潜液式液化天然气泵用低温电机材料特性综述

涂 进，艾程柳，廖勇熙

(1.国网湖南省电力公司 岳阳供电分公司，岳阳 414000;2.中国科学院电工研究所，北京 100190)



潜液式液化天然气泵用低温电机材料特性综述

涂 进1，艾程柳2，廖勇熙1

(1.国网湖南省电力公司 岳阳供电分公司，岳阳 414000;2.中国科学院电工研究所，北京 100190)

低温电机为潜液式液化天然气泵的核心部件，总结了低温电机导磁材料硅钢片的导磁特性和铁心损耗、导电材料电阻率和绝缘材料及永磁体的低温特性，为分析、设计和加工性能良好的潜液式液化天然气泵用低温电机提供了技术基础。

LNG泵;低温电机;材料特性

0 引 言

随着天然气的大量使用，LNG泵在天然气产业中有着广阔的应用前景，但目前美国J. C. Carter，日本Ebara,Nikkiso,Shinko，法国Cryostar等少数几家公司基本垄断着LNG泵的研制技术[1-7]，我国尚无自主知识产权的相关产品[1-3,6,7]，开展LNG泵相关部件的研制非常重要。

潜液式LNG泵具有运行安全、操作简便等优点，已成为LNG泵的主要结构形式[8-9]。潜液式LNG泵的一种常见结构形式如图1所示，其所用电机密封于泵体内、浸泡在-161℃低温LNG中运行，

图1 潜液式LNG泵与低温电机

为潜液式LNG泵的核心部件之一。潜液式LNG泵所用电机为低温电机，其材料的低温性能直接影响着电机的运行性能和使用寿命，因此有必要对低温电机材料的低温性能进行调研和系统总结。

1 低温电机导磁材料低温特性

低温电机的导磁材料是硅钢片，本文重点讨论硅钢片低温下的导磁特性和铁心损耗。

表1为目前各国学者关于各种硅钢片低温特性的研究结论。从表1中可以观察到，硅钢片在低温-196℃的导磁性能略有提高，但与常温差别不大；硅钢片的低温铁心损耗增加，当磁密不饱和时，低温铁耗增加值很小，而当磁密饱和时，低温铁耗增加值较为明显。因此，在设计低温电机时，为了不增大电机的铁耗，电机的磁负荷按照常温电机取值较为合适。

注：表中低温指-196℃。

2 低温电机导体低温特性

本文采用试验法研究了低温电机导体的电阻率，其中导体为铜和铝。

采用日置微欧计RM3543测量某电机定子单相绕组(铜材料)电阻在不同温度下的电阻值，如图1所示。通过对不同温度下的数据点进行拟合，可以得到电机电阻关于温度的拟合函数，根据该函数可以求出不同温度的电阻比值，进而得到铜导体电阻率的比值。按照该思路可求出不同温度的铜导体电阻率与常温25℃的比值函数τCu:

(1)

式中:t为温度，单位为℃。

按照双频静止试验法，可测量出某(铸铝)鼠笼式异步电机转子低频电阻(折算值)在不同温度的电阻值，如图2所示。根据试验数据可得到转子电阻关于温度的拟合函数，进而得到不同温度铝导体电阻率与常温25℃的比值函数τAl:

(2)

图2 定子单相电阻随温度的变化关系

图3 转子电阻随温度变化关系

根据铜、铝导体的电阻率比值关于温度的函数τCu(t)，τAl(t)，即可求出低温电机在不同温度的定、转子电阻，进而计算低温电机的运行性能。

3 低温电机绝缘及永磁材料的低温特性

文献[15-17]均对低温电机绝缘材料的低温特性进行了研究。其中，文献[15]指出：低温电机电缆应采用聚四氟乙烯绝缘电缆；定子槽端部的主绝缘应采用叠片状的涤纶—聚酯薄膜—涤纶和Nomex人造纤维的复合绝缘结构；电机绕组采用环氧树脂真空浸漆；定子绕组匝间绝缘采用瞬态阻抗涂层工艺，或使用重甲式厚层聚乙烯—氨基—酰亚胺绝缘层导线，导线外套单层涤纶玻璃；大多数绝缘材料浸泡在低温绝缘液体中的绝缘强度会得到提高。文献[16]指出，低温电机定子绕组应采用环氧树脂真空浸漆；高温聚四氟乙烯能够满足深冷低温条件下的电机电缆绝缘强度要求，交联聚乙烯电缆或交联聚烯烃护套电缆能够在一些碳氢化合物泵用电机中使用。文献[17]指出，低温电机定子铜导线应涂上聚酯酰亚胺，再涂上聚酰胺-酰亚胺并套上sofimide管，从而保证导线在77K低温下的绝缘。

总结以上关于低温电机绝缘材料文献，可以得到有关低温电机绝缘材料几条重要结论：

(a)电缆应采用聚四氟乙烯绝缘材料;

(b)槽绝缘和绕组匝间绝缘应采用适应低温的复合绝缘层;

(c)绕组应采用环氧树脂真空浸漆。

文献[17-18]研究了低温永磁电机永磁材料的特性。文献[17]指出传统钕铁硼永磁材料不宜用于低温环境中，研制的低温永磁电机样机选用了钐钴永磁材料，但并未进行低温试验验证。文献[18]研究了推进泵用低温(-165℃或-240℃)永磁同步电动机所用永磁材料的低温特性。文中测量了低温(-196℃)冲击试验前后永磁体性能的变化，具体为测量永磁材料浸泡于液氮30 min前后的性能参数，测量结果汇总于表2。测试结果表明永磁体的磁特性略有恶化。

表2 低温对永磁电机电磁特性的影响

注：表中低温指-196℃。

4 结 语

本文通过系统总结低温电机导磁、导电、绝缘和永磁材料的低温性能，得到以下结论：

(1)当硅钢片的磁负荷不饱和时，其低温磁导率和铁心损耗与常温接近；

(2)低温电机的铜和铝导体电阻率大幅降低，其值可根据式(1)、式(2)计算；

(3)低温电机的绝缘材料方面需要重点考虑材料的低温物理脆性，重要绝缘部位需要采用复合绝缘结构，定子绕组应采用环氧树脂真空浸漆；

(4)永磁材料的低温性能目前还缺乏相关研究。低温冲击试验表明，短时间的低温浸泡会恶化永磁体磁特性，但影响不大。

这些结论为研制性能良好的LNG泵用低温电机奠定了基础。

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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

涂进(1981-),男,硕士研究生,工程师，研究方向为电力设备可靠性分析。