学术简报︱潜液式低温永磁同步电机的设计与特性研究
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，低温电机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
本文考虑潜液式深冷环境对电机材料性能的影响，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。