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   湖南大学电气与信息工程学院的研究人员郭超、黄守道、王家堡、冯垚径,在2019年第18期《电工技术学报》上撰文指出,潜液式低温永磁同步电机是液化天然气(LNG)泵的关键核心驱动部件,其工作性能至关重要。

     针对电机在LNG(-161℃)低温环境下的运行特点,考虑降低LNG的气化量、提高机械应力等方面性能,提出一种适用于LNG泵用低温永磁同步电机的设计方法、理论分析低温对材料特性及电磁参数的影响,建立“电磁-流体-热-应力”多物理耦合的有限元仿真模型,最后设计一台11kW、6000r/min的LNG泵用潜液式低温永磁同步电机样机。出于安全考虑,在-196℃液氮环境下搭建样机测试台并进行试验研究,验证了理论分析的正确性。

   随着电机在低温场合的使用和推广,低温引起了研究者们的广泛关注。低温电机工作时往往浸没于低温介质中,如制冷系统中的冷媒,深冷低温状态的液化天然气、液氮、液氩等。低温介质常呈现为液态,故该类电机也称为潜液式低温电机。

    潜液式低温电机常作为低温潜液泵的核心驱动部件,应用广泛。尤其是近年来,在清洁能源政策的推动下,液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)得到大面积的推广和使用。LNG的输送通常采用低温潜液泵,所用驱动电机全部浸泡在LNG液体(-161℃)中。潜液式低温电机作为LNG潜液泵的核心部件之一,其运行性能直接影响着LNG的输送安全。

    目前,美国的J. C. Carter公司,日本的Ebara、Nikkiso、Shinko 公司,法国的Cryostar公司等少数几家企业基本垄断着LNG泵的相关技术,在潜液式低温异步电机的选材、电磁-热耦合仿真模型及运行特性等方面进行相关研究。

     然而,国内在潜液式LNG泵关键技术方面鲜少涉及,对-161℃深冷环境下的潜液式低温电机研究还处于起步阶段,尚未形成具有自主知识产权的相关产品。因此,开展潜液式LNG泵的相关零部件研制,尤其是开发潜液式深冷低温电机,具有重要的意义。

    LNG泵用潜液式低温电机浸泡在-161℃的LNG中运行,过大的发热量可能造成LNG气化,从而影响泵系统的运行效率。因此要求电机发热量小,同时兼具转矩密度高、损耗低、效率高等优点。

   有学者分别对LNG泵用潜液式低温异步电机运行特性和关键参数设计进行了论述,但异步电机本身在效率和转矩密度方面有一定的局限性,不利于系统的高效可靠运行。

   近年来发展迅速的永磁电机因其清洁、高效的显著优势,逐渐受到重视,并呈现出作为LNG泵用低温电机的研究发展趋势。此外,低温环境可能使电机各部件的收缩程度不同而产生抱死、裂纹和间隙等现象,也需要在研究时进行考虑。

     本文基于永磁电机设计理论和方法,借鉴LNG泵用低温异步电机的设计和应用经验,开展LNG泵用潜液式低温永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)的研究。以一台额定功率11kW的低温永磁同步电机为对象,探讨了潜液式低温永磁同步电机的设计方法,基于“电磁-流体-热-应力”多场耦合有限元模型分析了电机的主要性能,并通过试验验证了仿真建模的准确性,进而论证了样机设计的合理性。

图1 LNG泵用潜液式低温电机

图2 永磁材料的检测装置

  

图15 -196℃液氮试验装置

结论

    本文考虑潜液式深冷环境对材料性能的影响,研究了一台11kW的LNG泵用潜液式低温永磁同步电动机,提出了低温永磁同步电机设计方法,进行了“电磁-流体-热-应力”耦合仿真分析,并设计制作了样机。在-196℃液氮中的试验研究表明,该样机能够在潜液式深冷环境下正常运行,且性能数据满足负载的要求,表明其在-161℃的LNG中也能满足运行技术指标。

试验数据与仿真结果接近,验证了模型的准确性和理论的正确性。所提方法和理论,也为冷媒介质潜液式驱动电机的设计和应用提供了一定指导。当然,由于目前研究的局限性,电机转子和流体之间摩擦损耗的精确计算还有待深入探讨,这也是后续工作的重点之一。


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