耐高溫永磁電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)

唐勇斌，郝曉宇，揭 軍，周晶晶

(北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京100074)

耐高溫永磁電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)

唐勇斌，郝曉宇，揭 軍，周晶晶

(北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京100074)

航天的應(yīng)用背景對電機(jī)提出了耐高溫穩(wěn)定運(yùn)行的要求。高溫、低溫、真空等航天惡劣環(huán)境給電機(jī)系統(tǒng)帶來新的問題，電機(jī)內(nèi)部電磁場、流體場、溫度場、應(yīng)力場之間的耦合問題突出，材料及器件特性發(fā)生非線性變化，電機(jī)損耗、溫升分析難度增大，驅(qū)動(dòng)與控制策略復(fù)雜。簡要介紹了航天用電機(jī)的特點(diǎn)，同時(shí)詳細(xì)分析了耐高溫電機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和耐高溫永磁電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。

耐高溫；永磁電機(jī)；損耗；溫度場

0 引言

航天、航空等領(lǐng)域要求電機(jī)能在高溫、低溫或真空等惡劣環(huán)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(jī)會(huì)出現(xiàn)新的技術(shù)難題，常規(guī)的電機(jī)分析和設(shè)計(jì)方法具有很大的局限性。

本文在分析國內(nèi)外耐高溫電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，探討了耐高溫永磁電機(jī)涉及的關(guān)鍵技術(shù)，例如：電機(jī)多物理場分析方法、電機(jī)材料與電子器件特性分析、永磁電機(jī)損耗、溫升和冷卻分析、電機(jī)失效機(jī)理及壽命預(yù)估方法、永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)等。

1 國內(nèi)外耐高溫永磁電機(jī)發(fā)展概況

1.1 航天用電機(jī)的特點(diǎn)

在航天用電機(jī)領(lǐng)域，衛(wèi)星太陽能帆板展開機(jī)構(gòu)和天線伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的電機(jī)工作溫度可達(dá)到120℃以上；平流層飛行器電機(jī)工作環(huán)境溫度為-70～55℃，工作環(huán)境大氣壓為4000Pa～0.01MPa；最典型的是月球車電機(jī)，美、蘇聯(lián)、中國等均研制出了登月車用電機(jī)，電機(jī)在-80～170℃的寬溫度范圍和真空條件下正常工作[1]。電機(jī)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(jī)，溫度范圍更寬。相對于月球車上的其他功能部件，電機(jī)系統(tǒng)的環(huán)境往往是最惡劣的，由于其他部件可以采用溫控系統(tǒng)進(jìn)行散熱或隔熱處理，而電機(jī)作為基本的驅(qū)動(dòng)部件，在結(jié)構(gòu)上采用溫控系統(tǒng)相對困難，尤其是電機(jī)自身發(fā)熱，使得電機(jī)內(nèi)部溫升更高。我國對月球車用電機(jī)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(jī)失效機(jī)理和可靠性設(shè)計(jì)缺乏研究及工程經(jīng)驗(yàn)積累。在其他航天用電機(jī)方面，我國一直在根據(jù)型號任務(wù)的需求進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)，對于電機(jī)是否能夠滿足高溫、低溫等惡劣環(huán)境要求，一般是通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行考核，而模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的可信度有待驗(yàn)證。

基于航天的應(yīng)用背景，作為執(zhí)行器基礎(chǔ)部件的電機(jī)經(jīng)常工作在惡劣環(huán)境和極限工況下。受航天飛行器有限的體積和質(zhì)量限制，系統(tǒng)對電機(jī)提出高的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度等要求，期望電機(jī)具有高的加速度和高的穩(wěn)定工作電流密度；另一方面，航天應(yīng)用背景對電機(jī)的可靠性和壽命又提出極高要求。為保證電機(jī)具有高可靠性，實(shí)際應(yīng)用中往往采用增大電機(jī)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(guān)系。同時(shí)，航天飛行器中電機(jī)的冷卻環(huán)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(jī)常在高速、高轉(zhuǎn)矩工作點(diǎn)運(yùn)行，發(fā)熱溫升更嚴(yán)重。電機(jī)溫升過高可造成永磁體失磁、絕緣層損壞甚至電機(jī)燒毀等事故。因此，研究耐高溫永磁電機(jī)的理論與技術(shù)體系具有重要意義。

1.2 國內(nèi)外耐高溫電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)及電機(jī)生產(chǎn)廠家針對高溫環(huán)境對電機(jī)提出的特殊要求，研制了可耐不同等級溫度環(huán)境的永磁電機(jī)，取得了一些研究成果。

ABB公司推出了一系列耐高溫電機(jī)，能夠承受溫度達(dá)90℃、濕度100%的惡劣環(huán)境。該系列電機(jī)為鼠籠式感應(yīng)電機(jī)，其鐵、鋁表面全部進(jìn)行了多層環(huán)氧樹脂表面處理，以保證高溫環(huán)境下絕緣材料的可靠性。為使電機(jī)在高溫環(huán)境下安全運(yùn)行，應(yīng)經(jīng)常檢測軸承溫度，以保證軸承的潤滑效果；并且根據(jù)測量結(jié)果改變潤滑周期。表1為ABB耐高溫電機(jī)性能參數(shù)。

表1 ABB耐高溫電機(jī)性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of heat-resisting motors of ABB

瑞士Maxon Motor公司研制了一種無刷直流電機(jī)，可以在高溫、高沖擊載荷、振動(dòng)、常壓及真空等惡劣環(huán)境下正常工作。其設(shè)計(jì)的最高承受溫度為240℃，已證實(shí)正常的工作溫度范圍為-50～200℃，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，電機(jī)可承受高沖擊載荷和振動(dòng)而不損壞。設(shè)計(jì)人員全面考慮在最大過載工作點(diǎn)電機(jī)的軸承結(jié)構(gòu)、潤滑條件、平衡狀態(tài)、密封器件、通風(fēng)狀況以及風(fēng)扇噪音，以保證電機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)矩滿足指標(biāo)需求。

美國BEI Kimco Magnetics公司為油井勘探研發(fā)了一種耐高溫永磁電機(jī)，該電機(jī)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(wěn)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(jī)，其功率多數(shù)等級相對較小，在100W以內(nèi)，當(dāng)轉(zhuǎn)速在1000～10000r/min范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩僅為mN·m量級。美國Honeybee Robotics公司是一家開發(fā)機(jī)器人技術(shù)與航天技術(shù)的公司，已經(jīng)為NASA完成了200多項(xiàng)項(xiàng)目。該公司為支持金星表面探測，研發(fā)了可耐高溫460℃的無刷直流電機(jī)。該電機(jī)體積為50.8×55.88×55.88(mm3)，質(zhì)量只有0.8kg。美國Firstmark Aerospace公司為航天工業(yè)研發(fā)了可耐500℃的高溫電機(jī)，該電機(jī)采用特殊的航天材料和機(jī)械加工方法。圖1為美國航天耐高溫電機(jī)，表2為外形尺寸相近的國外耐高溫電機(jī)性能參數(shù)。

圖1 美國航天耐高溫電機(jī)Fig.1 USA space high-temperature motors

MaxonMotorHoneybeeRobotics極限工作溫度/℃200460空載轉(zhuǎn)速/(r/min)77305260空載電流/A0.042.1額定轉(zhuǎn)速/(r/min)48903900額定轉(zhuǎn)矩/(mN·m)54.579.7峰值轉(zhuǎn)矩/(mN·m)268272.4峰值電流/A7.88.9

此外，除電機(jī)本體外，美國阿肯色州CISSOID國際電力電子電機(jī)驅(qū)動(dòng)團(tuán)隊(duì)研制的耐高溫電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積為70×70×100(mm3)，可以在250℃的環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，并能達(dá)到580kW的功率等級，被稱為世界一流的結(jié)合了碳化硅和硅絕緣的高功率密度的功率變換模塊。

總結(jié)國外耐高溫電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀可得，小功率電機(jī)的耐高溫等級已經(jīng)達(dá)到很高的水平，根據(jù)不同的應(yīng)用場合要求，在不同的高溫段都有較成熟的產(chǎn)品，其中最高耐溫達(dá)到500℃。

目前國內(nèi)還沒有成熟的耐高溫永磁電機(jī)產(chǎn)品，主要是一些高校開展了相關(guān)的研究工作。北京航空航天大學(xué)研制了某導(dǎo)彈用高功率/重量比直流永磁電機(jī)樣機(jī)。該電機(jī)的體積為70×70×130(mm3)、輸出峰值功率為15kW、額定轉(zhuǎn)速為15000r/min、極限工作溫度為250℃，由于設(shè)計(jì)的電流密度遠(yuǎn)高于常規(guī)設(shè)計(jì)范圍，工作時(shí)間極短，約為2min。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)了用于油井勘測高溫高壓環(huán)境下的無刷直流永磁電機(jī)。該電機(jī)采用釤鈷永磁材料、4極18槽結(jié)構(gòu)、額定功率為250W、調(diào)速范圍為150～3000r/min、繞組C級絕緣的方式，能滿足175℃溫度環(huán)境下的運(yùn)行要求。該電機(jī)的全數(shù)字控制系統(tǒng)能在175℃環(huán)境下穩(wěn)定工作，并且電機(jī)可以運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩和恒功率兩種模式下。

綜上所述，我國對耐高溫電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究相對較晚，與國外耐高溫電機(jī)的技術(shù)水平還有較大差距。在高溫環(huán)境適應(yīng)性和電磁設(shè)計(jì)方法上急需形成設(shè)計(jì)的理論與技術(shù)體系。

2 耐高溫永磁電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)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(wěn)定性和耐腐蝕性的改善和價(jià)格的逐漸降低以及電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)，由于交流永磁電機(jī)具有體積小、功率密度高、效率高、特性好、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，故永磁電機(jī)在深空探測與開發(fā)領(lǐng)域已獲得越來越廣泛的應(yīng)用。耐高溫永磁電機(jī)是復(fù)雜的電磁系統(tǒng)，涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括以下方面。

2.1 電機(jī)多物理場分析方法

在低溫至高溫的寬溫區(qū)范圍、真空等航天惡劣環(huán)境下，永磁電機(jī)電磁參數(shù)變化很大，材料發(fā)生非線性變化，電磁場、溫度場、流體場、應(yīng)力場等各個(gè)物理場之間耦合關(guān)系更加復(fù)雜，在正常環(huán)境下可以忽略的多物理場耦合關(guān)系變得不可忽略，成為關(guān)鍵的技術(shù)難題[2-3]。電機(jī)的鐵心損耗、風(fēng)摩損耗、電機(jī)溫升不但與環(huán)境溫度和壓強(qiáng)密切相關(guān)，而且相互影響。在真空環(huán)境中，散熱條件特殊，與相毗鄰部件的形狀及表面屬性相關(guān)，熱輻射與表面溫度成非線性關(guān)系。真空至高壓強(qiáng)的變化影響應(yīng)力和材料特性變化，使得電機(jī)的多物理場建模難度增大。因此惡劣環(huán)境下永磁電機(jī)內(nèi)各物理場耦合關(guān)系非常復(fù)雜，研究各物理量和物理場的耦合關(guān)系及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律非常困難[4-5]。

永磁電機(jī)的多物理場分析方法以數(shù)值解析法和有限元分析為主。在數(shù)值解析方面，通用的建模方法有傳統(tǒng)矩陣法、鍵合圖法、聯(lián)結(jié)法、網(wǎng)絡(luò)法等[6]。鐘掘院士等提出了對復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行全局耦合分析及耦合并行設(shè)計(jì)的基本理論[7]。賀尚紅教授等提出建立復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建模矩陣法，并建立機(jī)、電、液傳遞矩陣統(tǒng)一模型[8]。文獻(xiàn)[9]采用廣義控制系統(tǒng)對發(fā)動(dòng)機(jī)多場耦合數(shù)值仿真建立統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，求解氣、熱、彈耦合的變域差分問題。文獻(xiàn)[10]介紹了多場耦合的節(jié)點(diǎn)映射方法，討論了場域內(nèi)載荷傳遞。但是數(shù)值解析法在耦合建模和求解仍存在較多問題，由于假設(shè)條件和忽略因素過多，導(dǎo)致計(jì)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(fā)多物理場耦合計(jì)算工具，已應(yīng)用于航空聲學(xué)、磁流體力學(xué)、動(dòng)態(tài)流固耦合等領(lǐng)域，電磁計(jì)算的精度和效率逐步提高。2007年英國創(chuàng)刊的《International Journal of Multi Physics》雜志每年召開多場耦合會(huì)議，重點(diǎn)關(guān)注數(shù)值模型、模型計(jì)算、實(shí)驗(yàn)調(diào)查，其中包括電機(jī)多物理場分析。

在傳統(tǒng)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(wěn)態(tài)強(qiáng)耦合場問題，直接耦合方法則是分析暫態(tài)強(qiáng)耦合場問題的最佳途徑。最初的多場耦合計(jì)算是采用順序單次耦合迭代方法，計(jì)算量較少，但是由于沒有考慮多場耦合，計(jì)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(jì)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(jì)算結(jié)果差距較大，并且計(jì)算量比較大。同時(shí)，在分析含有外電路的直流無刷電機(jī)時(shí)，還需結(jié)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(jì)算量間的矛盾[11-12]。由此可見，由于耐高溫電機(jī)內(nèi)耦合物理場多、耦合關(guān)系復(fù)雜、環(huán)境邊界復(fù)雜，現(xiàn)有的耦合場建模與解耦計(jì)算方法有待進(jìn)一步改進(jìn)。

2.2 電機(jī)材料與器件特性變化規(guī)律

常規(guī)電機(jī)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(huán)境下使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)性能下降、失效、可靠性降低等問題。另一方面，高溫環(huán)境下永磁電機(jī)材料的特性變化規(guī)律復(fù)雜，在溫度范圍近300℃時(shí)，硅鋼片的特性變化明顯，電磁線導(dǎo)電特性變化近3倍，釤鈷永磁材料特性變化30%[13-14]，流體黏度特性變化可能達(dá)到10倍以上，絕緣材料的導(dǎo)電特性與介電強(qiáng)度特性發(fā)生變化。

耐高溫永磁電機(jī)常采用釤鈷永磁材料，釤鈷Sm2Co17永磁材料工作溫度高達(dá)350℃。當(dāng)工作溫度更高時(shí)，考慮采用鋁鎳鈷材料，其最高使用溫度可達(dá)520℃，溫度系數(shù)為-0.2%/℃，但其矯頑力低，通常小于160kA/m，在磁路設(shè)計(jì)時(shí)必須校核其去磁工作點(diǎn)。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(dá)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(shí)驗(yàn)室研制階段[15]。硅鋼片的磁化曲線和損耗特性曲線對電機(jī)的損耗計(jì)算、過載能力計(jì)算等非常關(guān)鍵；硅鋼片疊片膠粘劑的熱穩(wěn)定性對電機(jī)在高溫、高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的安全和穩(wěn)定性有著直接的影響。日本學(xué)者Takahashi等利用具有700個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)模型分析了具有單匝線圈的旋轉(zhuǎn)電機(jī)中定子線圈股線中的溫度分布[16]；分析高溫膨脹引起的機(jī)械應(yīng)力對硅鋼片磁特性的影響[17]，結(jié)果表明，隨著壓應(yīng)力的增大，硅鋼片的磁導(dǎo)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(jī)的安全運(yùn)行、可靠性和壽命。美國杜邦公司生產(chǎn)聚酰亞胺薄膜和聚酰亞胺膠帶，用于電機(jī)電磁線絕緣、電機(jī)槽絕緣，最高耐溫可達(dá)400℃。若電機(jī)產(chǎn)生的熱量使溫度超過了500℃，可以采用陶瓷絕緣。

高溫環(huán)境下電子器件的特性不但發(fā)生明顯變化，還會(huì)出現(xiàn)熱噪聲等特殊現(xiàn)象，例如：模擬器件的參數(shù)和線性度變化范圍大；數(shù)字電路抗干擾性變差，出現(xiàn)熱噪聲等特殊現(xiàn)象；功率器件的輸出特性發(fā)生變化，電容電阻的參數(shù)漂移明顯。發(fā)達(dá)國家研制出耐惡劣環(huán)境的電子器件，然而因技術(shù)保密，可供查詢的文獻(xiàn)極少。由于材料特性和器件特性是電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在高溫、低溫等惡劣環(huán)境下，電機(jī)材料與電子器件特性的變化規(guī)律的獲取和精確模型的建立是耐高溫永磁電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)難題。

2.3 永磁電機(jī)損耗、溫升和冷卻分析

在高溫環(huán)境下，永磁電機(jī)中材料屬性發(fā)生變化，引起鐵心損耗、繞組銅損、轉(zhuǎn)子損耗均發(fā)生顯著變化。在傳熱方面，真空或電機(jī)內(nèi)部充油時(shí)傳熱方式不同，電機(jī)內(nèi)部溫度分布規(guī)律復(fù)雜；在散熱方面，航天用電機(jī)的冷卻環(huán)境和冷卻條件受到制約，很難設(shè)計(jì)水冷、風(fēng)冷等措施，導(dǎo)致其散熱困難。當(dāng)電機(jī)工作在高溫、高速、高功率密度等極限條件下，其發(fā)熱溫升更嚴(yán)重。電機(jī)溫升過高造成永磁體出現(xiàn)不可逆失磁、漆包線絕緣層破壞甚至電機(jī)讓繞組燒毀等事故，因此，損耗與溫升的準(zhǔn)確計(jì)算是耐高溫永磁電機(jī)設(shè)計(jì)與分析的關(guān)鍵技術(shù)之一，并且電機(jī)發(fā)熱溫升也是影響電機(jī)可靠性和壽命的最主要因素。

目前，對永磁電機(jī)熱問題的研究，主要集中在對熱計(jì)算方法的研究上。熱計(jì)算方法主要有五種：公式法、等效熱路法、熱網(wǎng)格法、溫度場法和參數(shù)辨識法，其中溫度場法是目前最常用的方法[18]。溫度場計(jì)算中對熱源(電機(jī)損耗)的計(jì)算是基礎(chǔ)。銅耗的計(jì)算應(yīng)主要考慮繞組電阻值受外界環(huán)境(如濕度、溫度等)的影響，以及槽內(nèi)導(dǎo)體的集膚效應(yīng)等影響。而電機(jī)鐵心損耗的計(jì)算，目前較準(zhǔn)確的鐵心損耗計(jì)算方法是依據(jù)分離鐵耗模型，根據(jù)產(chǎn)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(jī)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)磁化和交變磁化分別加以計(jì)算[19-20]。在計(jì)算中，對鐵心損耗系數(shù)及修正系數(shù)的確定至關(guān)重要。高溫環(huán)境下，電機(jī)負(fù)載大范圍變化，它不但使得電機(jī)繞組內(nèi)的電流變化影響銅耗的產(chǎn)生，還導(dǎo)致氣隙磁密波形的非正弦性從而影響鐵耗。因此對高溫環(huán)境永磁電機(jī)損耗的計(jì)算，需要綜合考慮外界環(huán)境溫度、電機(jī)極限性能及工作狀態(tài)等各方面的影響因素。

以損耗為熱源，考慮電機(jī)的傳熱散熱途徑，建立電機(jī)的溫度場，以期得到電機(jī)各點(diǎn)的溫度和溫升規(guī)律，通常電機(jī)溫度場模型中電機(jī)材料熱系數(shù)是恒定的量，而在高溫環(huán)境下，不但電機(jī)損耗是時(shí)變的，而且電機(jī)材料的導(dǎo)熱系數(shù)等熱參數(shù)也受環(huán)境的壓力、溫度等變化影響[21-22]。因此需要充分考慮惡劣環(huán)境的因素，采用數(shù)值計(jì)算和有限元分析相結(jié)合對永磁電機(jī)進(jìn)行熱問題研究，并且通過模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行測試驗(yàn)證，是拓展永磁電機(jī)系統(tǒng)在高溫環(huán)境條件下安全工作的重要保證。

2.4 電機(jī)失效機(jī)理及壽命預(yù)估方法

高溫環(huán)境下永磁電機(jī)及電子電路的發(fā)熱更容易導(dǎo)致電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制器的性能下降甚至失效。在電機(jī)失效機(jī)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(shù)學(xué)模型及絕緣失效機(jī)理定量描述困難，對電機(jī)絕緣的研究一直是電機(jī)絕緣診斷技術(shù)中的難題，目前的方法主要還是通過非破壞參量來預(yù)測剩余擊穿電壓，從而評估電機(jī)的絕緣狀態(tài)[23]。而永磁體失磁的主要原因在于在高溫或高低溫交替環(huán)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(jì)算，通過對主絕緣性能的評估，來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)壽命的預(yù)測。

目前，國內(nèi)對電機(jī)壽命的研究主要在于對大型電機(jī)的研究，這是因?yàn)榇箅姍C(jī)運(yùn)行條件復(fù)雜、惡劣，在長期運(yùn)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(jī)的壽命研究較少，特別是在高溫環(huán)境下永磁電機(jī)的失效機(jī)理及壽命預(yù)估研究更少[24]。而實(shí)際上，對于工作在極限性能狀態(tài)或耐高溫環(huán)境下的中小型電機(jī)，由于其極限應(yīng)用，永磁電機(jī)的電磁負(fù)荷設(shè)計(jì)高，電機(jī)絕緣老化速度較常規(guī)電機(jī)會(huì)加快，也存在繞組絕緣老化被擊穿失效導(dǎo)致電機(jī)燒毀等問題。此外，通常常規(guī)電機(jī)的電磁負(fù)荷設(shè)計(jì)不是很高，而且為保證電機(jī)可靠性常延長電機(jī)的設(shè)計(jì)壽命。而耐高溫永磁電機(jī)設(shè)計(jì)是以追求電機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性和極限應(yīng)用為目標(biāo)，只有認(rèn)清了電機(jī)失效機(jī)理及準(zhǔn)確預(yù)測電機(jī)壽命規(guī)律，才能在電機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用中真正實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。因此，耐高溫永磁電機(jī)的失效機(jī)理及壽命預(yù)測研究是另一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)難題。

2.5 高低溫環(huán)境永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

高低溫環(huán)境下電機(jī)系統(tǒng)的器件特性和指標(biāo)變化大，電機(jī)模型與參數(shù)復(fù)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(qū)動(dòng)器的損耗分析與溫升控制策略復(fù)雜，而且四象限運(yùn)行控制更加重要，常規(guī)的驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)和電機(jī)系統(tǒng)控制策略不能滿足高溫環(huán)境的要求。常規(guī)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)控制器工作在環(huán)境溫度相對穩(wěn)定條件下，而且很少考慮質(zhì)量、體積等指標(biāo)。然而在極端工況下，環(huán)境溫度在-70～180℃的寬溫區(qū)范圍內(nèi)變化，大部分的功率器件無法在此低溫中啟動(dòng)，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器功能失效。另外受電機(jī)系統(tǒng)總質(zhì)量限制，驅(qū)動(dòng)控制器的散熱性能必然要大幅度減小，這反過來影響驅(qū)動(dòng)控制器的性能及可靠性。

超高溫條件下，成熟的SPWM、SVPWM、矢量控制方法等開關(guān)損耗較大，應(yīng)用受到限制。隨著控制理論和全數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，速度前饋、人工智能、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、滑模變結(jié)構(gòu)控制和混沌控制等各種先進(jìn)算法在現(xiàn)代永磁電機(jī)伺服控制中都有了成功的應(yīng)用[25]。Calogero Cavallaro提出了包含鐵損的永磁同步電機(jī)動(dòng)態(tài)模型[26]，并基于該模型提出了內(nèi)置式永磁同步電機(jī)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(diǎn)，尤其是環(huán)境變化帶來的參數(shù)問題、耦合問題、損耗問題、模型復(fù)雜等，使得目前的方法都存在局限性。對耐高溫環(huán)境電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，必須以物理場計(jì)算為基礎(chǔ)，密切結(jié)合材料與器件特性的變化特點(diǎn)，建立電機(jī)-變流器一體化模型，進(jìn)行場路耦合分析才能充分考慮環(huán)境對電機(jī)系統(tǒng)特性的影響，充分利用現(xiàn)代控制技術(shù)以及智能控制技術(shù)，才能提高電機(jī)綜合控制品質(zhì)。另外，工作于惡劣環(huán)境下的永磁電機(jī)由于不易更換，處于長時(shí)間運(yùn)行工況下，并且外部環(huán)境參數(shù)(包括：溫度、壓強(qiáng)、氣流速度和方向等)變化復(fù)雜，導(dǎo)致電機(jī)系統(tǒng)工況隨動(dòng)。因此，必須研究參數(shù)攝動(dòng)以及外部擾動(dòng)情況下永磁電機(jī)高魯棒性驅(qū)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)技術(shù)。

3 結(jié)束語

綜上所述，耐高溫永磁電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究涉及眾多高、新技術(shù)領(lǐng)域。隨著國內(nèi)專家學(xué)者對耐高溫電機(jī)基礎(chǔ)理論的不斷完善深入，將加快建立耐高溫永磁電機(jī)的理論與技術(shù)體系；另一方面，隨著深空、深海和深地探測與開發(fā)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，耐高溫永磁電機(jī)系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 李建軍.深海無刷直流電機(jī)損耗及溫度場的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011：1-10.

[2] N Bianchi，S Bolognani，ADF Cappello.Back EMF improvement and force ripple reduction in PM linear motor drives[J].IEEE Power Electronics Specialists Conference,2004：3372-3377.

[3] N Bianchi，S Bolognani，ADF Cappello.Reduction of cogging force in PM linear motors by pole-shifting[J].IEE Proceedings Electric Power Applications，2005，152(3)：703-709.

[4] 王曉遠(yuǎn)，李娟，齊利曉，唐任遠(yuǎn).永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體內(nèi)渦流損耗密度的計(jì)算[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(1)：48-51.

[5] Chunting Mi，Gordon R Slemon，Richard Bonert.modeling of Iron losses of permanent-magnet synchronous motors[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2003，39(3)：734-741.

[6] Jean Philippe Parmantier.Numerical coupling models for complex systems and results[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2004，46(8)：359-367.

[7] 鐘掘，陳先霖.復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)耦合與解耦設(shè)計(jì)——現(xiàn)代機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論的探討[J].中國機(jī)械工程，1999(9)：1051-1054.

[8] 賀尚紅，段吉安，鐘掘.機(jī)電系統(tǒng)通用建模矩陣法[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，33(5)：517-521.

[9] 馮國泰，黃家驊，李海濱，等.渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)三維多場耦合數(shù)值仿真的數(shù)學(xué)模型[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，23(3)：189-192.

[10] 宋少云，李世其.耦合場協(xié)同仿真中節(jié)點(diǎn)載荷插值的混合法[J].計(jì)算機(jī)仿真，2006，23(8)：73-75.

[11] 王東，吳新振，馬偉明，等.非正弦供電十五相感應(yīng)電機(jī)氣隙磁勢分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(15)：88-94.

[12] 張洋，白保東，謝德馨.三維瞬態(tài)渦流-電路-運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)耦合問題的新解法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(9)：139-144.

[13] 成永紅，謝小軍，等.基于分子模擬技術(shù)的極端高溫條件下材料介電性能的初步研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，4(21)：1-6.

[14] 李安華，董生智，李衛(wèi).稀土永磁材料的力學(xué)性能[J].金屬功能材料，2002，9(4)：7-10.

[15] 楊應(yīng)昌.新型各向異性稀土永磁材料產(chǎn)業(yè)化開發(fā)進(jìn)展[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2011(2)：40-43.

[16] N Takahashi，M Morishita，D Miyagi，et al.Examination of magnetic properties of magnetic materials at high temperature using a ring specimen[J].IEEE Transaction on Magnetics，2010，46(2)：548-551.

[17] N Takahashi，D Miyagi，R Usui.Measurement of deterioration of magnetic properties due to shrink fitting[J].Journal of the Japan Society of Applied Electomagnetics and Mechanics,2007，3：222-225.

[18] 李娟.永磁體渦流損耗的有限元分析及其對電機(jī)性能的影響研究[D].天津大學(xué)，2005：38-42.

[19] Y Amara，J Wang,D Howe.Stator iron loss of tubular permanent magnet machines[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2005，41(4)：989-995.

[20] 馬少麗.汽輪發(fā)電機(jī)定子三維溫度場的有限元計(jì)算與分析[D].北京：華北電力大學(xué)，2007：28-29.

[21] Aldo Boglietti Andre.Comprehensive efficiency modeling of electric traction motor drive for hybrid electric vechicle propulsion applications[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology，2007，56(4)：1561-1573.

[22] 李銳華，孟國香，高乃奎.基于偏最小二乘神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大電機(jī)定子絕緣擊穿電壓混合預(yù)測方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(3)：100-102.

[23] 李福興.大型發(fā)電機(jī)定子絕緣診斷和剩余壽命預(yù)測[J].華東電力，2004，32(2)：54-56.

[24] Ei-Sousy F F M.Robust wavelet-neural-network sliding-mode control system for permanent magnet synchronous motor drive[J].IET Electric Power Applications，2011，1(5)：113-132.

[25] Uddin M N，Rebeiro R S.Online efficiency optimization of a fuzzy-logic-controller-based IPMSM drive[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2011，47(2)：1043-1050.

Development and Key Technology of Heat-resisting Permanent Magnet Motors

TANG Yong-bin，HAO Xiao-yu，JIE Jun，ZHOU Jing-jing

(Beijing Institute of Automatic Control Equipment，Beijing 100074，China)

The application background of space demands that the motor can work stably under the condition of high temperature.The harsh environment of space with high temperature，low temperature and vacuum brings some new problems in the motor system.The coupling of the electromagnetic field，the fluid field，the thermal field，and the stress becomes more prominence.The feature of the materials of the motor and the element of the drive and control circuit changes nonlinearly.Analysis difficulty of the motors of loss and temperature rise increase.The drive and control strategy becomes very complex.The characteristics of motors for aerospaceand are introduced briefly in this paper，and development status at home and abroad of heat-resisting motors and key technology of heat-resisting permanent magnet motors are analyzed in detail.

Heat-resisting；Permanent magnet motors；Loss；Temperature field

2015-03-12；

2015-04-24。

唐勇斌(1985-)，男，博士，工程師，主要從事永磁電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制方面的研究。E-mail:tangyongbin0622@163.com

TM351

A

2095-8110(2016)02-0065-06