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  • 頭條潛液式低溫永磁同步電機的設計與特性研究
    2020-11-15 作者:郭超、黃守道、王家堡、馮垚徑  |  來源:《電工技術學報》  |  點擊率:
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    導語湖南大學電氣與信息工程學院的研究人員郭超、黃守道、王家堡、馮垚徑,在2019年第18期《電工技術學報》上撰文指出,潛液式低溫永磁同步電機是液化天然氣(LNG)泵的關鍵核心驅動部件,其工作性能至關重要。 針對電機在LNG(-161℃)低溫環境下的運行特點,考慮降低LNG的氣化量、提高機械應力等方面性能,提出一種適用于LNG泵用低溫永磁同步電機的設計方法、理論分析低溫對材料特性及電磁參數的影響,建立“電磁-流體-熱-應力”多物理耦合的有限元仿真模型,最后設計一臺11kW、6000r/min的LNG泵用潛液式低溫永磁同步電機樣機。出于安全考慮,在-196℃液氮環境下搭建樣機測試臺并進行試驗研究,驗證了理論分析的正確性。

    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注。低溫電機工作時往往浸沒于低溫介質中,如制冷系統中的冷媒,深冷低溫狀態的液化天然氣、液氮、液氬等。低溫介質常呈現為液態,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公司等少數幾家企業基本壟斷著LNG泵的相關技術,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研究。

    然而,國內在潛液式LNG泵關鍵技術方面鮮少涉及,對-161℃深冷環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權的相關產品。因此,開展潛液式LNG泵的相關零部件研制,尤其是開發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,過大的發熱量可能造成LNG氣化,從而影響泵系統的運行效率。因此要求電機發熱量小,同時兼具轉矩密度高、損耗低、效率高等優點。

    有學者分別對LNG泵用潛液式低溫異步電機運行特性和關鍵參數設計進行了論述,但異步電機本身在效率和轉矩密度方面有一定的局限性,不利于系統的高效可靠運行。

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

    學術簡報︱潛液式低溫永磁同步電機的設計與特性研究

    圖1 LNG泵用潛液式低溫電機

    學術簡報︱潛液式低溫永磁同步電機的設計與特性研究

    圖2 永磁材料的檢測裝置

    學術簡報︱潛液式低溫永磁同步電機的設計與特性研究

    圖15 -196℃液氮試驗裝置

    結論

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

    試驗數據與仿真結果接近,驗證了模型的準確性和理論的正確性。所提方法和理論,也為冷媒介質潛液式驅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,這也是后續工作的重點之一。

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