耐高温永磁电机关键技术分析

    随着永磁材料性能的不断提高，特别是钐钴永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐渐降低以及电力电子器件的进一步发展，同时，由于交流永磁电机具有体积小、功率密度高、效率高、特性好、环境适应性好等优点，故永磁电机在深空探测与开发领域已获得越来越广泛的应用。耐高温永磁电机是复杂的电磁系统，涉及的关键技术包括以下方面。

1、电机多物理场分析方法

    在低温至高温的宽温区范围、真空等航天恶劣环境下，永磁电机电磁参数变化很大，材料发生非线性变化，电磁场、温度场、流体场、应力场等各个物理场之间耦合关系更加复杂，在正常环境下可以忽略的多物理场耦合关系变得不可忽略，成为关键的技术难题 。电机的铁心损耗、风摩损耗、电机温升不但与环境温度和压强密切相关，而且相互影响。在真空环境中，散热条件特殊，与相毗邻部件的形状及表面属性相关，热辐射与表面温度成非线性关系。真空至高压强的变化影响应力和材料特性变化，使得电机的多物理场建模难度增大。因此恶劣环境下永磁电机内各物理场耦合关系非常复杂，研究各物理量和物理场的耦合关系及其动态变化规律非常困难 。

2、电机材料与器件特性变化规律

    常规电机所用的材料，例如永磁体、电磁线和绝缘材料等，在高温、低温等恶劣环境下使用时会出现性能下降、失效、可靠性降低等问题。另一方面，高温环境下永磁电机材料的特性变化规律复杂，在温度范围近 300℃时，硅钢片的特性变化明显，电磁线导电特性变化近3 倍，钐钴永磁材料特性变化30% ，流体黏度特性变化可能达到10 倍以上，绝缘材料的导电特性与介电强度特性发生变化。

3、永磁电机损耗、温升和冷却分析

    在高温环境下，永磁电机中材料属性发生变化，引起铁心损耗、绕组铜损、转子损耗均发生显著变化。在传热方面，真空或电机内部充油时传热方式不同，电机内部温度分布规律复杂; 在散热方面，航天用电机的冷却环境和冷却条件受到制约，很难设计水冷、风冷等措施，导致其散热困难。当电机工作在高温、高速、高功率密度等极限条件下，其发热温升更严重。电机温升过高造成永磁体出现不可逆失磁、漆包线绝缘层破坏甚至电机让绕组烧毁等事故，因此，损耗与温升的准确计算是耐高温永磁电机设计与分析的关键技术之一，并且电机发热温升也是影响电机可靠性和寿命的最主要因素。

4、电机失效机理及寿命预估方法

    高温环境下永磁电机及电子电路的发热更容易导致电机及其驱动控制器的性能下降甚至失效。在电机失效机理的研究方面，主要是对绝缘层失效和永磁体失磁的研究。由于缺乏精确的老化数学模型及绝缘失效机理定量描述困难，对电机绝缘的研究一直是电机绝缘诊断技术中的难题，目前的方法主要还是通过非破坏参量来预测剩余击穿电压，从而评估电机的绝缘状态 。而永磁体失磁的主要原因在于在高温或高低温交替环境下涡流场引起的损耗温升，因此研究主要集中在对涡流场的计算，通过对主绝缘性能的评估，来实现对电机寿命的预测。

5、高低温环境永磁电机驱动控制技术

    高低温环境下电机系统的器件特性和指标变化大，电机模型与参数复杂，非线性度增加、耦合程度增加，功率器件损耗变化大，不但驱动器的损耗分析与温升控制策略复杂，而且四象限运行控制更加重要，常规的驱动控制器设计和电机系统控制策略不能满足高温环境的要求。常规设计的驱动控制器工作在环境温度相对稳定条件下，而且很少考虑质量、体积等指标。然而在极端工况下，环境温度在－70 ～ 180℃的宽温区范围内变化，大部分的功率器件无法在此低温中启动，导致驱动器功能失效。另外受电机系统总质量限制，驱动控制器的散热性能必然要大幅度减小，这反过来影响驱动控制器的性能及可靠性。

总结

    综上所述，耐高温永磁电机及其驱动控制系统的研究涉及众多高、新技术领域。随着国内专家学者对耐高温电机基础理论的不断完善深入，将加快建立耐高温永磁电机的理论与技术体系; 另一方面，随着深空、深海和深地探测与开发领域的不断扩展，耐高温永磁电机系统具有广泛的应用前景。