耐高溫永磁電機發展綜述

張 成，尚俊云，曹 寬

(中國航天科技集團第十六研究所，西安 710100)

0 引 言

永磁電機具有結構簡單、體積小、質量輕的特點，比傳統電勵磁電機得到了更廣泛的應用。隨著科學技術的發展，在航空航天等領域的探索不斷深入，永磁電機需要在溫度更高的環境中工作，對耐高溫永磁電機的研究具有更加重要的意義。耐高溫永磁電機是指能在高溫環境下正常工作，使用H級或C級絕緣的永磁電機，它通常具有耐溫等級高、效率高、可靠性高的特點。耐高溫永磁電機集電機、電磁場、傳熱學、流體力學、材料、電力電子、自動控制等學科于一身，是特種電機的一個重要分類。隨著新型耐高溫永磁材料、鐵心沖片材料和絕緣材料的發展，航空航天領域出現了耐溫等級達到300 ℃甚至更高的永磁電機[1]；同時油井、消防煙道等場合也開始使用耐溫等級達到200 ℃的永磁電機[2-3]。這些耐高溫永磁電機能在普通電機無法正常工作的惡劣環境中穩定運行，為任務的完成提供了重要保障。

1 耐高溫永磁電機的應用領域

耐高溫永磁電機的研發通常基于下面三個領域的使用需求：航空航天、油井開采和消防煙道。

1.1 航空航天領域

工作在地球軌道或月球軌道的航天器，由于缺乏有效的散熱手段，加上受到太陽直接照射，其溫度經常超過180 ℃。普通電機無法在這樣的溫度下工作，因此需要專門研發相應的耐高溫永磁電機。

應用于航空航天領域的耐高溫永磁電機具有以下特點：

(1) 工作溫度高。航空發動機工作時，噴口附近的溫度可達350 ℃，工作在該位置的燃油泵用電機需具備相應的耐高溫能力；月球表面被太陽照射時溫度可達180 ℃，金星表面平均溫度可達460 ℃，因此，探測器上的電機普遍擁有很高的耐高溫能力。

(2) 體積小。受到火箭尺寸的限制，航天器的結構往往十分緊湊，相應地，應用在航天器上的耐高溫永磁電機的尺寸也必須足夠小。用于金星探測器的耐高溫永磁電機，其長度、寬度和高度只有幾十毫米。

(3) 功率密度高。航天用電機常常具有體積小和輸出功率大的特點，即具有較大的功率密度。高功率密度加大了散熱的難度，同時對電機的絕緣可靠性提出了更高的要求。

(4) 效率高。航天任務耗資巨大，必須利用有限的資源完成盡可能多的工作，因此高效率對航天電機有非常重要的意義。

1.2 油井開采領域

在油井采油的過程中，需要使用潛油電泵將開采出的油輸送到地面；驅動電泵的電機需要在深達數千米的地層中工作。中低溫油井的溫度可以達到150 ℃，高溫油井的溫度可以達到220 ℃，常規潛油電泵的適用工作溫度低于120 ℃，已不能滿足上述油井的工作需要。因此，需要研發相應的高溫潛油電機。

高溫潛油電機普遍具有直徑小的特點。潛油電機使用時需要安裝在套管中，并隨套管一起進入井下，而套管直徑不超過140 mm。

1.3 消防領域

消防系統中需要煙道排風，在正常運行時和火災發生時將煙氣排放到露天環境。為了保證在火災時仍能順利排出有毒有害煙氣，給建筑內人員提供足夠的逃生時間，煙道電機需要具備在高溫環境中工作的能力。

2 耐高溫永磁電機的發展現狀

2.1 航空航天領域

2.1.1 國外發展現狀

歐美發達國家航空技術和航天技術發展起步早，在電機的耐高溫能力方面經驗豐富，技術成熟，研制的耐高溫永磁電機通常在200 ℃以上的高溫環境中工作。

瑞士Maxon電機公司研制的一種無刷直流電機可以在高溫、高沖擊載荷、振動、真空等惡劣環境下正常工作，工作環境溫度可達240 ℃[2]。

美國Honeybee Robotics(蜜蜂機器人)公司為金星探測任務研發了可耐460 ℃的無刷直流電機，該電機體積為50.8 mm×55.88 mm×55.88 mm，質量0.8 kg。電機的參數如表1所示[2]。

Liu Hanzhou等人設計了一款可以在300 ℃環境下工作的耐高溫永磁電機[1]。該電機為永磁同步電機，采用6極24槽結構，額定功率12 kW，額定轉速12 000 r/min，效率超過90%。該電機定子外部直徑165 mm，電機長度83.3 mm，定子沖片使用鐵鈷礬材料Hiperco 50，轉子永磁體材料為釤鈷材料SmCo 28。該電機在導線外部纏繞陶瓷纖維，以確保電絕緣在高溫下依然有效。

2.1.2 國內發展現狀

相比于歐美發達國家，國內耐高溫永磁電機的發展起步較晚。近年來,經過科研人員的不懈努力，一些耐高溫永磁電機被研發出來并投入使用。

2019年，臻上機電設備有限公司[4]、金士力科技有限公司[5]和摩森機電科技有限公司[6]分別推出了可以在200 ℃環境下工作的耐高溫永磁電機，如表2所示。

表2 三家公司的耐高溫永磁電機參數

2019年1月，嫦娥四號探測器實現世界首次月背軟著陸。該探測器的驅動電機由貴州航天林泉電機有限公司研發，可以在180～220 ℃的高溫環境中正常工作[7]。

2.2 油井開采領域

美國BEI Kimco Magnetics公司為油井勘探研發的耐高溫永磁電機可以承受220℃的高溫和200 MPa的高壓，永磁體采用釤鈷材料，以保證較高的穩定性和耐腐蝕性[2]。

2016年，沈陽工業大學通益科技有限公司的白山等人設計了可以在超過220 ℃環境中工作的高溫潛油電機。該電機的軸為空心結構，軸兩端與電機的頂部端蓋和底部端蓋相連，電機的底部有儲油底座和增壓螺旋葉片，通過軸的運動驅動潤滑油從機殼中的空腔、儲油底座和軸中間的空心結構里流過，形成循環油冷，為電機降溫[8]。

2.3 消防領域

2015年，美國馬拉松電機公司的TCS系列煙道電機，可在300 ℃環境中工作2 h[3]。該系列電機使用H級絕緣，額定電壓380 V，額定功率從750 W到355 kW等多種型號。表3列舉了該系列的部分型號，額定轉速3 000 r/min，2極。

表3 TCS系列煙道電機

2016年，西門子電機(中國)有限公司的陳平曦和周祥設計了一種消防煙道用排煙電機，可以在280 ℃的環境中工作。該電機使用H級絕緣，采用C4游隙軸承、高溫潤滑脂和氟橡膠材料油封，以保證電機在高溫條件下工作[9]。

ABB公司的煙道電機可以在400 ℃的緊急環境下正常工作120min。該系列電壓最高可達690V，額定功率從75 kW到500 kW有多種型號[10]。

3 技術特點及發展趨勢

3.1 技術特點

耐高溫永磁電機具備以下技術特點：

(1) 復雜的多物理場耦合分析

由于工作在高溫環境中，耐高溫永磁電機的電磁參數變化很大，電磁場、溫度場、流體場等多個物理場之間的相互影響變得復雜，并對電機的性能造成重要影響，而這些影響在普通環境下通?？梢院雎?。電機的銅損、溫升、冷卻液的熱導等參數均與溫度相關，而這些參數彼此之間也相互影響，使得多物理場的分析變得困難。

目前,多物理場的耦合分析方法以交替迭代為主。通過電磁場分析求得電機的損耗，再以損耗為熱源，充分考慮電機的工作環境和散熱途徑，建立電機的溫度場，求得電機各部位的溫度。以新的溫度為基礎對電磁場進行重新分析，如此形成迭代。迭代完成后，需要模擬實驗環境對電機進行測試驗證。

(2) 耐高溫材料的選擇

高溫環境下永磁材料的剩磁會減少，工作點也隨之改變。為了降低永磁體永久失磁的風險，永磁材料的矯頑力必須足夠高；為了使永磁電機在高溫環境下也有足夠大的輸出功率，電機必須有足夠大的反電動勢，因此永磁體必須有較低的溫度系數?？紤]上述因素，耐高溫永磁電機的永磁體常使用釤鈷永磁材料(Sm∶Co1∶5或2∶17)制作。

耐高溫永磁電機常常被要求有足夠小的體積，因此定轉子鐵心沖片材料需要有高的飽和磁感應強度；為使電機轉動時鐵心沖片磁場的快速變化，鐵心沖片材料的矯頑力應盡可能小；為降低渦流損耗，鐵心沖片應盡可能薄。考慮上述因素，厚度為0.1 mm或0.2 mm的硅鋼片(如新日鐵20JNEX1500)渦流損耗小，是制作耐高溫永磁電機鐵心沖片的常用材料。一些耐高溫永磁電機使用鐵鈷礬合金沖片(1J22，Hiperco50等)制作鐵心，鐵鈷礬沖片(以Hiperco50為例)的優點是飽和磁感應強度大(2.3 T)、居里點高(940 ℃)[1]，缺點是材料本身較脆，加工難度大。

為確保絕緣在高溫環境下不失效，耐高溫永磁電機需要使用新的材料來實現H級或C級絕緣。玻璃云母是傳統的絕緣材料，但其抵抗熱老化的能力在H級絕緣中最差，現在已很少使用。國內的耐高溫永磁電機常使用環氧樹脂或聚酰亞胺作為絕緣材料，能承受的最高溫度為240 ℃。國外的耐溫300 ℃以上的產品使用玻璃陶瓷絕緣，能承受的最高溫度可達760～815 ℃。

3.2 發展趨勢

(1) 準確的多物理場耦合分析理論

在進行電機的損耗分析時，電機的鐵損和機械損耗難以準確計算；在進行電機的溫度場分析時，接觸熱阻和對流傳熱系數難以準確確定。在進行多物理場耦合分析時，常常對上述問題做近似處理，導致建立的模型與實際情況有差異，建立的模型不準確?？梢姡F有的多物理場耦合分析理論還有改進的空間，電機的損耗模型和傳熱模型亟需更準確的理論來進一步完善。

(2) 新材料的應用

在耐高溫這一方面，永磁電機的永磁體是最脆弱的一環，因此研發新的永磁材料是增強耐高溫永磁電機耐溫等級的一個思路。目前，永磁材料領域的熱門研究方向是新一代永磁材料釤鐵氮(Sm2Fe17Nx)。釤鐵氮材料具有飽和磁化強度高(1.54 T)、居里溫度高(470 ℃)、成本低(不受限于戰略物資金屬鈷)的優點，限制其發展的主要因素是將磁粉制作成永磁體的工藝困難。如果使用粘結方式，那么環氧樹脂粘結劑的耐溫等級低；如果使用燒結方式，那么得到的永磁體矯頑力會大幅降低。如何把釤鐵氮磁粉燒結成永磁體的同時,保證永磁體保持較高的矯頑力，是關系到釤鐵氮材料能否得到普遍使用的重要問題[11]。

4 結 語

通過總結和整理搜集到的論文、專利和相關的新聞報道，從航空航天、油井開采和消防煙道三個領域介紹了耐高溫永磁電機的應用和發展現狀。總的來說，國內的耐高溫永磁電機近年來發展迅速，并取得了一定的成果，但在絕緣材料的耐高溫等級方面與國外頂尖水平尚有較大差距。另外，國內在高溫環境下永磁電機的失效機理、絕緣可靠性等方面缺乏研究，影響對電機壽命的預測。相信隨著國內專家和學者的研究不斷深入，國內耐高溫永磁電機會取得更多的研究成果，縮小與國外頂尖水平的差距；同時隨著航空航天技術的不斷發展，耐高溫永磁電機會有更加廣泛的應用前景。