[科普中国]-潜液式LNG泵低温电机

简介

电机定、转子电流密度高，功率密度大，而且电机的电磁负荷值与常温电机有较大差别。另外，电机的绝缘性能也不会因为温度升高而恶化，电机材料没有氧化腐蚀问题，轴承润滑由LNG承担在电机性能方面，由于电机浸泡在温度很低的LNG中，电机材料的电阻率比常温时低很多，这对电机的动态和稳态性能均造成影响2。

低温电机的发展现状低温电机的类型LNG泵用电机实质上是电机工作在密封低温泵体内，即低温电机，因此以下调研主要按低温电机展开，其中包括LNG泵低温电机。

低温电机按照常温电机的结构形式进行分类，主要可以分为低温异步电机、低温同步电机和其它形式的低温电机。低温电机的基本结构与对应的常温电机类似，由于工作在深冷环境中，低温电机的材料选择及加工工艺、电磁设计和驱动控制等方面与常温电机存在差异3。

低温异步电机波兰MIKROMA SA公司于2006年前后制造出了785 kW、四极，三相高压LNG泵用鼠笼式异步电机，该电机工作温度为一161 0C ,额定电压饰=6600V,额定频率f--60 Hz，电机的定、转子结构如图2所示。该低温电机的质量为相同参数常温电机的1/3，相应的电阻参数为常温的1/8，转子槽形为梨形深槽结构，且转子采用了斜槽结构。波兰学者L. Dlugiewiecz等在液氮中对该电机进行低温试验的结果表明，在低温环境下该电机的启动转矩减小，最大转矩增大。学者B aranski和Szelag建立

了低温鼠笼式异步电机的电磁一热藕合暂态有限元模型，准确计算了低温异步电机的暂态特性。另外，学者shively和Miller指出，低温异步电机设计加工阶段需要考虑电机材料(包括绝缘材料)的低温机械特性和绝缘材料与LNG等低温液体介质的兼容性，以及绝缘特性。

目前，我国对低温异步电机的研究集中在-40℃以上，主要是对汽车用起动电机在低温环境下的起动特性进行研究。

关于低温异步电机的研究目前主要集中在LNG泵的应用领域，国外学者对于低温异步电机的选材、电磁一热藕合仿真模型及驱动特性进行了相关研究，但尚未形成低温异步电机的选材原则，对于电机的仿真模型也局限在暂态起动过程，而且关于低温异步电机的驱动特性研究还不完整，有关低温异步电机的设计及优化方法尚未形成。由于异步电机的结构简单，加工工艺较为成熟，研究人员可以把更多的精力放在针对低温环境的电机电磁设计和性能优化等方面，但异步电机的功率因数较低，运行效率不高。

低温同步电机同步电机与异步电动机的主要区别是转子侧装有磁极，采用直流电流或永磁体励磁，具有确定的极性。同步电动机的运行特点是转子的旋转速度必须与定子磁场严格同步，按照励磁方式的不同，同步电动机可以分为电励磁同步电机和永磁同步电机。

由于电励磁同步电机结构复杂，不适合用于潜液式LNG泵，因此以下主要介绍低温永磁同步电机的研究现状。

美国中佛罗里达大学的Zheng Liping于2005年在他的博士论研究了一种径向磁通结构的低温高速永磁同步电机，并成功试制了样机;该电机额定功率为2kW,额定转速为200 000 r/min ,工作温度-196℃ (77 K)。该电机的转子永磁体位于转轴内部，采用了2极凸极结构，永磁材料选用SmCo材料，并指出NdFeB不适合用于140 K以下的低温环境;该电机定子采用无槽结构，定子绕组为多股绞合线(减小由高频邻近效应引起的涡流损耗)。另外，详细叙述了高速低温永磁电机的材料选择及特殊工艺。在设计过程中，以电机损耗为设计过程中的核心优化目标，采用有限元法对电机的电磁参数、机械参数进行了仿真分析及相关优化，所设计的样机的运行效率高达92%以上。但是由于条件限制，该样机只进行了水冷试验。 波兰学者Dlugiewicz等于2012年设计了火箭推进燃料泵用低温永磁同步电机，原型样机的功率为1600 W，转速为16 000 r/min，工作温度为一165 0C或一240℃，电机的定、转子结构如图5所示。Dlugiewicz等学者指出，目前有关还未对低温电机材料进行相关特性研究，因此Dlugiewicz等重点研究了低温环境对低温永磁电机制造材料的电磁特性以及机械特性的影响，并考虑了电机的加工工艺，为低温永磁电机的设计制造奠定了基础。需要指出的是，Dlugiewicz等仅研究了低温冲击(材料浸泡于低温液体后恢复常温)对电机材料的影响，试验结果表明，低温冲击基本不会影响所选用的永磁材料的磁特性。

目前，我国关于低温永磁同步电机的研究尚未见相关报导。已有的关于低温永磁同步电机的研究还不够全面。相关学者对低温永磁同步电机的永磁体等材料的低温冲击特性进行了试验研究，但是并未研究低温稳态环境对永磁电机材料相关特性的影响;虽然已研制出小功率低温永磁同步电机，但由于实验室条件限制，并未进行低温试验永磁同步电机具有效率高，定、转子气隙相对较大的特点，用于屏蔽泵时制造工艺良好，同时还可以提高屏蔽泵的稳定性，更适宜用于输送低温易汽化液体，但是低温永磁电机需要解决永磁材料受低温影响的问题，在这方面尚缺少相关的研究f}l，而且有关低温永磁同步电机的驱动特性尚不清楚。另外，永磁同步电机的设计加工较为复杂，制造成本较高，这些因素都影响了永磁同步电机在低温下的应用。

其它形式低温电机1低温超声波电机

超声波电机(ultrasonic motor USM)是一种利用摩擦进行驱动的电机，其工作原理是利用压电陶瓷的逆压电效应，使定子弹性体产生超声频段(频率大于20 kHz)的微幅振动，并通过定、转子(动子)之间的摩擦藕合将振动转换成转子(动子)的旋转(直线)运动。

一种超声波电机带有螺纹结构，工作频率为41.5 kHz，驱动电压峰峰值为6070 V，转速为3070 r/min，直线运动速度为0.250.6 mm/s;另一种不带螺纹结构，驱动电压和频率与前者相同，直线运动速度为50100 mm/s。两种超声波电机结构如图6所示。两种超声波电机的低温试验结果表明，带螺纹结构的电机能够在-160 ℃的低温环境中稳定工作，当低于-160 ℃时，该电机停止工作，而当温度升至室温时，电机能够恢复原性能;无螺纹结构的超声波电机能够在-196 ℃的液氮环境中稳定运行，性能略有下降。

日本冈山大学的Daisuke Yamaguchi等于2011年研究了低温超声波电机，其可以正常工作于液氦环境4.5 K。为了保证该电机能够在低温液氦中工作，Daisuke Yamaguchi等对该超声波电机的结构进行了合理设计，并采用有限元法进行了仿真优化设计，同时考虑了该电机加工制造时可选用的耐低温材料。在样机试验过程中，通过调节相关参数，该电机可以工作于4.5 K液氦的低温环境。

目前，我国对低温环境下超声波电机驱动特性缺乏系统的研究。南京航空航天大学和哈尔滨工业大学等研究机构对低温超声波电机的部分低温特性进行了实验研究，但尚未研制低温超声波样机。

关于低温超声波电机的研究较多，此类电机能够工作于液氦(4.5 K)低温环境中，但由于超声波电机特有的驱动特性造成其不适用于大功率驱动设备，但低温超声波电机的材料选择和设计思路可以为LNG泵低温电机的研制提供一定的参考。

2低温泵超导电机

近年来，一些学者了将超导电机用于低温泵的驱动。Kovalev等于2004年研制潜液(液氢、液氮和液氧)泵用高温超导电机，该超导电机采用了磁阻电机的基本结构，转子为4极结构。与普通磁阻电机不同的是，电机转子的隔磁材料采用了高温超导材料BSCCO一银化合物，转子如图8所示。通过仿真计算确定了图9所示的优化后的电机结构，样机的试验结果表明，该电机能够驱动低温潜液泵稳定运行。该低温电机的转子采用高温超导材料提高了磁阻电机的凸极率，进而提高了电机的转矩和功率因数等参数，而且采用超导材料增大了电机的电流密度，功率密度随之增大，电机整体尺寸变小，质量减轻。

3低温开关磁阻电机

美国国家航空航天局Brown博士于2005年建立了低温开关磁阻电机的测试平台，试验时开关磁阻电机浸泡在液氮中，如图11所示f2Hl。该开关磁阻电机的外径为177.8 mm，功率达到10.6 kW，定子绕组材料为纯铜或纯铝(当温度足够低时可采用合适的超导材料)，试验时的电机绕组的电流密度最大达到30 A/mm2，电机的功率密度相应提高。Brown指出高功率密度是发展航空用低温电机的主要目标，通过合理设计低温电机结构，其定子绕组电流密度最大可达100 A/mm2，电机功率密度可以大幅提高。

LNG泵低温电机选用原则针对潜液式LNG泵低温电机的应用环境，LNG泵低温电机的选用一般需要满足以下原则:

1)电机及其驱动系统结构简单，不需要传感器，可靠性高。由于潜液式LNG泵低温电机密封于泵体内，若发生故障，拆卸维修比较麻烦。电机运行于低温环境，若所选用的电机需要传感器驱动，相应的耐低温传感器需要单独研制，比较困难。因此要求电机结构简单，驱动无需传感器，可靠性局。

2)电机可工作于LNG低温环境，但对运行温度范围没有明确限制。潜液式LNG泵低温电机运行于-161℃低温环境，而电机运行的损耗会造成一定的温升，因此所选用的电机实际运行于一定的低温范围。

3)电机损耗低，效率高。潜液式LNG泵低温电机运行时浸泡在 LNG中，其冷却由LNG来承担，由于被输送的LNG处于其饱和温度附近，过大的发热量可能造成LNG汽化，因此要求LNG泵低温电机发热量小，损耗低，效率高。

LNG泵低温电机的选型及其技术问题根据以上选用原则，低温超声波电机由于其特有的驱动特性，不适合用于潜液式LNG泵;超导电机的临界运行温度低于LNG温度，不能用于潜液式LNG泵;低温开关磁阻电机的驱动需要耐低温的位置传感器，比较复杂，不适合用于潜液式LNG泵。因此，低温异步电机和低温永磁同步电机可以作为LNG泵的备选电机。针对LNG泵的应用环境，备选电机还存在一些问题，总结如下:

1)有关学者针对特定用途的低温电机的材料选择和部分加工工艺进行了相关研究，但对于LNG泵低温电机尚未形成统一的材料选择和加工工艺原则。

2) LNG泵低温电机的驱动特性与常温电机存在差异。由于低温环境对电机电磁特性的影响，电机的机械特性在低温下会发生改变，需要对低温电机的机械特性进行相应的研究，掌握其在不同工况下的起动、运行等驱动特性，从而设计出适用于潜液式LNG泵的低温电机。此外，关于LNG泵电动机的控制目前仅限于软起动，针对低温电机驱动特性的相关控制技术还缺乏研究。

3)电机浸泡在LNG中，其冷却由LNG来承担，但由于被输送的LNG都处于其饱和温度附近，很小的温升或很小的压降均可能造成LNG气化。在电机设计过程中应采取相应的设计优化措施，以尽量减少这种气化现象的发生。

4)相关研究人员已对潜液式LNG泵低温电机的热一电磁藕合场、电磁参数的变化等重要问题进行了初步研究，但还未形成一套完整的低温电机分析设计理论。

LNG泵低温电机的选材和特殊工艺技术目前，一些学者已经对低温电机的材料选择和加工工艺进行了初步研究，如美国研究人员ZhengLiping已经研制出用于压缩机驱动的小功率低温永磁同步电机;-}a};波兰学者Dlugiewicz对低温永磁电机材料的低温冲击特性进行了相关研究，而且其在LNG泵低温异步电机的研制方面取得了一些重要进展，但尚未形成关于LNG泵低温电机的材料选择和加工工艺原则。针对LNG泵低温电机的定转子硅钢片的耐低温处理工艺、硅钢片的低温磁化特性和铁耗特性及选用原则、各种永磁材料的稳态低温特性、定转子及电枢绕组的耐低温绝缘处理工艺以及材料的热应力问题缺乏系统的实验研究及相关结论，而LNG泵低温电机设计、制造和加工需要依据这些重要结论。

LNG泵低温电机设计优化技术LNG泵低温电机运行在-161℃低温环境下，由于低温对电机材料电磁特性的影响，电机的机械特性与常规电机存在差异，为了保证电机能够满足LNG泵的驱动要求，需要结合应用环境和低温驱动特性对电机进行特殊设计。在初步设计阶段，需要根据LNG泵低温电机的特点对常温电机的设计公式进行相应的修改核算，初步确定电机的材料及基本尺寸。值得注意的是，由于LNG泵低温电机浸泡在LNG中运行，受到电磁场、热场和流体场的相互作用，设计时需要综合考虑这些藕合场的作用。传统电机的设计一般只对电机进行电磁场仿真，对于LNG泵低温电机而言，需要进行电磁场一热场藕合仿真;另外也需要考虑LNG流体场的作用;而且若低温电机的材料选择不合理，低温环境可能会使电机各部分的收缩程度不同而产生抱死裂纹现象，因此需要考虑电机的热应力场。总的来说，对LNG泵低温电机需要进行电磁场一流体场一热场一应力场的藕合仿真，根据藕合仿真结果对LNG泵低温电机进行更为精确的优化设计，使得所设计的LNG泵低温电机具备良好的驱动性能。虽然国外的相关机构已经研制出LNG泵低温电机，但目前还没有关于LNG泵低温电机的完整分析设计方法，需要通过样机试制研究形成

LNG泵低温电机控制技术由于变阀调节操作简单易行，传统LNG泵的流量调节均采用变阀调节，也称为节流调节。此时，泵内电动机恒速运行，通过改变出液管路阀门的开启度，改变管路系统的性能，从而达到调节工况的目的，这种调节方式增加了系统的额外损耗，运行效率低。另一种调节LNG泵工作点的方式为变速调节，即通过调节泵内电动机的转速实现对泵工作点的调节，这种调节方式可以保证泵始终高效运行，是一种十分节能高效的调节方式

从以上2种调节方式可知，为了保证泵系统的高效节能运行，对LNG泵采用变速调节是十分必要的，即需要对LNG泵低温电机进行相应的调速控制，目前还缺乏关于这方面的研究。由于LNG泵低温电机运行在-161℃的低温环境，电机导电材料的电阻率变小，电阻参数变小，电机运行时电阻参数发生小的波动会对电机的运行性能产生较大的影响，因此需要通过控制消除这种参数变化对电机运行性能的影响。另外，低温异步电机运行时的转差率很小(一般不超过1%)，这就要求对电机进行精确的控制，保证电机稳定运行。而且，由于LNG泵要求电机的损耗尽可能小，以减少LNG的气化和保证泵的高效运行，因此可以考虑对低温电机进行效率最佳控制。综上所述，有必要针对LNG泵低温电机开展参数自适应和效率最佳控制研究。

LNG泵低温电机的测试由于目前低温永磁电机在LNG泵的应用还存在很多函待解决的问题，而LNG泵低温异步电机可能在短期内研制成功，因此下文有关LNG泵低温电机的测试主要是针对异步电机。

目前关于LNG泵低温电机的测试原则的研究还鲜见报道。对制造的LNG泵低温异步电机进行了测试。为了保证测试的安全性将试制样机浸泡在液氮中进行试验，试验分3次进行，首先在空气中进行试验，然后浸泡在液氮中进行试验，最后再将样机暴露在空气中进行试验。3次试验中，分别对样机进行了空载和短路试验。

关于LNG泵低温异步电机的测试可以借鉴常温异步电机的测试标准，分别对电机进行空载试验、堵转试验和负载试验，试验平台如图14所示。该试验平台用联轴器实现了对LNG泵低温异步电机负载特性的测量，克服了低温下无法对电机转速和转矩进行测量的问题。

总结综上所述，低温电机在潜液式LNG泵中有广阔的应用前景，但目前有关LNG泵低温电机的研究不够完善，特别是我国目前还未掌握LNG泵低温电机设计及加工的相关技术。从低温电机的调研结果可知，低温鼠笼式异步电机和低温永磁同步电机可以作为LNG泵的备选电机。由于异步电机结构简单，制造加工工艺成熟且成本较低，在技术不成熟的初期阶段较为适合作为LNG泵低温电机进行研制。在未来的一段时间内，随着LNG泵低温异步电机的研制成功，低温异步电机设计和加工技术将在实际应用中不断完善。但是，由于异步电机存在效率不高的问题，而永磁同步电机具有效率高和定、转子气隙相对较大的特点，可以提高屏蔽泵的稳定性，而且LNG泵低温异步电机设计制造的成熟技术将为低温永磁同步电机的研制奠定技术基础，低温永磁同步电机将会逐渐成为LNG泵低温电机的研究发展趋势。因此，LNG泵低温电机的研制路线应为从低温异步电机到低温永磁同步电机。

根据LNG泵低温电机研制过程中需要解决的问题，关于LNG泵低温电机的研究涉及以下几个研究方向及相关技术问题:

1)针对LNG泵低温电机的选材原则。为了解决LNG泵低温电机的材料选择问题，需要对构成电机的材料进行大量的低温试验，找到适合用于LNG泵低温电机的材料，总结出相应的选材原则。

2) LNG泵低温电机的设计、优化技术。由于LNG泵低温电机特性与常温电机存在不同，需要根据这些差异形成LNG泵低温电机的分析设计公式，并用这些公式结合藕合场的方法对电机进行设计及优化。

3 ) LNG泵低温电机的参数自适应和效率最佳控制技术。由于运行于低温环境，LNG泵低温电机的电阻参数很小，运行时的转差率很小，为了保证电机的稳定运行需要根据对电机进行相应的控制。另外，为了尽量降低电机的发热量以减少泵内LNG的气化，需要通过对低温电机的效率进行最佳控制进一步提高电机的运行效率。

随着所研制的低温电机的性能不断提高，其在LNG泵低温环境中将得到更好的应用。