[发明专利]浸在液化天然气中运行的超低温永磁同步电动机

说明书

技术领域

本发明属于电机领域，尤其涉及一种浸在液化天然气中运行的超低温永磁同步电动机。

背景技术

由于天然气是一种最干净、环保的能源，世界范围内对天然气的需求在不断增加。天 然气在储存、运输及使用中均以液化天然气(LiquefiedNaturalGas，简称LNG)形式存在， 温度需要维持在其沸点-161.5℃以下。在液化天然气运输和使用的环节中，除可以通过压力 输送的方式外，还可以采用浸在液化天然气中的各种泵类设备予以驱动输送，包括各种罐 内泵、船用泵、汽车泵、高压泵等各种液化天然气泵。美国、欧洲、日本的一些公司为这 些液化天然气泵开发了浸入式超低温鼠笼感应电动机并普遍应用。近年来，随着永磁同步 电机制造及驱动技术的发展，开始有超低温永磁电机的研究及开发出现。

然而要实现将永磁电机侵入在液化天然气的超低温环境中运行，有许多技术问题需要 解决。除可应用于低温环境的材料选择问题以及与液化气兼容的绝缘处理等基本技术问题 之外，永磁电机的电磁结构设计也是一个主要关键技术问题，决定着电机性能以及电机铁 心损耗的大小。在超低温环境下铁心涡流损耗成为了电机的主要损耗，过大的损耗会导致 液化气局部过热，有可能会产生液化天然气的局部气化膨胀并引发液化气装置爆炸等严重 危险。

发明内容

本发明提出了一种可浸在液化天然气中运行的超低温永磁同步电动机，是为了解决液 化天然气泵驱动的安全运行问题，以及提高其运行效率以及功率密度所提出的。相对于已 有的超低温鼠笼感应电动机，此电机可以进一步降低损耗、提高功率密度，从而更有效地 避免由于超低温电机铁心损耗大所导致局部过热气体膨胀进而引发爆炸等隐患。

浸在液化天然气中运行的超低温永磁同步电动机，它包括：定子和转子，定子套接在 转子外表面，定子包括定子铁心11和定子绕组12；转子包括：转轴21、永磁磁极22和转 子护套23，永磁磁极22的极数为2或4，永磁磁极22粘贴在转轴21外表面，转子护套 23套接在永磁磁极22外表面；定子铁心11的定子槽数为18或30，且定子铁心11的外径 为70±10mm、110±10mm、150±10mm或200±20mm；对应于不同输出功率定子铁心长度范 围在50mm-500mm之间。在这样的尺寸范围下，本申请电机具有远高于一般电机的功率密 度和转矩密度。与其他电机相比较，一般2极工业异步电机的功率体积比的较高指标在 1-1.5kW/L左右；而一般高性能的稀土永磁电机如具有良好冷却系统的电动汽车永磁电机的 功率体积比的较高指标在3-6kW/L左右。而本申请电机在本申请尺寸限制条件下，功率体 积比指标可以达到在15--30kW/L左右。电机功率密度提高的原因，一方面与超低温运行环 境下铜损的降低有关，另一方面也取决于下述电磁设计方案。

当电机浸入在液化天然气的超低温环境中运行时，虽然电机绕组电阻率降低使得电机 绕组铜损减小很多，但是铁心材料的电阻率也随之降低，即铁心材料的电导率增加，而涡 流损耗是与电导率成正比的，因此在电机主磁场的作用下铁心材料中会存在极大的涡流。 另一方面，由于永磁电机需要采用变频器驱动，电机内部的磁场中必然包括各种高次谐波 磁场成分，这些高次谐波磁场进一步增加铁心涡流损耗。因此在超低温永磁同步电动机中 电机铁心的损耗会增加很多，接近于常温数值的10倍作用，所以涡流损耗成为了电机的主 要损耗，存在与电机铁心、磁钢以及转子护套等各个结构部件之中。

为了降低涡流损耗，电机将主磁场极数限制为2极或4极，使主磁场的基频尽可能低。 同时通过采用附图中的转子磁极结构以及通过计算优化的磁极形状尺寸，减小主磁场中的 谐波磁场成分。进而通过在定子上采用18槽或30槽的电磁冲片结构，减小磁场波形畸变， 减小永磁电机定位力矩，避免了电磁结构不合理所导致的不对称磁拉力，有效降低了铁心 中的涡流损耗。同时这种电磁结构也有利于降低电枢反应磁场中的高次谐波磁场成分，从 而降低转子永磁体中以及转子护套中的涡流损耗。