- 頭條潛液式低溫永磁同步電機的設計與特性研究2020-11-15 作者：郭超、黃守道、王家堡、馮垚徑 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語湖南大學電氣與信息工程學院的研究人員郭超、黃守道、王家堡、馮垚徑，在2019年第18期《電工技術學報》上撰文指出，潛液式低溫永磁同步電機是液化天然氣（LNG）泵的關鍵核心驅動部件，其工作性能至關重要。 針對電機在LNG（-161℃）低溫環境下的運行特點，考慮降低LNG的氣化量、提高機械應力等方面性能，提出一種適用于LNG泵用低溫永磁同步電機的設計方法、理論分析低溫對材料特性及電磁參數的影響，建立“電磁-流體-熱-應力”多物理耦合的有限元仿真模型，最后設計一臺11kW、6000r/min的LNG泵用潛液式低溫永磁同步電機樣機。出于安全考慮，在-196℃液氮環境下搭建樣機測試臺并進行試驗研究，驗證了理論分析的正確性。
隨著電機在低溫場合的使用和推廣，低溫電機引起了研究者們的廣泛關注。低溫電機工作時往往浸沒于低溫介質中，如制冷系統中的冷媒，深冷低溫狀態的液化天然氣、液氮、液氬等。低溫介質常呈現為液態，故該類電機也稱為潛液式低溫電機。
潛液式低溫電機常作為低溫潛液泵的核心驅動部件，應用廣泛。尤其是近年來，在清潔能源政策的推動下，液化天然氣（Liquefied Natural Gas, LNG）得到大面積的推廣和使用。LNG的輸送通常采用低溫潛液泵，所用驅動電機全部浸泡在LNG液體（-161℃）中。潛液式低溫電機作為LNG潛液泵的核心部件之一，其運行性能直接影響著LNG的輸送安全。
目前，美國的J. C. Carter公司，日本的Ebara、Nikkiso、Shinko 公司，法國的Cryostar公司等少數幾家企業基本壟斷著LNG泵的相關技術，在潛液式低溫異步電機的選材、電磁-熱耦合仿真模型及運行特性等方面進行相關研究。
然而，國內在潛液式LNG泵關鍵技術方面鮮少涉及，對-161℃深冷環境下的潛液式低溫電機研究還處于起步階段，尚未形成具有自主知識產權的相關產品。因此，開展潛液式LNG泵的相關零部件研制，尤其是開發潛液式深冷低溫電機，具有重要的意義。
LNG泵用潛液式低溫電機浸泡在-161℃的LNG中運行，過大的發熱量可能造成LNG氣化，從而影響泵系統的運行效率。因此要求電機發熱量小，同時兼具轉矩密度高、損耗低、效率高等優點。
有學者分別對LNG泵用潛液式低溫異步電機運行特性和關鍵參數設計進行了論述，但異步電機本身在效率和轉矩密度方面有一定的局限性，不利于系統的高效可靠運行。
近年來發展迅速的永磁電機因其清潔、高效的顯著優勢，逐漸受到重視，并呈現出作為LNG泵用低溫電機的研究發展趨勢。此外，低溫環境可能使電機各部件的收縮程度不同而產生抱死、裂紋和間隙等現象，也需要在研究時進行考慮。
本文基于永磁電機設計理論和方法，借鑒LNG泵用低溫異步電機的設計和應用經驗，開展LNG泵用潛液式低溫永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）的研究。以一臺額定功率11kW的低溫永磁同步電機為對象，探討了潛液式低溫永磁同步電機的設計方法，基于“電磁-流體-熱-應力”多場耦合有限元模型分析了電機的主要性能，并通過試驗驗證了仿真建模的準確性，進而論證了樣機設計的合理性。
圖1 LNG泵用潛液式低溫電機
圖2 永磁材料的檢測裝置
圖15 -196℃液氮試驗裝置
結論
本文考慮潛液式深冷環境對電機材料性能的影響，研究了一臺11kW的LNG泵用潛液式低溫永磁同步電動機，提出了低溫永磁同步電機設計方法，進行了“電磁-流體-熱-應力”耦合仿真分析，并設計制作了樣機。在-196℃液氮中的試驗研究表明，該樣機能夠在潛液式深冷環境下正常運行，且性能數據滿足負載的要求，表明其在-161℃的LNG中也能滿足運行技術指標。
試驗數據與仿真結果接近，驗證了模型的準確性和理論的正確性。所提方法和理論，也為冷媒介質潛液式驅動電機的設計和應用提供了一定指導。當然，由于目前研究的局限性，電機轉子和流體之間摩擦損耗的精確計算還有待深入探討，這也是后續工作的重點之一。
