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LNG泵用電機(jī)實(shí)質(zhì)上是電機(jī)工作在密封低溫泵體內(nèi)，即低溫電機(jī)，因此以下調(diào)研主要按低溫電機(jī)展開，其中包括LNG泵低溫電機(jī)。 低溫電機(jī)按照常溫電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類，主要可以分為低溫異步電機(jī)、低溫同步電機(jī)和其它形式的低溫電機(jī)。低溫電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與對應(yīng)的常溫電機(jī)類似，由于工作在深冷環(huán)境中，低溫電機(jī)的材料選擇及加工工藝、電磁設(shè)計(jì)和驅(qū)動控制等方面與常溫電機(jī)存在差異[3] 。 波蘭MIKROMA SA公司于2006年前后制造出了785
kW、四極，三相高壓LNG泵用鼠籠式異步電機(jī)，該電機(jī)工作溫度為一161 0C ,額定電壓飾=6600V,額定頻率f--60
Hz，電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2所示。該低溫電機(jī)的質(zhì)量為相同參數(shù)常溫電機(jī)的1/3，相應(yīng)的電阻參數(shù)為常溫的1/8，轉(zhuǎn)子槽形為梨形深槽結(jié)構(gòu)，且轉(zhuǎn)子采用了斜槽結(jié)構(gòu)。波蘭學(xué)者L.
Dlugiewiecz等在液氮中對該電機(jī)進(jìn)行低溫試驗(yàn)的結(jié)果表明，在低溫環(huán)境下該電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩減小，最大轉(zhuǎn)矩增大。學(xué)者B
aranski和Szelag建立 了低溫鼠籠式異步電機(jī)的電磁一熱藕合暫態(tài)有限元模型，準(zhǔn)確計(jì)算了低溫異步電機(jī)的暫態(tài)特性。另外，學(xué)者shively和Miller指出，低溫異步電機(jī)設(shè)計(jì)加工階段需要考慮電機(jī)材料(包括絕緣材料)的低溫機(jī)械特性和絕緣材料與LNG等低溫液體介質(zhì)的兼容性，以及絕緣特性。 目前，我國對低溫異步電機(jī)的研究集中在-40℃以上，主要是對汽車用起動電機(jī)在低溫環(huán)境下的起動特性進(jìn)行研究。 關(guān)于低溫異步電機(jī)的研究目前主要集中在LNG泵的應(yīng)用領(lǐng)域，國外學(xué)者對于低溫異步電機(jī)的選材、電磁一熱藕合仿真模型及驅(qū)動特性進(jìn)行了相關(guān)研究，但尚未形成低溫異步電機(jī)的選材原則，對于電機(jī)的仿真模型也局限在暫態(tài)起動過程，而且關(guān)于低溫異步電機(jī)的驅(qū)動特性研究還不完整，有關(guān)低溫異步電機(jī)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法尚未形成。由于異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，加工工藝較為成熟，研究人員可以把更多的精力放在針對低溫環(huán)境的電機(jī)電磁設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化等方面，但異步電機(jī)的功率因數(shù)較低，運(yùn)行效率不高。 同步電機(jī)與異步電動機(jī)的主要區(qū)別是轉(zhuǎn)子側(cè)裝有磁極，采用直流電流或永磁體勵磁，具有確定的極性。同步電動機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度必須與定子磁場嚴(yán)格同步，按照勵磁方式的不同，同步電動機(jī)可以分為電勵磁同步電機(jī)和永磁同步電機(jī)。 由于電勵磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合用于潛液式LNG泵，因此以下主要介紹低溫永磁同步電機(jī)的研究現(xiàn)狀。 美國中佛羅里達(dá)大學(xué)的Zheng
Liping于2005年在他的博士論研究了一種徑向磁通結(jié)構(gòu)的低溫高速永磁同步電機(jī)，并成功試制了樣機(jī);該電機(jī)額定功率為2kW,額定轉(zhuǎn)速為200
000 r/min ,工作溫度-196℃ (77
K)。該電機(jī)的轉(zhuǎn)子永磁體位于轉(zhuǎn)軸內(nèi)部，采用了2極凸極結(jié)構(gòu)，永磁材料選用SmCo材料，并指出NdFeB不適合用于140
K以下的低溫環(huán)境;該電機(jī)定子采用無槽結(jié)構(gòu)，定子繞組為多股絞合線(減小由高頻鄰近效應(yīng)引起的渦流損耗)。另外，詳細(xì)敘述了高速低溫永磁電機(jī)的材料選擇及特殊工藝。在設(shè)計(jì)過程中，以電機(jī)損耗為設(shè)計(jì)過程中的核心優(yōu)化目標(biāo)，采用有限元法對電機(jī)的電磁參數(shù)、機(jī)械參數(shù)進(jìn)行了仿真分析及相關(guān)優(yōu)化，所設(shè)計(jì)的樣機(jī)的運(yùn)行效率高達(dá)92%以上。但是由于條件限制，該樣機(jī)只進(jìn)行了水冷試驗(yàn)。
波蘭學(xué)者Dlugiewicz等于2012年設(shè)計(jì)了火箭推進(jìn)燃料泵用低溫永磁同步電機(jī)，原型樣機(jī)的功率為1600 W，轉(zhuǎn)速為16 000
r/min，工作溫度為一165
0C或一240℃，電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖5所示。Dlugiewicz等學(xué)者指出，目前有關(guān)還未對低溫電機(jī)材料進(jìn)行相關(guān)特性研究，因此Dlugiewicz等重點(diǎn)研究了低溫環(huán)境對低溫永磁電機(jī)制造材料的電磁特性以及機(jī)械特性的影響，并考慮了電機(jī)的加工工藝，為低溫永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)制造奠定了基礎(chǔ)。需要指出的是，Dlugiewicz等僅研究了低溫沖擊(材料浸泡于低溫液體后恢復(fù)常溫)對電機(jī)材料的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，低溫沖擊基本不會影響所選用的永磁材料的磁特性。 目前，我國關(guān)于低溫永磁同步電機(jī)的研究尚未見相關(guān)報(bào)導(dǎo)。已有的關(guān)于低溫永磁同步電機(jī)的研究還不夠全面。相關(guān)學(xué)者對低溫永磁同步電機(jī)的永磁體等材料的低溫沖擊特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但是并未研究低溫穩(wěn)態(tài)環(huán)境對永磁電機(jī)材料相關(guān)特性的影響;雖然已研制出小功率低溫永磁同步電機(jī)，但由于實(shí)驗(yàn)室條件限制，并未進(jìn)行低溫試驗(yàn)永磁同步電機(jī)具有效率高，定、轉(zhuǎn)子氣隙相對較大的特點(diǎn)，用于屏蔽泵時(shí)制造工藝良好，同時(shí)還可以提高屏蔽泵的穩(wěn)定性，更適宜用于輸送低溫易汽化液體，但是低溫永磁電機(jī)需要解決永磁材料受低溫影響的問題，在這方面尚缺少相關(guān)的研究f}l，而且有關(guān)低溫永磁同步電機(jī)的驅(qū)動特性尚不清楚。另外，永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)加工較為復(fù)雜，制造成本較高，這些因素都影響了永磁同步電機(jī)在低溫下的應(yīng)用。 1低溫超聲波電機(jī) 超聲波電機(jī)(ultrasonic motor
USM)是一種利用摩擦進(jìn)行驅(qū)動的電機(jī)，其工作原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，使定子彈性體產(chǎn)生超聲頻段(頻率大于20
kHz)的微幅振動，并通過定、轉(zhuǎn)子(動子)之間的摩擦藕合將振動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子(動子)的旋轉(zhuǎn)(直線)運(yùn)動。 一種超聲波電機(jī)帶有螺紋結(jié)構(gòu)，工作頻率為41.5
kHz，驅(qū)動電壓峰峰值為6070 V，轉(zhuǎn)速為3070 r/min，直線運(yùn)動速度為0.250.6
mm/s;另一種不帶螺紋結(jié)構(gòu)，驅(qū)動電壓和頻率與前者相同，直線運(yùn)動速度為50100
mm/s。兩種超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6所示。兩種超聲波電機(jī)的低溫試驗(yàn)結(jié)果表明，帶螺紋結(jié)構(gòu)的電機(jī)能夠在-160 ℃的低溫環(huán)境中穩(wěn)定工作，當(dāng)?shù)陀?160
℃時(shí)，該電機(jī)停止工作，而當(dāng)溫度升至室溫時(shí)，電機(jī)能夠恢復(fù)原性能;無螺紋結(jié)構(gòu)的超聲波電機(jī)能夠在-196 ℃的液氮環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，性能略有下降。 日本岡山大學(xué)的Daisuke
Yamaguchi等于2011年研究了低溫超聲波電機(jī)，其可以正常工作于液氦環(huán)境4.5 K。為了保證該電機(jī)能夠在低溫液氦中工作，Daisuke
Yamaguchi等對該超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)，并采用有限元法進(jìn)行了仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮了該電機(jī)加工制造時(shí)可選用的耐低溫材料。在樣機(jī)試驗(yàn)過程中，通過調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，該電機(jī)可以工作于4.5
K液氦的低溫環(huán)境。 目前，我國對低溫環(huán)境下超聲波電機(jī)驅(qū)動特性缺乏系統(tǒng)的研究。南京航空航天大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)對低溫超聲波電機(jī)的部分低溫特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，但尚未研制低溫超聲波樣機(jī)。 關(guān)于低溫超聲波電機(jī)的研究較多，此類電機(jī)能夠工作于液氦(4.5 K)低溫環(huán)境中，但由于超聲波電機(jī)特有的驅(qū)動特性造成其不適用于大功率驅(qū)動設(shè)備，但低溫超聲波電機(jī)的材料選擇和設(shè)計(jì)思路可以為LNG泵低溫電機(jī)的研制提供一定的參考。 2低溫泵超導(dǎo)電機(jī) 近年來，一些學(xué)者了將超導(dǎo)電機(jī)用于低溫泵的驅(qū)動。Kovalev等于2004年研制潛液(液氫、液氮和液氧)泵用高溫超導(dǎo)電機(jī)，該超導(dǎo)電機(jī)采用了磁阻電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子為4極結(jié)構(gòu)。與普通磁阻電機(jī)不同的是，電機(jī)轉(zhuǎn)子的隔磁材料采用了高溫超導(dǎo)材料BSCCO一銀化合物，轉(zhuǎn)子如圖8所示。通過仿真計(jì)算確定了圖9所示的優(yōu)化后的電機(jī)結(jié)構(gòu)，樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果表明，該電機(jī)能夠驅(qū)動低溫潛液泵穩(wěn)定運(yùn)行。該低溫電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用高溫超導(dǎo)材料提高了磁阻電機(jī)的凸極率，進(jìn)而提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率因數(shù)等參數(shù)，而且采用超導(dǎo)材料增大了電機(jī)的電流密度，功率密度隨之增大，電機(jī)整體尺寸變小，質(zhì)量減輕。 3低溫開關(guān)磁阻電機(jī) 美國國家航空航天局Brown博士于2005年建立了低溫開關(guān)磁阻電機(jī)的測試平臺，試驗(yàn)時(shí)開關(guān)磁阻電機(jī)浸泡在液氮中，如圖11所示f2Hl。該開關(guān)磁阻電機(jī)的外徑為177.8
mm，功率達(dá)到10.6 kW，定子繞組材料為純銅或純鋁(當(dāng)溫度足夠低時(shí)可采用合適的超導(dǎo)材料)，試驗(yàn)時(shí)的電機(jī)繞組的電流密度最大達(dá)到30
A/mm2，電機(jī)的功率密度相應(yīng)提高。Brown指出高功率密度是發(fā)展航空用低溫電機(jī)的主要目標(biāo)，通過合理設(shè)計(jì)低溫電機(jī)結(jié)構(gòu)，其定子繞組電流密度最大可達(dá)100
A/mm2，電機(jī)功率密度可以大幅提高。 類型
低溫異步電機(jī)
低溫同步電機(jī)
其它形式電機(jī)
CN
EN
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