肖祖旺

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LNG潛液泵電機(jī)設(shè)計(jì)

肖祖旺

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文論述了LNG汽車加氣站上潛液泵電機(jī)的設(shè)計(jì)，介紹了潛液泵電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能要求，并說明了潛液泵電機(jī)電磁設(shè)計(jì)、低溫材料選取和機(jī)械設(shè)計(jì)方法。

液化天然氣 潛液泵電機(jī)低溫材料

0 引言

我國液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）目前以每年15%以上的需求增長率已經(jīng)成為我國能源領(lǐng)域一門迅猛發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)。大量的LNG接受站、LNG工廠和LNG儲備站在各地紛紛建立，成為優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、緩解能源供應(yīng)壓力、實(shí)現(xiàn)社會和環(huán)境可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展的重要舉措。在整個LNG產(chǎn)業(yè)鏈中，從LNG的生產(chǎn)、運(yùn)輸、接受及使用過程中都需要用到LNG潛液泵，因此潛液泵應(yīng)用市場前景十分廣闊。

在LNG產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的大背景下，我國低溫潛液泵的研究尚處于起步階段，而進(jìn)口設(shè)備價格昂貴，供貨周期長，因此，研發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的LNG潛液泵具有重大意義。

本文論述的潛液泵電機(jī)主要應(yīng)用在汽車LNG撬裝式加氣站上，現(xiàn)已成功研制11 kW低溫潛液泵電機(jī)，通過出廠試驗(yàn)、配套試驗(yàn)、及用戶使用幾個階段，運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到技術(shù)規(guī)格書要求。

1 潛液泵電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

潛液泵電機(jī)為三相變頻異步電機(jī)，潛液泵電機(jī)與平衡鼓、葉輪、導(dǎo)流器等總裝后形成LNG潛液泵，見圖1所示，潛液泵工作時全部浸沒在密閉的低溫泵池中，為LNG輸送提供動力。該輸送方式可避免LNG的泄露，提高安全性。

圖1 LNG潛液泵外形圖

潛液泵電機(jī)的研制需要解決如下關(guān)鍵技術(shù)：

1）低溫材料的選取

潛液泵電機(jī)運(yùn)行時完全浸沒在LNG內(nèi)，溫度為-162℃，電機(jī)使用的材料如電磁線、電纜引線、硅鋼片、絕緣材料和緊固件等均需要在低溫環(huán)境下性能穩(wěn)定，因此，耐低溫材料的選取十分關(guān)鍵。

2）低溫軸承的選取

由于電機(jī)工作在超低溫環(huán)境，常規(guī)軸承無法使用，需選用技術(shù)成熟的低溫軸承。

3）電機(jī)高效率設(shè)計(jì)

由于電機(jī)浸在LNG中，電機(jī)的冷卻由LNG 來承擔(dān)，而且被輸送的LNG都在其飽和溫度附近，很小的溫升或很小的壓降都可能造成LNG氣化，因此，在設(shè)計(jì)過程中需采取相應(yīng)措施提高電機(jī)效率，減少電機(jī)發(fā)熱，降低對LNG的氣化，提高安全性能。

2 潛液泵電機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 電磁設(shè)計(jì)

潛液泵電機(jī)電磁設(shè)計(jì)采用磁路計(jì)算和有限元計(jì)算相結(jié)合的方法進(jìn)行。根據(jù)用戶對電機(jī)外形尺寸、重量和性能指標(biāo)的要求，經(jīng)過多方案計(jì)算，確定電機(jī)性能參數(shù)，見表1。

表1 潛液泵電機(jī)性能參數(shù)

潛液泵電機(jī)的電磁方案初步確定后，為更準(zhǔn)確分析電機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)，采用有限元方法進(jìn)一步多方案分析計(jì)算，指導(dǎo)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。電機(jī)各部分磁密分布和輸出轉(zhuǎn)矩計(jì)算結(jié)果見圖2和圖3，滿足設(shè)計(jì)要求。

為減少因電機(jī)發(fā)熱帶來的LNG氣化，根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)對比分析，確定了在提高電機(jī)效率方面主要采取的措施如下。

1）電機(jī)轉(zhuǎn)子采用閉口槽。轉(zhuǎn)子采用閉口槽后，一方面可減少旋轉(zhuǎn)損耗，表現(xiàn)在電機(jī)的空載鐵耗、負(fù)載雜散損耗和液摩損耗均有顯著下降；但另一方面，轉(zhuǎn)子采用閉口槽后，轉(zhuǎn)子漏抗變大，導(dǎo)致功率因數(shù)減小負(fù)載電流增大，銅耗增加。通過仿真分析計(jì)算，若將槽部橋拱高度控制在0.2 mm，功率因數(shù)變化很小，可有效提高電機(jī)效率。

2）降低定子電流，減小銅耗。由于技術(shù)要求規(guī)定了電機(jī)的外形尺寸，當(dāng)轉(zhuǎn)軸不導(dǎo)磁時，轉(zhuǎn)子軛部磁密偏高，導(dǎo)致功率因數(shù)下降，定子電流增大；當(dāng)轉(zhuǎn)軸導(dǎo)磁時，轉(zhuǎn)子軛部磁密減小，功率因數(shù)提高，定子電流減小。經(jīng)過有限元仿真分析計(jì)算表明，采用導(dǎo)磁轉(zhuǎn)軸時，定子電流比采用不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)軸時小約4 A，可有效降低銅耗，提高電機(jī)效率。因此，潛液泵電機(jī)轉(zhuǎn)軸采用導(dǎo)磁的不銹鋼材料。

通過電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)，電機(jī)外形尺寸和重量滿足要求，各部分磁密分布合理，定子電流、效率和輸出轉(zhuǎn)矩等性能指標(biāo)滿足使用要求。

圖2 額定工況下磁密分布

2.2 低溫材料的選取方法

潛液泵電機(jī)運(yùn)行時完全浸沒在LNG中，溫度為-162℃，為保證絕緣性能的可靠性，所選取的材料必須耐低溫。但由于LNG易燃易爆，材料的低溫試驗(yàn)用液氮（-196℃）代替，通過在液氮環(huán)境下進(jìn)行一系列的材料性能試驗(yàn)，確定了制造潛液泵電機(jī)在低溫環(huán)境下所需的低溫電纜線、電磁線、槽部絕緣、絕緣漆、硅鋼片、緊固件等關(guān)鍵材料。

低溫電纜線選取以特氟龍等為絕緣層的電纜，試驗(yàn)時將其浸泡在液氮環(huán)境下2 h以上拿出來后立即進(jìn)行彎折試驗(yàn)，彎折半徑需大于電纜的規(guī)定值，只有彎折試驗(yàn)后電纜表面的絕緣未出現(xiàn)破損現(xiàn)象，才能滿足使用要求。

電機(jī)定子繞組所用的電磁線進(jìn)行低溫試驗(yàn)時將具有耐低溫特性的電磁線繞在銅棒上，線圈與銅棒之間墊有與電機(jī)槽絕緣一樣的絕緣材料。未浸耐低溫絕緣漆之前，用1800 V對地耐壓試驗(yàn)，漏電流約為0 mA，絕緣狀態(tài)良好。在液氮下浸泡1～10 h，當(dāng)液氮揮發(fā)完或把線圈從液氮中拿出來后，絕緣未見破損，線圈上有大量冷凝水。用1800 V對地耐壓試驗(yàn)，線圈漏電流在3.3 mA左右，說明在有冷凝水的情況下電磁線絕緣性能下降。將繞有電磁線的銅棒浸耐低溫絕緣漆后再浸泡在液氮環(huán)境中1～10 h，從液氮中拿出來后，未見絕緣漆和絕緣材料破損，在其上布滿冷凝水的環(huán)境下，用1800 V對地耐壓試驗(yàn)，漏電流約為0 mA，絕緣性能良好。用以上的試驗(yàn)方法可以選取到合適的耐低溫電磁線、槽部絕緣材料和絕緣漆。

硅鋼片、緊固件等在液氮環(huán)境下浸泡2 h以上后，取出進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，硅鋼片彎折受力后表面漆應(yīng)完好、緊固件應(yīng)不出現(xiàn)斷裂則判定為合格，試驗(yàn)表明緊固件須采用不銹鋼材質(zhì)，電機(jī)線圈端部可采用玻璃絲套管，端部綁扎可采用ET100或棉繩。

3.3 機(jī)械設(shè)計(jì)

由于潛液泵電機(jī)工作在低溫環(huán)境下，根據(jù)材料線脹系數(shù)和負(fù)載扭矩來確定配合面的尺寸公差，再對轉(zhuǎn)軸、機(jī)座等的受力情況作分析，主要有轉(zhuǎn)軸的機(jī)械強(qiáng)度和定子鐵心與機(jī)座的在低溫下過盈配合的可靠性進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果表明轉(zhuǎn)軸在額定工況運(yùn)行時，其最大米塞斯應(yīng)力約為17 MPa，變形約為0.03 mm，見圖4、圖5，轉(zhuǎn)軸滿足使用要求，運(yùn)行安全。

定子鐵心與機(jī)座為過盈配合，在常溫下最小的過盈僅為0.003 mm，但是在低溫-196℃時，由于兩者的膨脹系數(shù)不同，需要對低溫時的狀況進(jìn)行計(jì)算。圖6、圖7為定子鐵心和機(jī)座的應(yīng)力分布及變形，最大約為172 MPa，變形為1 mm，滿足機(jī)座和定子鐵心材料使用要求。

圖5 轉(zhuǎn)軸額定工況時的最大形變

圖6 定子鐵心與機(jī)座在低溫-196℃時應(yīng)力分布

圖7 定子鐵心與機(jī)座在低溫-196℃時形變

從圖8可以看出，定子鐵心與機(jī)座在低溫時兩者的過盈壓力除局部為65 MPa外，其余大部為8 MPa左右，可以滿足在低溫環(huán)境下的使用要求。

圖8 定子鐵心與機(jī)座之間的壓力分布

3 試驗(yàn)測量值

低溫潛液泵電機(jī)與葉輪等完成總裝后，將潛液泵完全浸沒在液氮泵池中，進(jìn)行了負(fù)載配套試驗(yàn)，并將潛液泵電機(jī)負(fù)載實(shí)測數(shù)據(jù)與技術(shù)規(guī)格書作對比，見表2。

表2 潛液泵電機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析

負(fù)載試驗(yàn)表明，潛液泵電機(jī)性能良好，性能指標(biāo)滿足技術(shù)規(guī)格書要求。

4 結(jié)束語

本文介紹了潛液泵電機(jī)的一般設(shè)計(jì)方法，具有一定的工程應(yīng)用價值，在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時，應(yīng)用該方法可得到電機(jī)磁場分布和受力情況等，可以在設(shè)計(jì)階段較精確預(yù)測電機(jī)運(yùn)行性能，對設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化提供依據(jù)。

[1] 許實(shí)章. 電機(jī)學(xué)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 1980.

[2] 趙博等. Ansoft 12在工程電磁場中的應(yīng)用[M]. 中國水利水電出版社, 2010.

[3] 胡仁喜等. ANSYS 14.0機(jī)械與結(jié)構(gòu)有限元分析從入門到精通 [M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2013.

Design of LNG Submersible Pump Motor

Xiao Zuwang

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM343

A

1003-4862（2018）10-0010-03

2018-04-09

肖祖旺（1975－），男，高級工程師，研究方向：電機(jī)設(shè)計(jì)。E-mail: xiaozw7122@163.com