隨著電機(jī)在低溫場(chǎng)合的使用和推廣，低溫電機(jī)引起了研究者們的廣泛關(guān)注。低溫電機(jī)工作時(shí)往往浸沒(méi)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(jī)也稱為潛液式低溫電機(jī)。

潛液式低溫電機(jī)常作為低溫潛液泵的核心驅(qū)動(dòng)部件，應(yīng)用廣泛。尤其是近年來(lái)，在清潔能源政策的推動(dòng)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(dòng)電機(jī)全部浸泡在LNG液體（-161℃）中。潛液式低溫電機(jī)作為L(zhǎng)NG潛液泵的核心部件之一，其運(yùn)行性能直接影響著LNG的輸送安全。

目前，美國(guó)的J. C. Carter公司，日本的Ebara、Nikkiso、Shinko 公司，法國(guó)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(jī)的選材、電磁-熱耦合仿真模型及運(yùn)行特性等方面進(jìn)行相關(guān)研究。

然而，國(guó)內(nèi)在潛液式LNG泵關(guān)鍵技術(shù)方面鮮少涉及，對(duì)-161℃深冷環(huán)境下的潛液式低溫電機(jī)研究還處于起步階段，尚未形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的相關(guān)產(chǎn)品。因此，開(kāi)展?jié)撘菏絃NG泵的相關(guān)零部件研制，尤其是開(kāi)發(fā)潛液式深冷低溫電機(jī)，具有重要的意義。

LNG泵用潛液式低溫電機(jī)浸泡在-161℃的LNG中運(yùn)行，過(guò)大的發(fā)熱量可能造成LNG氣化，從而影響泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率。因此要求電機(jī)發(fā)熱量小，同時(shí)兼具轉(zhuǎn)矩密度高、損耗低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

有學(xué)者分別對(duì)LNG泵用潛液式低溫異步電機(jī)運(yùn)行特性和關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述，但異步電機(jī)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(yùn)行。

近年來(lái)發(fā)展迅速的永磁電機(jī)因其清潔、高效的顯著優(yōu)勢(shì)，逐漸受到重視，并呈現(xiàn)出作為L(zhǎng)NG泵用低溫電機(jī)的研究發(fā)展趨勢(shì)。此外，低溫環(huán)境可能使電機(jī)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(shí)進(jìn)行考慮。

本文基于永磁電機(jī)設(shè)計(jì)理論和方法，借鑒LNG泵用低溫異步電機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)展LNG泵用潛液式低溫永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）的研究。以一臺(tái)額定功率11kW的低溫永磁同步電機(jī)為對(duì)象，探討了潛液式低溫永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，基于“電磁-流體-熱-應(yīng)力”多場(chǎng)耦合有限元模型分析了電機(jī)的主要性能，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真建模的準(zhǔn)確性，進(jìn)而論證了樣機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。

圖1 LNG泵用潛液式低溫電機(jī)

圖2 永磁材料的檢測(cè)裝置

圖15 -196℃液氮試驗(yàn)裝置

結(jié)論

本文考慮潛液式深冷環(huán)境對(duì)電機(jī)材料性能的影響，研究了一臺(tái)11kW的LNG泵用潛液式低溫永磁同步電動(dòng)機(jī)，提出了低溫永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了“電磁-流體-熱-應(yīng)力”耦合仿真分析，并設(shè)計(jì)制作了樣機(jī)。在-196℃液氮中的試驗(yàn)研究表明，該樣機(jī)能夠在潛液式深冷環(huán)境下正常運(yùn)行，且性能數(shù)據(jù)滿足負(fù)載的要求，表明其在-161℃的LNG中也能滿足運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果接近，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)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(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了一定指導(dǎo)。當(dāng)然，由于目前研究的局限性，電機(jī)轉(zhuǎn)子和流體之間摩擦損耗的精確計(jì)算還有待深入探討，這也是后續(xù)工作的重點(diǎn)之一。