儲能飛輪用大功率高速永磁同步電機電磁設(shè)計的分析

王軍 趙琳瑤

摘要： 在儲能飛輪用大功率高速永磁同步電機中，普遍存在能源損耗，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率偏低，可通過電磁優(yōu)化設(shè)計解決該問題。本文將電機的能耗進行分析，明確電子優(yōu)化設(shè)計的方向，設(shè)計一種階梯式轉(zhuǎn)子永磁體結(jié)構(gòu)，并通過算例模擬，指出基于轉(zhuǎn)子永磁體結(jié)構(gòu)的電磁設(shè)計優(yōu)勢，提升儲能飛輪的運行效率。

關(guān)鍵詞： 儲能飛輪;電機;電磁

前言

儲能飛輪為物理儲能裝置，電機可為其提供驅(qū)動力，完成升速處理，使電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，帶動發(fā)動機運行，實現(xiàn)機械能與電能的轉(zhuǎn)換。該設(shè)備共包括充電、放電與待機三種工況，存在多種損耗，降低設(shè)備的綜合效率。就此，在開展大功率高速永磁同步電機的設(shè)計時，設(shè)計人員需注重損耗的控制。

儲能飛輪用大功率高速永磁同步電機電磁設(shè)計

基本參數(shù)與結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的大功率高速永磁同步電機最大功率設(shè)計為160kW;額定電壓設(shè)計為AC800V;額定轉(zhuǎn)速設(shè)定為19000r/min;電機極對數(shù)設(shè)計為2;定子槽數(shù)設(shè)計為24;定子鐵芯的外徑為356mm，內(nèi)徑為216mm，長度為190mm;繞組選擇雙層疊式，配置4個并聯(lián)支路，每槽配置18個導(dǎo)體;線圈的跨距設(shè)計為5;轉(zhuǎn)子磁極的外徑為175mm，內(nèi)徑為135nn，長度為200mm;永磁體選擇平行充磁方式，其極弧系數(shù)設(shè)計為0.806。在明確上述參數(shù)后，應(yīng)用Ansoft電磁場對電機的損耗進行有限元分析，根據(jù)損耗分析結(jié)果，明確電磁的優(yōu)化方向與措施，降低儲能飛輪的損耗，提升其運行效率。

基于定子繞組損耗的電磁優(yōu)化設(shè)計

在本文的設(shè)計中，選擇雙層疊式進行電機定子繞組的設(shè)計，并采用5/6短距，減少電機產(chǎn)生的5、6、7次諧波分量，提升電機的性能，減少渦流損耗的出現(xiàn)。在電子繞組運行期間，其產(chǎn)生的損耗有三種，分別是繞組導(dǎo)線產(chǎn)生的直流電阻損耗、繞組導(dǎo)線產(chǎn)生的渦流損耗與高頻電流產(chǎn)生的趨膚、鄰近效應(yīng)損耗。基于繞組導(dǎo)線的直流電阻損耗分析結(jié)果，該損耗項目由電機運行時的電負荷決定，不可通過電磁優(yōu)化設(shè)計控制;基于繞組導(dǎo)線的渦流損耗分析結(jié)果，與繞組端部的尺寸要求，將電機的導(dǎo)向選擇0.5線徑，并將繞根數(shù)設(shè)計為40，將導(dǎo)線以1…2…1的形式鋪設(shè)于槽口、槽中與槽底的位置，優(yōu)化設(shè)計后的繞組導(dǎo)向電阻為11W，可忽略不計;基于高頻電流的效應(yīng)損耗分析，繞組的趨膚效應(yīng)與鄰近效應(yīng)不顯著，其產(chǎn)生的損耗可忽略不計。

基于定子鐵芯損耗的電磁優(yōu)化設(shè)計

在儲能飛輪運行期間，永磁同步電機的控制性能會影響定子鐵芯的損耗，從而影響儲能飛輪的運行效率。為降低定子鐵芯的損耗，需通過合理設(shè)計，使電機的空載反動電動勢與正弦波保持一致。但由于永磁同步電機的轉(zhuǎn)子直徑偏大，設(shè)計人員需對永磁體進行拼接處理。就此，本文設(shè)計一種階梯式結(jié)構(gòu)的永磁體，將其外極弧角設(shè)置為72.5°，將其內(nèi)極弧角設(shè)置為27.5°，內(nèi)極和外極均是三段，應(yīng)用平行充磁方式運行。將優(yōu)化后的永磁同步電機進行損耗有限元分析，分析結(jié)果表明，電機的空載反動勢并未產(chǎn)生較大的諧波分量，損耗顯著降低。同時，鑒于有限元分析中渦流損耗與磁通交變頻率、疊片厚度等要素的正比關(guān)系，筆者將永磁同步電機的疊片選擇為高牌號特種硅鋼片，將其厚度設(shè)計為0.2mm，確保定子鐵芯的磁通密度始終低于1.0T，從而減少定子鐵芯產(chǎn)生的損耗，提升儲能飛輪綜合效率。

基于轉(zhuǎn)子構(gòu)件損耗的電磁優(yōu)化設(shè)計

在本文設(shè)計的永磁同步電機中，永磁體的外徑較大，為175mm，為避免永磁同步電機在儲能飛輪運行期間，出現(xiàn)永磁體脫落現(xiàn)象，需確保護套和永磁體間存在充足的過盈量。就此，筆者通過有限元分析，明確護套和永磁體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并優(yōu)化護套的套裝工藝，提升其強度，保障永磁體的安全可靠運行。

目前永磁同步電機常用的護套材料有無磁鋼、鈦合金及碳纖維等，三者的性能有所差異。根據(jù)ANSYS有限元分析軟件的結(jié)果，碳纖維復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)趨近于0，不可采取加熱工藝完成套裝，不適用于永磁體同步電機;鈦合金的熱套工藝對溫度參數(shù)要求較大，生產(chǎn)難度高[1]。就此，筆者選擇Z1810型號的無磁鋼作為護套材料，將其厚度設(shè)計為12mm，此時護套和永磁體間的過盈量可達0.5mm，符合運行要求。

儲能飛輪用大功率高速永磁同步電機電磁的應(yīng)用成效

為明確本文設(shè)計永磁同步電機的應(yīng)用效果，本文將優(yōu)化設(shè)計后的電磁用于儲能飛輪中，通過二維瞬態(tài)場模型，進行模擬分析，明確電機在不同工況下的性能與損耗。根據(jù)模擬分析結(jié)果，電機在額定轉(zhuǎn)速與空載運行工況下，獲得的結(jié)果相同，定子的磁密最大值為0.70T，轉(zhuǎn)子的磁密最大值為1.00T，屬于標(biāo)準數(shù)值，且轉(zhuǎn)子構(gòu)件的渦流損耗可忽略不計，符合儲能飛輪的運行需求;電機在負載工況下，定子與轉(zhuǎn)子的磁密與上述工況相同，轉(zhuǎn)子構(gòu)件的渦流集中于護套區(qū)域，數(shù)值處于標(biāo)準范圍內(nèi)，可保障儲能飛輪的穩(wěn)定運行。

在電機性能分析中，向二維瞬態(tài)場模型輸入相應(yīng)的電壓與電流參數(shù)后，對獲得的電動勢曲線開展傅里葉變換等處理，明確電機負載工況下的各項參數(shù)，如空載反電動勢、內(nèi)功率因數(shù)角與轉(zhuǎn)矩角等參數(shù)。其中，空載反電動勢為0，表明儲能飛輪的運行狀況良好。同時，對二維瞬態(tài)場模型進行電流激勵處理，分析額定轉(zhuǎn)速工況下的各項參數(shù)，此時定子的磁密最大值為0.75T;轉(zhuǎn)子的磁密最大值為1.00T，其與上述磁密數(shù)值出現(xiàn)偏差的原因在于磁通矢量的疊加，但數(shù)值均處于標(biāo)準范圍。可見，本文設(shè)計的電機性能優(yōu)異，可推廣普及[2]。

結(jié)論：綜上所述，大功率高速永磁同步電機電磁影響儲能飛輪運行效率，需受到重視。通過本文的分析可知，設(shè)計人員在明確大功率高速永磁同步電機參數(shù)的基礎(chǔ)上，需根據(jù)定子繞組、定子鐵芯與轉(zhuǎn)子構(gòu)件的損耗，優(yōu)化電磁結(jié)構(gòu)，通過繞組導(dǎo)線、定子鐵芯與永磁體結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，提升儲能飛輪的綜合效率。

參考文獻

齊歌，張寧，高帥軍.雙三相隔齒繞永磁同步電機容錯性能分析[J/OL].微特電機，2019（10）：1–6.

梅柏杉，吳強，李新.改進型Halbach陣列的永磁同步電機分析與設(shè)計[J].微特電機，2019，47（07）：10–15.