飞轮储能系统用集成式电动/发电机分析研究-第5页-北极星储能网

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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)

原标题：飞轮储能系统用集成式电动/发电机分析研究

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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