[科普中國]-潛液式LNG泵低溫電機

簡介

電機定、轉(zhuǎn)子電流密度高，功率密度大，而且電機的電磁負荷值與常溫電機有較大差別。另外，電機的絕緣性能也不會因為溫度升高而惡化，電機材料沒有氧化腐蝕問題，軸承潤滑由LNG承擔(dān)在電機性能方面，由于電機浸泡在溫度很低的LNG中，電機材料的電阻率比常溫時低很多，這對電機的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能均造成影響2。

低溫電機的發(fā)展現(xiàn)狀低溫電機的類型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(biāo)，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。

其它形式低溫電機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(biāo)，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。

LNG泵低溫電機選用原則針對潛液式LNG泵低溫電機的應(yīng)用環(huán)境，LNG泵低溫電機的選用一般需要滿足以下原則:

1)電機及其驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不需要傳感器，可靠性高。由于潛液式LNG泵低溫電機密封于泵體內(nèi)，若發(fā)生故障，拆卸維修比較麻煩。電機運行于低溫環(huán)境，若所選用的電機需要傳感器驅(qū)動，相應(yīng)的耐低溫傳感器需要單獨研制，比較困難。因此要求電機結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動無需傳感器，可靠性局。

2)電機可工作于LNG低溫環(huán)境，但對運行溫度范圍沒有明確限制。潛液式LNG泵低溫電機運行于-161℃低溫環(huán)境，而電機運行的損耗會造成一定的溫升，因此所選用的電機實際運行于一定的低溫范圍。

3)電機損耗低，效率高。潛液式LNG泵低溫電機運行時浸泡在 LNG中，其冷卻由LNG來承擔(dān)，由于被輸送的LNG處于其飽和溫度附近，過大的發(fā)熱量可能造成LNG汽化，因此要求LNG泵低溫電機發(fā)熱量小，損耗低，效率高。

LNG泵低溫電機的選型及其技術(shù)問題根據(jù)以上選用原則，低溫超聲波電機由于其特有的驅(qū)動特性，不適合用于潛液式LNG泵;超導(dǎo)電機的臨界運行溫度低于LNG溫度，不能用于潛液式LNG泵;低溫開關(guān)磁阻電機的驅(qū)動需要耐低溫的位置傳感器，比較復(fù)雜，不適合用于潛液式LNG泵。因此，低溫異步電機和低溫永磁同步電機可以作為LNG泵的備選電機。針對LNG泵的應(yīng)用環(huán)境，備選電機還存在一些問題，總結(jié)如下:

1)有關(guān)學(xué)者針對特定用途的低溫電機的材料選擇和部分加工工藝進行了相關(guān)研究，但對于LNG泵低溫電機尚未形成統(tǒng)一的材料選擇和加工工藝原則。

2) LNG泵低溫電機的驅(qū)動特性與常溫電機存在差異。由于低溫環(huán)境對電機電磁特性的影響，電機的機械特性在低溫下會發(fā)生改變，需要對低溫電機的機械特性進行相應(yīng)的研究，掌握其在不同工況下的起動、運行等驅(qū)動特性，從而設(shè)計出適用于潛液式LNG泵的低溫電機。此外，關(guān)于LNG泵電動機的控制目前僅限于軟起動，針對低溫電機驅(qū)動特性的相關(guān)控制技術(shù)還缺乏研究。

3)電機浸泡在LNG中，其冷卻由LNG來承擔(dān)，但由于被輸送的LNG都處于其飽和溫度附近，很小的溫升或很小的壓降均可能造成LNG氣化。在電機設(shè)計過程中應(yīng)采取相應(yīng)的設(shè)計優(yōu)化措施，以盡量減少這種氣化現(xiàn)象的發(fā)生。

4)相關(guān)研究人員已對潛液式LNG泵低溫電機的熱一電磁藕合場、電磁參數(shù)的變化等重要問題進行了初步研究，但還未形成一套完整的低溫電機分析設(shè)計理論。

LNG泵低溫電機的選材和特殊工藝技術(shù)目前，一些學(xué)者已經(jīng)對低溫電機的材料選擇和加工工藝進行了初步研究，如美國研究人員ZhengLiping已經(jīng)研制出用于壓縮機驅(qū)動的小功率低溫永磁同步電機;-}a};波蘭學(xué)者Dlugiewicz對低溫永磁電機材料的低溫沖擊特性進行了相關(guān)研究，而且其在LNG泵低溫異步電機的研制方面取得了一些重要進展，但尚未形成關(guān)于LNG泵低溫電機的材料選擇和加工工藝原則。針對LNG泵低溫電機的定轉(zhuǎn)子硅鋼片的耐低溫處理工藝、硅鋼片的低溫磁化特性和鐵耗特性及選用原則、各種永磁材料的穩(wěn)態(tài)低溫特性、定轉(zhuǎn)子及電樞繞組的耐低溫絕緣處理工藝以及材料的熱應(yīng)力問題缺乏系統(tǒng)的實驗研究及相關(guān)結(jié)論，而LNG泵低溫電機設(shè)計、制造和加工需要依據(jù)這些重要結(jié)論。

LNG泵低溫電機設(shè)計優(yōu)化技術(shù)LNG泵低溫電機運行在-161℃低溫環(huán)境下，由于低溫對電機材料電磁特性的影響，電機的機械特性與常規(guī)電機存在差異，為了保證電機能夠滿足LNG泵的驅(qū)動要求，需要結(jié)合應(yīng)用環(huán)境和低溫驅(qū)動特性對電機進行特殊設(shè)計。在初步設(shè)計階段，需要根據(jù)LNG泵低溫電機的特點對常溫電機的設(shè)計公式進行相應(yīng)的修改核算，初步確定電機的材料及基本尺寸。值得注意的是，由于LNG泵低溫電機浸泡在LNG中運行，受到電磁場、熱場和流體場的相互作用，設(shè)計時需要綜合考慮這些藕合場的作用。傳統(tǒng)電機的設(shè)計一般只對電機進行電磁場仿真，對于LNG泵低溫電機而言，需要進行電磁場一熱場藕合仿真;另外也需要考慮LNG流體場的作用;而且若低溫電機的材料選擇不合理，低溫環(huán)境可能會使電機各部分的收縮程度不同而產(chǎn)生抱死裂紋現(xiàn)象，因此需要考慮電機的熱應(yīng)力場?？偟膩碚f，對LNG泵低溫電機需要進行電磁場一流體場一熱場一應(yīng)力場的藕合仿真，根據(jù)藕合仿真結(jié)果對LNG泵低溫電機進行更為精確的優(yōu)化設(shè)計，使得所設(shè)計的LNG泵低溫電機具備良好的驅(qū)動性能。雖然國外的相關(guān)機構(gòu)已經(jīng)研制出LNG泵低溫電機，但目前還沒有關(guān)于LNG泵低溫電機的完整分析設(shè)計方法，需要通過樣機試制研究形成

LNG泵低溫電機控制技術(shù)由于變閥調(diào)節(jié)操作簡單易行，傳統(tǒng)LNG泵的流量調(diào)節(jié)均采用變閥調(diào)節(jié)，也稱為節(jié)流調(diào)節(jié)。此時，泵內(nèi)電動機恒速運行，通過改變出液管路閥門的開啟度，改變管路系統(tǒng)的性能，從而達到調(diào)節(jié)工況的目的，這種調(diào)節(jié)方式增加了系統(tǒng)的額外損耗，運行效率低。另一種調(diào)節(jié)LNG泵工作點的方式為變速調(diào)節(jié)，即通過調(diào)節(jié)泵內(nèi)電動機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)對泵工作點的調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方式可以保證泵始終高效運行，是一種十分節(jié)能高效的調(diào)節(jié)方式

從以上2種調(diào)節(jié)方式可知，為了保證泵系統(tǒng)的高效節(jié)能運行，對LNG泵采用變速調(diào)節(jié)是十分必要的，即需要對LNG泵低溫電機進行相應(yīng)的調(diào)速控制，目前還缺乏關(guān)于這方面的研究。由于LNG泵低溫電機運行在-161℃的低溫環(huán)境，電機導(dǎo)電材料的電阻率變小，電阻參數(shù)變小，電機運行時電阻參數(shù)發(fā)生小的波動會對電機的運行性能產(chǎn)生較大的影響，因此需要通過控制消除這種參數(shù)變化對電機運行性能的影響。另外，低溫異步電機運行時的轉(zhuǎn)差率很小(一般不超過1%)，這就要求對電機進行精確的控制，保證電機穩(wěn)定運行。而且，由于LNG泵要求電機的損耗盡可能小，以減少LNG的氣化和保證泵的高效運行，因此可以考慮對低溫電機進行效率最佳控制。綜上所述，有必要針對LNG泵低溫電機開展參數(shù)自適應(yīng)和效率最佳控制研究。

LNG泵低溫電機的測試由于目前低溫永磁電機在LNG泵的應(yīng)用還存在很多函待解決的問題，而LNG泵低溫異步電機可能在短期內(nèi)研制成功，因此下文有關(guān)LNG泵低溫電機的測試主要是針對異步電機。

目前關(guān)于LNG泵低溫電機的測試原則的研究還鮮見報道。對制造的LNG泵低溫異步電機進行了測試。為了保證測試的安全性將試制樣機浸泡在液氮中進行試驗，試驗分3次進行，首先在空氣中進行試驗，然后浸泡在液氮中進行試驗，最后再將樣機暴露在空氣中進行試驗。3次試驗中，分別對樣機進行了空載和短路試驗。

關(guān)于LNG泵低溫異步電機的測試可以借鑒常溫異步電機的測試標(biāo)準，分別對電機進行空載試驗、堵轉(zhuǎn)試驗和負載試驗，試驗平臺如圖14所示。該試驗平臺用聯(lián)軸器實現(xiàn)了對LNG泵低溫異步電機負載特性的測量，克服了低溫下無法對電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進行測量的問題。

總結(jié)綜上所述，低溫電機在潛液式LNG泵中有廣闊的應(yīng)用前景，但目前有關(guān)LNG泵低溫電機的研究不夠完善，特別是我國目前還未掌握LNG泵低溫電機設(shè)計及加工的相關(guān)技術(shù)。從低溫電機的調(diào)研結(jié)果可知，低溫鼠籠式異步電機和低溫永磁同步電機可以作為LNG泵的備選電機。由于異步電機結(jié)構(gòu)簡單，制造加工工藝成熟且成本較低，在技術(shù)不成熟的初期階段較為適合作為LNG泵低溫電機進行研制。在未來的一段時間內(nèi)，隨著LNG泵低溫異步電機的研制成功，低溫異步電機設(shè)計和加工技術(shù)將在實際應(yīng)用中不斷完善。但是，由于異步電機存在效率不高的問題，而永磁同步電機具有效率高和定、轉(zhuǎn)子氣隙相對較大的特點，可以提高屏蔽泵的穩(wěn)定性，而且LNG泵低溫異步電機設(shè)計制造的成熟技術(shù)將為低溫永磁同步電機的研制奠定技術(shù)基礎(chǔ)，低溫永磁同步電機將會逐漸成為LNG泵低溫電機的研究發(fā)展趨勢。因此，LNG泵低溫電機的研制路線應(yīng)為從低溫異步電機到低溫永磁同步電機。

根據(jù)LNG泵低溫電機研制過程中需要解決的問題，關(guān)于LNG泵低溫電機的研究涉及以下幾個研究方向及相關(guān)技術(shù)問題:

1)針對LNG泵低溫電機的選材原則。為了解決LNG泵低溫電機的材料選擇問題，需要對構(gòu)成電機的材料進行大量的低溫試驗，找到適合用于LNG泵低溫電機的材料，總結(jié)出相應(yīng)的選材原則。

2) LNG泵低溫電機的設(shè)計、優(yōu)化技術(shù)。由于LNG泵低溫電機特性與常溫電機存在不同，需要根據(jù)這些差異形成LNG泵低溫電機的分析設(shè)計公式，并用這些公式結(jié)合藕合場的方法對電機進行設(shè)計及優(yōu)化。

3 ) LNG泵低溫電機的參數(shù)自適應(yīng)和效率最佳控制技術(shù)。由于運行于低溫環(huán)境，LNG泵低溫電機的電阻參數(shù)很小，運行時的轉(zhuǎn)差率很小，為了保證電機的穩(wěn)定運行需要根據(jù)對電機進行相應(yīng)的控制。另外，為了盡量降低電機的發(fā)熱量以減少泵內(nèi)LNG的氣化，需要通過對低溫電機的效率進行最佳控制進一步提高電機的運行效率。

隨著所研制的低溫電機的性能不斷提高，其在LNG泵低溫環(huán)境中將得到更好的應(yīng)用。