儲能飛輪用大功率高速永磁同步電機電磁設計的分析

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，導致能量轉換效率偏低，可通過電磁優化設計解決該問題。本文將電機的能耗進行分析，明確電子優化設計的方向，設計一種階梯式轉子永磁體結構，并通過算例模擬，指出基于轉子永磁體結構的電磁設計優勢，提升儲能飛輪的運行效率。

關鍵詞： 儲能飛輪;電機;電磁

前言

儲能飛輪為物理儲能裝置，電機可為其提供驅動力，完成升速處理，使電能轉變為機械能，帶動發動機運行，實現機械能與電能的轉換。該設備共包括充電、放電與待機三種工況，存在多種損耗，降低設備的綜合效率。就此，在開展大功率高速永磁同步電機的設計時，設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計

基本參數與結構

本文設計的大功率高速永磁同步電機最大功率設計為160kW;額定電壓設計為AC800V;額定轉速設定為19000r/min;電機極對數設計為2;定子槽數設計為24;定子鐵芯的外徑為356mm，內徑為216mm，長度為190mm;繞組選擇雙層疊式，配置4個并聯支路，每槽配置18個導體;線圈的跨距設計為5;轉子磁極的外徑為175mm，內徑為135nn，長度為200mm;永磁體選擇平行充磁方式，其極弧系數設計為0.806。在明確上述參數后，應用Ansoft電磁場對電機的損耗進行有限元分析，根據損耗分析結果，明確電磁的優化方向與措施，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化設計

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

基于定子鐵芯損耗的電磁優化設計

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子直徑偏大，設計人員需對永磁體進行拼接處理。就此，本文設計一種階梯式結構的永磁體，將其外極弧角設置為72.5°，將其內極弧角設置為27.5°，內極和外極均是三段，應用平行充磁方式運行。將優化后的永磁同步電機進行損耗有限元分析，分析結果表明，電機的空載反動勢并未產生較大的諧波分量，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生的損耗，提升儲能飛輪綜合效率。

基于轉子構件損耗的電磁優化設計

在本文設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，出現永磁體脫落現象，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構參數，并優化護套的套裝工藝，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ANSYS有限元分析軟件的結果，碳纖維復合材料的線膨脹系數趨近于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要求較大，生產難度高[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用成效

為明確本文設計永磁同步電機的應用效果，本文將優化設計后的電磁用于儲能飛輪中，通過二維瞬態場模型，進行模擬分析，明確電機在不同工況下的性能與損耗。根據模擬分析結果，電機在額定轉速與空載運行工況下，獲得的結果相同，定子的磁密最大值為0.70T，轉子的磁密最大值為1.00T，屬于標準數值，且轉子構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，定子與轉子的磁密與上述工況相同，轉子構件的渦流集中于護套區域，數值處于標準范圍內，可保障儲能飛輪的穩定運行。

在電機性能分析中，向二維瞬態場模型輸入相應的電壓與電流參數后，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，如空載反電動勢、內功率因數角與轉矩角等參數。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，對二維瞬態場模型進行電流激勵處理，分析額定轉速工況下的各項參數，此時定子的磁密最大值為0.75T;轉子的磁密最大值為1.00T，其與上述磁密數值出現偏差的原因在于磁通矢量的疊加，但數值均處于標準范圍。可見，本文設計的電機性能優異，可推廣普及[2]。

結論：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，設計人員在明確大功率高速永磁同步電機參數的基礎上，需根據定子繞組、定子鐵芯與轉子構件的損耗，優化電磁結構，通過繞組導線、定子鐵芯與永磁體結構的合理設計，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計[J].微特電機，2019，47（07）：10–15.