储能飞轮用大功率高速永磁同步电机电磁设计的分析

王军 赵琳瑶

摘要： 在储能飞轮用大功率高速永磁同步电机中，普遍存在能源损耗，导致能量转换效率偏低，可通过电磁优化设计解决该问题。本文将电机的能耗进行分析，明确电子优化设计的方向，设计一种阶梯式转子永磁体结构，并通过算例模拟，指出基于转子永磁体结构的电磁设计优势，提升储能飞轮的运行效率。

关键词： 储能飞轮;电机;电磁

前言

储能飞轮为物理储能装置，电机可为其提供驱动力，完成升速处理，使电能转变为机械能，带动发动机运行，实现机械能与电能的转换。该设备共包括充电、放电与待机三种工况，存在多种损耗，降低设备的综合效率。就此，在开展大功率高速永磁同步电机的设计时，设计人员需注重损耗的控制。

储能飞轮用大功率高速永磁同步电机电磁设计

基本参数与结构

本文设计的大功率高速永磁同步电机最大功率设计为160kW;额定电压设计为AC800V;额定转速设定为19000r/min;电机极对数设计为2;定子槽数设计为24;定子铁芯的外径为356mm，内径为216mm，长度为190mm;绕组选择双层叠式，配置4个并联支路，每槽配置18个导体;线圈的跨距设计为5;转子磁极的外径为175mm，内径为135nn，长度为200mm;永磁体选择平行充磁方式，其极弧系数设计为0.806。在明确上述参数后，应用Ansoft电磁场对电机的损耗进行有限元分析，根据损耗分析结果，明确电磁的优化方向与措施，降低储能飞轮的损耗，提升其运行效率。

基于定子绕组损耗的电磁优化设计

在本文的设计中，选择双层叠式进行电机定子绕组的设计，并采用5/6短距，减少电机产生的5、6、7次谐波分量，提升电机的性能，减少涡流损耗的出现。在电子绕组运行期间，其产生的损耗有三种，分别是绕组导线产生的直流电阻损耗、绕组导线产生的涡流损耗与高频电流产生的趋肤、邻近效应损耗。基于绕组导线的直流电阻损耗分析结果，该损耗项目由电机运行时的电负荷决定，不可通过电磁优化设计控制;基于绕组导线的涡流损耗分析结果，与绕组端部的尺寸要求，将电机的导向选择0.5线径，并将绕根数设计为40，将导线以1…2…1的形式铺设于槽口、槽中与槽底的位置，优化设计后的绕组导向电阻为11W，可忽略不计;基于高频电流的效应损耗分析，绕组的趋肤效应与邻近效应不显著，其产生的损耗可忽略不计。

基于定子铁芯损耗的电磁优化设计

在储能飞轮运行期间，永磁同步电机的控制性能会影响定子铁芯的损耗，从而影响储能飞轮的运行效率。为降低定子铁芯的损耗，需通过合理设计，使电机的空载反动电动势与正弦波保持一致。但由于永磁同步电机的转子直径偏大，设计人员需对永磁体进行拼接处理。就此，本文设计一种阶梯式结构的永磁体，将其外极弧角设置为72.5°，将其内极弧角设置为27.5°，内极和外极均是三段，应用平行充磁方式运行。将优化后的永磁同步电机进行损耗有限元分析，分析结果表明，电机的空载反动势并未产生较大的谐波分量，损耗显著降低。同时，鉴于有限元分析中涡流损耗与磁通交变频率、叠片厚度等要素的正比关系，笔者将永磁同步电机的叠片选择为高牌号特种硅钢片，将其厚度设计为0.2mm，确保定子铁芯的磁通密度始终低于1.0T，从而减少定子铁芯产生的损耗，提升储能飞轮综合效率。

基于转子构件损耗的电磁优化设计

在本文設计的永磁同步电机中，永磁体的外径较大，为175mm，为避免永磁同步电机在储能飞轮运行期间，出现永磁体脱落现象，需确保护套和永磁体间存在充足的过盈量。就此，笔者通过有限元分析，明确护套和永磁体的结构参数，并优化护套的套装工艺，提升其强度，保障永磁体的安全可靠运行。

目前永磁同步电机常用的护套材料有无磁钢、钛合金及碳纤维等，三者的性能有所差异。根据ANSYS有限元分析软件的结果，碳纤维复合材料的线膨胀系数趋近于0，不可采取加热工艺完成套装，不适用于永磁体同步电机;钛合金的热套工艺对温度参数要求较大，生产难度高[1]。就此，笔者选择Z1810型号的无磁钢作为护套材料，将其厚度设计为12mm，此时护套和永磁体间的过盈量可达0.5mm，符合运行要求。

储能飞轮用大功率高速永磁同步电机电磁的应用成效

为明确本文设计永磁同步电机的应用效果，本文将优化设计后的电磁用于储能飞轮中，通过二维瞬态场模型，进行模拟分析，明确电机在不同工况下的性能与损耗。根据模拟分析结果，电机在额定转速与空载运行工况下，获得的结果相同，定子的磁密最大值为0.70T，转子的磁密最大值为1.00T，属于标准数值，且转子构件的涡流损耗可忽略不计，符合储能飞轮的运行需求;电机在负载工况下，定子与转子的磁密与上述工况相同，转子构件的涡流集中于护套区域，数值处于标准范围内，可保障储能飞轮的稳定运行。

在电机性能分析中，向二维瞬态场模型输入相应的电压与电流参数后，对获得的电动势曲线开展傅里叶变换等处理，明确电机负载工况下的各项参数，如空载反电动势、内功率因数角与转矩角等参数。其中，空载反电动势为0，表明储能飞轮的运行状况良好。同时，对二维瞬态场模型进行电流激励处理，分析额定转速工况下的各项参数，此时定子的磁密最大值为0.75T;转子的磁密最大值为1.00T，其与上述磁密数值出现偏差的原因在于磁通矢量的叠加，但数值均处于标准范围。可见，本文设计的电机性能优异，可推广普及[2]。

结论：综上所述，大功率高速永磁同步电机电磁影响储能飞轮运行效率，需受到重视。通过本文的分析可知，设计人员在明确大功率高速永磁同步电机参数的基础上，需根据定子绕组、定子铁芯与转子构件的损耗，优化电磁结构，通过绕组导线、定子铁芯与永磁体结构的合理设计，提升储能飞轮的综合效率。

参考文献

齐歌，张宁，高帅军.双三相隔齿绕永磁同步电机容错性能分析[J/OL].微特电机，2019（10）：1–6.

梅柏杉，吴强，李新.改进型Halbach阵列的永磁同步电机分析与设计[J].微特电机，2019，47（07）：10–15.