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4.2Halbach电机
Halbach电机是一种磁体特殊构型的永磁电机。通常的永磁电机设计,永磁体多采用径向(垂直)或切向(水平)阵列结构。以4极为例,其示意图分别如图4中(a)和(b)所示。而Halbach阵列是将径向与切向阵列结合在一起的一种新型磁性结构,如图4中(c)(d)所示。图5是分别应用Maxwell软件仿真出的、对应永磁体阵列结构的磁通密度矢量图。可以看出,径向与切向永磁体阵列的合成(Halbach阵列),使一边的磁场增强,而另一边的磁场减弱(如图5中(c)(d)所示)。
气隙磁通的增加,将意味着电磁转矩的增大和电机出力的提高。
如保持电机出力不变,则可减小电枢电流和绕组电阻损耗,从而提高电机效率。转子轭部磁通的减少,首先可相应减小转子轭部的厚度,有利于提高功率密度[7];其次将使得转子轭部内由于电磁感应效应而产生的电涡流减小,从而使得电机的铁耗大大降低。如果磁场减小的一边减小得足够多的话,有形成单边磁场的趋势。这就为电机实现无铁芯化提供了有利条件。常规磁体结构的永磁电机,由于铁芯的存在,空载损耗很高,空载和负载运行时的不平衡磁拉力,对磁轴承系统的承载力和刚度提出了很高的要求,去掉铁芯后能够克服上述缺陷,但气隙磁通密度很低,又无法满足功率和转矩要求。Halbach永磁电机很好的解决了这一矛盾,从而使电机具备体积小、重量轻、损耗低、功率密度高等优点。此外,气隙磁场正弦分布程度较高,谐波含量小,使得定子不需要斜槽即可降低铁耗,非常适合电机高速运行。Halbach电机的这些特点特别适合应用于高速飞轮储能系统中。
4.3盘式电机
盘式电机又称轴向磁场电机(AFEM),一般具有轴向尺寸短、重量轻、体积小、结构紧凑等特点。尤其盘式永磁同步电机由于采用永久磁钢激磁,转子无损耗,电机运行效率高,由于定、转子对等排列,定子绕组具有良好的散热条件,可获得很高的功率密度。
此外,这种电机还具有优越的动态性能以及多气隙组合式结构,是现代高性能伺服电机和大力矩直接驱动电机的发展趋势,在高速飞轮储能系统中该电机也具有应用前景。
S.Nagaya等指出,与RFEM相比,AFEM轴向和径向负载较小,可有效降低常规电机的轴振动,所以能运行于高速且轴承的尺寸也较小,并在此比较基础上,设计并制造了转速为1万r/min时,输出功率为17kW的飞轮储能用集成式盘式电动/发电机,其盘式(单定子单转子)无槽电动/发电机如图6所示,电动、发电效率均可达95%以上。
4.4其他电机小结
这里列举了三种特殊的电机结构形式,在通用电机设计的基础上,可单独采用也可交叉应用,例如永磁类电机可以考虑Halbach阵列及盘式无铁心结构,单极电机也可采用盘式结构等。此外,还有一些特殊的电机结构型式,如印刷电路绕组电机,这是一种专为飞轮储能系统设计的电机,励磁绕组与电枢绕组由双面印刷电路构成,处于轴向单极磁通中,如图7所示。该类电机的优势不言而喻,但其容量及制造工艺有待进一步研究发展。
5结束语
电机的发展有近200年的历史,种类繁多,结构不断创新,性能不断提高,特别是新材料、新工艺以及新控制技术的出现,原本有限制的电机其应用领域也重新得以拓展。因此,作为飞轮储能系统能量转换的关键部分,集成式电机的选择余地非常广,并且根据储能目标的不同,飞轮外形的变化及其与电机的联接方式、集成方式的不同,电机的选择或新结构的设计都将受到影响。此外,还要考虑飞轮储能的独特性,综合考虑不同部件间的动力耦合、电磁耦合、机电耦合等,从而选择性能优良且控制、制造成本较为经济的集成式电机方案。
尹建阁1,汤双清1,曾东2
(1.三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌4430022;2.嘉兴电力局,浙江嘉兴314000)
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