儲(chǔ)能飛輪用大功率高速永磁同步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的分析

王軍 趙琳瑤

摘要： 在儲(chǔ)能飛輪用大功率高速永磁同步電機(jī)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(jì)解決該問題。本文將電機(jī)的能耗進(jìn)行分析，明確電子優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向，設(shè)計(jì)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(jì)優(yōu)勢，提升儲(chǔ)能飛輪的運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞： 儲(chǔ)能飛輪;電機(jī);電磁

前言

儲(chǔ)能飛輪為物理儲(chǔ)能裝置，電機(jī)可為其提供驅(qū)動(dòng)力，完成升速處理，使電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)換。該設(shè)備共包括充電、放電與待機(jī)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(jī)的設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需注重?fù)p耗的控制。

儲(chǔ)能飛輪用大功率高速永磁同步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)

基本參數(shù)與結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的大功率高速永磁同步電機(jī)最大功率設(shè)計(jì)為160kW;額定電壓設(shè)計(jì)為AC800V;額定轉(zhuǎn)速設(shè)定為19000r/min;電機(jī)極對數(shù)設(shè)計(jì)為2;定子槽數(shù)設(shè)計(jì)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(gè)并聯(lián)支路，每槽配置18個(gè)導(dǎo)體;線圈的跨距設(shè)計(jì)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(jì)為0.806。在明確上述參數(shù)后，應(yīng)用Ansoft電磁場對電機(jī)的損耗進(jìn)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(chǔ)能飛輪的損耗，提升其運(yùn)行效率。

基于定子繞組損耗的電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)

在本文的設(shè)計(jì)中，選擇雙層疊式進(jìn)行電機(jī)定子繞組的設(shè)計(jì)，并采用5/6短距，減少電機(jī)產(chǎn)生的5、6、7次諧波分量，提升電機(jī)的性能，減少渦流損耗的出現(xiàn)。在電子繞組運(yùn)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?；诶@組導(dǎo)線的直流電阻損耗分析結(jié)果，該損耗項(xiàng)目由電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電負(fù)荷決定，不可通過電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)的導(dǎo)向選擇0.5線徑，并將繞根數(shù)設(shè)計(jì)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(jì)后的繞組導(dǎo)向電阻為11W，可忽略不計(jì);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(jì)。

基于定子鐵芯損耗的電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)

在儲(chǔ)能飛輪運(yùn)行期間，永磁同步電機(jī)的控制性能會(huì)影響定子鐵芯的損耗，從而影響儲(chǔ)能飛輪的運(yùn)行效率。為降低定子鐵芯的損耗，需通過合理設(shè)計(jì)，使電機(jī)的空載反動(dòng)電動(dòng)勢與正弦波保持一致。但由于永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑偏大，設(shè)計(jì)人員需對永磁體進(jìn)行拼接處理。就此，本文設(shè)計(jì)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(yùn)行。將優(yōu)化后的永磁同步電機(jī)進(jìn)行損耗有限元分析，分析結(jié)果表明，電機(jī)的空載反動(dòng)勢并未產(chǎn)生較大的諧波分量，損耗顯著降低。同時(shí)，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(jī)的疊片選擇為高牌號特種硅鋼片，將其厚度設(shè)計(jì)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(chǔ)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(jì)

在本文設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)中，永磁體的外徑較大，為175mm，為避免永磁同步電機(jī)在儲(chǔ)能飛輪運(yùn)行期間，出現(xiàn)永磁體脫落現(xiàn)象，需確保護(hù)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(hù)套和永磁體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并優(yōu)化護(hù)套的套裝工藝，提升其強(qiáng)度，保障永磁體的安全可靠運(yùn)行。

目前永磁同步電機(jī)常用的護(hù)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(jī);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(hù)套材料，將其厚度設(shè)計(jì)為12mm，此時(shí)護(hù)套和永磁體間的過盈量可達(dá)0.5mm，符合運(yùn)行要求。

儲(chǔ)能飛輪用大功率高速永磁同步電機(jī)電磁的應(yīng)用成效

為明確本文設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)的應(yīng)用效果，本文將優(yōu)化設(shè)計(jì)后的電磁用于儲(chǔ)能飛輪中，通過二維瞬態(tài)場模型，進(jìn)行模擬分析，明確電機(jī)在不同工況下的性能與損耗。根據(jù)模擬分析結(jié)果，電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速與空載運(yùn)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(zhǔn)數(shù)值，且轉(zhuǎn)子構(gòu)件的渦流損耗可忽略不計(jì)，符合儲(chǔ)能飛輪的運(yùn)行需求;電機(jī)在負(fù)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(hù)套區(qū)域，數(shù)值處于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，可保障儲(chǔ)能飛輪的穩(wěn)定運(yùn)行。

在電機(jī)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(dòng)勢曲線開展傅里葉變換等處理，明確電機(jī)負(fù)載工況下的各項(xiàng)參數(shù)，如空載反電動(dòng)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(dòng)勢為0，表明儲(chǔ)能飛輪的運(yùn)行狀況良好。同時(shí)，對二維瞬態(tài)場模型進(jìn)行電流激勵(lì)處理，分析額定轉(zhuǎn)速工況下的各項(xiàng)參數(shù)，此時(shí)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(zhǔn)范圍?？梢?，本文設(shè)計(jì)的電機(jī)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(jī)電磁影響儲(chǔ)能飛輪運(yùn)行效率，需受到重視。通過本文的分析可知，設(shè)計(jì)人員在明確大功率高速永磁同步電機(jī)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(jì)，提升儲(chǔ)能飛輪的綜合效率。

參考文獻(xiàn)

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

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