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(guān)注。低溫電機工作時往往浸沒于低溫介質(zhì)中，如制冷系統(tǒng)中的冷媒，深冷低溫狀態(tài)的液化天然氣、液氮、液氬等。低溫介質(zhì)常呈現(xiàn)為液態(tài)，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(qū)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(qū)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(shù)幾家企業(yè)基本壟斷著LNG泵的相關(guān)技術(shù)，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(guān)研究。

然而，國內(nèi)在潛液式LNG泵關(guān)鍵技術(shù)方面鮮少涉及，對-161℃深冷環(huán)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(chǎn)權(quán)的相關(guān)產(chǎn)品。因此，開展?jié)撘菏絃NG泵的相關(guān)零部件研制，尤其是開發(fā)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(fā)熱量可能造成LNG氣化，從而影響泵系統(tǒng)的運行效率。因此要求電機發(fā)熱量小，同時兼具轉(zhuǎn)矩密度高、損耗低、效率高等優(yōu)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(guān)鍵參數(shù)設計進行了論述，但異步電機本身在效率和轉(zhuǎn)矩密度方面有一定的局限性，不利于系統(tǒng)的高效可靠運行。

近年來發(fā)展迅速的永磁電機因其清潔、高效的顯著優(yōu)勢，逐漸受到重視，并呈現(xiàn)出作為LNG泵用低溫電機的研究發(fā)展趨勢。此外，低溫環(huán)境可能使電機各部件的收縮程度不同而產(chǎn)生抱死、裂紋和間隙等現(xiàn)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(jīng)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(jié)論

本文考慮潛液式深冷環(huán)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(huán)境下正常運行，且性能數(shù)據(jù)滿足負載的要求，表明其在-161℃的LNG中也能滿足運行技術(shù)指標。

試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)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(zhì)潛液式驅(qū)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(zhuǎn)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(xù)工作的重點之一。