潛液式LNG泵低溫電機

潛液式液化天然氣(liquefied natural gas, LNG)泵低溫電機(簡稱LNG泵低溫電機)是LNG泵的核心部件。為了便於LNG泵低溫電機的研製，對該類型電機的發展情況及相關技術進行了綜述。詳細調研了已存在的幾種類型的低溫電機的特點及其發展現狀。根據備選電機的特點和LNG泵的套用環境，總結了LNG泵低溫電機關鍵技術及發展現狀。

基本介紹

• 中文名：潛液式LNG泵低溫電機
• 外文名：Submersible LNG pump low temperature motor
• 類型：電力設備
• 工作環境：低溫環境
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

介紹

電機定、轉子電流密度高，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承擔在電機性能方面，由於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，這對電機的動態和穩態性能均造成影響。

發展現狀

類型

LNG泵用電機實質上是電機工作在密封低溫泵體內，即低溫電機，因此以下調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構形式進行分類，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。低溫電機的基本結構與對應的常溫電機類似，由於工作在深冷環境中，低溫電機的材料選擇及加工工藝、電磁設計和驅動控制等方面與常溫電機存在差異。

低溫異步電機

波蘭MIKROMA SA公司於2006年前後製造出了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、轉子結構如圖2所示。該低溫電機的質量為相同參數常溫電機的1/3，相應的電阻參數為常溫的1/8，轉子槽形為梨形深槽結構，且轉子採用了斜槽結構。波蘭學者L. Dlugiewiecz等在液氮中對該電機進行低溫試驗的結果表明，在低溫環境下該電機的啟動轉矩減小，最大轉矩增大。學者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有限元模型，準確計算了低溫異步電機的暫態特性。另外，學者shively和Miller指出，低溫異步電機設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境下的起動特性進行研究。

關於低溫異步電機的研究目前主要集中在LNG泵的套用領域，國外學者對於低溫異步電機的選材、電磁一熱藕合仿真模型及驅動特性進行了相關研究，但尚未形成低溫異步電機的選材原則，對於電機的仿真模型也局限在暫態起動過程，而且關於低溫異步電機的驅動特性研究還不完整，有關低溫異步電機的設計及最佳化方法尚未形成。由於異步電機的結構簡單，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境的電機電磁設計和性能最佳化等方面，但異步電機的功率因數較低，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別是轉子側裝有磁極，採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子的旋轉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。

由於電勵磁同步電機結構複雜，不適合用於潛液式LNG泵，因此以下主要介紹低溫永磁同步電機的研究現狀。

美國中佛羅里達大學的Zheng Liping於2005年在他的博士論研究了一種徑向磁通結構的低溫高速永磁同步電機，並成功試製了樣機;該電機額定功率為2kW,額定轉速為200 000 r/min ,工作溫度-196℃ (77 K)。該電機的轉子永磁體位於轉軸內部，採用了2極凸極結構，永磁材料選用SmCo材料，並指出NdFeB不適合用於140 K以下的低溫環境;該電機定子採用無槽結構，定子繞組為多股絞合線(減小由高頻鄰近效應引起的渦流損耗)。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。在設計過程中，以電機損耗為設計過程中的核心最佳化目標，採用有限元法對電機的電磁參數、機械參數進行了仿真分析及相關最佳化，所設計的樣機的運行效率高達92%以上。但是由於條件限制，該樣機只進行了水冷試驗。 波蘭學者Dlugiewicz等於2012年設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，轉速為16 000 r/min，工作溫度為一165 0C或一240℃，電機的定、轉子結構如圖5所示。Dlugiewicz等學者指出，目前有關還未對低溫電機材料進行相關特性研究，因此Dlugiewicz等重點研究了低溫環境對低溫永磁電機製造材料的電磁特性以及機械特性的影響，並考慮了電機的加工工藝，為低溫永磁電機的設計製造奠定了基礎。需要指出的是，Dlugiewicz等僅研究了低溫衝擊(材料浸泡於低溫液體後恢復常溫)對電機材料的影響，試驗結果表明，低溫衝擊基本不會影響所選用的永磁材料的磁特性。

目前，我國關於低溫永磁同步電機的研究尚未見相關報導。已有的關於低溫永磁同步電機的研究還不夠全面。相關學者對低溫永磁同步電機的永磁體等材料的低溫衝擊特性進行了試驗研究，但是並未研究低溫穩態環境對永磁電機材料相關特性的影響;雖然已研製出小功率低溫永磁同步電機，但由於實驗室條件限制，並未進行低溫試驗永磁同步電機具有效率高，定、轉子氣隙相對較大的特點，用於禁止泵時製造工藝良好，同時還可以提高禁止泵的穩定性，更適宜用於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的研究f}l，而且有關低溫永磁同步電機的驅動特性尚不清楚。另外，永磁同步電機的設計加工較為複雜，製造成本較高，這些因素都影響了永磁同步電機在低溫下的套用。

其它形式電機

1低溫超音波電機

超音波電機(ultrasonic motor USM)是一種利用摩擦進行驅動的電機，其工作原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應，使定子彈性體產生超聲頻段(頻率大於20 kHz)的微幅振動，並通過定、轉子(動子)之間的摩擦藕合將振動轉換成轉子(動子)的旋轉(直線)運動。

一種超音波電機帶有螺紋結構，工作頻率為41.5 kHz，驅動電壓峰峰值為6070 V，轉速為3070 r/min，直線運動速度為0.250.6 mm/s;另一種不帶螺紋結構，驅動電壓和頻率與前者相同，直線運動速度為50100 mm/s。兩種超音波電機結構如圖6所示。兩種超音波電機的低溫試驗結果表明，帶螺紋結構的電機能夠在-160 ℃的低溫環境中穩定工作，當低於-160 ℃時，該電機停止工作，而當溫度升至室溫時，電機能夠恢復原性能;無螺紋結構的超音波電機能夠在-196 ℃的液氮環境中穩定運行，性能略有下降。

日本岡山大學的Daisuke Yamaguchi等於2011年研究了低溫超音波電機，其可以正常工作於液氦環境4.5 K。為了保證該電機能夠在低溫液氦中工作，Daisuke Yamaguchi等對該超音波電機的結構進行了合理設計，並採用有限元法進行了仿真最佳化設計，同時考慮了該電機加工製造時可選用的耐低溫材料。在樣機試驗過程中，通過調節相關參數，該電機可以工作於4.5 K液氦的低溫環境。

目前，我國對低溫環境下超音波電機驅動特性缺乏系統的研究。南京航空航天大學和哈爾濱工業大學等研究機構對低溫超音波電機的部分低溫特性進行了實驗研究，但尚未研製低溫超音波樣機。

關於低溫超音波電機的研究較多，此類電機能夠工作於液氦(4.5 K)低溫環境中，但由於超音波電機特有的驅動特性造成其不適用於大功率驅動設備，但低溫超音波電機的材料選擇和設計思路可以為LNG泵低溫電機的研製提供一定的參考。

2低溫泵超導電機

近年來，一些學者了將超導電機用於低溫泵的驅動。Kovalev等於2004年研製潛液(液氫、液氮和液氧)泵用高溫超導電機，該超導電機採用了磁阻電機的基本結構，轉子為4極結構。與普通磁阻電機不同的是，電機轉子的隔磁材料採用了高溫超導材料BSCCO一銀化合物，轉子如圖8所示。通過仿真計算確定了圖9所示的最佳化後的電機結構，樣機的試驗結果表明，該電機能夠驅動低溫潛液泵穩定運行。該低溫電機的轉子採用高溫超導材料提高了磁阻電機的凸極率，進而提高了電機的轉矩和功率因數等參數，而且採用超導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，質量減輕。

3低溫開關磁阻電機

美國國家航空航天局Brown博士於2005年建立了低溫開關磁阻電機的測試平台，試驗時開關磁阻電機浸泡在液氮中，如圖11所示f2Hl。該開關磁阻電機的外徑為177.8 mm，功率達到10.6 kW，定子繞組材料為純銅或純鋁(當溫度足夠低時可採用合適的超導材料)，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提高。Brown指出高功率密度是發展航空用低溫電機的主要目標，通過合理設計低溫電機結構，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。

選用原則

針對潛液式LNG泵低溫電機的套用環境，LNG泵低溫電機的選用一般需要滿足以下原則:

1)電機及其驅動系統結構簡單，不需要感測器，可靠性高。由於潛液式LNG泵低溫電機密封於泵體內，若發生故障，拆卸維修比較麻煩。電機運行於低溫環境，若所選用的電機需要感測器驅動，相應的耐低溫感測器需要單獨研製，比較困難。因此要求電機結構簡單，驅動無需感測器，可靠性局。

2)電機可工作於LNG低溫環境，但對運行溫度範圍沒有明確限制。潛液式LNG泵低溫電機運行於-161℃低溫環境，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於一定的低溫範圍。

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，由於被輸送的LNG處於其飽和溫度附近，過大的發熱量可能造成LNG汽化，因此要求LNG泵低溫電機發熱量小，損耗低，效率高。

選型及技術

根據以上選用原則，低溫超音波電機由於其特有的驅動特性，不適合用於潛液式LNG泵;超導電機的臨界運行溫度低於LNG溫度，不能用於潛液式LNG泵;低溫開關磁阻電機的驅動需要耐低溫的位置感測器，比較複雜，不適合用於潛液式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泵的套用環境，備選電機還存在一些問題，總結如下:

1)有關學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研究，但對於LNG泵低溫電機尚未形成統一的材料選擇和加工工藝原則。

2) LNG泵低溫電機的驅動特性與常溫電機存在差異。由於低溫環境對電機電磁特性的影響，電機的機械特性在低溫下會發生改變，需要對低溫電機的機械特性進行相應的研究，掌握其在不同工況下的起動、運行等驅動特性，從而設計出適用於潛液式LNG泵的低溫電機。此外，關於LNG泵電動機的控制目前僅限於軟起動，針對低溫電機驅動特性的相關控制技術還缺乏研究。

3)電機浸泡在LNG中，其冷卻由LNG來承擔，但由於被輸送的LNG都處於其飽和溫度附近，很小的溫升或很小的壓降均可能造成LNG氣化。在電機設計過程中應採取相應的設計最佳化措施，以儘量減少這種氣化現象的發生。

4)相關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計理論。

選材和技術

目前，一些學者已經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已經研製出用於壓縮機驅動的小功率低溫永磁同步電機;-}a};波蘭學者Dlugiewicz對低溫永磁電機材料的低溫衝擊特性進行了相關研究，而且其在LNG泵低溫異步電機的研製方面取得了一些重要進展，但尚未形成關於LNG泵低溫電機的材料選擇和加工工藝原則。針對LNG泵低溫電機的定轉子矽鋼片的耐低溫處理工藝、矽鋼片的低溫磁化特性和鐵耗特性及選用原則、各種永磁材料的穩態低溫特性、定轉子及電樞繞組的耐低溫絕緣處理工藝以及材料的熱應力問題缺乏系統的實驗研究及相關結論，而LNG泵低溫電機設計、製造和加工需要依據這些重要結論。

設計最佳化技術

LNG泵低溫電機運行在-161℃低溫環境下，由於低溫對電機材料電磁特性的影響，電機的機械特性與常規電機存在差異，為了保證電機能夠滿足LNG泵的驅動要求，需要結合套用環境和低溫驅動特性對電機進行特殊設計。在初步設計階段，需要根據LNG泵低溫電機的特點對常溫電機的設計公式進行相應的修改核算，初步確定電機的材料及基本尺寸。值得注意的是，由於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，設計時需要綜合考慮這些藕合場的作用。傳統電機的設計一般只對電機進行電磁場仿真，對於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，低溫環境可能會使電機各部分的收縮程度不同而產生抱死裂紋現象，因此需要考慮電機的熱應力場。總的來說，對LNG泵低溫電機需要進行電磁場一流體場一熱場一應力場的藕合仿真，根據藕合仿真結果對LNG泵低溫電機進行更為精確的最佳化設計，使得所設計的LNG泵低溫電機具備良好的驅動性能。雖然國外的相關機構已經研製出LNG泵低溫電機，但目前還沒有關於LNG泵低溫電機的完整分析設計方法，需要通過樣機試製研究形成

控制技術

由於變閥調節操作簡單易行，傳統LNG泵的流量調節均採用變閥調節，也稱為節流調節。此時，泵內電動機恆速運行，通過改變出液管路閥門的開啟度，改變管路系統的性能，從而達到調節工況的目的，這種調節方式增加了系統的額外損耗，運行效率低。另一種調節LNG泵工作點的方式為變速調節，即通過調節泵內電動機的轉速實現對泵工作點的調節，這種調節方式可以保證泵始終高效運行，是一種十分節能高效的調節方式

從以上2種調節方式可知，為了保證泵系統的高效節能運行，對LNG泵採用變速調節是十分必要的，即需要對LNG泵低溫電機進行相應的調速控制，目前還缺乏關於這方面的研究。由於LNG泵低溫電機運行在-161℃的低溫環境，電機導電材料的電阻率變小，電阻參數變小，電機運行時電阻參數發生小的波動會對電機的運行性能產生較大的影響，因此需要通過控制消除這種參數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，保證電機穩定運行。而且，由於LNG泵要求電機的損耗儘可能小，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自適應和效率最佳控制研究。

測試

由於目前低溫永磁電機在LNG泵的套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研製成功，因此下文有關LNG泵低溫電機的測試主要是針對異步電機。

目前關於LNG泵低溫電機的測試原則的研究還鮮見報導。對製造的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製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，然後浸泡在液氮中進行試驗，最後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。

關於LNG泵低溫異步電機的測試可以借鑑常溫異步電機的測試標準，分別對電機進行空載試驗、堵轉試驗和負載試驗，試驗平台如圖14所示。該試驗平台用聯軸器實現了對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速和轉矩進行測量的問題。

總結

綜上所述，低溫電機在潛液式LNG泵中有廣闊的套用前景，但目前有關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泵低溫電機設計及加工的相關技術。從低溫電機的調研結果可知，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。由於異步電機結構簡單，製造加工工藝成熟且成本較低，在技術不成熟的初期階段較為適合作為LNG泵低溫電機進行研製。在未來的一段時間內，隨著LNG泵低溫異步電機的研製成功，低溫異步電機設計和加工技術將在實際套用中不斷完善。但是，由於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、轉子氣隙相對較大的特點，可以提高禁止泵的穩定性，而且LNG泵低溫異步電機設計製造的成熟技術將為低溫永磁同步電機的研製奠定技術基礎，低溫永磁同步電機將會逐漸成為LNG泵低溫電機的研究發展趨勢。因此，LNG泵低溫電機的研製路線應為從低溫異步電機到低溫永磁同步電機。

根據LNG泵低溫電機研製過程中需要解決的問題，關於LNG泵低溫電機的研究涉及以下幾個研究方向及相關技術問題:

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，需要對構成電機的材料進行大量的低溫試驗，找到適合用於LNG泵低溫電機的材料，總結出相應的選材原則。

2) LNG泵低溫電機的設計、最佳化技術。由於LNG泵低溫電機特性與常溫電機存在不同，需要根據這些差異形成LNG泵低溫電機的分析設計公式，並用這些公式結合藕合場的方法對電機進行設計及最佳化。

3 ) LNG泵低溫電機的參數自適應和效率最佳控制技術。由於運行於低溫環境，LNG泵低溫電機的電阻參數很小，運行時的轉差率很小，為了保證電機的穩定運行需要根據對電機進行相應的控制。另外，為了儘量降低電機的發熱量以減少泵內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。

隨著所研製的低溫電機的性能不斷提高，其在LNG泵低溫環境中將得到更好的套用。