浸在液化天然氣中運行的超低溫永磁同步電動機制造技術

浸在液化天然氣中運行的超低溫永磁同步電動機，屬于電機領域。本發明專利技術是為了解決超低溫運行環境中，電機鐵心損耗大，導致局部過熱氣體膨脹，容易引發爆炸的問題。本發明專利技術所述的浸在液化天然氣中運行的超低溫永磁同步電動機，定子鐵心的定子槽數為18或30，且定子鐵心11的外徑為70±10mm、110±10mm、150±10mm或200±20mm；永磁磁極的極數為2或4，永磁磁極粘貼在轉軸外表面，轉子護套套接在永磁磁極外表面。本發明專利技術所述電機能夠直接浸入溫度為-162℃以下的液化天然氣中，安裝于液化天然氣中的傳輸泵等裝置之中，通過外置變頻器采用變壓變頻方法驅動的超低溫高功率密度三相永磁同步電動機旋轉。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于電機領域，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。
技術介紹
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。
技術實現思路
本專利技術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。本專利技術所述的浸在液化天然氣中運行的超低溫永磁同步電動機，采用合理的電磁結構，以及同時采用合理的磁路設計尺寸減小了鐵心損耗，避免了電機鐵心損耗大，導致局部過熱氣體膨脹現象的發生。通過采用可應用于低溫環境的金屬材料以及與液化氣兼容的絕緣材料、定子槽內雙層以上不同絕緣材料的槽絕緣措施以及繞組真空浸漆處理，使得所研制永磁同步電機能夠直接浸入溫度為-162℃以下的液化天然氣中，安裝于液化天然氣中的傳輸泵等裝置之中，通過外置變頻器采用變壓變頻方法驅動的超低溫高功率密度三相永磁同步電動機旋轉，功率范圍從2kW至500kW。同時本專利技術所述電機功率密度高，即具有遠遠高于普通電機的功率與體積之比值。此外，通過采用特定電磁結構及磁路尺寸以及特殊加工工藝，使得電機能夠在液化天然氣的超低溫環境中運行，并具有高效率、良好的運行特性、以及高可靠性。附圖說明圖1為本專利技術所述的浸在液化天然氣中運行的超低溫永磁同步電動機的軸向剖視圖；圖2為本專利技術所述的浸在液化天然氣中運行的超低溫永磁同步電動機的徑向剖視圖；圖3為18槽定子沖片的結構示意圖；圖4為30槽定子沖片的結構示意圖；圖5為轉子的結構示意圖；圖6為轉軸的結構示意圖；圖7至圖10分別為磁極的極性排列示意圖；其中，圖7表示N-S極性分布，圖8表示N-S-N-S極性分布，圖9表示2極磁場的Halbach磁鋼陣列，圖10表示4極磁場的Halbach磁鋼陣列。具體實施方式具體實施方式一：參照圖1、圖2和圖5具體說明本實施方式，本實施方式所述的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，定子與轉子之間有氣隙，定子包括定子鐵心11和定子繞組12；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；定子繞組12嵌在定子槽內；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外徑尺寸取值范圍為70±10mm、110±10mm、150±10mm或200±20mm，定子鐵心11長度對應于不同的額定功率在50mm-500mm之間取值。定子繞組12為三相銅繞組，定子三相繞組由銅漆包線繞制，當定子槽數為18時，定子繞組12節距為4槽，當定子槽數為30時，定子繞組12節距為7槽。繞組經真空浸漆絕緣處理。繞組端部整形或采用棉紗等材料綁扎。本專利技術是針對所研發的功率范圍在2kW至500kW之間的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
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，定子與轉子之間有氣隙，定子包括定子鐵心(11)和定子繞組(12)；其特征在于，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；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。

【技術特征摘要】
1.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，定子與轉子之間有氣隙，定子包括定子鐵心(11)和定子繞組(12)；
其特征在于，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；
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。
2.根據權利要求1所述的浸在液化天然氣中運行的超低溫永磁同步電動機，其特征在
于，轉軸(21)包括首段、凸臺、中段和末段，
首段和末段均呈錐臺形狀，中段和凸臺均呈圓柱形狀，凸臺直徑大于中段直徑，中段
直徑大于錐臺的底面直徑，中段外表面沿周向開有凹槽，該凹槽作為永磁磁極(22)的安
裝室(31)，首段固定在凸臺的一個端面，中段首端固定在凸臺另一端面，末段固定在中段
的末端，首段、凸臺、中段和末段呈一體式結構，且轉軸(21)為中空軸。
3.根據權利要求1所述的浸在液化天然氣中運行的超低溫永磁同步電動機，其特征在
于，定子鐵心(11)由多個硅鋼片疊成，硅鋼片的厚度在0.1mm-0.5mm之間。
4.根據權利要求1所述的浸在液化天然氣中運行的超低溫永磁同步電動機，其特...

【專利技術屬性】
技術研發人員：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，
類型：發明
國別省市：美國;US