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  • 耐高温永磁材料研究最新进展

    2020/05/20

    【导读】航天、航空等领域要求电机能在高温、低温或真空等恶劣环境下正常工作,然而在超过 150℃或低于-30℃的温度条件下,永磁电机会出现新的技术难题,常规的电机分析和设计方法具有很大的局限性。


    本文在分析国内外耐高温电机发展现状的基础上,探讨了耐高温永磁电机涉及的关键技术,例如: 电机多物理场分析方法、电机材料与电子器件特性分析、永磁电机损耗、温升和冷却分析、电机失效机理及寿命预估方法、永磁电机驱动控制技术等。

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    国内外耐高温永磁电机发展概况

    1、航天用电机的特点

    在航天用电机领域,卫星太阳能帆板展开机构和天线伺服驱动机构上的电机工作温度可达到120℃以上; 平流层飞行器电机工作环境温度为-70 ~ 55℃,工作环境大气 压 为 4000Pa ~0. 01MPa; 最典型的是月球车电机,美、俄罗斯、中国等 均 研 制 出 了 登月车用电机,电机在-80 ~170℃的宽温度范围和真空条件下正常工作。


    电机的工作温度范围越宽,月球车的工作效率越高。目前,美国正在研究火星车用电机,温度范围更宽。相对于月球车上的其他功能部件,电机系统的环境往往是最恶劣的,由于其他部件可以采用温控系统进行散热或隔热处理,而电机作为基本的驱动部件,在结构上采用温控系统相对困难,尤其是电机自身发热,使得电机内部温升更高。我国对月球车用电机工作的温度范围相对较窄,主要原因是对材料特性变化、电机失效机理和可靠性设计缺乏研究及工程经验积累。在其他航天用电机方面,我国一直在根据型号任务的需求进行产品研发,对于电机是否能够满足高温、低温等恶劣环境要求,一般是通过实验进行考核,而模拟实验环境的可信度有待验证。


    基于航天的应用背景,作为执行器基础部件的电机经常工作在恶劣环境和极限工况下。受航天飞行器有限的体积和质量限制,系统对电机提出高的功率密度和转矩密度等要求,期望电机具有高的加速度和高的稳定工作电流密度; 另一方面,航天应用背景对电机的可靠性和寿命又提出极高要求。为保证电机具有高可靠性,实际应用中往往采用增大电机体积或降低电流密度的方法。因此需要折中处理高功率密度与高可靠性两者之间的矛盾关系。同时,航天飞行器中电机的冷却环境和冷却条件受到制约,基本上不允许采取水冷等措施,而且该类电机常在高速、高转矩工作点运行,发热温升更严重。电机温升过高可造成永磁体失磁、绝缘层损坏甚至电机烧毁等事故。因此,研究耐高温永磁电机的理论与技术体系具有重要意义。

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    2、国内外耐高温电机发展现状

    国内外一些研究机构及电机生产厂家针对高温环境对电机提出的特殊要求,研制了可耐不同等级温度环境的永磁电机,取得了一些研究成果。


    ABB 公司推出了一系列耐高温电机,能够承受温度达 90℃、湿度 100% 的恶劣环境。该系列电机为鼠笼式感应电机,其铁、铝表面全部进行了多层环氧树脂表面处理,以保证高温环境下绝缘材料的可靠性。为使电机在高温环境下安全运行,应经常检测轴承温度,以保证轴承的润滑效果;并且根据测量结果改变润滑周期。表 1 为 ABB 耐高温电机性能参数。

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    瑞士Maxon Motor 公司研制了一种无刷直流电机,可以在高温、高冲击载荷、振动、常压及真空等恶劣环境下正常工作。其设计的最高承受温度为 240℃,已证实正常的工作温度范围为-50 ~200℃,在这个温度范围内,电机可承受高冲击载荷和振动而不损坏。设计人员全面考虑在最大过载工作点电机的轴承结构、润滑条件、平衡状态、密封器件、通风状况以及风扇噪音,以保证电机的临界转速和最大转矩满足指标需求。

     

    美国BEI Kimco Magnetics 公司为油井勘探研发了一种耐高温永磁电机,该电机可承受温度为220℃,压力为 200MPa,永磁体采用钐钴永磁材料,以保证较高的稳定性和耐腐蚀性。但是该类最高承受温度范围为150 ~ 250℃的电机,其功率多数等级相对较小,在 100W 以内,当转速在 1000~ 10000r /min 范围内运行时,其输出转矩 仅为mN·m量级。美国 Honeybee Robotics 公司是一家开发机器人技术与航天技术的公司,已经为 NASA完成了 200 多项项目。该公司为支持金星表面探测,研发了可耐高温 460℃的无刷直流电机。该电机体积为 50. 8 × 55. 88 × 55. 88 ( mm3 ) ,质量只有0. 8kg。美国Firstmark Aerospace 公司为航天工业研发了可耐 500℃的高温电机,该电机采用特殊的航天材料和机械加工方法。图1为美国航天耐高温电机,表 2 为外形尺寸相近的国外耐高温电机性能参数。

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    此外,除电机本体外,美国阿肯色州CISSOID国际电力电子电机驱动团队研制的耐高温电机驱动系统 的 体 积 为 70 ×70 × 100 ( mm3 ) ,可 以 在250℃的环境中稳定运行,并能达到 580kW 的功率等级,被称为世界一流的结合了碳化硅和硅绝缘的高功率密度的功率变换模块。


    总结国外耐高温电机的发展现状可得,小功率电机的耐高温等级已经达到很高的水平,根据不同的应用场合要求,在不同的高温段都有较成熟的产品,其中最高耐温达到500℃。


    目前国内还没有成熟的耐高温永磁电机产品,主要是一些高校开展了相关的研究工作。北京航空航天大学研制了某导弹用高功率/重量比直流永磁电机样机。该电机的体积为 70×70×130 ( mm3) 、输出峰值功率为 15kW、额定转速为 15000r/min、极限工作温度为 250℃,由于设计的电流密度远高于常规设计范围,工作时间极短,约为2min。

     

    哈尔滨工业大学研发了用于油井勘测高温高压环境下的无刷直流永磁电机。该电机采用钐钴永磁材料、4 极18 槽结构、额定功率为 250W、调速范围为 150 ~ 3000r/min、绕组 C 级绝缘的方式,能满足 175℃温度环境下的运行要求。该电机的全数字控制系统能在 175℃环境下稳定工作,并且电机可以运行在恒转矩和恒功率两种模式下。


    综上所述,我国对耐高温电机及其驱动控制系统的研究相对较晚,与国外耐高温电机的技术水平还有较大差距。在高温环境适应性和电磁设计方法上急需形成设计的理论与技术体系。

    耐高温永磁电机关键技术分析

    随着永磁材料性能的不断提高,特别是钐钴永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐渐降低以及电力电子器件的进一步发展,同时,由于交流永磁电机具有体积小、功率密度高、效率高、特性好、环境适应性好等优点,故永磁电机在深空探测与开发领域已获得越来越广泛的应用。耐高温永磁电机是复杂的电磁系统,涉及的关键技术包括以下方面。


    1、电机多物理场分析方法

    在低温至高温的宽温区范围、真空等航天恶劣环境下,永磁电机电磁参数变化很大,材料发生非线性变化,电磁场、温度场、流体场、应力场等各个物理场之间耦合关系更加复杂,在正常环境下可以忽略的多物理场耦合关系变得不可忽略,成为关键的技术难题 。电机的铁心损耗、风摩损耗、电机温升不但与环境温度和压强密切相关,而且相互影响。在真空环境中,散热条件特殊,与相毗邻部件的形状及表面属性相关,热辐射与表面温度成非线性关系。真空至高压强的变化影响应力和材料特性变化,使得电机的多物理场建模难度增大。因此恶劣环境下永磁电机内各物理场耦合关系非常复杂,研究各物理量和物理场的耦合关系及其动态变化规律非常困难 。


    永磁电机的多物理场分析方法以数值解析法和有限元分析为主。在数值解析方面,通用的建模方法有传统矩阵法、键合图法、联结法、网络法等 。钟掘院士等提出了对复杂机电系统进行全局耦合分析及耦合并行设计的基本理论 。贺尚红教授等提出建立复杂网络拓扑结构的建模矩阵法,并建立机、电、液传递矩阵统一模型。文献采用广义控制系统对发动机多场耦合数值仿真建立统一的数学模型,求解气、热、弹耦合的变域差分问题。介绍了多场耦合的节点映射方法,讨论了场域内载荷传递。但是数值解析法在耦合建模和求解仍存在较多问题,由于假设条件和忽略因素过多,导致计算精度不够。在有限元分析方面,众多 CAD /CAE 软件公司,如 Ansys、Flux、SIMULIA、UGS 等开发多物理场耦合计算工具,已应用于航空声学、磁流体力学、动态流固耦合等领域,电磁计算的精度和效率逐步提高。2007 年英国创刊的 《InternationalJournal of Multi Physics》杂志每年召开多场耦合会议,重点关注数值模型、模型计算、实验调查,其中包括电机多物理场分析。


    在传统多物理场耦合分析方面,采用交替迭代的方法可以有效解决弱耦合以及周期稳态强耦合场问题,直接耦合方法则是分析暂态强耦合场问题的最佳途径。最初的多场耦合计算是采用顺序单次耦合迭代方法,计算量较少,但是由于没有考虑多场耦合,计算精确度较差。针对单次顺序耦合的不足,提出了同一模型顺序耦合计算方法,省去了两次建模的过程,但是要求多物理场的耦合模型剖分一致且合理,否则计算结果差距较大,并且计算量比较大。同时,在分析含有外电路的直流无刷电机时,还需结合场路耦合分析,妥善处理非线性电路分析中仿真步长与计算量间的矛盾 。由此可见,由于耐高温电机内耦合物理场多、耦合关系复杂、环境边界复杂,现有的耦合场建模与解耦计算方法有待进一步改进。


    2、电机材料与器件特性变化规律

    常规电机所用的材料,例如永磁体、电磁线和绝缘材料等,在高温、低温等恶劣环境下使用时会出现性能下降、失效、可靠性降低等问题。另一方面,高温环境下永磁电机材料的特性变化规律复杂,在温度范围近 300℃时,硅钢片的特性变化明显,电磁线导电特性变化近3 倍,钐钴永磁材料特性变化30% ,流体黏度特性变化可能达到10 倍以上,绝缘材料的导电特性与介电强度特性发生变化。


    耐高温永磁电机常采用钐钴永磁材料,钐钴Sm2Co17永磁材料工作温度高达350℃。当工作温度更高时,考虑采用铝镍钴材料,其最高使用温度可达520℃,温度系数为-0. 2% /℃,但其矫顽力低,通常小于160kA /m,在磁路设计时必须校核其去磁工作点。目前已研制出的新型稀土永磁材料,如钕铁氮、钐铁氮等,其磁粉的最大磁能积可达 40MGOe,接近钕铁硼磁粉的 3 倍,而原材料成本是钕铁硼磁粉的1 /3,但尚处于实验室研制阶段。硅钢片的磁化曲线和损耗特性曲线对电机的损耗计算、过载能力计算等非常关键; 硅钢片叠片胶粘剂的热稳定性对电机在高温、高速运转下的安全和稳定性有着直接的影响。日本学者Takahashi 等利用具有 700 个节点的网络模型分析了具有单匝线圈的旋转电机中定子线圈股线中的温度分布 ; 分析高温膨胀引起的机械应力对硅钢片磁特性的影响,结果表明,随着压应力的增大,硅钢片的磁导率明显下降,比总损耗显著升高。绝缘材料的绝缘性能影响电机的安全运行、可靠性和寿命。美国杜邦公司生产聚酰亚胺薄膜和聚酰亚胺胶带,用于电机电磁线绝缘、电机槽绝缘,最高耐温可达400℃。若电机产生的热量使温度超过了500℃,可以采用陶瓷绝缘。

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    高温环境下电子器件的特性不但发生明显变化,还会出现热噪声等特殊现象,例如: 模拟器件的参数和线性度变化范围大; 数字电路抗干扰性变差,出现热噪声等特殊现象; 功率器件的输出特性发生变化,电容电阻的参数漂移明显。发达国家研制出耐恶劣环境的电子器件,然而因技术保密,可供查询的文献极少。由于材料特性和器件特性是电机与驱动控制电路设计的基础,在高温、低温等恶劣环境下,电机材料与电子器件特性的变化规律的获取和精确模型的建立是耐高温永磁电机的关键技术难题。


    3、永磁电机损耗、温升和冷却分析

    在高温环境下,永磁电机中材料属性发生变化,引起铁心损耗、绕组铜损、转子损耗均发生显著变化。在传热方面,真空或电机内部充油时传热方式不同,电机内部温度分布规律复杂; 在散热方面,航天用电机的冷却环境和冷却条件受到制约,很难设计水冷、风冷等措施,导致其散热困难。当电机工作在高温、高速、高功率密度等极限条件下,其发热温升更严重。电机温升过高造成永磁体出现不可逆失磁、漆包线绝缘层破坏甚至电机让绕组烧毁等事故,因此,损耗与温升的准确计算是耐高温永磁电机设计与分析的关键技术之一,并且电机发热温升也是影响电机可靠性和寿命的最主要因素。


    目前,对永磁电机热问题的研究,主要集中在对热计算方法的研究上。热计算方法主要有五种:公式法、等效热路法、热网格法、温度场法和参数辨识法,其中温度场法是目前最常用的方法。温度场计算中对热源 ( 电机损耗) 的计算是基础。铜耗的计算应主要考虑绕组电阻值受外界环境 ( 如湿度、温度等) 的影响,以及槽内导体的集肤效应等影响。而电机铁心损耗的计算,目前较准确的铁心损耗计算方法是依据分离铁耗模型,根据产生原因的不同将铁耗分为磁滞损耗、涡流损耗和杂散损耗,考虑电机内的旋转磁化和交变磁化分别加以计算 。在计算中,对铁心损耗系数及修正系数的确定至关重要。高温环境下,电机负载大范围变化,它不但使得电机绕组内的电流变化影响铜耗的产生,还导致气隙磁密波形的非正弦性从而影响铁耗。因此对高温环境永磁电机损耗的计算,需要综合考虑外界环境温度、电机极限性能及工作状态等各方面的影响因素。


    以损耗为热 源,考虑电机的传热散热途径,建立电机的温度场,以期得到电机各点的温度和温升规律,通常电机温度场模型中电机材料热系数是恒定的量,而在高温环境下,不但电机损耗是时变的,而且电机材料的导热系数等热参数也受环境的压力、温度等变化影响 。因此需要充分考虑恶劣环境的因素,采用数值计算和有限元分析相结合对永磁电机进行热问题研究,并且通过模拟实验环境进行测试验证,是拓展永磁电机系统在高温环境条件下安全工作的重要保证。


    4、电机失效机理及寿命预估方法

    高温环境下永磁电机及电子电路的发热更容易导致电机及其驱动控制器的性能下降甚至失效。在电机失效机理的研究方面,主要是对绝缘层失效和永磁体失磁的研究。由于缺乏精确的老化数学模型及绝缘失效机理定量描述困难,对电机绝缘的研究一直是电机绝缘诊断技术中的难题,目前的方法主要还是通过非破坏参量来预测剩余击穿电压,从而评估电机的绝缘状态 。而永磁体失磁的主要原因在于在高温或高低温交替环境下涡流场引起的损耗温升,因此研究主要集中在对涡流场的计算,通过对主绝缘性能的评估,来实现对电机寿命的预测。


    目前,国内对电机寿命的研究主要在于对大型电机的研究,这是因为大电机运行条件复杂、恶劣,在长期运行过程中,绝缘逐渐老化,击穿电压逐步下降, 而对中小型电机的寿命研究较少,特别是在高温环境下永磁电机的失效机理及寿命预估研究更少 。而实际上,对于工作在极限性能状态或耐高温环境下的中小型电机,由于其极限应用,永磁电机的电磁负荷设计高,电机绝缘老化速度较常规电机会加快,也存在绕组绝缘老化被击穿失效导致电机烧毁等问题。此外,通常常规电机的电磁负荷设计不是很高,而且为保证电机可靠性常延长电机的设计寿命。而耐高温永磁电机设计是以追求电机的环境适应性和极限应用为目标,只有认清了电机失效机理及准确预测电机寿命规律,才能在电机设计应用中真正实现该目标。因此,耐高温永磁电机的失效机理及寿命预测研究是另一个关键的技术难题。


    5、高低温环境永磁电机驱动控制技术

    高低温环境下电机系统的器件特性和指标变化大,电机模型与参数复杂,非线性度增加、耦合程度增加,功率器件损耗变化大,不但驱动器的损耗分析与温升控制策略复杂,而且四象限运行控制更加重要,常规的驱动控制器设计和电机系统控制策略不能满足高温环境的要求。常规设计的驱动控制器工作在环境温度相对稳定条件下,而且很少考虑质量、体积等指标。然而在极端工况下,环境温度在-70 ~ 180℃的宽温区范围内变化,大部分的功率器件无法在此低温中启动,导致驱动器功能失效。另外受电机系统总质量限制,驱动控制器的散热性能必然要大幅度减小,这反过来影响驱动控制器的性能及可靠性。

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    超高温条件下,成熟的SPWM、SVPWM、矢量控制方法等开关损耗较大,应用受到限制。随着控制理论和全数字控制技术的发展,速度前馈、人工智能、模糊控制、神经元网络、滑模变结构控制和混沌控制等各种先进算法在现代永磁电机伺服控制中都有了成功的应用。CalogeroCavallaro 提出了包含铁损的永磁同步电机动态模型 ,并基于该模型提出了内置式永磁同步电机损耗最小控制算法。然而各种控制策略都有其自身难以克服的缺点,尤其是环境变化带来的参数问题、耦合问题、损耗问题、模型复杂等,使得目前的方法都存在局限性。对耐高温环境电机驱动控制系统,必须以物理场计算为基础,密切结合材料与器件特性的变化特点,建立电机-变流器一体化模型,进行场路耦合分析才能充分考虑环境对电机系统特性的影响,充分利用现代控制技术以及智能控制技术,才能提高电机综合控制品质。另外,工作于恶劣环境下的永磁电机由于不易更换,处于长时间运行工况下,并且外部环境参数 ( 包括: 温度、压强、气流速度和方向等) 变化复杂,导致电机系统工况随动。因此,必须研究参数摄动以及外部扰动情况下永磁电机高鲁棒性驱动控制器的设计技术。

    总结

    综上所述,耐高温永磁电机及其驱动控制系统的研究涉及众多高、新技术领域。随着国内专家学者对耐高温电机基础理论的不断完善深入,将加快建立耐高温永磁电机的理论与技术体系; 另一方面,随着深空、深海和深地探测与开发领域的不断扩展,耐高温永磁电机系统具有广泛的应用前景。

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