CN109347222A - 一种lng泵用低温高速永磁电机设计方法及电机结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种LNG泵用低温高速永磁电机设计方法及电机结构，所述方法量化低温环境对永磁体剩磁和定子绕组电阻率的影响，在常温电机尺寸的基础上，通过按比例减小永磁体体积和定子槽面积，选择低温下定子绕组并绕根数与导线半径，能够快速确定低温高速永磁电机的永磁体和定子槽尺寸；所述电机结构包括转子和定子，所述转子与LNG泵体共用一根转轴，转子表面安装有粘接钐钴永磁体，适合工作于低温环境下，所述永磁体由碳纤维护套绑定，可防止永磁体脱落，所述定子绕组采用方波驱动，控制方式简单，定子轭部开有导液通道，电机铁心损耗低，散热性好，汽蚀量低，功率密度高。本发明的设计方法简单易行，提出的电机结构能高效运行于LNG泵低温环境。
Description
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体是一种液化天然气（LNG）泵用低温高速永磁电机设计方法及电机结构。
背景技术
液化天然气（LNG）的主要成分是甲烷，相比于煤等化石燃料，具有清洁环保的属性，因此得到了世界各国越来越多的关注与应用，我国LNG产业也正处于快速发展的阶段。LNG的输送通常需要用LNG泵，由于LNG的温度为-161℃，故LNG泵工作在超低温环境下，作为LNG泵的核心运转部件，LNG泵用电机应为低温电机。在发明专利“一种潜液电机转子”（专利号：CN105471138A）中，给出了一种低温电机的转子结构，转子笼条采用铸铜式，转子槽为闭口槽；在实用新型专利“船用低温高压潜液电机”（专利号：CN206237281U）中给出了一种带绕组的定子和铸铝转子低温电机，并介绍了低温绝缘处理方法。以上专利只是给出了低温电机的示意结构，并没有说明低温电机的尺寸设计方法，且涉及的低温电机均为笼型感应电机。由于低温下铜和铝的电阻率会降低，导致笼型感应电机转子侧电阻下降，使得电机的转矩特性与常温下差别较大，同时，感应电机自身的功率因数和效率都较低，导致LNG泵的整体效率不高，感应电机转子侧笼条的发热还可能致使LNG产生汽蚀。此外，随着LNG用量的递增，需要LNG泵具有更高的转速，高效的低温高速永磁电机在LNG泵中的应用具有广阔的发展前景,但是低温下永磁体的剩磁与绕组电阻率分别会增加和降低，因此需要对低温高速永磁电机进行重新设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种LNG泵用低温高速永磁电机设计方法及电机结构，可以在已有常温（25℃）电机的基础上快速确定低温高速永磁电机的定子槽和永磁体尺寸，为低温电机设计提供理论借鉴，以解决现有低温电机铁心损耗高、散热性差，汽蚀量高，功率密度低的问题。
为达到上述目的本发明所采用的技术方案是：
一种LNG泵用低温高速永磁电机设计方法，所述方法包括下列步骤：
步骤一：确定环境温度，量化温度对永磁体剩磁和绕组电阻率的影响；
步骤二：保证低温高速永磁电机空载反电势与常温时相同；
步骤三：保证低温高速永磁电机定子绕组阻值与常温时相同；
步骤四：根据步骤二得到低温与常温时转子永磁体体积关系；
步骤五：根据步骤三得到低温与常温时定子槽面积关系；
步骤六：根据步骤五低温下的定子槽面积，合理选择定子绕组并绕根数与导线半径。
上述技术方案中，所述步骤二中低温与常温时电机空载反电势满足：
其中，和分别为低温-161℃和常温25℃时电机空载反电势，和分别为-161℃和25℃两种设计温度下的永磁体体积，和分别为-161℃和25℃时永磁体的剩磁。
上述技术方案中，所述步骤三中低温与常温时电机定子绕组电阻满足：
其中，和分别为低温-161℃和常温25℃时定子每相电阻值， N s为每相串联导体数，L为绕组平均半匝长，和分别为-161℃与25℃时的定子槽面积。
上述技术方案中，所述步骤四中低温与常温时转子永磁体体积关系为：
其中，定义为“剩磁折算系数”，。
上述技术方案中，所述步骤五中低温与常温时定子槽面积关系为：
其中，定义为“槽面积折算系数”，。
上述技术方案中，所述步骤六中低温下定子槽面积具体为：
其中，N t为每槽导体数，N b为绕组并绕根数，r为绕组导线半径。
一种使用上述LNG泵用低温高速永磁电机设计方法的电机结构，其特征在于，包括转子和定子，所述转子与LNG泵体共用一根转轴，转子表面安装有粘接钐钴永磁体，所述永磁体由碳纤维护套绑定，所述定子开有24个梨形槽，所述梨形槽内放有双层短矩定子绕组，所述定子绕组采用多根导线并绕，且为方波供电，定子轭部开有导液通道，所述导液通道与定转子同心，LNG流经导液通道。
上述技术方案中，所述永磁体极对数为2， 永磁体厚度为4.5mm，永磁体为瓦片形，所述护套厚度为2mm，护套与永磁体间采用过盈配合。
上述技术方案中，所述定子由硅钢片叠压而成，定子铁心经过环氧树脂真空浸漆处理。
上述技术方案中，所述导液通道为圆弧形，沿定子圆周均匀分布，导液通道数量与电机极数相同。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明的一种LNG泵用低温高速永磁电机设计方法及电机结构，所述方法量化低温环境对永磁体剩磁和定子绕组电阻率的影响，在常温电机尺寸的基础上，通过按比例减小永磁体体积和定子槽面积，选择低温下定子绕组并绕根数与导线半径，能够快速确定低温高速永磁电机的永磁体和定子槽尺寸；所述电机结构包括转子和定子，所述转子与LNG泵体共用一根转轴，转子表面安装有粘接钐钴永磁体，适合工作于低温环境下，所述永磁体由碳纤维护套绑定，可防止永磁体脱落，所述定子绕组采用方波驱动，控制方式简单，定子轭部开有导液通道，电机铁心损耗低，散热性好，汽蚀量低，功率密度高。本发明的设计方法简单易行，提出的电机结构能高效运行于LNG泵低温环境。
附图说明
附图1是采用本发明所述方法的电机尺寸和常温电机尺寸对比示意图。
附图2是本发明LNG泵用低温高速永磁电机结构示意图。
附图3是本发明LNG泵用低温高速永磁电机A相空载反电势图。
附图4是本发明LNG泵用低温高速永磁电机A相额定电流图。
附图5是本发明LNG泵用低温高速永磁电机转矩特性图。
附图6是本发明LNG泵用低温高速永磁电机效率特性图。
附图7是本发明LNG泵用低温高速永磁电机与常温电机铁心损耗对比图。
附图8是本发明LNG泵用低温高速永磁电机与常温电机功率密度对比图。
图中：1、梨形槽，2、永磁体，3、定子绕组，4、护套，5、导液通道。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。首先概况说明本发明的一种LNG泵用低温高速永磁电机设计方法。
一种LNG泵用低温高速永磁电机设计方法及电机结构，其特征在于，所述方法包括下列步骤：
步骤一：确定环境温度，量化温度对永磁体剩磁和绕组电阻率的影响；
步骤二：保证低温高速永磁电机空载反电势与常温时相同；
步骤三：保证低温高速永磁电机定子绕组阻值与常温时相同；
步骤四：根据步骤二得到低温与常温时转子永磁体体积关系；
步骤五：根据步骤三得到低温与常温时定子槽面积关系；
步骤六：根据步骤五低温下的定子槽面积，合理选择绕组并绕根数与导线截面积。
所述步骤二中低温与常温时电机空载反电势满足：
其中，和分别为低温-161℃和常温25℃时电机空载反电势，和分别为-161℃和25℃两种设计温度下的永磁体体积，和分别为-161℃和25℃时永磁体的剩磁。
所述步骤三中低温与常温时电机定子绕组电阻满足：
其中，和分别为低温-161℃和常温25℃时定子每相电阻值， N s为每相串联导体数，L为绕组平均半匝长，和分别为-161℃与25℃时的定子槽面积。
所述步骤四中低温与常温时转子永磁体体积关系为：
其中，定义为“剩磁折算系数”，。
所述步骤五中低温与常温时定子槽面积关系为：
其中，定义为“槽面积折算系数”，。
所述步骤六中低温下定子槽面积具体为：
其中，N t为每槽导体数，N b为绕组并绕根数，r为绕组导线半径。
一种使用上述LNG泵用低温高速永磁电机设计方法的电机结构，其特征在于，包括转子和定子，所述转子与LNG泵体共用一根转轴，转子表面安装有粘接钐钴永磁体，所述永磁体由碳纤维护套绑定，所述定子开有24个梨形槽，所述梨形槽内放有双层短矩定子绕组，所述定子绕组采用多根导线并绕，且为方波供电，定子轭部开有导液通道，所述导液通道与定转子同心，LNG流经导液通道。
所述永磁体极对数为2， 永磁体厚度为4.5mm，永磁体为瓦片形，所述护套厚度为2mm，护套与永磁体间采用过盈配合。
所述定子由硅钢片叠压而成，定子铁心经过环氧树脂真空浸漆处理。
所述导液通道为圆弧形，沿定子圆周均匀分布，导液通道数量与电机极数相同。
下面结合具体的实例和附图对本发明做进一步详述。
本发明所述方法中步骤一确定的环境温度为-161℃，-161℃低温环境下永磁体剩磁增加6.5%，定子绕组铜线在不同温度下的电阻率ρ Cu与温度T的关系为：
从而可以量化低温环境对永磁体剩磁及铜线电阻率的影响。
步骤二和步骤三保证低温高速永磁电机空载反电势和定子绕组阻值不变，目的是确保低温下电机的输出功率不变，从而保证低温下电机的输出性能不变。
步骤四中低温-161℃时永磁体剩磁比常温25℃时增加6.5%，则低温下永磁体体积，是常温下的0.94倍。
步骤五中低温-161℃时定子槽面积，是常温下的0.25倍。
步骤六中低温下定子槽面积具体为，保持每槽导体数N t与常温时相同，适当按比例单独减小绕组并绕根数或绕组铜线半径，或同时调节绕组并绕根数与绕组铜线半径，具体为：低温下绕组并绕根数可选为常温下的0.25倍，以整数计；或低温下绕组铜线半径可选为常温下的0.5倍；或同时减小绕组并绕根数与绕组铜线半径，只要满足低温下定子槽面积为常温下的0.25倍即可。
参照说明书附图1，虚线表示采用本发明所述方法得到的定子槽和永磁体示意图，实线为常温下定子槽和永磁体示意图，可见低温下定子槽尺寸和永磁体体积均小于常温时，低温下电机材料用量更少，重量更轻。
参照说明书附图2，为本发明的低温高速永磁电机结构示意图，主要参数为：额定功率40kW，额定转速33000r/min，定子内径64mm，护套厚度2mm，气隙长度2.5mm，极弧系数0.88，绕组并绕根数为7，绕组铜线半径为0.9mm，槽深10mm。
采用有限元仿真的方法分析低温电机的电磁性能，参照附图3、附图4、附图5和附图6，低温下电机空载反电势、额定电流、转矩特性和效率特性均在合理范围内，电机基本性能满足预期要求。
参照附图7，低温高速永磁电机与额定参数相同的常温电机相比，铁心损耗由425W降低至317W，因此发热量较少，汽蚀量低。
参照附图8，低温高速永磁电机与额定参数相同的常温电机相比，功率密度由3.1kW/kg升高至4kW/kg，电机体积更小，重量更轻。
本发明的一种LNG泵用低温高速永磁电机设计方法及电机结构，所述方法量化低温环境对永磁体剩磁和定子绕组电阻率的影响，在常温电机尺寸的基础上，通过按比例减小永磁体体积和定子槽面积，选择低温下定子绕组并绕根数与导线半径，能够快速确定低温高速永磁电机的永磁体和定子槽尺寸；所述电机结构包括转子和定子，所述转子与LNG泵体共用一根转轴，转子表面安装有粘接钐钴永磁体，适合工作于低温环境下，所述永磁体由碳纤维护套绑定，可防止永磁体脱落，所述定子绕组采用方波驱动，控制方式简单，定子轭部开有导液通道，电机铁心损耗低，散热性好，汽蚀量低，功率密度高。本发明的设计方法简单易行，提出的电机结构能高效运行于LNG泵低温环境。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。
Claims (10)
1.一种LNG泵用低温高速永磁电机设计方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：
步骤一：确定环境温度，量化温度对永磁体剩磁和绕组电阻率的影响；
步骤二：保证低温高速永磁电机空载反电势与常温时相同；
步骤三：保证低温高速永磁电机定子绕组阻值与常温时相同；
步骤四：根据步骤二得到低温与常温时转子永磁体体积关系；
步骤五：根据步骤三得到低温与常温时定子槽面积关系；
步骤六：根据步骤五低温下的定子槽面积，合理选择定子绕组并绕根数与导线半径。
2.根据权利要求书1所述的一种LNG泵用低温高速永磁电机设计方法，其特征在于，所述步骤二中低温与常温时电机空载反电势满足：
其中，和分别为低温-161℃和常温25℃时电机空载反电势，和分别为-161℃和25℃两种设计温度下的永磁体体积，和分别为-161℃和25℃时永磁体的剩磁。
3.根据权利要求书1所述的一种LNG泵用低温高速永磁电机设计方法，其特征在于，所述步骤三中低温与常温时电机定子绕组电阻满足：
其中，和分别为低温-161℃和常温25℃时定子每相电阻值， N s为每相串联导体数，L为绕组平均半匝长，和分别为-161℃与25℃时的定子槽面积。
4.根据权利要求书1所述的1所述的一种LNG泵用低温高速永磁电机设计方法，其特征在于，所述步骤四中低温与常温时转子永磁体体积关系为：
其中，定义为“剩磁折算系数”，。
5.根据权利要求书1所述的一种LNG泵用低温高速永磁电机设计方法，其特征在于，所述步骤五中低温与常温时定子槽面积关系为：
其中，定义为“槽面积折算系数”，。
6.根据权利要求书1所述的一种LNG泵用低温高速永磁电机设计方法，其特征在于，所述步骤六中低温下定子槽面积具体为：
其中，N t为每槽导体数，N b为绕组并绕根数，r为绕组导线半径。
7.一种使用权利要求书1所述LNG泵用低温高速永磁电机设计方法的电机结构，其特征在于，包括转子和定子，所述转子与LNG泵体共用一根转轴，转子表面安装有粘接钐钴永磁体，所述永磁体由碳纤维护套绑定，所述定子开有24个梨形槽，所述梨形槽内放有双层短距定子绕组，所述定子绕组采用多根导线并绕，且为方波供电，定子轭部开有导液通道，所述导液通道与定转子同心，LNG流经导液通道。
8.根据权利要求书7所述的一种电机结构，其特征在于，所述永磁体极对数为2， 永磁体厚度为4.5mm，永磁体为瓦片形，所述护套厚度为2mm，护套与永磁体间采用过盈配合。
9.根据权利要求书7所述的一种电机结构，其特征在于，所述定子由硅钢片叠压而成，定子铁心经过环氧树脂真空浸漆处理。
10.根据权利要求书7所述的一种电机结构，其特征在于，所述导液通道为圆弧形，沿定子圆周均匀分布，导液通道数量与电机极数相同。
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