涂 進，艾程柳，廖勇熙

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司 岳陽供電分公司，岳陽 414000;2.中國科學院電工研究所，北京 100190)

?

潛液式液化天然氣泵用低溫電機材料特性綜述

涂 進1，艾程柳2，廖勇熙1

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司 岳陽供電分公司，岳陽 414000;2.中國科學院電工研究所，北京 100190)

低溫電機為潛液式液化天然氣泵的核心部件，總結(jié)了低溫電機導磁材料硅鋼片的導磁特性和鐵心損耗、導電材料電阻率和絕緣材料及永磁體的低溫特性，為分析、設計和加工性能良好的潛液式液化天然氣泵用低溫電機提供了技術(shù)基礎。

LNG泵;低溫電機;材料特性

0 引 言

隨著天然氣的大量使用，LNG泵在天然氣產(chǎn)業(yè)中有著廣闊的應用前景，但目前美國J. C. Carter，日本Ebara,Nikkiso,Shinko，法國Cryostar等少數(shù)幾家公司基本壟斷著LNG泵的研制技術(shù)[1-7]，我國尚無自主知識產(chǎn)權(quán)的相關(guān)產(chǎn)品[1-3,6,7]，開展LNG泵相關(guān)部件的研制非常重要。

潛液式LNG泵具有運行安全、操作簡便等優(yōu)點，已成為LNG泵的主要結(jié)構(gòu)形式[8-9]。潛液式LNG泵的一種常見結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，其所用電機密封于泵體內(nèi)、浸泡在-161℃低溫LNG中運行，

圖1 潛液式LNG泵與低溫電機

為潛液式LNG泵的核心部件之一。潛液式LNG泵所用電機為低溫電機，其材料的低溫性能直接影響著電機的運行性能和使用壽命，因此有必要對低溫電機材料的低溫性能進行調(diào)研和系統(tǒng)總結(jié)。

1 低溫電機導磁材料低溫特性

低溫電機的導磁材料是硅鋼片，本文重點討論硅鋼片低溫下的導磁特性和鐵心損耗。

表1為目前各國學者關(guān)于各種硅鋼片低溫特性的研究結(jié)論。從表1中可以觀察到，硅鋼片在低溫-196℃的導磁性能略有提高，但與常溫差別不大；硅鋼片的低溫鐵心損耗增加，當磁密不飽和時，低溫鐵耗增加值很小，而當磁密飽和時，低溫鐵耗增加值較為明顯。因此，在設計低溫電機時，為了不增大電機的鐵耗，電機的磁負荷按照常溫電機取值較為合適。

注：表中低溫指-196℃。

2 低溫電機導體低溫特性

本文采用試驗法研究了低溫電機導體的電阻率，其中導體為銅和鋁。

采用日置微歐計RM3543測量某電機定子單相繞組(銅材料)電阻在不同溫度下的電阻值，如圖1所示。通過對不同溫度下的數(shù)據(jù)點進行擬合，可以得到電機電阻關(guān)于溫度的擬合函數(shù)，根據(jù)該函數(shù)可以求出不同溫度的電阻比值，進而得到銅導體電阻率的比值。按照該思路可求出不同溫度的銅導體電阻率與常溫25℃的比值函數(shù)τCu:

(1)

式中:t為溫度，單位為℃。

按照雙頻靜止試驗法，可測量出某(鑄鋁)鼠籠式異步電機轉(zhuǎn)子低頻電阻(折算值)在不同溫度的電阻值，如圖2所示。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可得到轉(zhuǎn)子電阻關(guān)于溫度的擬合函數(shù)，進而得到不同溫度鋁導體電阻率與常溫25℃的比值函數(shù)τAl:

(2)

圖2 定子單相電阻隨溫度的變化關(guān)系

圖3 轉(zhuǎn)子電阻隨溫度變化關(guān)系

根據(jù)銅、鋁導體的電阻率比值關(guān)于溫度的函數(shù)τCu(t)，τAl(t)，即可求出低溫電機在不同溫度的定、轉(zhuǎn)子電阻，進而計算低溫電機的運行性能。

3 低溫電機絕緣及永磁材料的低溫特性

文獻[15-17]均對低溫電機絕緣材料的低溫特性進行了研究。其中，文獻[15]指出：低溫電機電纜應采用聚四氟乙烯絕緣電纜；定子槽端部的主絕緣應采用疊片狀的滌綸—聚酯薄膜—滌綸和Nomex人造纖維的復合絕緣結(jié)構(gòu)；電機繞組采用環(huán)氧樹脂真空浸漆；定子繞組匝間絕緣采用瞬態(tài)阻抗涂層工藝，或使用重甲式厚層聚乙烯—氨基—酰亞胺絕緣層導線，導線外套單層滌綸玻璃；大多數(shù)絕緣材料浸泡在低溫絕緣液體中的絕緣強度會得到提高。文獻[16]指出，低溫電機定子繞組應采用環(huán)氧樹脂真空浸漆；高溫聚四氟乙烯能夠滿足深冷低溫條件下的電機電纜絕緣強度要求，交聯(lián)聚乙烯電纜或交聯(lián)聚烯烴護套電纜能夠在一些碳氫化合物泵用電機中使用。文獻[17]指出，低溫電機定子銅導線應涂上聚酯酰亞胺，再涂上聚酰胺-酰亞胺并套上sofimide管，從而保證導線在77K低溫下的絕緣。

總結(jié)以上關(guān)于低溫電機絕緣材料文獻，可以得到有關(guān)低溫電機絕緣材料幾條重要結(jié)論：

(a)電纜應采用聚四氟乙烯絕緣材料;

(b)槽絕緣和繞組匝間絕緣應采用適應低溫的復合絕緣層;

(c)繞組應采用環(huán)氧樹脂真空浸漆。

文獻[17-18]研究了低溫永磁電機永磁材料的特性。文獻[17]指出傳統(tǒng)釹鐵硼永磁材料不宜用于低溫環(huán)境中，研制的低溫永磁電機樣機選用了釤鈷永磁材料，但并未進行低溫試驗驗證。文獻[18]研究了推進泵用低溫(-165℃或-240℃)永磁同步電動機所用永磁材料的低溫特性。文中測量了低溫(-196℃)沖擊試驗前后永磁體性能的變化，具體為測量永磁材料浸泡于液氮30 min前后的性能參數(shù)，測量結(jié)果匯總于表2。測試結(jié)果表明永磁體的磁特性略有惡化。

表2 低溫對永磁電機電磁特性的影響

注：表中低溫指-196℃。

4 結(jié) 語

本文通過系統(tǒng)總結(jié)低溫電機導磁、導電、絕緣和永磁材料的低溫性能，得到以下結(jié)論：

(1)當硅鋼片的磁負荷不飽和時，其低溫磁導率和鐵心損耗與常溫接近；

(2)低溫電機的銅和鋁導體電阻率大幅降低，其值可根據(jù)式(1)、式(2)計算；

(3)低溫電機的絕緣材料方面需要重點考慮材料的低溫物理脆性，重要絕緣部位需要采用復合絕緣結(jié)構(gòu)，定子繞組應采用環(huán)氧樹脂真空浸漆；

(4)永磁材料的低溫性能目前還缺乏相關(guān)研究。低溫沖擊試驗表明，短時間的低溫浸泡會惡化永磁體磁特性，但影響不大。

這些結(jié)論為研制性能良好的LNG泵用低溫電機奠定了基礎。

[1] 羅資琴，任永平，陳叔平，等．LNG低溫潛液泵結(jié)構(gòu)及設計分析[J]．低溫技術(shù)，2012，40(7)：13-16．

[2] 祝勇仁，張煒，王循明．LNG汽車加氣站用潛液泵研制[J]．機械科學與技術(shù)，2012，31(1)：163-166．

[3] 王文廷，孔繁余，周水清，等．低溫屏蔽泵技術(shù)[J]．低溫工程，2010，174(2)：51-54．

[4] 梁騫，厲彥忠，譚宏博，等．潛液式 LNG 泵的結(jié)構(gòu)特點及其應用優(yōu)勢[J]．天然氣工業(yè)，2008，28(2)：123-125．

[5] 艾程柳，黃元峰，王海峰，等．潛液式 LNG 泵低溫電機及其關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展綜述[J]．中國電機工程學報，2014，15(9)：2396-2405．

[6] 孫曉玲，劉忠明，張燕．液化天然氣潛液泵的研制[J]．低溫工程，2010，174(2)：20-23．

[7] 譚宏博，厲彥忠，梁騫，等．液化天然氣潛液泵關(guān)鍵技術(shù)及研發(fā)方案[J]．現(xiàn)代化工，2007，27(12)：52-54．

[8] RUSH S，HALL L．Tutorial on cryogenic submerged electric motor pumps[C]//Proceedings of the International Pump Users Symposium．Houston，USA：The Turbomachinery Laboratory at Texas A&M University，2001：101-107．

[9] 顧安忠，魯雪生，汪榮順．液化天然氣技術(shù)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2004：170-178．

[10] PRONTO A G，NEVES M V，RODRIGUES A L．Measurement and separation of magnetic losses at room and cryogenic temperature for three types of steels used in HTS transformers[J]．Journal of Superconductivity and Novel Magnetism，2011，24：981-985．

[11] MIYAGI D，OTOME D，NAKANO M，et al．Measurement of magnetic properties of nonoriented electrical steel sheet at liquid nitrogen temperature using single sheet tester[J]．IEEE Transactions on Magnetics，2010，46(2)：314-317．

[12] MIYAMOTO M，MATSUO T，NAKAMURA T．Measurement of vector hysteretic property of silicon steel sheets at liquid nitrogen temperature[J]．Przeglad Elektrotechniczny(Electrical Review)，2011，87(9B)：111-114．

[13] BOGDANOV I，KOZUB S，SHCHERBAKOV P，et al．Study of electrical steel magnetic properties for fast cycling magnets of SIS100 and SIS300 rings[C]//Proceedings of EPAC 2004．Lucerne.Switzerland：2004：1741-1743．

[14] 陳敏，丘明，肖立業(yè)，等．鐵心材料在低溫下的磁性能的研究[J]．電工電能新技術(shù)，2003，22(01)：35-38．

[15] SHIVELY R．Submerged cryogenic motor materials development[J]．IEEE Electrical Insulation Magazine，2003，19(3)：7-11．

[16] SHIVELY R，MILLER H．Development of a submerged winding induction generator for cryogenic applications[C]//Conference Record of the 2000 IEEE International Symposium on Electrical Insulation，Anaheim，USA，2000:243-246．

[17] ZHENG Liping．Super high-speed miniaturized permanent magnet synchronous motor[D]．Florida：University of Central Florida，2005．

[18] DLUGIEWICZ L，KOLOWROTKIEWICZ J，SZELAG W，et al．Permanent magnet synchronous motor to drive propellant pump[C]//IEEE International Symposium on Power Electronics，Electrical Drives，Automation and Motion,Sorrento，Italy：2012：822-826.

Summary for Material Properties of Cryogenic Induction Motor for Submerged Liquid Natural Gas Pump

TUJin1，AICheng-liu2，LIAOYong-xi1

(1.State Grid Yueyang Power Supply Company,Yueyang 414000,China; 2.Institute of Electrical Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

A cryogenic electrical motor is the key component of a submerged liquid natural gas (LNG) pump. Material properties in cryogenic electrical motors were summarized in this paper. The material properties are that magnetic conductive and core loss of silicon steels, electrical resistivity of conductors, low-temperature characteristics of insulating materials. The summary lays a foundation for analyzing, designing and producing a better cryogenic electrical motor for submerged LNG pumps.

LNG pump; cryogenic electrical motor; material property

2015-07-21

TM304

A

1004-7018(2016)01-0087-03

涂進(1981-),男,碩士研究生,工程師，研究方向為電力設備可靠性分析。