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。

国内外耐高温电机发展现状

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。

国内外耐高温电机发展现状

国内外耐高温电机发展现状

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。