耐高温永磁电机发展综述

张 成，尚俊云，曹 宽

(中国航天科技集团第十六研究所，西安 710100)

0 引 言

永磁电机具有结构简单、体积小、质量轻的特点，比传统电励磁电机得到了更广泛的应用。随着科学技术的发展，在航空航天等领域的探索不断深入，永磁电机需要在温度更高的环境中工作，对耐高温永磁电机的研究具有更加重要的意义。耐高温永磁电机是指能在高温环境下正常工作，使用H级或C级绝缘的永磁电机，它通常具有耐温等级高、效率高、可靠性高的特点。耐高温永磁电机集电机、电磁场、传热学、流体力学、材料、电力电子、自动控制等学科于一身，是特种电机的一个重要分类。随着新型耐高温永磁材料、铁心冲片材料和绝缘材料的发展，航空航天领域出现了耐温等级达到300 ℃甚至更高的永磁电机[1]；同时油井、消防烟道等场合也开始使用耐温等级达到200 ℃的永磁电机[2-3]。这些耐高温永磁电机能在普通电机无法正常工作的恶劣环境中稳定运行，为任务的完成提供了重要保障。

1 耐高温永磁电机的应用领域

耐高温永磁电机的研发通常基于下面三个领域的使用需求：航空航天、油井开采和消防烟道。

1.1 航空航天领域

工作在地球轨道或月球轨道的航天器，由于缺乏有效的散热手段，加上受到太阳直接照射，其温度经常超过180 ℃。普通电机无法在这样的温度下工作，因此需要专门研发相应的耐高温永磁电机。

应用于航空航天领域的耐高温永磁电机具有以下特点：

(1) 工作温度高。航空发动机工作时，喷口附近的温度可达350 ℃，工作在该位置的燃油泵用电机需具备相应的耐高温能力；月球表面被太阳照射时温度可达180 ℃，金星表面平均温度可达460 ℃，因此，探测器上的电机普遍拥有很高的耐高温能力。

(2) 体积小。受到火箭尺寸的限制，航天器的结构往往十分紧凑，相应地，应用在航天器上的耐高温永磁电机的尺寸也必须足够小。用于金星探测器的耐高温永磁电机，其长度、宽度和高度只有几十毫米。

(3) 功率密度高。航天用电机常常具有体积小和输出功率大的特点，即具有较大的功率密度。高功率密度加大了散热的难度，同时对电机的绝缘可靠性提出了更高的要求。

(4) 效率高。航天任务耗资巨大，必须利用有限的资源完成尽可能多的工作，因此高效率对航天电机有非常重要的意义。

1.2 油井开采领域

在油井采油的过程中，需要使用潜油电泵将开采出的油输送到地面；驱动电泵的电机需要在深达数千米的地层中工作。中低温油井的温度可以达到150 ℃，高温油井的温度可以达到220 ℃，常规潜油电泵的适用工作温度低于120 ℃，已不能满足上述油井的工作需要。因此，需要研发相应的高温潜油电机。

高温潜油电机普遍具有直径小的特点。潜油电机使用时需要安装在套管中，并随套管一起进入井下，而套管直径不超过140 mm。

1.3 消防领域

消防系统中需要烟道排风，在正常运行时和火灾发生时将烟气排放到露天环境。为了保证在火灾时仍能顺利排出有毒有害烟气，给建筑内人员提供足够的逃生时间，烟道电机需要具备在高温环境中工作的能力。

2 耐高温永磁电机的发展现状

2.1 航空航天领域

2.1.1 国外发展现状

欧美发达国家航空技术和航天技术发展起步早，在电机的耐高温能力方面经验丰富，技术成熟，研制的耐高温永磁电机通常在200 ℃以上的高温环境中工作。

瑞士Maxon电机公司研制的一种无刷直流电机可以在高温、高冲击载荷、振动、真空等恶劣环境下正常工作，工作环境温度可达240 ℃[2]。

美国Honeybee Robotics(蜜蜂机器人)公司为金星探测任务研发了可耐460 ℃的无刷直流电机，该电机体积为50.8 mm×55.88 mm×55.88 mm，质量0.8 kg。电机的参数如表1所示[2]。

Liu Hanzhou等人设计了一款可以在300 ℃环境下工作的耐高温永磁电机[1]。该电机为永磁同步电机，采用6极24槽结构，额定功率12 kW，额定转速12 000 r/min，效率超过90%。该电机定子外部直径165 mm，电机长度83.3 mm，定子冲片使用铁钴矾材料Hiperco 50，转子永磁体材料为钐钴材料SmCo 28。该电机在导线外部缠绕陶瓷纤维，以确保电绝缘在高温下依然有效。

2.1.2 国内发展现状

相比于欧美发达国家，国内耐高温永磁电机的发展起步较晚。近年来,经过科研人员的不懈努力，一些耐高温永磁电机被研发出来并投入使用。

2019年，臻上机电设备有限公司[4]、金士力科技有限公司[5]和摩森机电科技有限公司[6]分别推出了可以在200 ℃环境下工作的耐高温永磁电机，如表2所示。

表2 三家公司的耐高温永磁电机参数

2019年1月，嫦娥四号探测器实现世界首次月背软着陆。该探测器的驱动电机由贵州航天林泉电机有限公司研发，可以在180～220 ℃的高温环境中正常工作[7]。

2.2 油井开采领域

美国BEI Kimco Magnetics公司为油井勘探研发的耐高温永磁电机可以承受220℃的高温和200 MPa的高压，永磁体采用钐钴材料，以保证较高的稳定性和耐腐蚀性[2]。

2016年，沈阳工业大学通益科技有限公司的白山等人设计了可以在超过220 ℃环境中工作的高温潜油电机。该电机的轴为空心结构，轴两端与电机的顶部端盖和底部端盖相连，电机的底部有储油底座和增压螺旋叶片，通过轴的运动驱动润滑油从机壳中的空腔、储油底座和轴中间的空心结构里流过，形成循环油冷，为电机降温[8]。

2.3 消防领域

2015年，美国马拉松电机公司的TCS系列烟道电机，可在300 ℃环境中工作2 h[3]。该系列电机使用H级绝缘，额定电压380 V，额定功率从750 W到355 kW等多种型号。表3列举了该系列的部分型号，额定转速3 000 r/min，2极。

表3 TCS系列烟道电机

2016年，西门子电机(中国)有限公司的陈平曦和周祥设计了一种消防烟道用排烟电机，可以在280 ℃的环境中工作。该电机使用H级绝缘，采用C4游隙轴承、高温润滑脂和氟橡胶材料油封，以保证电机在高温条件下工作[9]。

ABB公司的烟道电机可以在400 ℃的紧急环境下正常工作120min。该系列电压最高可达690V，额定功率从75 kW到500 kW有多种型号[10]。

3 技术特点及发展趋势

3.1 技术特点

耐高温永磁电机具备以下技术特点：

(1) 复杂的多物理场耦合分析

由于工作在高温环境中，耐高温永磁电机的电磁参数变化很大，电磁场、温度场、流体场等多个物理场之间的相互影响变得复杂，并对电机的性能造成重要影响，而这些影响在普通环境下通常可以忽略。电机的铜损、温升、冷却液的热导等参数均与温度相关，而这些参数彼此之间也相互影响，使得多物理场的分析变得困难。

目前,多物理场的耦合分析方法以交替迭代为主。通过电磁场分析求得电机的损耗，再以损耗为热源，充分考虑电机的工作环境和散热途径，建立电机的温度场，求得电机各部位的温度。以新的温度为基础对电磁场进行重新分析，如此形成迭代。迭代完成后，需要模拟实验环境对电机进行测试验证。

(2) 耐高温材料的选择

高温环境下永磁材料的剩磁会减少，工作点也随之改变。为了降低永磁体永久失磁的风险，永磁材料的矫顽力必须足够高；为了使永磁电机在高温环境下也有足够大的输出功率，电机必须有足够大的反电动势，因此永磁体必须有较低的温度系数。考虑上述因素，耐高温永磁电机的永磁体常使用钐钴永磁材料(Sm∶Co1∶5或2∶17)制作。

耐高温永磁电机常常被要求有足够小的体积，因此定转子铁心冲片材料需要有高的饱和磁感应强度；为使电机转动时铁心冲片磁场的快速变化，铁心冲片材料的矫顽力应尽可能小；为降低涡流损耗，铁心冲片应尽可能薄。考虑上述因素，厚度为0.1 mm或0.2 mm的硅钢片(如新日铁20JNEX1500)涡流损耗小，是制作耐高温永磁电机铁心冲片的常用材料。一些耐高温永磁电机使用铁钴矾合金冲片(1J22，Hiperco50等)制作铁心，铁钴矾冲片(以Hiperco50为例)的优点是饱和磁感应强度大(2.3 T)、居里点高(940 ℃)[1]，缺点是材料本身较脆，加工难度大。

为确保绝缘在高温环境下不失效，耐高温永磁电机需要使用新的材料来实现H级或C级绝缘。玻璃云母是传统的绝缘材料，但其抵抗热老化的能力在H级绝缘中最差，现在已很少使用。国内的耐高温永磁电机常使用环氧树脂或聚酰亚胺作为绝缘材料，能承受的最高温度为240 ℃。国外的耐温300 ℃以上的产品使用玻璃陶瓷绝缘，能承受的最高温度可达760～815 ℃。

3.2 发展趋势

(1) 准确的多物理场耦合分析理论

在进行电机的损耗分析时，电机的铁损和机械损耗难以准确计算；在进行电机的温度场分析时，接触热阻和对流传热系数难以准确确定。在进行多物理场耦合分析时，常常对上述问题做近似处理，导致建立的模型与实际情况有差异，建立的模型不准确。可见，现有的多物理场耦合分析理论还有改进的空间，电机的损耗模型和传热模型亟需更准确的理论来进一步完善。

(2) 新材料的应用

在耐高温这一方面，永磁电机的永磁体是最脆弱的一环，因此研发新的永磁材料是增强耐高温永磁电机耐温等级的一个思路。目前，永磁材料领域的热门研究方向是新一代永磁材料钐铁氮(Sm2Fe17Nx)。钐铁氮材料具有饱和磁化强度高(1.54 T)、居里温度高(470 ℃)、成本低(不受限于战略物资金属钴)的优点，限制其发展的主要因素是将磁粉制作成永磁体的工艺困难。如果使用粘结方式，那么环氧树脂粘结剂的耐温等级低；如果使用烧结方式，那么得到的永磁体矫顽力会大幅降低。如何把钐铁氮磁粉烧结成永磁体的同时,保证永磁体保持较高的矫顽力，是关系到钐铁氮材料能否得到普遍使用的重要问题[11]。

4 结 语

通过总结和整理搜集到的论文、专利和相关的新闻报道，从航空航天、油井开采和消防烟道三个领域介绍了耐高温永磁电机的应用和发展现状。总的来说，国内的耐高温永磁电机近年来发展迅速，并取得了一定的成果，但在绝缘材料的耐高温等级方面与国外顶尖水平尚有较大差距。另外，国内在高温环境下永磁电机的失效机理、绝缘可靠性等方面缺乏研究，影响对电机寿命的预测。相信随着国内专家和学者的研究不断深入，国内耐高温永磁电机会取得更多的研究成果，缩小与国外顶尖水平的差距；同时随着航空航天技术的不断发展，耐高温永磁电机会有更加广泛的应用前景。