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          耐高溫永磁材料研究最新進展

          2020/05/20

          【導讀】航天、航空等領域要求電機能在高溫、低溫或真空等惡劣環境下正常工作,然而在超過 150℃或低于-30℃的溫度條件下,永磁電機會出現新的技術難題,常規的電機分析和設計方法具有很大的局限性。


          本文在分析國內外耐高溫電機發展現狀的基礎上,探討了耐高溫永磁電機涉及的關鍵技術,例如: 電機多物理場分析方法、電機材料與電子器件特性分析、永磁電機損耗、溫升和冷卻分析、電機失效機理及壽命預估方法、永磁電機驅動控制技術等。

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          國內外耐高溫永磁電機發展概況

          1、航天用電機的特點

          在航天用電機領域,衛星太陽能帆板展開機構和天線伺服驅動機構上的電機工作溫度可達到120℃以上; 平流層飛行器電機工作環境溫度為-70 ~ 55℃,工作環境大氣 壓 為 4000Pa ~0. 01MPa; 最典型的是月球車電機,美、俄羅斯、中國等 均 研 制 出 了 登月車用電機,電機在-80 ~170℃的寬溫度范圍和真空條件下正常工作。


          電機的工作溫度范圍越寬,月球車的工作效率越高。目前,美國正在研究火星車用電機,溫度范圍更寬。相對于月球車上的其他功能部件,電機系統的環境往往是最惡劣的,由于其他部件可以采用溫控系統進行散熱或隔熱處理,而電機作為基本的驅動部件,在結構上采用溫控系統相對困難,尤其是電機自身發熱,使得電機內部溫升更高。我國對月球車用電機工作的溫度范圍相對較窄,主要原因是對材料特性變化、電機失效機理和可靠性設計缺乏研究及工程經驗積累。在其他航天用電機方面,我國一直在根據型號任務的需求進行產品研發,對于電機是否能夠滿足高溫、低溫等惡劣環境要求,一般是通過實驗進行考核,而模擬實驗環境的可信度有待驗證。


          基于航天的應用背景,作為執行器基礎部件的電機經常工作在惡劣環境和極限工況下。受航天飛行器有限的體積和質量限制,系統對電機提出高的功率密度和轉矩密度等要求,期望電機具有高的加速度和高的穩定工作電流密度; 另一方面,航天應用背景對電機的可靠性和壽命又提出極高要求。為保證電機具有高可靠性,實際應用中往往采用增大電機體積或降低電流密度的方法。因此需要折中處理高功率密度與高可靠性兩者之間的矛盾關系。同時,航天飛行器中電機的冷卻環境和冷卻條件受到制約,基本上不允許采取水冷等措施,而且該類電機常在高速、高轉矩工作點運行,發熱溫升更嚴重。電機溫升過高可造成永磁體失磁、絕緣層損壞甚至電機燒毀等事故。因此,研究耐高溫永磁電機的理論與技術體系具有重要意義。

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          2、國內外耐高溫電機發展現狀

          國內外一些研究機構及電機生產廠家針對高溫環境對電機提出的特殊要求,研制了可耐不同等級溫度環境的永磁電機,取得了一些研究成果。


          ABB 公司推出了一系列耐高溫電機,能夠承受溫度達 90℃、濕度 100% 的惡劣環境。該系列電機為鼠籠式感應電機,其鐵、鋁表面全部進行了多層環氧樹脂表面處理,以保證高溫環境下絕緣材料的可靠性。為使電機在高溫環境下安全運行,應經常檢測軸承溫度,以保證軸承的潤滑效果;并且根據測量結果改變潤滑周期。表 1 為 ABB 耐高溫電機性能參數。

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          瑞士Maxon Motor 公司研制了一種無刷直流電機,可以在高溫、高沖擊載荷、振動、常壓及真空等惡劣環境下正常工作。其設計的最高承受溫度為 240℃,已證實正常的工作溫度范圍為-50 ~200℃,在這個溫度范圍內,電機可承受高沖擊載荷和振動而不損壞。設計人員全面考慮在最大過載工作點電機的軸承結構、潤滑條件、平衡狀態、密封器件、通風狀況以及風扇噪音,以保證電機的臨界轉速和最大轉矩滿足指標需求。

           

          美國BEI Kimco Magnetics 公司為油井勘探研發了一種耐高溫永磁電機,該電機可承受溫度為220℃,壓力為 200MPa,永磁體采用釤鈷永磁材料,以保證較高的穩定性和耐腐蝕性。但是該類最高承受溫度范圍為150 ~ 250℃的電機,其功率多數等級相對較小,在 100W 以內,當轉速在 1000~ 10000r /min 范圍內運行時,其輸出轉矩 僅為mN·m量級。美國 Honeybee Robotics 公司是一家開發機器人技術與航天技術的公司,已經為 NASA完成了 200 多項項目。該公司為支持金星表面探測,研發了可耐高溫 460℃的無刷直流電機。該電機體積為 50. 8 × 55. 88 × 55. 88 ( mm3 ) ,質量只有0. 8kg。美國Firstmark Aerospace 公司為航天工業研發了可耐 500℃的高溫電機,該電機采用特殊的航天材料和機械加工方法。圖1為美國航天耐高溫電機,表 2 為外形尺寸相近的國外耐高溫電機性能參數。

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          此外,除電機本體外,美國阿肯色州CISSOID國際電力電子電機驅動團隊研制的耐高溫電機驅動系統 的 體 積 為 70 ×70 × 100 ( mm3 ) ,可 以 在250℃的環境中穩定運行,并能達到 580kW 的功率等級,被稱為世界一流的結合了碳化硅和硅絕緣的高功率密度的功率變換模塊。


          總結國外耐高溫電機的發展現狀可得,小功率電機的耐高溫等級已經達到很高的水平,根據不同的應用場合要求,在不同的高溫段都有較成熟的產品,其中最高耐溫達到500℃。


          目前國內還沒有成熟的耐高溫永磁電機產品,主要是一些高校開展了相關的研究工作。北京航空航天大學研制了某導彈用高功率/重量比直流永磁電機樣機。該電機的體積為 70×70×130 ( mm3) 、輸出峰值功率為 15kW、額定轉速為 15000r/min、極限工作溫度為 250℃,由于設計的電流密度遠高于常規設計范圍,工作時間極短,約為2min。

           

          哈爾濱工業大學研發了用于油井勘測高溫高壓環境下的無刷直流永磁電機。該電機采用釤鈷永磁材料、4 極18 槽結構、額定功率為 250W、調速范圍為 150 ~ 3000r/min、繞組 C 級絕緣的方式,能滿足 175℃溫度環境下的運行要求。該電機的全數字控制系統能在 175℃環境下穩定工作,并且電機可以運行在恒轉矩和恒功率兩種模式下。


          綜上所述,我國對耐高溫電機及其驅動控制系統的研究相對較晚,與國外耐高溫電機的技術水平還有較大差距。在高溫環境適應性和電磁設計方法上急需形成設計的理論與技術體系。

          耐高溫永磁電機關鍵技術分析

          隨著永磁材料性能的不斷提高,特別是釤鈷永磁的熱穩定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐漸降低以及電力電子器件的進一步發展,同時,由于交流永磁電機具有體積小、功率密度高、效率高、特性好、環境適應性好等優點,故永磁電機在深空探測與開發領域已獲得越來越廣泛的應用。耐高溫永磁電機是復雜的電磁系統,涉及的關鍵技術包括以下方面。


          1、電機多物理場分析方法

          在低溫至高溫的寬溫區范圍、真空等航天惡劣環境下,永磁電機電磁參數變化很大,材料發生非線性變化,電磁場、溫度場、流體場、應力場等各個物理場之間耦合關系更加復雜,在正常環境下可以忽略的多物理場耦合關系變得不可忽略,成為關鍵的技術難題 。電機的鐵心損耗、風摩損耗、電機溫升不但與環境溫度和壓強密切相關,而且相互影響。在真空環境中,散熱條件特殊,與相毗鄰部件的形狀及表面屬性相關,熱輻射與表面溫度成非線性關系。真空至高壓強的變化影響應力和材料特性變化,使得電機的多物理場建模難度增大。因此惡劣環境下永磁電機內各物理場耦合關系非常復雜,研究各物理量和物理場的耦合關系及其動態變化規律非常困難 。


          永磁電機的多物理場分析方法以數值解析法和有限元分析為主。在數值解析方面,通用的建模方法有傳統矩陣法、鍵合圖法、聯結法、網絡法等 。鐘掘院士等提出了對復雜機電系統進行全局耦合分析及耦合并行設計的基本理論 。賀尚紅教授等提出建立復雜網絡拓撲結構的建模矩陣法,并建立機、電、液傳遞矩陣統一模型。文獻采用廣義控制系統對發動機多場耦合數值仿真建立統一的數學模型,求解氣、熱、彈耦合的變域差分問題。介紹了多場耦合的節點映射方法,討論了場域內載荷傳遞。但是數值解析法在耦合建模和求解仍存在較多問題,由于假設條件和忽略因素過多,導致計算精度不夠。在有限元分析方面,眾多 CAD /CAE 軟件公司,如 Ansys、Flux、SIMULIA、UGS 等開發多物理場耦合計算工具,已應用于航空聲學、磁流體力學、動態流固耦合等領域,電磁計算的精度和效率逐步提高。2007 年英國創刊的 《InternationalJournal of Multi Physics》雜志每年召開多場耦合會議,重點關注數值模型、模型計算、實驗調查,其中包括電機多物理場分析。


          在傳統多物理場耦合分析方面,采用交替迭代的方法可以有效解決弱耦合以及周期穩態強耦合場問題,直接耦合方法則是分析暫態強耦合場問題的最佳途徑。最初的多場耦合計算是采用順序單次耦合迭代方法,計算量較少,但是由于沒有考慮多場耦合,計算精確度較差。針對單次順序耦合的不足,提出了同一模型順序耦合計算方法,省去了兩次建模的過程,但是要求多物理場的耦合模型剖分一致且合理,否則計算結果差距較大,并且計算量比較大。同時,在分析含有外電路的直流無刷電機時,還需結合場路耦合分析,妥善處理非線性電路分析中仿真步長與計算量間的矛盾 。由此可見,由于耐高溫電機內耦合物理場多、耦合關系復雜、環境邊界復雜,現有的耦合場建模與解耦計算方法有待進一步改進。


          2、電機材料與器件特性變化規律

          常規電機所用的材料,例如永磁體、電磁線和絕緣材料等,在高溫、低溫等惡劣環境下使用時會出現性能下降、失效、可靠性降低等問題。另一方面,高溫環境下永磁電機材料的特性變化規律復雜,在溫度范圍近 300℃時,硅鋼片的特性變化明顯,電磁線導電特性變化近3 倍,釤鈷永磁材料特性變化30% ,流體黏度特性變化可能達到10 倍以上,絕緣材料的導電特性與介電強度特性發生變化。


          耐高溫永磁電機常采用釤鈷永磁材料,釤鈷Sm2Co17永磁材料工作溫度高達350℃。當工作溫度更高時,考慮采用鋁鎳鈷材料,其最高使用溫度可達520℃,溫度系數為-0. 2% /℃,但其矯頑力低,通常小于160kA /m,在磁路設計時必須校核其去磁工作點。目前已研制出的新型稀土永磁材料,如釹鐵氮、釤鐵氮等,其磁粉的最大磁能積可達 40MGOe,接近釹鐵硼磁粉的 3 倍,而原材料成本是釹鐵硼磁粉的1 /3,但尚處于實驗室研制階段。硅鋼片的磁化曲線和損耗特性曲線對電機的損耗計算、過載能力計算等非常關鍵; 硅鋼片疊片膠粘劑的熱穩定性對電機在高溫、高速運轉下的安全和穩定性有著直接的影響。日本學者Takahashi 等利用具有 700 個節點的網絡模型分析了具有單匝線圈的旋轉電機中定子線圈股線中的溫度分布 ; 分析高溫膨脹引起的機械應力對硅鋼片磁特性的影響,結果表明,隨著壓應力的增大,硅鋼片的磁導率明顯下降,比總損耗顯著升高。絕緣材料的絕緣性能影響電機的安全運行、可靠性和壽命。美國杜邦公司生產聚酰亞胺薄膜和聚酰亞胺膠帶,用于電機電磁線絕緣、電機槽絕緣,最高耐溫可達400℃。若電機產生的熱量使溫度超過了500℃,可以采用陶瓷絕緣。

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          高溫環境下電子器件的特性不但發生明顯變化,還會出現熱噪聲等特殊現象,例如: 模擬器件的參數和線性度變化范圍大; 數字電路抗干擾性變差,出現熱噪聲等特殊現象; 功率器件的輸出特性發生變化,電容電阻的參數漂移明顯。發達國家研制出耐惡劣環境的電子器件,然而因技術保密,可供查詢的文獻極少。由于材料特性和器件特性是電機與驅動控制電路設計的基礎,在高溫、低溫等惡劣環境下,電機材料與電子器件特性的變化規律的獲取和精確模型的建立是耐高溫永磁電機的關鍵技術難題。


          3、永磁電機損耗、溫升和冷卻分析

          在高溫環境下,永磁電機中材料屬性發生變化,引起鐵心損耗、繞組銅損、轉子損耗均發生顯著變化。在傳熱方面,真空或電機內部充油時傳熱方式不同,電機內部溫度分布規律復雜; 在散熱方面,航天用電機的冷卻環境和冷卻條件受到制約,很難設計水冷、風冷等措施,導致其散熱困難。當電機工作在高溫、高速、高功率密度等極限條件下,其發熱溫升更嚴重。電機溫升過高造成永磁體出現不可逆失磁、漆包線絕緣層破壞甚至電機讓繞組燒毀等事故,因此,損耗與溫升的準確計算是耐高溫永磁電機設計與分析的關鍵技術之一,并且電機發熱溫升也是影響電機可靠性和壽命的最主要因素。


          目前,對永磁電機熱問題的研究,主要集中在對熱計算方法的研究上。熱計算方法主要有五種:公式法、等效熱路法、熱網格法、溫度場法和參數辨識法,其中溫度場法是目前最常用的方法。溫度場計算中對熱源 ( 電機損耗) 的計算是基礎。銅耗的計算應主要考慮繞組電阻值受外界環境 ( 如濕度、溫度等) 的影響,以及槽內導體的集膚效應等影響。而電機鐵心損耗的計算,目前較準確的鐵心損耗計算方法是依據分離鐵耗模型,根據產生原因的不同將鐵耗分為磁滯損耗、渦流損耗和雜散損耗,考慮電機內的旋轉磁化和交變磁化分別加以計算 。在計算中,對鐵心損耗系數及修正系數的確定至關重要。高溫環境下,電機負載大范圍變化,它不但使得電機繞組內的電流變化影響銅耗的產生,還導致氣隙磁密波形的非正弦性從而影響鐵耗。因此對高溫環境永磁電機損耗的計算,需要綜合考慮外界環境溫度、電機極限性能及工作狀態等各方面的影響因素。


          以損耗為熱 源,考慮電機的傳熱散熱途徑,建立電機的溫度場,以期得到電機各點的溫度和溫升規律,通常電機溫度場模型中電機材料熱系數是恒定的量,而在高溫環境下,不但電機損耗是時變的,而且電機材料的導熱系數等熱參數也受環境的壓力、溫度等變化影響 。因此需要充分考慮惡劣環境的因素,采用數值計算和有限元分析相結合對永磁電機進行熱問題研究,并且通過模擬實驗環境進行測試驗證,是拓展永磁電機系統在高溫環境條件下安全工作的重要保證。


          4、電機失效機理及壽命預估方法

          高溫環境下永磁電機及電子電路的發熱更容易導致電機及其驅動控制器的性能下降甚至失效。在電機失效機理的研究方面,主要是對絕緣層失效和永磁體失磁的研究。由于缺乏精確的老化數學模型及絕緣失效機理定量描述困難,對電機絕緣的研究一直是電機絕緣診斷技術中的難題,目前的方法主要還是通過非破壞參量來預測剩余擊穿電壓,從而評估電機的絕緣狀態 。而永磁體失磁的主要原因在于在高溫或高低溫交替環境下渦流場引起的損耗溫升,因此研究主要集中在對渦流場的計算,通過對主絕緣性能的評估,來實現對電機壽命的預測。


          目前,國內對電機壽命的研究主要在于對大型電機的研究,這是因為大電機運行條件復雜、惡劣,在長期運行過程中,絕緣逐漸老化,擊穿電壓逐步下降, 而對中小型電機的壽命研究較少,特別是在高溫環境下永磁電機的失效機理及壽命預估研究更少 。而實際上,對于工作在極限性能狀態或耐高溫環境下的中小型電機,由于其極限應用,永磁電機的電磁負荷設計高,電機絕緣老化速度較常規電機會加快,也存在繞組絕緣老化被擊穿失效導致電機燒毀等問題。此外,通常常規電機的電磁負荷設計不是很高,而且為保證電機可靠性常延長電機的設計壽命。而耐高溫永磁電機設計是以追求電機的環境適應性和極限應用為目標,只有認清了電機失效機理及準確預測電機壽命規律,才能在電機設計應用中真正實現該目標。因此,耐高溫永磁電機的失效機理及壽命預測研究是另一個關鍵的技術難題。


          5、高低溫環境永磁電機驅動控制技術

          高低溫環境下電機系統的器件特性和指標變化大,電機模型與參數復雜,非線性度增加、耦合程度增加,功率器件損耗變化大,不但驅動器的損耗分析與溫升控制策略復雜,而且四象限運行控制更加重要,常規的驅動控制器設計和電機系統控制策略不能滿足高溫環境的要求。常規設計的驅動控制器工作在環境溫度相對穩定條件下,而且很少考慮質量、體積等指標。然而在極端工況下,環境溫度在-70 ~ 180℃的寬溫區范圍內變化,大部分的功率器件無法在此低溫中啟動,導致驅動器功能失效。另外受電機系統總質量限制,驅動控制器的散熱性能必然要大幅度減小,這反過來影響驅動控制器的性能及可靠性。

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          超高溫條件下,成熟的SPWM、SVPWM、矢量控制方法等開關損耗較大,應用受到限制。隨著控制理論和全數字控制技術的發展,速度前饋、人工智能、模糊控制、神經元網絡、滑模變結構控制和混沌控制等各種先進算法在現代永磁電機伺服控制中都有了成功的應用。CalogeroCavallaro 提出了包含鐵損的永磁同步電機動態模型 ,并基于該模型提出了內置式永磁同步電機損耗最小控制算法。然而各種控制策略都有其自身難以克服的缺點,尤其是環境變化帶來的參數問題、耦合問題、損耗問題、模型復雜等,使得目前的方法都存在局限性。對耐高溫環境電機驅動控制系統,必須以物理場計算為基礎,密切結合材料與器件特性的變化特點,建立電機-變流器一體化模型,進行場路耦合分析才能充分考慮環境對電機系統特性的影響,充分利用現代控制技術以及智能控制技術,才能提高電機綜合控制品質。另外,工作于惡劣環境下的永磁電機由于不易更換,處于長時間運行工況下,并且外部環境參數 ( 包括: 溫度、壓強、氣流速度和方向等) 變化復雜,導致電機系統工況隨動。因此,必須研究參數攝動以及外部擾動情況下永磁電機高魯棒性驅動控制器的設計技術。

          總結

          綜上所述,耐高溫永磁電機及其驅動控制系統的研究涉及眾多高、新技術領域。隨著國內專家學者對耐高溫電機基礎理論的不斷完善深入,將加快建立耐高溫永磁電機的理論與技術體系; 另一方面,隨著深空、深海和深地探測與開發領域的不斷擴展,耐高溫永磁電機系統具有廣泛的應用前景。

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