潛液式LNG泵低溫電機

類型

LNG泵用電機實質(zhì)上是電機工作在密封低溫泵體內(nèi)，即低溫電機，因此以下調(diào)研主要按低溫電機展開，其中包括LNG泵低溫電機。

低溫電機按照常溫電機的結(jié)構(gòu)形式進行分類，主要可以分為低溫異步電機、低溫同步電機和其它形式的低溫電機。低溫電機的基本結(jié)構(gòu)與對應(yīng)的常溫電機類似，由于工作在深冷環(huán)境中，低溫電機的材料選擇及加工工藝、電磁設(shè)計和驅(qū)動控制等方面與常溫電機存在差異^[3] 。

低溫異步電機

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，該電機工作溫度為一161 0C ,額定電壓飾=6600V,額定頻率f--60 Hz，電機的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2所示。該低溫電機的質(zhì)量為相同參數(shù)常溫電機的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進行低溫試驗的結(jié)果表明，在低溫環(huán)境下該電機的啟動轉(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的電磁一熱藕合暫態(tài)有限元模型，準確計算了低溫異步電機的暫態(tài)特性。另外，學(xué)者shively和Miller指出，低溫異步電機設(shè)計加工階段需要考慮電機材料(包括絕緣材料)的低溫機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的研究集中在-40℃以上，主要是對汽車用起動電機在低溫環(huán)境下的起動特性進行研究。

關(guān)于低溫異步電機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的選材、電磁一熱藕合仿真模型及驅(qū)動特性進行了相關(guān)研究，但尚未形成低溫異步電機的選材原則，對于電機的仿真模型也局限在暫態(tài)起動過程，而且關(guān)于低溫異步電機的驅(qū)動特性研究還不完整，有關(guān)低溫異步電機的設(shè)計及優(yōu)化方法尚未形成。由于異步電機的結(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)境的電機電磁設(shè)計和性能優(yōu)化等方面，但異步電機的功率因數(shù)較低，運行效率不高。

低溫同步電機

同步電機與異步電動機的主要區(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。同步電動機的運行特點是轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度必須與定子磁場嚴格同步，按照勵磁方式的不同，同步電動機可以分為電勵磁同步電機和永磁同步電機。

由于電勵磁同步電機結(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的研究現(xiàn)狀。

美國中佛羅里達大學(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，并成功試制了樣機;該電機額定功率為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，詳細敘述了高速低溫永磁電機的材料選擇及特殊工藝。在設(shè)計過程中，以電機損耗為設(shè)計過程中的核心優(yōu)化目標，采用有限元法對電機的電磁參數(shù)、機械參數(shù)進行了仿真分析及相關(guān)優(yōu)化，所設(shè)計的樣機的運行效率高達92%以上。但是由于條件限制，該樣機只進行了水冷試驗。 波蘭學(xué)者Dlugiewicz等于2012年設(shè)計了火箭推進燃料泵用低溫永磁同步電機，原型樣機的功率為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)還未對低溫電機材料進行相關(guān)特性研究，因此Dlugiewicz等重點研究了低溫環(huán)境對低溫永磁電機制造材料的電磁特性以及機械特性的影響，并考慮了電機的加工工藝，為低溫永磁電機的設(shè)計制造奠定了基礎(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)對電機材料的影響，試驗結(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的研究尚未見相關(guān)報導(dǎo)。已有的關(guān)于低溫永磁同步電機的研究還不夠全面。相關(guān)學(xué)者對低溫永磁同步電機的永磁體等材料的低溫沖擊特性進行了試驗研究，但是并未研究低溫穩(wěn)態(tài)環(huán)境對永磁電機材料相關(guān)特性的影響;雖然已研制出小功率低溫永磁同步電機，但由于實驗室條件限制，并未進行低溫試驗永磁同步電機具有效率高，定、轉(zhuǎn)子氣隙相對較大的特點，用于屏蔽泵時制造工藝良好，同時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)低溫永磁同步電機的驅(qū)動特性尚不清楚。另外，永磁同步電機的設(shè)計加工較為復(fù)雜，制造成本較高，這些因素都影響了永磁同步電機在低溫下的應(yīng)用。

其它形式電機

1低溫超聲波電機

超聲波電機(ultrasonic motor USM)是一種利用摩擦進行驅(qū)動的電機，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)運動。

一種超聲波電機帶有螺紋結(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，直線運動速度為50100 mm/s。兩種超聲波電機結(jié)構(gòu)如圖6所示。兩種超聲波電機的低溫試驗結(jié)果表明，帶螺紋結(jié)構(gòu)的電機能夠在-160 ℃的低溫環(huán)境中穩(wěn)定工作，當(dāng)?shù)陀?160 ℃時，該電機停止工作，而當(dāng)溫度升至室溫時，電機能夠恢復(fù)原性能;無螺紋結(jié)構(gòu)的超聲波電機能夠在-196 ℃的液氮環(huán)境中穩(wěn)定運行，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，其可以正常工作于液氦環(huán)境4.5 K。為了保證該電機能夠在低溫液氦中工作，Daisuke Yamaguchi等對該超聲波電機的結(jié)構(gòu)進行了合理設(shè)計，并采用有限元法進行了仿真優(yōu)化設(shè)計，同時考慮了該電機加工制造時可選用的耐低溫材料。在樣機試驗過程中，通過調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，該電機可以工作于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)等研究機構(gòu)對低溫超聲波電機的部分低溫特性進行了實驗研究，但尚未研制低溫超聲波樣機。

關(guān)于低溫超聲波電機的研究較多，此類電機能夠工作于液氦(4.5 K)低溫環(huán)境中，但由于超聲波電機特有的驅(qū)動特性造成其不適用于大功率驅(qū)動設(shè)備，但低溫超聲波電機的材料選擇和設(shè)計思路可以為LNG泵低溫電機的研制提供一定的參考。

2低溫泵超導(dǎo)電機

近年來，一些學(xué)者了將超導(dǎo)電機用于低溫泵的驅(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，該超導(dǎo)電機采用了磁阻電機的基本結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子為4極結(jié)構(gòu)。與普通磁阻電機不同的是，電機轉(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。通過仿真計算確定了圖9所示的優(yōu)化后的電機結(jié)構(gòu)，樣機的試驗結(jié)果表明，該電機能夠驅(qū)動低溫潛液泵穩(wěn)定運行。該低溫電機的轉(zhuǎn)子采用高溫超導(dǎo)材料提高了磁阻電機的凸極率，進而提高了電機的轉(zhuǎn)矩和功率因數(shù)等參數(shù)，而且采用超導(dǎo)材料增大了電機的電流密度，功率密度隨之增大，電機整體尺寸變小，質(zhì)量減輕。

3低溫開關(guān)磁阻電機

美國國家航空航天局Brown博士于2005年建立了低溫開關(guān)磁阻電機的測試平臺，試驗時開關(guān)磁阻電機浸泡在液氮中，如圖11所示f2Hl。該開關(guān)磁阻電機的外徑為177.8 mm，功率達到10.6 kW，定子繞組材料為純銅或純鋁(當(dāng)溫度足夠低時可采用合適的超導(dǎo)材料)，試驗時的電機繞組的電流密度最大達到30 A/mm2，電機的功率密度相應(yīng)提高。Brown指出高功率密度是發(fā)展航空用低溫電機的主要目標，通過合理設(shè)計低溫電機結(jié)構(gòu)，其定子繞組電流密度最大可達100 A/mm2，電機功率密度可以大幅提高。