张岚清¹、娄兴建²、何博¹、唐庆华¹杨红¹

      1 长航集团武汉电机有限公司  武汉

       2 南通力威机械有限公司    南通

摘要：本文聚焦- 50℃及以下超低温环境电机的设计需求，针对材料脆化、结构变形、润滑密封失效等核心挑战，从材料选型、电磁设计、工艺控制及加热系统四方面提出解决方案。

关键词：超低温电机、材料选型、电磁设计、工艺控制、加热保温系统

Design and Research of Ultra-Low Temperature Electric Motors​

Zhang Lanqing¹, Lou Xinjian², He Bo¹, Tang Qinghua¹, Yang Hong¹

(¹ Changhang Group Wuhan Electric Machinery Co., Ltd.,   Wuhan

² Nantong Liwei Machinery Co., Ltd.,  Nantong)

Abstract:​This paper focuses on the design requirements of electric motors operating in ultra-low temperature environments of -50°C and below. Addressing core challenges such as material embrittlement, structural deformation, and lubrication-sealing failures, solutions are proposed from four aspects: material selection, electromagnetic design, process control, and heating systems.

Keywords:​ Ultra-low temperature motors, Material selection, Electromagnetic design, Process control, Heating and insulation system

0 引言

电机作为电能与机械能转换的核心动力装置，已深度渗透工业生产、高端装备及极端环境作业等领域，是现代社会运转的 “动力心脏”。随着航空航天、极地科考、深海探测等高端装备技术的快速发展，电机面临的应用环境愈发严苛，超低温（-50℃及以下）、真空、强辐射等极端工况，对电机的性能、可靠性和寿命提出了前所未有的挑战。​在南极、北极等极地科考场景中，科考船推进系统、科考设备驱动、环境监测装置等均依赖电机提供动力，而 - 50℃超低温会导致材料性能劣化、结构变形、润滑失效等问题，直接影响科考任务推进。此外，高海拔永冻区风电设备、太空航天器驱动系统、深海探测装备等，也对超低温电机有着迫切需求。攻克 - 50℃超低温电机技术瓶颈，不仅能提升电机极端环境适应能力与运行可靠性，更能为人类在 “极限区域” 实现长期无人化作业提供核心动力保障，拓展高端装备应用边界。​

长航集团武汉电机有限公司深耕电机领域多年，在船舶电机、特种电机研发制造方面积累了丰富经验。本文结合极地科考船用电机实际应用需求，从超低温电机环境特点出发，围绕材料选择、电磁设计、工艺控制、加热系统配置等关键技术环节展开深入探讨，提出一套兼具实用性和可靠性的设计方案，为超低温电机研发与应用提供参考。​

1 超低温电机的运行环境与技术挑战​

超低温电机的核心应用场景为 - 50℃及以下极端低温环境，相较于常温电机，其技术挑战源于低温对材料性能、结构配合、润滑密封及电磁特性的显著影响，具体表现如下：​

1.1 材料性能劣化风险​

低温会导致绝大多数材料物理化学性质改变：金属材料易发生低温脆变，冲击韧性大幅下降，关键结构件可能因轻微撞击或工作应力断裂；非金属材料（如绝缘材料、密封件）会硬化、变脆、收缩，导致绝缘性能下降、密封失效；复合材料各组分收缩率差异引发内部应力集中，严重时出现分层、开裂。​

1.2 结构配合精度失控​

不同材料线膨胀系数存在差异，超低温环境下，电机壳体、端盖、转轴、轴承等部件收缩量不一致。若设计阶段未精准计算配合公差，可能导致部件间配合过紧（引发卡死）或过松（产生间隙、振动和异响），直接影响电机正常运转。  

1.3 润滑与密封失效​

普通润滑脂在 - 50℃下会迅速凝固、增稠，流动性完全丧失，导致电机启动扭矩剧增甚至无法启动，同时造成轴承干磨损坏；常规密封材料（如丁腈橡胶）硬化失弹，无法有效阻挡湿气、冰雪及腐蚀性介质（如极地海水盐分）侵入，引发绕组绝缘受潮、轴承锈蚀等故障。​

1.4 电磁性能与启动特性变化​

低温导致金属导体电阻减小，对于永磁同步电机，绕组电阻下降会使堵转电流增大，对驱动器电流承载能力和保护机制提出更高要求；同时，低温下负载设备（如减速机）润滑脂变稠，启动阻力矩大幅增加，若启动转矩设计不足，将无法正常启动。​

1.5 工艺缺陷放大效应​

常温下可接受的微小工艺缺陷（如焊缝气孔、转子不平衡量、装配杂质），在超低温环境下会因材料性能下降、应力集中被放大，引发焊缝开裂、转子振动加剧、绝缘击穿等严重故障。因此，超低温电机对制造工艺的精度和清洁度要求远高于常温电机。​

2 超低温电机的核心设计技术​

针对超低温环境的技术挑战，电机设计需从材料选型、结构优化、电磁设计、工艺控制等方面进行系统性创新，确保极端低温下的稳定性能和可靠寿命。​

2.1 材料选择与结构设计​

材料选择是超低温电机设计的核心，需优先选用耐低温、强韧性好、收缩率稳定的材料，并通过精准结构设计补偿低温收缩影响。​

2.1.1 金属结构材料​

机座、端盖采用FH36船板焊接，这种材料具有卓越的强韧性组合，同时还具体出色的低温韧性和优良的焊接性，通过严格控制磷、硫等有害杂质的含量，FH36钢板具备了一定的抗海水腐蚀能力。                               

具体性能见下表：

转轴：选用 34CrNi3Mo 高强度合金结构钢，通过铬、镍、钼等合金元素合理配比，实现卓越强韧性和高淬透性。经调质处理（淬火 + 高温回火）后，抗拉强度≥755MPa，屈服强度≥590MPa，冲击韧性（αk）≥63J/cm²，能在超低温下承受沉重载荷和强烈冲击；淬透性好，即使是直径数百毫米的大型锻件，截面力学性能均匀，避免低温收缩不均导致的应力集中；热处理后残余应力小，-50℃下收缩均匀，保障与轴承、转子铁芯的配合精度。​

2.1.2 轴承系统设计​

轴承是电机旋转部件的关键支撑，需重点解决游隙补偿、润滑适配和配合精度问题：​

轴承选型：选用 C3 级及以上大游隙深沟球轴承或圆柱滚子轴承，大初始游隙可抵消低温收缩带来的游隙损失，避免轴承卡死；滚动体和保持架选用耐低温材料，确保结构稳定性。​

配合间隙设计：考虑转轴（34CrNi3Mo）与轴承座（FH36 钢）的线膨胀系数差异，采用 “常温过盈补偿” 方案，常温下轴与轴承内圈过盈量控制在 0.015-0.03mm，抵消低温收缩差异，保障运行配合精度。​

润滑脂适配：选用以全氟聚醚或硅油为基础油、聚四氟乙烯（PTFE）为稠化剂的特种低温润滑脂，倾点低于 - 60℃，-50℃下仍保持良好流动性和润滑性能，启动扭矩小；润滑脂填充量控制为轴承内部空间的 1/3-1/2，避免过多增加搅拌阻力或过少无法形成有效油膜。​

2.1.3 绝缘材料选型​

超低温下绝缘材料脆化、开裂是绝缘失效的主要原因，需选用耐低温、抗冷冲、粘结性强的材料，并配合先进浸渍工艺：​

漆包线：选用聚酰亚胺（PI）改性漆包线，聚酰亚胺薄膜耐低温性能优异，-50℃下仍保持良好柔韧性和绝缘强度，避免绕线、嵌线过程中因冷热冲击产生细微裂纹，杜绝匝间短路；长期使用温度可达 200℃，兼具高温稳定性，适配电机运行温升需求。​

绝缘漆：采用低温固化型环氧树脂浸渍漆，固化后漆膜韧性好，-50℃下不脆裂、不脱落，能牢固粘结绕组导线，抵御振动和热应力；采用 VPI（真空压力浸漆）工艺，真空度≥-0.095MPa，压力 0.3-0.5MPa，确保漆液充分渗透绕组间隙和绝缘层内部，消除气隙，提升绝缘整体性和防潮性能。​

绝缘纸与槽楔：槽绝缘纸、相间绝缘材料选用芳纶纸（Nomex），在 - 60℃至 200℃范围内性能稳定，不脆化、不变形，击穿电压≥20kV/mm，机械强度高；槽楔选用聚砜树脂复合材料，兼具耐低温、高强度和良好尺寸稳定性，能有效固定绕组，防止运行时松动。​

2.1.4 密封材料与结构设计​

密封系统需阻挡外部湿气、冰雪、盐分等介质侵入，需选用耐低温、弹性好、抗腐蚀的材料并优化结构：​

密封材料：摒弃常规丁腈橡胶（NBR），选用氟橡胶（FKM）、硅橡胶（VMQ）或三元乙丙橡胶（EPDM）等耐低温橡胶，其中氟橡胶 - 50℃下仍保持良好弹性和密封性，且耐海水、耐化学腐蚀性能优异；高可靠性场景采用 “PTFE + 不锈钢外壳” 复合密封结构，PTFE 耐几乎所有液压介质、溶剂和化学介质，摩擦系数极低（0.02-0.04），无爬行现象，抗臭氧性和耐候性极佳，添加碳纤维、玻璃纤维等填充材料改善抗冷流性，适用温度范围 - 60℃至 260℃，完全满足超低温需求。​

密封结构：采用双重密封设计，主密封为 PTFE 复合密封圈，辅助密封为硅橡胶防尘圈，形成 “密封 + 防尘” 双重防护；密封面加工环形槽，填充低温密封胶，进一步提升可靠性。

2.2 电磁与电气设计​

超低温下电机电磁特性和启动条件发生显著变化，需重点优化启动转矩、堵转电流控制和绕组结构，确保良好启动性能和运行效率。​

2.2.1 启动转矩优化​

低温下润滑脂粘度增加、负载阻力矩增大，要求电机具备更大启动转矩和安全裕量。结合趋肤效应差异，采用 “双鼠笼转子” 结构设计，实现启动转矩与运行效率的平衡：​

双鼠笼转子结构：转子槽内设置上下两层笼条，上层为 “启动笼”，采用高电阻率铜合金或黄铜材料，截面细小，启动时转子电流频率高（接近电源频率），趋肤效应使电流集中在上层笼条，产生较大启动转矩；下层为 “运行笼”，采用低电阻率纯铜材料，截面粗大，运行时转子电流频率低（通常），趋肤效应减弱，电流主要通过下层笼条，降低运行损耗，提升效率。​通过有限元仿真软件优化槽形尺寸，确保 - 50℃环境下启动转矩倍数≥2.5（相对于额定转矩），最大转矩倍数≥3.0，留有充足安全裕量。​

2.2.2 绕组电阻与堵转电流控制​

-50℃时铜导体电阻约为常温（25℃）的 70%，导致永磁同步电机堵转电流增大，需采取以下措施：​

绕组结构优化：采用双层叠绕组结构，合理选择导线线径和匝数，在保证输出功率的前提下，适当增加绕组匝数，降低绕组电流密度（控制在 4-6A/mm²），减少堵转电流；绕组采用星形连接方式，降低相电压，进一步抑制堵转电流峰值。

驱动器适配设计：驱动器电流容量需按常温堵转电流的 1.4 倍以上配置，同时优化过流保护阈值和启动限流曲线，避免启动时因堵转电流过大导致驱动器保护停机。​

2.2.3 永磁体性能保障（针对永磁同步电机）​

选用耐低温的钕铁硼（NdFeB）永磁体，经高温老化和低温稳定性处理，-50℃下剩磁（Br）衰减率≤3%，矫顽力（Hcj）≥1592kA/m，确保整个温度范围内磁性能稳定；永磁体表面采用 “电镀镍 + 环氧树脂涂层” 双重防护，防止低温下氧化腐蚀，延长使用寿命。​

2.3 制造工艺控制​

超低温电机制造工艺直接影响低温环境可靠性，需从清洁度控制、焊接工艺、动平衡校正等方面制定严格标准，避免工艺缺陷在低温下被放大。​

2.3.1 清洁度控制​

超低温环境下，微小杂质可能导致绝缘击穿、轴承卡滞等故障，需建立全流程清洁度控制体系：​

零部件清洁：机座、端盖、转轴等金属零部件经机械加工后，采用超声波清洗（清洗剂为无水乙醇），清洗时间≥30 分钟，去除表面油污、金属屑和毛刺；绝缘零部件（如绝缘纸、槽楔）装配前进行真空烘干（温度 80℃，时间 2 小时），去除水分和杂质。​

装配环境：装配车间采用洁净室设计，洁净度等级≥10000 级，温度控制在 20-25℃，湿度≤60%；装配人员穿戴防静电洁净服、手套和口罩，避免人体毛发、汗液等污染零部件；装配工具经脱脂、除锈处理，定期校验精度。​

成品清洁：电机装配完成后，采用干燥压缩空气（露点≤-40℃）吹扫内部，去除装配残留杂质；通气孔加装高效过滤装置，防止运行时外部杂质进入。​

2.3.2 焊接工艺控制​

电机机座、端盖等部件焊接成型，焊缝低温韧性和质量直接影响结构可靠性：

焊接材料：选用低氢型焊条（如 E5015），焊接前经 350-400℃烘干 2 小时，去除焊条水分，减少焊缝氢含量，避免低温下产生冷裂纹。​

焊接参数：焊接前对焊件预热，预热温度≥100℃，层间温度控制在 100-150℃；采用分段对称焊接法，减少焊接应力；焊接电流 100-140A，电弧电压 22-26V，焊接速度 3-5mm/s，确保焊缝熔透、无气孔、无夹渣。​

焊缝检测：焊接完成后，对焊缝进行 100% 无损检测，超声波检测（UT）检查内部缺陷，渗透检测（PT）检查表面缺陷；关键焊缝进行低温冲击试验，确保 - 50℃时冲击吸收能量≥27J，避免低温应力导致焊缝开裂。​

2.3.3 动平衡校正​

低温下材料收缩不均可能导致转子不平衡量变化，引发振动加剧，需进行高精度动平衡校正：​

转子动平衡：采用硬支承动平衡机，对转子进行双面动平衡校正，平衡精度等级达到 G2.5 级（转速 3000r/min 时，许用不平衡量≤2.5g・mm/kg）；大型转子在 - 50℃低温环境下进行二次动平衡验证，确保低温下平衡精度。​

整机动平衡：电机装配完成后，进行整机动平衡测试，通过调整端盖、风扇等部件位置，将整机振动速度有效值控制在 2.0mm/s 以下，避免低温下振动放大影响运行稳定性。​

2.4 加热与保温系统设计​

对于频繁启动或长期处于 - 50℃以下极端低温环境的电机，需加装加热与保温系统，提前预热部件，降低低温影响，确保顺利启动和稳定运行。​

2.4.1 绕组预热系统​

绕组预热是最直接有效的预热方式，利用绕组铜耗产生热量：​

工作原理：启动前，通过驱动器向定子绕组通入额定电流 30%左右 的直流电流，禁止转子旋转，利用铜耗加热绕组，进而传递热量至内部各部件，使电机内部温度升至 - 20℃以上（润滑脂正常工作温度范围）后再启动。​

控制逻辑：电机控制器增设预热控制模块，通过温度传感器实时监测内部温度，低于 - 30℃时自动启动预热程序；预热时间根据环境温度调整（15-30 分钟），温度达标后自动停止，允许启动；设置预热超时保护，避免绕组过热。​

2.4.2 空间保温加热系统​

针对长期闲置户外的电机，需加装空间加热器，维持内部正温度，防止冷凝和润滑脂过度硬化：​

加热器选型与安装：选用硅橡胶电热膜，发热均匀、耐低温、绝缘性能好，工作温度范围 - 60℃至 200℃；粘贴在机座内壁、轴承室外部，功率密度控制在 2-3W/cm²，总功率为电机额定功率的 5%-10%（根据体积确定）。​

供电与控制：采用独立 220V 交流电源供电，与主电源隔离，确保电机停机时加热器正常工作；配备温度控制器，设定控制温度 -20-0℃，低于-20℃时自动启动加热，高于 0℃时停止，维持温度稳定；加热器外壳采用防水、防腐蚀设计，适配极地海洋环境。​

2.4.3 附件加热防护​

电机配套的制动器、编码器、传感器等附件易在超低温下失效，需针对性设计加热防护方案：​

防护罩设计：为附件加装密封式防护罩，采用 FH36 钢板制造，内部填充聚氨酯保温材料，减少热量散失；预留通风孔，确保加热时空气流通。​

加热膜安装：附件本体表面粘贴硅橡胶电热膜，独立 220V 交流供电，加热功率 5-20W（根据体积确定）；通过温度传感器实时监测表面温度，控制在 - 10℃以上，确保附件正常工作；加热膜与附件表面紧密贴合，采用耐高温胶带固定，防止低温下脱落。​

​

3 结语​

超低温电机设计需系统性解决低温环境下材料脆化、润滑失效、结构变形等核心难题。本文提出的设计方案通过四大关键创新实现可靠运行：材料上选用 FH36 船板、34CrNi3Mo 合金钢等耐低温材料；结构上优化轴承配合、采用双鼠笼转子与双重密封；工艺上实施全流程清洁度控制、严格焊接标准与高精度动平衡；加热系统配置绕组预热、空间保温与附件防护。该方案显著提升了电机低温适应性，可广泛应用于极地科考、高海拔风电等极端环境。未来，超低温电机将向更高功率密度、更长寿命、更低能耗方向发展，为高端装备 “极限区域” 应用提供强劲动力支撑。​

参考文献

【1】郝磊鹏。传导冷却低温超导磁体励磁稳定性研究 [M]. 北京：中国科学院电工研究所，2023.

【2】张立军，徐杰，孟德建。基于 preisach 模型的永磁同步轮毂电机损耗及温度场建模与分析 [J]. 机械工程学报，2020，56（22）：33-42.

【3】王凤翔。特种电机理论、设计与应用 [M]. 北京：机械工业出版社，2016.

【4】刘卫国，何山，夏加宽。极端环境电机设计技术 [M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2019.

作者介绍：张岚清  正高级工程师  毕业昆明理工大学  从事电机设计工作