耐高溫永磁電機(jī)發(fā)展綜述

張 成，尚俊云，曹 寬

(中國航天科技集團(tuán)第十六研究所，西安 710100)

0 引 言

永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，比傳統(tǒng)電勵磁電機(jī)得到了更廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在航空航天等領(lǐng)域的探索不斷深入，永磁電機(jī)需要在溫度更高的環(huán)境中工作，對耐高溫永磁電機(jī)的研究具有更加重要的意義。耐高溫永磁電機(jī)是指能在高溫環(huán)境下正常工作，使用H級或C級絕緣的永磁電機(jī)，它通常具有耐溫等級高、效率高、可靠性高的特點(diǎn)。耐高溫永磁電機(jī)集電機(jī)、電磁場、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、材料、電力電子、自動控制等學(xué)科于一身，是特種電機(jī)的一個重要分類。隨著新型耐高溫永磁材料、鐵心沖片材料和絕緣材料的發(fā)展，航空航天領(lǐng)域出現(xiàn)了耐溫等級達(dá)到300 ℃甚至更高的永磁電機(jī)[1]；同時油井、消防煙道等場合也開始使用耐溫等級達(dá)到200 ℃的永磁電機(jī)[2-3]。這些耐高溫永磁電機(jī)能在普通電機(jī)無法正常工作的惡劣環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，為任務(wù)的完成提供了重要保障。

1 耐高溫永磁電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

耐高溫永磁電機(jī)的研發(fā)通?；谙旅嫒齻€領(lǐng)域的使用需求：航空航天、油井開采和消防煙道。

1.1 航空航天領(lǐng)域

工作在地球軌道或月球軌道的航天器，由于缺乏有效的散熱手段，加上受到太陽直接照射，其溫度經(jīng)常超過180 ℃。普通電機(jī)無法在這樣的溫度下工作，因此需要專門研發(fā)相應(yīng)的耐高溫永磁電機(jī)。

應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的耐高溫永磁電機(jī)具有以下特點(diǎn)：

(1) 工作溫度高。航空發(fā)動機(jī)工作時，噴口附近的溫度可達(dá)350 ℃，工作在該位置的燃油泵用電機(jī)需具備相應(yīng)的耐高溫能力；月球表面被太陽照射時溫度可達(dá)180 ℃，金星表面平均溫度可達(dá)460 ℃，因此，探測器上的電機(jī)普遍擁有很高的耐高溫能力。

(2) 體積小。受到火箭尺寸的限制，航天器的結(jié)構(gòu)往往十分緊湊，相應(yīng)地，應(yīng)用在航天器上的耐高溫永磁電機(jī)的尺寸也必須足夠小。用于金星探測器的耐高溫永磁電機(jī)，其長度、寬度和高度只有幾十毫米。

(3) 功率密度高。航天用電機(jī)常常具有體積小和輸出功率大的特點(diǎn)，即具有較大的功率密度。高功率密度加大了散熱的難度，同時對電機(jī)的絕緣可靠性提出了更高的要求。

(4) 效率高。航天任務(wù)耗資巨大，必須利用有限的資源完成盡可能多的工作，因此高效率對航天電機(jī)有非常重要的意義。

1.2 油井開采領(lǐng)域

在油井采油的過程中，需要使用潛油電泵將開采出的油輸送到地面；驅(qū)動電泵的電機(jī)需要在深達(dá)數(shù)千米的地層中工作。中低溫油井的溫度可以達(dá)到150 ℃，高溫油井的溫度可以達(dá)到220 ℃，常規(guī)潛油電泵的適用工作溫度低于120 ℃，已不能滿足上述油井的工作需要。因此，需要研發(fā)相應(yīng)的高溫潛油電機(jī)。

高溫潛油電機(jī)普遍具有直徑小的特點(diǎn)。潛油電機(jī)使用時需要安裝在套管中，并隨套管一起進(jìn)入井下，而套管直徑不超過140 mm。

1.3 消防領(lǐng)域

消防系統(tǒng)中需要煙道排風(fēng)，在正常運(yùn)行時和火災(zāi)發(fā)生時將煙氣排放到露天環(huán)境。為了保證在火災(zāi)時仍能順利排出有毒有害煙氣，給建筑內(nèi)人員提供足夠的逃生時間，煙道電機(jī)需要具備在高溫環(huán)境中工作的能力。

2 耐高溫永磁電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 航空航天領(lǐng)域

2.1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

歐美發(fā)達(dá)國家航空技術(shù)和航天技術(shù)發(fā)展起步早，在電機(jī)的耐高溫能力方面經(jīng)驗(yàn)豐富，技術(shù)成熟，研制的耐高溫永磁電機(jī)通常在200 ℃以上的高溫環(huán)境中工作。

瑞士Maxon電機(jī)公司研制的一種無刷直流電機(jī)可以在高溫、高沖擊載荷、振動、真空等惡劣環(huán)境下正常工作，工作環(huán)境溫度可達(dá)240 ℃[2]。

美國Honeybee Robotics(蜜蜂機(jī)器人)公司為金星探測任務(wù)研發(fā)了可耐460 ℃的無刷直流電機(jī)，該電機(jī)體積為50.8 mm×55.88 mm×55.88 mm，質(zhì)量0.8 kg。電機(jī)的參數(shù)如表1所示[2]。

Liu Hanzhou等人設(shè)計了一款可以在300 ℃環(huán)境下工作的耐高溫永磁電機(jī)[1]。該電機(jī)為永磁同步電機(jī)，采用6極24槽結(jié)構(gòu)，額定功率12 kW，額定轉(zhuǎn)速12 000 r/min，效率超過90%。該電機(jī)定子外部直徑165 mm，電機(jī)長度83.3 mm，定子沖片使用鐵鈷礬材料Hiperco 50，轉(zhuǎn)子永磁體材料為釤鈷材料SmCo 28。該電機(jī)在導(dǎo)線外部纏繞陶瓷纖維，以確保電絕緣在高溫下依然有效。

2.1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

相比于歐美發(fā)達(dá)國家，國內(nèi)耐高溫永磁電機(jī)的發(fā)展起步較晚。近年來,經(jīng)過科研人員的不懈努力，一些耐高溫永磁電機(jī)被研發(fā)出來并投入使用。

2019年，臻上機(jī)電設(shè)備有限公司[4]、金士力科技有限公司[5]和摩森機(jī)電科技有限公司[6]分別推出了可以在200 ℃環(huán)境下工作的耐高溫永磁電機(jī)，如表2所示。

表2 三家公司的耐高溫永磁電機(jī)參數(shù)

2019年1月，嫦娥四號探測器實(shí)現(xiàn)世界首次月背軟著陸。該探測器的驅(qū)動電機(jī)由貴州航天林泉電機(jī)有限公司研發(fā)，可以在180～220 ℃的高溫環(huán)境中正常工作[7]。

2.2 油井開采領(lǐng)域

美國BEI Kimco Magnetics公司為油井勘探研發(fā)的耐高溫永磁電機(jī)可以承受220℃的高溫和200 MPa的高壓，永磁體采用釤鈷材料，以保證較高的穩(wěn)定性和耐腐蝕性[2]。

2016年，沈陽工業(yè)大學(xué)通益科技有限公司的白山等人設(shè)計了可以在超過220 ℃環(huán)境中工作的高溫潛油電機(jī)。該電機(jī)的軸為空心結(jié)構(gòu)，軸兩端與電機(jī)的頂部端蓋和底部端蓋相連，電機(jī)的底部有儲油底座和增壓螺旋葉片，通過軸的運(yùn)動驅(qū)動潤滑油從機(jī)殼中的空腔、儲油底座和軸中間的空心結(jié)構(gòu)里流過，形成循環(huán)油冷，為電機(jī)降溫[8]。

2.3 消防領(lǐng)域

2015年，美國馬拉松電機(jī)公司的TCS系列煙道電機(jī)，可在300 ℃環(huán)境中工作2 h[3]。該系列電機(jī)使用H級絕緣，額定電壓380 V，額定功率從750 W到355 kW等多種型號。表3列舉了該系列的部分型號，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，2極。

表3 TCS系列煙道電機(jī)

2016年，西門子電機(jī)(中國)有限公司的陳平曦和周祥設(shè)計了一種消防煙道用排煙電機(jī)，可以在280 ℃的環(huán)境中工作。該電機(jī)使用H級絕緣，采用C4游隙軸承、高溫潤滑脂和氟橡膠材料油封，以保證電機(jī)在高溫條件下工作[9]。

ABB公司的煙道電機(jī)可以在400 ℃的緊急環(huán)境下正常工作120min。該系列電壓最高可達(dá)690V，額定功率從75 kW到500 kW有多種型號[10]。

3 技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢

3.1 技術(shù)特點(diǎn)

耐高溫永磁電機(jī)具備以下技術(shù)特點(diǎn)：

(1) 復(fù)雜的多物理場耦合分析

由于工作在高溫環(huán)境中，耐高溫永磁電機(jī)的電磁參數(shù)變化很大，電磁場、溫度場、流體場等多個物理場之間的相互影響變得復(fù)雜，并對電機(jī)的性能造成重要影響，而這些影響在普通環(huán)境下通?？梢院雎?。電機(jī)的銅損、溫升、冷卻液的熱導(dǎo)等參數(shù)均與溫度相關(guān)，而這些參數(shù)彼此之間也相互影響，使得多物理場的分析變得困難。

目前,多物理場的耦合分析方法以交替迭代為主。通過電磁場分析求得電機(jī)的損耗，再以損耗為熱源，充分考慮電機(jī)的工作環(huán)境和散熱途徑，建立電機(jī)的溫度場，求得電機(jī)各部位的溫度。以新的溫度為基礎(chǔ)對電磁場進(jìn)行重新分析，如此形成迭代。迭代完成后，需要模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境對電機(jī)進(jìn)行測試驗(yàn)證。

(2) 耐高溫材料的選擇

高溫環(huán)境下永磁材料的剩磁會減少，工作點(diǎn)也隨之改變。為了降低永磁體永久失磁的風(fēng)險，永磁材料的矯頑力必須足夠高；為了使永磁電機(jī)在高溫環(huán)境下也有足夠大的輸出功率，電機(jī)必須有足夠大的反電動勢，因此永磁體必須有較低的溫度系數(shù)?？紤]上述因素，耐高溫永磁電機(jī)的永磁體常使用釤鈷永磁材料(Sm∶Co1∶5或2∶17)制作。

耐高溫永磁電機(jī)常常被要求有足夠小的體積，因此定轉(zhuǎn)子鐵心沖片材料需要有高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度；為使電機(jī)轉(zhuǎn)動時鐵心沖片磁場的快速變化，鐵心沖片材料的矯頑力應(yīng)盡可能??；為降低渦流損耗，鐵心沖片應(yīng)盡可能薄?？紤]上述因素，厚度為0.1 mm或0.2 mm的硅鋼片(如新日鐵20JNEX1500)渦流損耗小，是制作耐高溫永磁電機(jī)鐵心沖片的常用材料。一些耐高溫永磁電機(jī)使用鐵鈷礬合金沖片(1J22，Hiperco50等)制作鐵心，鐵鈷礬沖片(以Hiperco50為例)的優(yōu)點(diǎn)是飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大(2.3 T)、居里點(diǎn)高(940 ℃)[1]，缺點(diǎn)是材料本身較脆，加工難度大。

為確保絕緣在高溫環(huán)境下不失效，耐高溫永磁電機(jī)需要使用新的材料來實(shí)現(xiàn)H級或C級絕緣。玻璃云母是傳統(tǒng)的絕緣材料，但其抵抗熱老化的能力在H級絕緣中最差，現(xiàn)在已很少使用。國內(nèi)的耐高溫永磁電機(jī)常使用環(huán)氧樹脂或聚酰亞胺作為絕緣材料，能承受的最高溫度為240 ℃。國外的耐溫300 ℃以上的產(chǎn)品使用玻璃陶瓷絕緣，能承受的最高溫度可達(dá)760～815 ℃。

3.2 發(fā)展趨勢

(1) 準(zhǔn)確的多物理場耦合分析理論

在進(jìn)行電機(jī)的損耗分析時，電機(jī)的鐵損和機(jī)械損耗難以準(zhǔn)確計算；在進(jìn)行電機(jī)的溫度場分析時，接觸熱阻和對流傳熱系數(shù)難以準(zhǔn)確確定。在進(jìn)行多物理場耦合分析時，常常對上述問題做近似處理，導(dǎo)致建立的模型與實(shí)際情況有差異，建立的模型不準(zhǔn)確?？梢?，現(xiàn)有的多物理場耦合分析理論還有改進(jìn)的空間，電機(jī)的損耗模型和傳熱模型亟需更準(zhǔn)確的理論來進(jìn)一步完善。

(2) 新材料的應(yīng)用

在耐高溫這一方面，永磁電機(jī)的永磁體是最脆弱的一環(huán)，因此研發(fā)新的永磁材料是增強(qiáng)耐高溫永磁電機(jī)耐溫等級的一個思路。目前，永磁材料領(lǐng)域的熱門研究方向是新一代永磁材料釤鐵氮(Sm2Fe17Nx)。釤鐵氮材料具有飽和磁化強(qiáng)度高(1.54 T)、居里溫度高(470 ℃)、成本低(不受限于戰(zhàn)略物資金屬鈷)的優(yōu)點(diǎn)，限制其發(fā)展的主要因素是將磁粉制作成永磁體的工藝?yán)щy。如果使用粘結(jié)方式，那么環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的耐溫等級低；如果使用燒結(jié)方式，那么得到的永磁體矯頑力會大幅降低。如何把釤鐵氮磁粉燒結(jié)成永磁體的同時,保證永磁體保持較高的矯頑力，是關(guān)系到釤鐵氮材料能否得到普遍使用的重要問題[11]。

4 結(jié) 語

通過總結(jié)和整理搜集到的論文、專利和相關(guān)的新聞報道，從航空航天、油井開采和消防煙道三個領(lǐng)域介紹了耐高溫永磁電機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀。總的來說，國內(nèi)的耐高溫永磁電機(jī)近年來發(fā)展迅速，并取得了一定的成果，但在絕緣材料的耐高溫等級方面與國外頂尖水平尚有較大差距。另外，國內(nèi)在高溫環(huán)境下永磁電機(jī)的失效機(jī)理、絕緣可靠性等方面缺乏研究，影響對電機(jī)壽命的預(yù)測。相信隨著國內(nèi)專家和學(xué)者的研究不斷深入，國內(nèi)耐高溫永磁電機(jī)會取得更多的研究成果，縮小與國外頂尖水平的差距；同時隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，耐高溫永磁電機(jī)會有更加廣泛的應(yīng)用前景。