潜液式LNG泵低温电机

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。