潜液式液化天然气泵用低温永磁同步电机研究现状综述
张书宽1 王发琛1 曲荣海2 朱景伟1 刘光伟3
（1. 大连海事大学船舶电气工程学院 大连 116026 2. 华中科技大学电气与电子工程学院 武汉 430074 3. 沈阳工业大学特种电机与高压电器教育部重点实验室 沈阳 110870）
摘要 低温永磁同步电机具有高效率、高功率密度和运行稳定的优点，正在逐步替代低温感应电机，成为液化天然气泵用低温电机未来的发展趋势，但仍有一些关键技术问题有待解决。该文首先详细阐述了低温环境下永磁同步电机关键材料的电磁特性和机械特性的变化规律，明确了不同材料的选取原则。在此基础上，重点总结了低温永磁同步电机的设计方法、拓扑结构、多物理场耦合分析及控制策略等关键技术。然后，介绍了现有低温电机的制造工艺与测试方法，指出当前低温电机测试所面临的挑战和不足。最后，探讨了低温永磁同步电机领域亟待解决的关键技术问题，并对低温永磁同步电机的研究方向和发展趋势进行了展望。
关键词：低温永磁同步电机 低温材料特性 设计方法 控制策略 低温测试
0 引言
作为清洁能源，天然气在一次能源结构中的占比逐渐增大，全球能源结构已发展成为由石油、煤炭、天然气和新能源组成的新格局[1]。不断加强环境治理，加快能源结构转型已成为全球的共识，对天然气这种清洁能源的需求正在快速增长，天然气消费量不断增加的同时也带来了天然气运输问题[2]。
天然气液化后的体积仅为气态下的1/600，便于储存和运输，除通过管道以气体形式输送以外，大部分天然气均采用液化天然气（Liquid Natural Gas, LNG）的形式运输。LNG具有高辛烷值、低成本、环保性好等优点，作为燃料被应用于船舶、汽车、发电站等领域，以满足市场对高经济效率、安全性和可靠性的需求[3]。
LNG泵是在LNG运输和使用过程中的核心设备。潜液式LNG泵可与驱动电机同轴连接，并浸没在LNG中，省去复杂的密封元件，因其结构简单、效率高、运行安全稳定等优点成为了LNG运输与使用过程中的理想选择[4-5]。LNG在运输过程中的温度很低，一般为-161℃，因此潜液式LNG泵使用的电机必须为低温电机。目前，只有Nikkiso（日本日机装）、Ebara（日本荏原）、Shinko（日本神钢）、Vanzetti（意大利凡泽特）、湖南耐普、大连深蓝等少数公司开展了潜液式LNG泵用低温电机的研制与生产，表1为目前部分潜液式LNG泵产品[6-12]。根据叶轮及诱导轮数量，LNG泵可分为单级和多级结构。LNG泵所用驱动电机可分为感应电机和永磁同步电机两类。电机功率等级为2.5～2 500 kW，转速在1 500～10 000 r/min范围内，电压等级多为380 V、440 V，也有3 300 V、6 600 V的中高压低温电机产品。图1为日本神钢公司SM系列低温潜液泵及电机的定子与转子结构。
目前，日本在潜液式LNG泵的研制方面处于领先地位，国内研制的LNG泵及配套驱动电机型号规格相对较少，无法满足LNG绿色能源快速发展的应用需求，大多数公司LNG泵的核心驱动部件多采用低温感应电机。但感应电机的功率因数较低、损耗大、效率低，较高的温升可能引起LNG的气化问题。因此，感应电机正逐步被高效率、高转矩密度、运行稳定的低温永磁同步电机（Cryogenic Permanent Magnet Synchronous Motor, CPMSM）所替代[13]。开展对LNG泵用潜液式CPMSM的研究具有重要意义，同时可为航空航天等其他低温电机应用领域奠定基础。
表1 典型潜液式LNG泵产品
Tab.1 Typical submerged LNG pump products
电机类型厂商型号电压/V功率/kW转速/(r/min)流量/(m3/h)扬程/m 永磁同步电机日本日机装TC-34.2—2.5～2502 000～10 0000.24～363.3615～1 220 Vertical Turbine—125～2502 000～4 200227.1～567.7214～590 天津佰焰JNC-15-2380155 50018.9290 JNC-18.5-238018.55 80023.4263 JNC-22-2380226 20026.4268 湖南耐普NLP50-100X2—111 500～6 00018170 NLP50-100X4—221 500～6 00016400 感应电机日本神钢SM 50440223 6003090～165 SM 3004406301 8001 50090～160 SM 300H3 300, 6 6005601 8001 500145～195 日本荏原2ECS/ECRS—655 10099360 3ECS/ECRS—914 800205301 4ECS/ECRS—944 800278233 意大利凡泽特ARTIKA 200-1S—226 0154.8～52.8215 ARTIKA 200-2S—30～376 0154.8～52.8430 ARTIKA 200-4S—60～755 985～5 9904.8～52.8860 大连深蓝RC-G—15～1 1201 490～3 0003 000700 RC-H—55～2 5001 490～3 0008403 500
为了全面了解LNG泵用CPMSM的研究现状，本文对CPMSM的材料低温特性、设计优化、多物理场仿真、控制策略、电机制造与测试五个方面进行了分析、总结以及展望。
1 关键材料的低温特性
CPMSM使用的铁心材料、永磁体材料、绝缘材料和铜导体等材料的电磁特性、热特性、结构特性等均会受低温工作环境的影响，对CPMSM使用材料在低温下的特性变化开展深入研究，揭示其变化规律与变化机理，是建立CPMSM设计理论与设计方法的前提条件。近年来，诸多学者在LNG泵用低温电机材料的低温特性方面做了大量研究工作，积累了很多经验与研究成果。
1.1 铁心材料
硅钢片是目前电机定转子铁心使用最多的导磁材料，其电磁特性会影响电机的运行性能与损耗，图2为采用硅钢片叠压制造的CPMSM定子铁心样件[14-15]。为探究硅钢片在低温下与室温（25℃）下电磁特性的差异，国内外学者在液氮（-196℃）中对多种牌号的硅钢片进行了低温性能测试。
表2给出了一些典型软磁材料在-196℃条件下的磁特性变化规律[16-21]。文献[16]对无取向硅钢片V400-50A和取向硅钢片VM111-35N、M140-30S进行低温测量。发现在液氮中三种硅钢片的电导率随温度的降低而增大，增加范围在20.9%～22.9%。由于电导率增大，电机铁心的磁滞损耗与涡流损耗均增加，其中涡流损耗增加更为显著，增加范围在22.2%～29.6%；三种硅钢片的总损耗增加约10.0%～14.8%。由于无取向硅钢片受谐波磁场的影响更为显著，因此，与取向硅钢片相比，无取向硅钢片的铁心损耗增加3.4%。
表2 -196℃条件下软磁材料的特性
Tab.2 Magnetic properties of soft magnetic materials at -196℃
文献软磁材料剩磁(%)矫顽力(%)电导率(%)磁滞损耗(%)涡流损耗(%)总损耗(%) 无取向硅钢片[16]V400-50A——+22.8+5.3+29.6+14.8 [17-18]M330-35A——+26.6——+18.0 [17-18]M330-50A——+25.8——+20.0 [17-18]M235-35A——+9.9——+11.0 [19]50A290——+26.4+5.7+21.3+13.0 [19]50A470——+30.9+9.3+37.9+18.0 [19]50A1300——+288.7+11.9+234.1+95.0 [20]50W310+31.48+20.63———+24.4 取向硅钢片[16]VM111-35N——+22.90+22.2+10.0 [16]M140-30S——+20.9+4.2+25.0+12.8 [21]27QG110+5.5+16———+19.2 非晶合金[21]SA1+10.9+45.9———+32.5 [21]RF1-1000+10.0+35.2———+1.85
文献[17-18]利用直接绕线法对三种无取向硅钢片M330-35A、M330-50A、M235-35A的相对磁导率和铁耗进行测量。结果表明，在低温下三种硅钢片的涡流损耗系数和杂散损耗系数增加较大，增加范围分别在9.8%～26.6%、18.5%～32.2%，而磁滞损耗系数增加较小，增加范围在0.8%～4.5%。随着频率增加，低温下硅钢片损耗与相对磁导率分别增加和减小，表现出与常温下相同的变化规律。
此外，硅钢片中硅的含量越高，温度降低对硅钢片电导率、矫顽力的影响越小，而对相对磁导率的影响越大。图3为室温和低温下50A290和50A1300硅钢片磁滞回线和相对磁导率变化曲线。可以发现，在低温下，低硅含量的50A1300硅钢片矫顽力增加91.5%，高硅含量的50A290硅钢片矫顽力基本不变；磁场强度为1 T时，50A1300硅钢片相对磁导率增加16.5%，而50A290硅钢片相对磁导率增加27.9%[19]。
因此，选用硅钢片作为CPMSM的铁心材料时，为防止电机发热量过大带来的LNG气化问题，应选用硅含量较高的取向硅钢片。
为探究硅钢片电磁特性在低温冲击下的变化过程及影响因素，文献[20]对中频薄带系列、去应力退火系列、高效系列和50W310硅钢片进行低温冲击试验，测试样品及测试装置如图4所示。以200 Hz条件下的50W310硅钢片为例，硅钢片从室温进入到液氮瞬间磁通密度、剩磁、矫顽力和损耗均会迅速增大，分别增加7.4%、20.8%、15.1%、42.5%。此外，随着频率增大，硅钢片的剩磁、矫顽力、损耗增加更显著。50W310硅钢片低温冲击变化曲线如图5所示，与50 Hz相比，1 kHz频率下硅钢片的剩磁、矫顽力、损耗分别增大13.2%、22.5%、10.4%。在液氮中长时间浸泡，硅钢片磁通密度会在一定范围内小幅度波动，剩磁、矫顽力和损耗基本保持稳定。从液氮中脱离的瞬间，磁通密度、剩磁、矫顽力和损耗均迅速降低，并逐渐恢复至室温时的状态。
此测试得到的另外三种硅钢片的磁通密度、剩磁、矫顽力、损耗呈现与上述相同的变化规律，证实了上述低温冲击前后硅钢片磁性能的变化规律，为低温电机中硅钢片的服役性能提供了重要的参考。
随着新型材料的发展，采用低损耗的非晶合金材料[22]和软磁复合材料[23]可以提高电机效率，在永磁电机中的应用逐渐增多[24]。文献[21]对取向硅钢片27QG110、非晶合金SA1和RF1-1000的低温电磁特性进行了测试。图6给出了三种材料在室温和低温下的磁化曲线与损耗。在低温环境下，非晶合金的磁感应强度和剩磁与硅钢片的增加率接近，但非晶合金矫顽力的增加率高于硅钢片，约为硅钢片的2.2～2.9倍；低温下非晶合金的损耗同样低于硅钢片，在50 Hz时仅为硅钢片的12.8%～16.1%。虽然非晶合金材料的饱和磁感应强度低于硅钢片，铁心材料的利用率较低，但非晶合金材料的损耗显著下降，电机效率提高。因此，非晶合金材料也是低温电机铁心材料的良好选择之一。
目前，对软磁复合材料的研究大都是在室温或高温条件下开展的。高温环境下软磁复合材料的磁通密度会降低[25]，对低温下软磁复合材料电磁特性的研究还未见相关研究报道。由于软磁复合材料也具有低损耗的优点，所以后续对软磁复合材料的低温电磁特性的研究是很有必要的。
综上所述，硅钢片等软磁材料的电磁特性对温度变化较为敏感，低温下硅钢片的电导率、剩磁和矫顽力均增大，涡流损耗和磁滞损耗也相应增加，在CPMSM电磁设计与高效控制时需考虑上述影响。
1.2 永磁材料
钕铁硼永磁材料和钐钴永磁材料具有高剩磁、高矫顽力、高磁能积的优异磁性能，成为目前永磁同步电机广泛使用的永磁材料。
为探究钕铁硼永磁材料在低温环境下的磁性能，文献[26]对钕铁硼永磁体的低温特性进行研究，发现温度低于-133℃时钕铁硼永磁体会从单轴各向异性材料变为易磁化的锥形各向异性材料，使钕铁硼永磁体容易发生退磁。在液氮中钕铁硼永磁体的剩磁呈现无规律变化，即发生失磁现象[27]。
文献[28]将钐钴永磁体在液氮中浸泡1 h后对永磁体的剩磁进行测量，测试装置如图7所示。结果表明，在液氮中钐钴永磁体的剩磁比室温时增大约6.5%。鉴于以上原因，目前CPMSM一般不采用钕铁硼永磁材料，大多使用钐钴材料。
表3给出了钐钴永磁与钕铁硼永磁的机械特性对比[29]，二者的韦氏硬度与抗压强度相近，但钐钴永磁的弯曲强度和抗拉强度均小于钕铁硼永磁，抗拉强度仅为35 MPa，远小于其抗压强度。设计CPMSM时应特别注意转子永磁体槽的结构，并在最高转速下校核永磁体的机械应力，防止永磁体产生由拉应力引起的机械损坏。现有文献缺少低温冲击条件下钐钴永磁体机械特性的相关研究。
表3 永磁体机械特性对比
Tab.3 Comparison of mechanical properties
物理参数钐钴永磁 (217型)钕铁硼永磁 密度/(kg/m3)8 5007 500 韦氏硬度/HV500～600600 弯曲强度/MPa150250 抗压强度/MPa800780 抗拉强度/MPa3580
文献[14]将钕铁硼粉末和铁粉混合制成的永磁材料在液氮中浸泡30 min后取出，自然恢复到室温，对该种永磁材料的电磁特性和机械特性进行分析。发现单次低温冲击使该种永磁材料的剩磁增大0.9%，矫顽力和最大磁能积分别降低1.4%、0.5%，但该种永磁材料的机械特性有所增强，特别是抗拉强度增加了32%，上述结果表明低温冲击基本不会对该种永磁材料造成较为恶劣的影响。
1.3 绕组材料
铜材料是LNG泵用低温电机广泛使用的绕组材料，铜导体的电导率随温度降低而升高，并表现出较好的耐低温性能，可以提高LNG泵用低温电机的效率和可靠性，目前对铜导体低温电特性的分析方法有两种。一种是采用铜电阻率随温度变化的关系[30-31]，函数关系为
式中，T为工作环境温度；T0为温度，T0=0℃；r 为温度为T时的电阻率；r0为0℃时的电阻率，r0= 1.7×10-8 W∙m；a 为电阻率温度系数，对于铜，a = 3.89×10-3℃。根据式（1），LNG环境（-161℃）中，铜电阻率为6.35×10−9 W∙m，降低为常温的37.4%。
另一种方法是通过试验测得不同温度下多组铜电阻率随温度变化的试验数据，并拟合得到铜电阻率与温度的函数关系[32]，有
式中，t1为温度，范围-200～55℃。
文献[33]用测量了某电机定子绕组在-200～25℃范围内的电阻值，根据试验数据拟合得到电阻关于温度的拟合函数，进一步获得不同温度下铜导体电阻率与常温25℃时的比值函数，有
式中，t2为温度，范围-200～25℃。
综上所述，铜导体的电阻率随温度的降低而降低且呈线性关系。低温环境下电机的铜耗会降低，这为提高CPMSM的负载电流密度提供了有利条件。
此外，一些学者正在探索使用超导材料作为低温电机的绕组。K. Kajikawa等采用MgB2超导导线设计了一台用于液氢（-252.87℃）泵的超导低温电机[34]。与采用铜绕组低温电机相比，液氢环境中该超导低温电机的损耗大幅降低，每相交流损耗仅为0.45 W，输出转矩和功率密度增大3倍以上。此外，稀土钡氧化铜系列超导材料具有高临界温度（-180℃）、良好的机械性能、低交流损耗、高载流能力等优点，有助于提高超导电机的性能和效率，使其成为超导电机线圈的良好选择[35-37]。尤其是钇钡氧化铜超导体可以在液氮环境中实现超导，提高了超导电机的工作温度[38-39]。
LNG泵采用超导电机将会大幅提高LNG泵的效率和可靠性。然而，LNG泵用低温电机的工作温度为-161℃，在目前实际应用的高温超导材料中，工作温度最高的为Bi-2223带材，其临界转变温度为-168～-163℃，低于LNG的液化温度。同时，目前对Bi-2223带材的研究大都针对在-196℃、自场条件下进行的[40]，在高磁场、临界转变温度条件下的研究还没有相关报道。随着对高温超导材料研究的不断深入，高温超导材料作为LNG泵用低温电机的绕组材料可能成为新的发展趋势。
1.4 绝缘材料
国内外学者对低温电机的绝缘材料进行了大量的研究工作。R. Shively等在文献[41]中指出，低温环境下定子绕组绝缘应采用在真空中对环氧树脂进行浸漆的绝缘方式；R. Shively在文献[42]中进一步指出，为提高定子槽端部主绝缘的寿命，必须采用两种不同的分层绝缘材料，最终确定了叠片状的涤纶-聚酯薄膜-涤纶-Nomex人造纤维的复合绝缘结构；定子绕组可以使用重甲式厚层聚乙烯-氨基-酰亚胺绝缘层导线并在导线上套单层涤纶玻璃。
文献[43]指出低温环境下电磁线应采用先涂聚酯酰亚胺，再涂聚酰胺-酰亚胺，最后套上Sofimide管的绝缘工艺。为满足电缆在低温环境下仍有良好的绝缘性、柔韧性和弹性，文献[44]进一步给出了低温电缆的四层结构，如图8所示。最外层为保持低温电缆强度的特氟龙（聚四氟乙烯）和不锈钢网壳；中间两层为绝缘层，分别为聚乙烯复合纸和聚酯带；中心为金属导线。可以发现单一的绝缘材料不能很好地满足低温电机的绝缘要求，在低温环境下CPMSM的绝缘应尽可能采用多层复合绝缘材料。
据文献[45]报道，一台功率为11 kW的CPMSM电机，槽绝缘选用6650型聚酰亚胺薄膜聚芳酰胺纤维复合材料和6050型聚酰亚胺薄膜进行层叠的双层绝缘方式；层间绝缘和相间绝缘均选用6650型聚酰亚胺薄膜聚芳酰胺纤维复合材料。定子绕组绕制完成后，使用具有耐低温性的JF-9821型无溶剂环氧增韧树脂浸渍漆，并采用两次真空压力处理和一次普通处理的工艺流程。我国江苏、广东、上海等多家公司可生产-160～-196℃环境下使用的低温线缆，结构多为不锈钢丝编织层-氟化乙烯丙烯共聚物绝缘层-铜导体组成的多层结构，其中不锈钢丝编织层起到低温下增强线缆强度的作用[46-47]。
1.5 轴承
低温潜液泵的运行工况严苛，对轴承性能提出了更高的要求。轴承不仅要在低温、高速的状态下长时间运行，还要能利用泵送介质进行自润滑。针对潜液式LNG电机需要立式安装并在低温环境服役的特点，在低温泵电机的上下两侧设计了特制的单列深沟球轴承来支撑旋转部件[44]。目前，普遍采用的低温轴承包含三种：全钢轴承、混合式轴承和全陶瓷轴承，如图9所示。
低温全钢轴承的轴承套圈材料和滚珠材料可为9Cr18钢、440C马氏体不锈钢等，保持架为具有自润滑性能的聚四氟乙烯复合材料。在液氮中全钢轴承的套圈和滚珠之间黏着现象较为严重，会使二者表面受到破坏，恶化轴承的润滑性能，使轴承摩擦系数不稳定，并且低温容易使全钢轴承出现过度磨损和胶合等失效[48]。
低温混合式轴承的轴承套圈材料为G95Cr18钢或镍铁合金，滚珠材料为氮化硅（Si3N4）陶瓷。混合式轴承在液氮中运行时硬质陶瓷球和轴承套圈不易发生黏着，使轴承摩擦系数保持稳定，可以降低轴承的摩擦损耗。在低温环境下，铁镍合金相比G95Cr18钢表现出更高的韧性和强度，使轴承能够承受较大的载荷，同时保持较低的摩擦损耗[49]，更适合应用于LNG泵用低温电机。
低温全陶瓷轴承的轴承套圈材料、滚珠材料均为氮化硅，具有密度低、硬度高、耐腐蚀性强和使用寿命长等优点，被广泛应用于低温领域[49-50]。全陶瓷轴承在低温环境运行时，外圈滚道与陶瓷球之间的接触区表面可形成自润滑薄膜，能够改善轴承的润滑性能，有助于减少摩擦损耗[50]。此外，为保证自润滑薄膜不被陶瓷球与陶瓷环碰撞而发生破坏，要求保持架材料要具备良好的耐磨性、高机械强度及低膨胀系数，以确保低温全陶瓷的使用寿命。
日本神钢公司生产的SM、SMB系列产品中轴承套圈和滚珠分别采用630不锈钢和440C不锈钢材料，通过LNG进行自润滑；日本日机装公司生产的TC-34、VT系列产品使用混合式陶瓷轴承，可在-253～350℃范围内安全工作。低温混合式轴承和低温全陶瓷轴承具有较好的摩擦学性能，可以降低轴承的摩擦损耗，符合CPMSM对低损耗的要求，适合应用于CPMSM。
此外，相较于传统机械轴承，磁性轴承具有免润滑和零摩擦损耗的优点，在低温液体环境中表现出一定的优势，但其控制方式较为复杂，并需要引入额外的位移传感器[51-52]。磁性轴承可分为基于电励磁的主动磁性轴承和基于超导的被动磁性轴 承[53]。图10为一台采用主动磁性轴承的CPMSM，该系统采用2个主动磁性轴承、4个位移传感器，试验表明，CPMSM可以在1 000～4 500 r/min范围内稳定旋转，径向偏移小于0.2 mm[54]。
2 CPMSM的设计方法与定子拓扑结构
2.1 CPMSM的设计方法
低温环境会对电机材料的电磁、机械、热特性等产生多方面的影响。会增大软磁材料的电导率、剩磁和矫顽力，减小导电材料的电阻率，使金属材料变得更加脆化、导热性能降低，这使CPMSM的设计变得更为复杂，需要考虑的因素更多。例如：材料电磁特性发生变化，需要重新建立电机设计过程中电负荷与磁负荷的选择依据，以保证合理的铜损耗与铁耗占比关系；在低温环境下不同材料受到热胀冷缩效应的影响，可能导致电机各部件尺寸发生变化、造成结构改变，进而影响电机性能和运行稳定性，因此选择各部件材料种类、合理设计各部件间的机械耦合结构尤为重要。CPMSM设计与分析的难度增加。
王海峰等提出一种结合多物理场耦合分析的LNG泵用低温电机的设计思路，其设计流程如图11所示[13]。首先，结合常规永磁同步电机的设计公式对低温电机进行初步设计，再依据低温环境下材料的电磁特性对电机的关键设计尺寸进行修正；然后，对LNG泵用低温电机的电磁-流体-热-应力场进行耦合仿真；最后，通过仿真分析低温电机的效率和功率因数等性能是否达到设计要求，若满足则获得电机设计方案，若不满足则通过分析仿真结果进一步修正设计参数，进行重新计算直到满足设计要求。
为快速确定CPMSM转子永磁体和定子槽的尺寸，黄守道等提出采用类比关系对低温电机进行设计[27]。①假设电机在低温和室温运行时具有相同的空载反电动势E0，利用空载反电动势与永磁体体积V和剩磁Br的乘积成正比的关系，得到永磁体体积与剩磁的变化关系，从而得到永磁体体积设计公式，如式（4）所示。②假设电机在低温和室温运行时具有相同的绕组电阻，利用电阻与电阻率成正比的关系，得到槽面积与电阻率的变化关系，从而得到槽面积的设计公式，如式（5）所示。
式中，
和
分别为室温和低温下的空载反电动势；
和
分别为室温和低温设计时的永磁体剩磁；
和
分别为室温和低温设计时的永磁体体积。
（5）
式中，
为绕组电阻率；Rs为绕组电阻；Ns为每相串联匝数；L为每匝长度；S为每匝截面积；
和
分别为室温和低温下的绕组电阻；
和
分别为室温和低温设计时的绕组电阻率；
和
分别为室温和低温设计时的定子槽面积。
根据上述类比关系，黄守道等进一步提出了一种CPMSM的设计方法，其设计流程如图12所示[45]。首先，对给定的低温电机参数在室温下进行常规设计；然后，确定硅钢片、永磁体、电磁线等关键材料，采用类比关系得到低温环境下永磁体体积和定子槽尺寸；最后，通过有限元仿真分析CPMSM的电磁场、反电动势和转矩，判断CPMSM的效率和功率因数是否达到设计要求，满足要求后得到设计方案。图13给出了采用上述设计方法时低温电机和室温电机的尺寸对比，可以发现，CPMSM的定、转子直径分别减小了14.3%和10.0%[45]。
黄守道等提出的CPMSM设计方法首次建立了低温与常温下电机永磁体尺寸、定子槽面积的数值关系；王海峰等提出的设计方法更注重多物理场耦合因素对电机设计与性能的影响，为防止LNG气化造成安全隐患，同时避免由于不同材料收缩程度不同而引发的电机开裂和抱死等问题，要采用流体-热-应力场耦合分析，综合考虑电机内部LNG流体流动对电机温度分布的影响及温度变化对材料应力的影响，确保LNG泵用低温电机的安全运行。
尽管目前已经研制出一些LNG泵用CPMSM，但仍缺少较成熟的分析设计方法。为了完善LNG泵用低温电机的分析设计方法，还需要进行大量的样机试验，验证设计方法和仿真分析的准确性，对电机的性能、可靠性和稳定性进行全面评估，并根据试验结果不断完善和优化LNG泵用低温电机的设计方法。
2.2 定子拓扑结构
相对于常规电机，低温环境会导致LNG泵用低温电机的绕组电阻降低、铜损耗减小。此外，LNG泵用低温电机内部有LNG流过，可以通过优化电机的定子结构，增加散热面积，充分利用LNG流体的散热能力，降低LNG泵用低温电机的温升。
文献[55]提出在定子轭部进行削边和打孔优化设计，其结构如图14所示。该方法通过拓宽LNG的流通路径，从而减小LNG在电机内部的流动阻力，同时强化了电机内部的散热，温升降低导致电阻率下降，电机绕组铜损耗进一步降低。文献[56]对一台15 kW低温感应电机的定子进行削边和打孔优化，结果表明采用该设计方案，电机温升可降低139.5 K，优化前绕组损耗为604.5 W，优化后绕组损耗降低至206 W。该方法还可以通过调整绕组布局、打孔位置和削边位置的大小与配合，进一步提升削边和打孔的优化效果，提高LNG泵用低温电机的电磁性能和散热能力。
目前，低温电机设计时绕组可采用成型绕组或常规圆铜导线绕组，绕组结构如图15所示[45, 57]。文献[5]设计了两台具有相同额定功率、额定转矩、额定转速、基本结构和空载反电动势的CPMSM，一台采用18槽2极整数槽绕组，另一台采用18槽4极分数槽绕组。研究发现，采用分数槽绕组的CPMSM转矩增大了19.5%，齿槽转矩降低了16.2%，转矩波动降低了1.8%，实现了更高、更平稳的转矩输出。尽管分数槽绕组会产生更多的谐波，但这些谐波的幅值相对较小，相同负载条件下，分数槽绕组电机的定子轭和齿的磁通密度更小，电机铁心损耗降低8.6%。因此，分数槽绕组可作为CPMSM的绕组设计方案。
考虑到低温环境下铜导体的电阻率降低以及高磁场的影响，绕组的交流铜损耗在低温环境下将会增大。文献[58]对不同线径的铜导线在液氮中进行了损耗测试，结果显示，1 kHz、0.35 T时，510匝0.1 mm铜导线的损耗密度约为78 W/kg，而15匝0.5 mm铜导线的损耗密度约为1 259 W/kg，达到前者损耗的16倍。因此，设计CPMSM时应选择线径较小的铜导线以降低交流铜损耗。
2.3 转子拓扑结构
潜液式LNG泵CPMSM转子拓扑结构可以分为两类：表贴式转子结构和内置式转子结构。CPMSM转子设计需要重点考虑两方面因素，一是要根据低温环境下永磁体材料和铁心材料的电磁特性，设计合理的转子结构和尺寸；二是对转子结构的机械应力进行分析，保证转子不会因低温和离心力造成转子出现空隙、抱死、开裂等现象。
2.3.1 表贴式转子结构
表贴式CPMSM转子通常需要使用高强度护套对永磁体进行保护，避免高速下离心力对永磁体的破坏[59]。为防止漏磁，护套通常采用非金属材料或非导磁金属。
非金属护套主要为碳纤维增强复合材料，在温度为-161℃时，碳纤维的径向热膨胀系数约是树脂材料的2.2倍[60]，碳纤维与树脂之间会出现剥离现象，导致碳纤维材料在低温下可能发生开裂故 障[61]。因此，表贴式CPMSM的护套不适合选用碳纤维增强复合材料。
金属护套材料会产生较大的涡流损耗。文献[18, 62]研究了低温下奥氏体不锈钢和钛合金作为护套材料，铜、铝和锌作为屏蔽层材料的复合护套对转子涡流损耗的影响。研究发现，奥氏体不锈钢的涡流损耗约是钛合金的1.25倍。相比于铝和锌，铜具有较高的电导率，作为屏蔽层可以更有效地屏蔽谐波，虽然铜屏蔽层产生额外的涡流损耗，但是转子总涡流损耗可以降低16.3%～45.3%。结果表明，钛合金和铜相结合的复合结构更适合作为表贴式CPMSM的护套，其结构如图16所示。
此外，转子总涡流损耗会随着铜屏蔽层厚度的增加和钛合金护套厚度的减小而降低，与铜屏蔽层和钛合金层为0.2 mm/1.8 mm时相比，采用1.0 mm/ 1.0 mm的厚度配合时转子涡流损耗可以降低32.9%，但文献[62]未分析钛合金护套厚度减小对转子机械强度的影响，需要对涡流损耗和机械应力进行综合考虑才能确定最优方案。
文献[63]对低温环境下表贴式转子极间采用合金钢、PPS塑料和铝作为填充物时，进行了转子结构的机械强度分析。研究发现，在-158℃、转速为35 000 r/min时，合金钢、PPS塑料、铝材料的最大等效应力分别为468.29、85.769、324.31 MPa，接近材料的屈服强度，转子的机械强度较差。CPMSM应采用转子铁心与转子极间整体式的结构设计，以确保转子具有足够的机械强度。
2.3.2 内置式转子结构
相较于表贴式CPMSM，内置式CPMSM具有凸极率高、调速范围宽、功率密度高等优点，由于不需要转子保护套，避免了合金护套上产生的涡流损耗，电机散热效果也更好[64-66]。然而，高速运行时内置式永磁电机转子产生的离心力易造成转子隔磁桥损坏，导致内置式CPMSM转速不能太高。增加隔磁桥宽度虽然可以增强隔磁桥的机械强度，但电机漏磁也会增大，影响电机电磁性能[67-68]。
文献[63]对内置“一”字型CPMSM转子在隔磁桥和加强筋处的机械应力进行分析，研究发现内置式CPMSM转子的隔磁桥不易过宽，并且为保证应力分布更均匀，应尽量保证加强筋宽度与隔磁桥宽度接近。文献[28]对低温下内置式转子结构的应力场进行仿真分析，结果如图17所示。低温环境下转子的应力分布与常温时相似，转子应力最大区域集中在隔磁桥上，最大形变位置为转子极靴。
目前，对内置式CPMSM转子结构的研究相对较少，大多是针对转子应力进行研究分析。在后续研究中，还需针对外界压强及温度变化对转子机械应力的影响进行多物理场耦合分析研究。
3 CPMSM的多物理场耦合分析
低温环境会使电机材料的电磁特性和热特性发生改变，将对CPMSM的电磁场和温度场产生耦合影响。此外，与常规PMSM相比，CPMSM安装在潜液式LNG泵的内部，工作时会有LNG流过电机气隙，使CPMSM的摩擦损耗显著增大。摩擦损耗受接触面粗糙程度、电机转速、LNG流动状态等多种因素的影响，给CPMSM摩擦损耗的精确计算带来很大困难。摩擦损耗的增大会引起CPMSM温度场的变化，并进一步影响CPMSM的电磁性能。
温度和外部压强的改变会导致CPMSM不同部位材料的收缩程度不同，可能导致电机零件抱死和开裂，进而还需要对CPMSM的应力场进行研究，以保证电机结构的稳定性。因此，在对CPMSM进行分析时，需要建立一个基于材料特性变化规律的CPMSM电场-磁场-热场-流体场-应力场的耦合计算模型，不断更新、修正和交换不同物理场之间的数据，以揭示电机损耗、效率和机械特性的变化规律，并分析电机在低温环境下的输出性能。
目前，国内外学者在低温电机多物理场耦合分析研究方面已取得一些研究成果。文献[69]提出了一种低温感应电机电磁场与温度场耦合分析有限元模型，对该电机在20℃与-196℃工作时的定子与转子温升进行了计算。发现低温环境下电机转子温升为2.98℃，定子温升为1.56℃，与常温相比，分别降低了约62.5%、50.7%。
上述低温感应电机多物理场耦合仿真分析为CPMSM的研究提供了基础。文献[27]采用有限元方法对CPMSM的铁耗、铜耗及永磁体涡流损耗进行分析，并采用实验测量与经验公式结合的方法，对CPMSM定子绕组和永磁体的温升进行仿真计算。可以发现，CPMSM定子绕组在端部区域温升较高，最大温升为20.8 K；永磁体的中心区域散热较差，最大温升为30.8 K，如图18所示。
CPMSM工作时LNG持续流过电机气隙，导致CPMSM的转子摩擦损耗显著增加。文献[70]基于流体计算力学原理采用三维流体场模型对CPMSM的转子摩擦损耗进行了仿真计算。转子摩擦损耗与电机转速的关系如图19所示。可以发现，在10 000～35 000 r/min范围内，在LNG中CPMSM的摩擦损耗约是空气中的152～175倍。LNG温度升高，其动力黏度下降，电机转子摩擦损耗将减小，当LNG温度从90 K上升到130 K时，摩擦损耗降低了20.8%。此外，电机转子表面粗糙程度增大，电机转子的摩擦损耗也会随之增加，转子表面粗糙颗粒高度为0.05 mm时，摩擦损耗达到了1.36 kW，约是表面粗糙颗粒高度为0.01 mm时的1.54倍。
文献[71]对一台盘式低温电机的轴向和径向电磁力进行了深入研究。低温环境中电机轴向电磁力相对于室温环境呈现略升高的趋势，随着电机气隙长度逐渐增大，其增幅范围为3.9%～14.2%。发生偏心故障时，轴向电磁力基本保持不变，而径向电磁力会随着偏心位移和电机转速的增加而增大。
文献[72]研究了CPMSM采用钛合金和碳纤维作为转子屏蔽套时不同转速和温度下转子应力的变化规律，据此确定了满足转子机械强度条件下的护套厚度和过盈量，最终得到涡流损耗低、护套厚度最小的设计方案。
通过多物理场耦合分析，对CPMSM的电磁场、温度场、流体场和应力场多个物理场的耦合影响进行综合考虑，可以更好地评估电机损耗、效率、温度分布、机械特性等关键性指标，从而使设计人员可以更准确地对电机进行电磁设计、热设计、结构设计以及控制方法的选择。随着粒子群、多目标遗传算法等智能优化算法的快速发展，基于多物理场耦合分析与智能优化算法相结合的优化设计方法将成为新的发展趋势。
4 CPMSM的效率最优控制策略
LNG泵系统针对流量的调节方式可分为两种：一种是传统的变阀调节，该方法采用安装在管路上的阀门进行调节，通过改变阀门的开启程度实现对LNG流量的调节。这种调节方式不改变电机转速，电机始终工作在高功率状态下，损耗增加，LNG泵系统效率降低[13]。另一种方法是通过改变电机的转速实现对LNG流量的调节，这种调节方式可以保证电机和整个系统高效运行，更加节能环保[73]。
考虑到LNG低温电机的运行工况，需要尽可能地减小电机损耗，降低电机温升对LNG状态的影响。因此，可以采用效率最优控制策略实现对CPMSM的控制，但目前针对CPMSM效率最优化控制技术的研究较为缺乏，还未见相关研究成果发表。现有文献大多是针对常规永磁同步电机效率最优控制展开的，最优控制策略包括最大转矩电流比控制策略、基于损耗模型的控制策略、基于搜索法的输入功率最小控制策略[74-76]。
最大转矩电流比控制策略是在输出相同转矩的条件下通过输入最小定子电流实现的，从而将电机铜耗降到最低，但该方法并没有考虑铁心损耗[77]。图20为一台0.4 kW的CPMSM中各部分损耗的占比关系[78]，与常温运行时相比，CPMSM的电阻率约降低62.6%，铜损耗相应减小，铁心损耗增加约132%。可以发现铁心损耗在CPMSM中占比明显增大，占总损耗的88.1%。因此，为实现效率最优控制，针对铜损耗最小的最大转矩电流比控制策略并不能完全适用于CPMSM。
基于损耗模型法控制策略是根据电机的损耗模型得到铜耗、铁耗与励磁磁链或励磁电流的函数关系，计算得到效率最优时的励磁磁链或电流[79]。但对于CPMSM，低温环境会对铜电阻率和铁心饱和程度产生影响，导致电机定子电阻和电感等参数发生改变，从而影响效率优化控制效果[80]。文献[81]提出了一种基于模糊控制器的PMSM在线损耗最小化算法，该方法可以减小参数误差对控制效果的影响，使电机保持高效率运行和宽转速范围，具有高动态性能。
基于搜索法的输入功率最小策略是在电机输出转速和转矩不变的前提下，通过逐步降低电机定子电流或磁链搜索出电机输入功率最低的工作点，从而降低电机损耗。该方法不需要电机参数，但是在寻优过程中可能导致电机转矩波动增大[82]。针对上述转矩波动问题，文献[83]将传统搜索过程分为两个步骤：首先采用模糊逻辑自适应调节直轴电流分量和步长，解决转矩波动问题；然后再采用黄金分割法进行搜索，加速搜索过程提高收敛性。
综上所述，由于低温环境下材料的电磁特性发生改变，常规永磁同步电机效率最优控制方式不再完全适用于CPMSM。需要建立CPMSM不同工况下精确的铜损耗与铁心损耗的数学模型，根据运行工况调整其效率最优控制方式。受低温环境影响，电机电阻、电感、磁链等参数的变化会更加明显，若电机参数计算不够准确，将影响效率优化控制效果。因此，对CPMSM进行控制时尽可能地对电阻、电感等参数进行实时测量以保证实现效率最优控制，或采用不依赖于电机参数的效率最优控制方法。
5 CPMSM的制造工艺与测试方法
制造样机并进行低温试验是验证低温环境下材料服役性能与CPMSM的电磁性能的重要环节。目前，针对泵用低温电机的测试经验较少，还未形成较为完善的测试方法。在泵用低温电机的发展过程中，低温感应电机的研制和测试开展较早[13, 84]，为CPMSM的试验奠定了基础。表4给出了一些泵用低温电机样机[14-15, 28, 31, 84-85]。
表4 泵用低温电机样机
Tab.4 Cryogenic machine prototype
参考文献国家年份功率/kW频率/Hz转速/(r/min) 低温感应电机[15]波兰2006785601 800 [31]韩国201737603 600 [85]中国201511.150～1006 000 低温永磁同步电机[14]波兰20121.6—16 000 [28]中国201818.54007 200 [84]中国2017222006 000
在CPMSM样机制造过程中暴露出一些工艺方面的特有问题。例如，CPMSM的定子绕组的绕制完成后，绕组端部需进行整体绑扎，将其与电机壳体连接，以增大散热面积并促进热传导，绑扎材料可以选用导热性好且耐低温的环氧丝带；定子需进行两次真空压力处理和一次普通处理的渍漆过程，浸漆材料可选用耐低温的无溶剂环氧增韧树脂。对于CPMSM的转子部分，应选用不锈钢盖和螺杆将其两端夹紧，防止电机立式运行时永磁体滑落和损坏，同时起到隔磁作用[45]。
CPMSM制造完成后，其各部分材料均需在深冷条件下进行性能稳定处理与测试，使电机各部件彻底消除残余应力，提高各部件内部晶粒细化程度，从而提高各部件强度和韧性，增加CPMSM的使用寿命[45, 57]。其工艺流程一般包括降温-保冷-升温过程：①降温：各部件在2 h内以2.5～6℃/min的速度逐渐降至-196℃，以彻底消除各结构部件内部的残余应力；②保冷：各部件在液氮冷池中持续保冷4～8 h，使结构件内部晶粒更加细化，防止产生残余应力；③升温：分部件在室温环境中静置不超过4 h，使其逐渐恢复至室温状态，检查电机是否发生裂痕、抱死、断裂等问题。
在对LNG泵用低温电机进行测试时，由于LNG易气化和扩散，与空气混合形成可燃气体，具有一定的危险性，出于安全考虑一般不会将低温电机直接浸泡在LNG中进行测试。液氮与LNG的物理特性相近[86]，见表5，因此对低温电机进行测试时一般在液氮环境下进行。
表5 液氮与LNG物理特性
Tab.5 Physical properties of liquid nitrogen and LNG
物理参数液氮LNG 泵内温度T/℃-196-161 密度r/(kg/m3)809425 动力黏度m/(mPa·s)165120 绝缘性能良好良好
低温环境下CPMSM的测试与常规电机测试相比具有明显的不同。测试前需要对试验设备进行预冷与保冷处理，并检查是否存在泄漏和开裂现象，以保证试验在稳定的低温环境下可靠、安全地进行。传统的对拖电机或转矩仪等实验设备难以在液氮中工作，因此不能通过直接测量的方法得到电感、反电动势、轴功率、转速和转矩等关键参数。为了解决上述问题，一种方法是研发专门用于低温环境的试验设备，如专用的低温转矩仪等，但该方法成本较高。另一种方法是充分利用泵的自身条件，通过监测泵出液体的流量、压力等参数，间接推导计算电机的转速、转矩和反电动势等关键参数，这种方法经济性较好，但数据的分析与处理更加复杂。
此外，低温试验条件的限制将带来一定的测试误差。例如：由于传感器信号传输线的一端位于室温环境，另一端位于低温环境，这将影响测量信号传输的准确性；进行空载试验时，由于电机气隙内会残留一定的液氮且残留量具有不确定性，产生转子摩擦转矩，将造成测试的低温感应电机空载电流值偏大[32]。因此，进行低温试验时需要对测试装置进行合理的校准与验证，以确保获得准确的测试数据。在试验方法上还需要进一步探索和完善，收集更全面和准确的测试数据，为改善CPMSM的优化设计方法和控制策略提供有效的支撑。
湖南大学黄守道等对LNG潜液泵用低温电机的测试开展了较为深入的研究，搭建了LNG潜液泵测试平台，对一台CPMSM驱动的LNG潜液泵在液氮中进行了低温测试，实验装置如图21所示[45]。针对LNG泵电机的空载反电动势、电感、效率、温升等关键参数难以直接测量的问题，基于搭建的测试平台提出了相应的测试方法。
为确保电机在低温环境下保持稳定温度，试验开始前需要对LNG泵和实验装置进行预冷和保冷处理，将实验设备冷却至所需的低温状态。进行负载试验时，打开液氮阀，出口压力表、流量计表读数稳定时，认为LNG潜液泵处于稳定负载工作状态。通过功率分析仪记录电机的输入电压、电流、功率、功率因数。由于潜液泵内电机的转速、转矩无法直接测得，需要通过测量潜液泵的进出口压力和温度确定液氮的密度和流量，再通过泵叶轮的特性曲线即可换算出液氮泵的扬程和轴功率，最终实现对LNG泵用低温电机效率的评估。
由于CPMSM在潜液泵中做电动机运行，难以通过被拖方式准确测量其空载反电动势，文献[45]提出通过负载试验间接测量空载反电动势和电感的方法。通过改变潜液泵入口阀门，测量两组电机端电压、电流、转速值。通过表贴式永磁电机交轴电动势、端电压、电流、功率因数与直轴电感和反电动势系数间接计算得到电机的直轴电感和反电动势系数。电阻法是测量CPMSM定子绕组温升的较优选择，但需要在电机负载试验热稳定断电后，对电机定子电阻进行测量，目前仍难以实现电机运行状态的在线监测。
通过上述实验可以发现，在对低温电机进行研究和评估时，需要考虑多种温度环境、温度冲击、不同服役条件下的低温电机性能。特别是在低温环境下，难以直接测量低温电机的转速、转矩等关键性能参数，需要借助间接测量和计算的方法。
6 CPMSM的发展趋势
CPMSM具有高功率密度、高效率、高功率因数的优点，正在成为LNG泵用低温电机的研究趋势。随着人类对能源利用、生物医疗、深空探测等低温领域的不断探索，CPMSM拥有了更广泛的应用前景与发展空间，也逐步对CPMSM性能及可靠性提出了更高的要求，CPMSM未来的发展方向及需要解决的关键问题主要集中在以下几个方面。
1）CPMSM材料的服役特性
深入了解低温环境下电机材料（软磁材料、永磁材料、绝缘材料等）特性的变化规律和服役特性是设计CPMSM的基础。因此，必须对CPMSM材料进行大量的低温试验，包括低温稳态试验、低温冲击试验、重复性低温试验，充分掌握电机材料的低温特性和变化规律，验证材料在低温环境下的稳定性和使用周期，使其更好地服务于低温环境下CPMSM的精细化设计与精确控制，保障CPMSM低温服役的稳定性与可靠性。
2）CPMSM的优化设计方法
对低温领域的持续探索促进了对各类低温设备日益增长的需求。CPMSM是大多数低温设备的核心驱动部件，要求其具有高效率、高功率密度、高可靠性等优异性能。CPMSM的设计与常规PMSM相比，具有明显的不同。需要根据低温环境对材料电磁和热性能的影响，电机结构以及流体场对电机散热性能的影响，建立新的CPMSM电磁负荷选择依据；低温下不同材料的热膨胀系数不同，并且电机工作在高压强环境，这将造成CMPSM复杂的应力场分布，应构建CPMSM新的机械配合关系与制造工艺，这些因素增加了CPMSM设计的复杂程度。同时，随着新型材料的不断涌现，如高温超导材料、磁性材料和绝缘材料等，设计者需不断探索低温下新型材料的电磁性能、热性能、机械性能对CPMSM设计的影响，并综合考虑制造成本，进而探索更高效、更完善的CPMSM设计方法。
此外，可以通过建立CPMSM的电磁-热-流体-应力多物理场耦合模型，结合智能优化算法对CPMSM进行损耗、转矩、效率和温升等关键参数的多目标优化，从而提高电机的综合性能并缩短设计时间。
3）CPMSM的控制策略
可以采用效率最优控制策略对CPMSM进行控制，实现CPMSM的高效率运行。低温环境下电机电阻、电感、磁链等参数会随工况发生显著变化，常规永磁同步电机效率最优控制方式不再完全适用于CPMSM，需要建立不依赖于CPMSM参数的效率最优控制方法。此外，低温环境会降低位置传感器的测量精度，为提高低温环境下电机控制的可靠性，还需要开展无位置传感器控制技术在CPMSM中应用的研究。未来对CPMSM控制技术的研究会围绕降低损耗和温升，提高可靠性、稳定性、运行效率等方面发展。
4）CPMSM的测试方法
制造样机并进行低温试验是验证低温环境下CPMSM的电磁性能、机械性能的重要环节。与传统的电机试验不同，CPMSM的试验要在深冷环境下进行，导致诸多关键参数不能直接测量，增加了实验平台搭建与样机测试的难度。目前，针对CPMSM样机测试的研究相对较少，仍缺乏成熟的测试方法，尚未形成完整的测试标准。需要不断探索更完善的CPMSM试验测试方法，为形成完整的CPMSM理论与测试技术奠定基础。
5）CPMSM的振动与噪声
提高CPMSM的转速可以增大LNG泵的流量与扬程，然而，低温环境使轴承的润滑条件变差，限制了CPMSM转速的提高。因此，需要优化轴承设计和润滑系统，确保为CPMSM提供良好的润滑和支撑以提高电机转速。电机转速提高会引起电机振动与噪声增大的问题。低温环境下材料的弹性模量和脆性增大，使电机更易受到振动影响，导致零部件受到磨损或损坏。此外，在低温科学实验与生物医疗等精密领域，低温电机的振动与噪声可能导致实验结果失真。因此，需要深入研究低温环境下材料的机械特性，探索适用于低温环境下的减振材料和降噪系统，并通过优化低温电机结构设计和控制策略，减小低温电机的振动与噪声，提高低温电机的服役性能和可靠性。
6）其他高效低温电机
低温磁悬浮轴向磁通电机通过采用磁悬浮轴承，无需考虑低温环境对轴承磨损和润滑系统造成的影响。轴向磁通电机产生的径向电磁力有助于矫正转子径向位置，有利于LNG泵转子的稳定悬浮。低温环境下轴向磁通电机的轴向电磁力增大，能够提供额外的轴向悬浮力，有利于LNG泵内电机的立式安装[71, 87]。低温磁悬浮轴向磁通电机在LNG泵中具有良好的应用前景。
高温超导电机具有低损耗、高效率和高功率密度的优点，若将高温超导磁悬浮轴承与超导电机结合，能够进一步减小低温电机的摩擦损耗、提高效率。然而，目前高温超导电机与高温超导磁悬浮轴承的最高运行温度为-196℃，仍然不能直接在LNG中运行，需要额外的冷却系统，但与常温条件相比，高温超导电机在LNG中运行具有显著的经济性和可行性。随着高温超导材料服役温度的不断提高和制造成本的降低，高温超导磁悬浮电机有望在LNG泵领域得到广泛的应用。
7 结论
本文对国内外LNG泵用CPMSM的研究工作进行了总结、分析与展望。首先，深入分析了低温下电机关键材料的电磁特性、热特性结构特性的变化规律，揭示了低温下CPMSM部分材料的选取原则。其次，分析了现有CPMSM的设计方法与拓扑结构，结合低温下材料的变化规律，总结了基于多物理场耦合分析的CPMSM优化设计方法。对三种效率最优控制策略进行分析，发现基于损耗模型控制策略和基于搜索输入功率最小策略两种控制方法更适用于CPMSM。然后，介绍了现有CPMSM的测试方法，总结了CPMSM低温测试时需要解决的关键问题。最后，对CPMSM的发展趋势与关键问题进行总结与展望。随着对CPMSM的研究不断深入，其性能不断提高，CPMSM将在更多领域得到广泛应用。
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A Review on Cryogenic Permanent Magnet Synchronous Motor for Submersible Liquid Natural Gas Pump
Zhang Shukuan1 Wang Fachen1 Qu Ronghai2 Zhu Jingwei1 Liu Guangwei3
（1. College of Marine Electrical Engineering Dalian Maritime University Dalian 116026 China 2. School of Electrical and Electronic Engineering Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China 3. Key Laboratory of Special Machine and High Voltage Apparatus Ministry of Education Shenyang University of Technology Shenyang 110870 China）
Abstract A new global energy structure with oil, coal, natural gas, and new energy has developed. Natural gas is mainly stored and transported as liquefied natural gas (LNG). The submersible LNG pump plays an important role in the transportation and use of LNG, and the cryogenic permanent magnet synchronous motor (CPMSM) is the core driving equipment of the submersible LNG pump. This paper summarizes the key technical issues involved in CPMSM and provides a reference for future research and application.
Firstly, the electromagnetic and physical characteristics of core materials, permanent magnet materials, insulation materials, and bearings used in CPMSM are reviewed in detail, clarifying the principles for selecting different materials. The stator and rotor cores can be made of oriented silicon steel sheets with high silicon content or amorphous alloy material to ensure the efficient and stable operation of CPMSM. The permanent magnet should use samarium cobalt permanent magnet material; multi-layer composite insulation material should be used for winding insulation; bearings can be low-temperature hybrid bearings, low-temperature all-ceramic bearings, and magnetic bearings.
Secondly, according to the changes in the service characteristics of CPMSM materials in a cryogenic environment, the design methods of CPMSM based on multi-physics coupling analysis and analogy method are introduced. Compared to the conventional PMSM, the stator and rotor diameters of CPMSM can be reduced by 14.3% and 10.0%, respectively. In addition, from the perspective of reducing the losses of CPMSM and ensuring the structural strength of the motor, the stator and rotor topology structures of CPMSM are analyzed.
Thirdly, the research on multi-physical field coupling analysis of CPMSM in recent years is summarized, focusing on the fluid-thermal field coupling analysis and stress distribution law of CPMSM under a cryogenic environment. Based on the characteristics of LNG flowing through CPMSM’s air gap, the effects of motor speed, LNG flow rate, and rotor surface roughness on rotor friction loss are analyzed. The advantages and drawbacks of three kinds of efficiency optimal control technology are discussed. Due to the difficulty in parameter measurement of CPMSM in cryogenic environments, the input power minimization strategy based on the search method has the advantage of independent motor parameters, which is suitable for CPMSM.
Based on the investigation of the current CPMSM prototypes and commercial products, the manufacturing technique of CPMSM is summarized. The key parameters of CPMSM in a cryogenic environment, such as inductance, back EMF, shaft power, speed and torque, are difficult to measure directly. This paper introduces the existing testing methods of CPMSM for LNG pumps, analyzes its challenges and shortcomings, and discusses the solution of CPMSM testing technology in a cryogenic environment.
Finally, this paper looks forward to developing trends for reducing the loss and temperature rise and improving efficiency and stability, including material service characteristics, optimization design methods, control strategies, testing methods, vibration and noise, and other high-efficiency cryogenic motors. Critical technical problems to be solved are also proposed, providing a reference for the research and development of CPMSM.
Keywords：Cryogenic permanent magnet synchronous motor (CPMSM), cryogenic material characteristics, design methodology, control strategy, cryogenic test
中图分类号：TM351
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.231751
国家自然科学基金重点项目（52337001）、面上项目（52377037）和特种电机与高压电器教育部重点实验室（沈阳工业大学）开放课题（KFKT202209）资助。
收稿日期 2023-10-19
改稿日期 2023-12-20
作者简介
张书宽 男，1988年生，讲师，硕士生导师，研究方向为永磁电机及其驱动控制技术。
E-mail: zhangshukuan@dlmu.edu.cn （通信作者）
王发琛 男，2000年生，硕士研究生，研究方向为永磁电机及其驱动控制技术。
E-mail: wangfachen@dlmu.edu.cn
（编辑 崔文静）
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