[發明專利]浸在液化天然氣中運行的超低溫永磁同步電動機

在審

• 申請號: 201610082284.2
• 申請日: 2016-02-05
• 公開（公告）號: CN105610291A
• 公開（公告）日: 2016-05-25
• 發明（設計）人: 孫立志;托馬斯·卡帕尺
• 申請（專利權）人: NuAge電動動力系統有限責任公司
• 主分類號: H02K21/14
• 分類號: H02K21/14;H02K1/27;H02K55/02
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 張利明

技術領域

本發明屬于電機領域，尤其涉及一種浸在液化天然氣中運行的超低溫永磁同步電動機。

背景技術

由于天然氣是一種最干凈、環保的能源，世界范圍內對天然氣的需求在不斷增加。天 然氣在儲存、運輸及使用中均以液化天然氣(LiquefiedNaturalGas，簡稱LNG)形式存在， 溫度需要維持在其沸點-161.5℃以下。在液化天然氣運輸和使用的環節中，除可以通過壓力 輸送的方式外，還可以采用浸在液化天然氣中的各種泵類設備予以驅動輸送，包括各種罐 內泵、船用泵、汽車泵、高壓泵等各種液化天然氣泵。美國、歐洲、日本的一些公司為這 些液化天然氣泵開發了浸入式超低溫鼠籠感應電動機并普遍應用。近年來，隨著永磁同步 電機制造及驅動技術的發展，開始有超低溫永磁電機的研究及開發出現。

然而要實現將永磁電機侵入在液化天然氣的超低溫環境中運行，有許多技術問題需要 解決。除可應用于低溫環境的材料選擇問題以及與液化氣兼容的絕緣處理等基本技術問題 之外，永磁電機的電磁結構設計也是一個主要關鍵技術問題，決定著電機性能以及電機鐵 心損耗的大小。在超低溫環境下鐵心渦流損耗成為了電機的主要損耗，過大的損耗會導致 液化氣局部過熱，有可能會產生液化天然氣的局部氣化膨脹并引發液化氣裝置爆炸等嚴重 危險。

發明內容

本發明提出了一種可浸在液化天然氣中運行的超低溫永磁同步電動機，是為了解決液 化天然氣泵驅動的安全運行問題，以及提高其運行效率以及功率密度所提出的。相對于已 有的超低溫鼠籠感應電動機，此電機可以進一步降低損耗、提高功率密度，從而更有效地 避免由于超低溫電機鐵心損耗大所導致局部過熱氣體膨脹進而引發爆炸等隱患。

浸在液化天然氣中運行的超低溫永磁同步電動機，它包括：定子和轉子，定子套接在 轉子外表面，定子包括定子鐵心11和定子繞組12；轉子包括：轉軸21、永磁磁極22和轉 子護套23，永磁磁極22的極數為2或4，永磁磁極22粘貼在轉軸21外表面，轉子護套 23套接在永磁磁極22外表面；定子鐵心11的定子槽數為18或30，且定子鐵心11的外徑 為70±10mm、110±10mm、150±10mm或200±20mm；對應于不同輸出功率定子鐵心長度范 圍在50mm-500mm之間。在這樣的尺寸范圍下，本申請電機具有遠高于一般電機的功率密 度和轉矩密度。與其他電機相比較，一般2極工業異步電機的功率體積比的較高指標在 1-1.5kW/L左右；而一般高性能的稀土永磁電機如具有良好冷卻系統的電動汽車永磁電機的 功率體積比的較高指標在3-6kW/L左右。而本申請電機在本申請尺寸限制條件下，功率體 積比指標可以達到在15--30kW/L左右。電機功率密度提高的原因，一方面與超低溫運行環 境下銅損的降低有關，另一方面也取決于下述電磁設計方案。

當電機浸入在液化天然氣的超低溫環境中運行時，雖然電機繞組電阻率降低使得電機 繞組銅損減小很多，但是鐵心材料的電阻率也隨之降低，即鐵心材料的電導率增加，而渦 流損耗是與電導率成正比的，因此在電機主磁場的作用下鐵心材料中會存在極大的渦流。 另一方面，由于永磁電機需要采用變頻器驅動，電機內部的磁場中必然包括各種高次諧波 磁場成分，這些高次諧波磁場進一步增加鐵心渦流損耗。因此在超低溫永磁同步電動機中 電機鐵心的損耗會增加很多，接近于常溫數值的10倍作用，所以渦流損耗成為了電機的主 要損耗，存在與電機鐵心、磁鋼以及轉子護套等各個結構部件之中。

為了降低渦流損耗，電機將主磁場極數限制為2極或4極，使主磁場的基頻盡可能低。 同時通過采用附圖中的轉子磁極結構以及通過計算優化的磁極形狀尺寸，減小主磁場中的 諧波磁場成分。進而通過在定子上采用18槽或30槽的電磁沖片結構，減小磁場波形畸變， 減小永磁電機定位力矩，避免了電磁結構不合理所導致的不對稱磁拉力，有效降低了鐵心 中的渦流損耗。同時這種電磁結構也有利于降低電樞反應磁場中的高次諧波磁場成分，從 而降低轉子永磁體中以及轉子護套中的渦流損耗。