v e r t e r   i s   s u p p l i e d   b y   3 4 0 V ,   a n d   s e t   f r e q u e n c y   o u t p u t   o f   1 1 H z   w h i c h   m e a n s   a   m o v e r   r u n   s p e e d   o f   0 . 4 7 5   m / s ,   t h e   v a r i a t i o n   o f   t h e   i n p u t   p o w e r   o f   i n v e r t e r ,   t h e   T P M S M   a y s t e m   e f f i c i e n c y ,   a n d   t h e   p o w e r   f a c t o r   a s   a   f u n c t i o n   o f   t h e   o u t p u t   f o r c e   a r e   s h o w n   i n   F i g u r e   1 6 ,   f r o m   w h i c h ,   i t   c a n   b e   s e e n   t h a t   t h e r e   e x i s t   a n   i n c r e m e n t   o f   i n v e r t e r   i n p u t   p o w e r   f r o m   3 0 3 0 W   t o   4 4 4 0 W     a l o n g   w i t h   t h e   v a r i a t i o n   o f   o u t p u t   f o r c e   f r o m   z e r o   t o   3 6 6 0 N ,   a n d   t h e r e   a r e   l o w   e f f i c i e n c y   a n d   h i g h   a n d   n e a r l y   i n v a r i a b l e   p o w e r   f a c t o r .             F i g u r e   1 5 .   N o - l o a d   p h a s e   b a c k   v o l t a g e   w a v e f o r m   o f   p r o t o t y p e d   T L P M S M                 F i g u r e   1 6 .   V a r i a t i o n   o f   t h e   i n v e r t e r   i n p u t   p o w e r ,   e f f i c i e n c y   a n d   p o w e r   f a c t o r   o f   T L P M S M   w i t h   t h e   o u t p u t   f o r c e   w h e n   t h e   i n v e r t e r   w i t h   4 3 0 V   i n p u t   a n d   1 1 H z   o u t p u t       T h e s e   a r e   m a i n l y   d u e   t o   t h e   f a c t   t h a t   t h e   p r o t o t y p e d   T L P M S M   h a s   h i g h   n o - l o a d   l o s s   m a i n l y   o r i g i n a t e d   f r o m   i t s   m e c h a n i c a l   l o s s ,   a s   c a n   b e   d e d u c e d   f r o m   F i g u r e   1 7   w h e r e   t h e   v a r i a t i o n   o f   i n v e r t e r   i n p u t   p o w e r   p 1 0   a n d   t h a t   m i n u s   c o p p e r   l o s s   p 1 0 - p c u   o f   t h e   T L P M S M   a r e   p r e s e n t e d .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                          I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   9 ,   N o .   3 ,     D e c e m b e r   2 0 1 1   :     5 1 5     5 2 2   5 2 2     F i g u r e   1 7 .   V a r i a t i o n   o f   p 1 0   a n d   p 1 0 - p c u   w i t h   t h e   i n v e r t e r   o u p u t   f r e q u e n c e   w h e n   n o   l o a d       A s   s h o w n   i n   F i g u r e   1 7 ,   t h e   p r o t o t y p e d   T L P M S M   h a s   m a x i m u m   f o r c e   o f   3 6 6 0 N   w h e n   t h e   i n v e r t e r   b e i n g   s u p p l i e d   v o l t a g e   o f   4 3 0 V   a n d   t h e   m o t o r   r u n n i n g   a t   0 . 4 7 5 m / s .   I f   t h e   T L P M S M   c a n   r u n   w i t h o u t   s o   h i g h   m e c h a n i c a l   l o s s ,   t h e   p r o t o t y p e d   T L P M S M   w i l l   g e n e r a t e   a   m u c h   h i g h e r   m a x i m u m   f o r c e   a n d   r u n n i n g   e f f i c i e n c y ,   w h i c h   s a t i s f i e s   t h e   r e a l   p e r f o r m a n c e   d e m a n d   t o   m u c h   e x t e n t .   C o n s i d e r i n g   t h e   g o o d   w o r k   o f   t h e   d y n a m i c   s e a l   e q u i p m e n t   a d d i t i o n a l l y ,   t h e   n e x t   w o r k   i s   t o   d e s i g n   a n d   m a n u f a c t u r e   a   r e a l   p r o t o t y p e d   T L P M S M   w h i c h   c a n   b e   u s e d   i n   t h e   r e a l   o i l   w e l l   w i t h   r a t e d   a n d   m a x i m u m   f o r c e   o u p u t   o f   2 5 0 0 0 N   a n d   4 0 0 0 0 N   r e s p e c t i v e l y   j u s t   b y   e n l a r g i n g   t h e   s u m   o f   m o t o r   m o d u l e s   b a s e d   o n   t h e   s m a l l   p r o t o t y p e d   T L P M S M .         7 .     C o n c l u s i o n   F o r   t h e   a p p l i c a t i o n   i n   l i n e a r   m o t o r - d r i v e n   p u m p   s y s t e m ,   t h e   T L P M S M   i s   a n a l y z e d ,   a n d   a   s m a l l   p r o t o t y p e d   T L P M S M   i s   d e s i g n e d ,   m a n u f a c t u r e d   a n d   t e s t e d   f o r   t h e   p r e p a r a t i o n   o f   t h e   f u t u r e   p r a c t i c a b l e   o n e .   B y   a d o p t i o n   o f   d y n a m i c   s e a l ,   9 - s l o t / 1 0 - p o l e   s t a t o r   w i n d i n g ,   m o d u l e   c o r e   f r o m   I - s h a p e d   s i l i c o n   l a m i n a t i o n s ,   a n d   a x i a l - m a g n e t i z e d   m a g n e t ,   t h e   s m a l l   p r o t o t y p e   w i t h   e f f e c t i v e   s t a t o r   l e n g t h   o f   8 6 4 m m ,   a n d   o u t e r   s t a t o r   d i a m e t e r   o f   1 4 0 m m ,   f e a t u r e s   a   s m o o t h   f o r c e   p r o d u c t i o n   w i t h   h i g h   m a x i m u m   m a g n i t u d e ,   a n d   h i g h   e f f i c i e n c y   i f   s o m e   m e a s u r e s   a r e   t a k e n   t o   r e d u c e   i t s   m e c h a n i c a l   l o s s   i n   t h e   f u t u r e .   B a s e d   o n   t h e   m e n t i o n e d   w o r k ,   a   r e a l   p r o t o t y p e d   T L P M S M   w h i c h   w i l l   b e   u s e d   i n   o i l - f i e l d ,   c a n   e a s i l y   r e a l i z e d   i n   f u t u r e .       A c k n o w l e d g e m e n t   T h e   a u t h o r s   w o u l d   l i k e   t o   t h a n k   t h e   S h a n d o n g   N a t u r a l   S c i e n c e   F o u n d a t i o n   o f   C h i n a   ( 2 0 0 9 Z R B 0 1 0 6 7 )   w h i c h   w a s   s u p p o r t e d   t h i s   r e s e a r c h .       R e f e r e n c e s   [ 1 ]     J i a b i n   W a n g ,   D a v i d   H o w e .   D e s i g n   O p t i m i z a t i o n   o f   R a d i a l l y   M a g n e t i z e d   I r o n - c o r e d ,   T u b u l a r   Pe r m a n e n t - m a g n e t   M a c h i n e s   a n d   Sy s t e m s .   I EEE  T r a n s a c t i o n s .   O n   M a g n e t i c s .   2 0 0 4 ;   4 0 ( 5 ) :   3 2 6 2 - 3 2 7 7 .   [ 2 ]     J i a b i n   W a n g ,   D a v i d   H o w e ,   I n f l u e n c e   o f   So f t   M a g n e t i c   M a t e r i a l s   o n   t h e   D e s i g n   a n d   Pe r f o r m a n c e   o f   T u b u l a r   Pe r m a n e n t   M a g n e t   M a c h i n e s .   I EEE  T r a n s a c t i o n s   o n   M a g n e t i c s .   2 0 0 5 ;   4 1 ( 1 0 ) :   4 0 5 7 - 4 0 5 9 .   [ 3 ]     N i c o l a   Bi a n c h i ,   Si l v e r i o   B o l o g n a n i   a n d   e t c .   T u b u l a r   L i n e a r   Pe r m a n e n t   M a g n e t   M o t o r s :   a n   O v e r a l l   C o m p a r i s o n .     I EEE  T r a n s a c t i o n s   o n   I n d u s t r y   Ap p l i c a t i o n s .   2 0 0 3 ;   3 9 ( 2 ) :   4 6 6 - 4 7 5 .   [ 4 ]     L v   X i a o j i e .   D e v e l o p m e n t   o f   Su b m e r s i b l e   T u b u l a r   L i n e a r   Pe r m a n e n t   M a g n e t   Sy n c h r o n o u s   M o t o r .   M a s t e r   D i s e r t a t i o n .   J i n a n .   Sc h o o l   o f   El e c t r i c a l   En g i n e e r i n g   S h a n d o n g   U n i v e r s i t y   o f   C h i n a ;   2 0 0 8 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.