飞轮储能用高速永磁无刷直流电机的设计*

余 莉，刘晓青，谢红飞，李 坚

（1.南京信息工程大学信息与控制学院，南京 210044；2.中南大学软件学院，长沙 410000）

飞轮储能用高速永磁无刷直流电机的设计*

余 莉1，刘晓青1，谢红飞1，李 坚2

（1.南京信息工程大学信息与控制学院，南京 210044；2.中南大学软件学院，长沙 410000）

基于高效率，减少转矩脉动的设计要求，对电机的设计特点进行了研究，设计出4极6槽结构，1.6kW，35000rpm的飞轮储能用高速永磁无刷直流电机的模型。利用Ansoft电磁场仿真软件RMxprt模块初步确立电机模型，进行基本参数和特性曲线的确定。然后，利用Maxwell 2D模块分别对其磁场分布、额定空载和负载进行有限元分析。结果表明，此电机结构设计合理，具有很强的实用性，为飞轮储能用高速永磁无刷直流电机的进一步分析和基于算法的优化提供了更加可靠的性能参数。

高效率；飞轮储能；高速永磁无刷直流电机；4极6槽；Ansoft软件仿真

0　引言

由于环境问题的日益严重，国家逐渐倡导新能源的使用，存在的能源浪费和质量问题也慢慢显现出来，因此，能量存储问题被日益关注起来。飞轮储能系统是具有广泛前景的能量存储技术。从上世界50年代，现代飞轮储能技术开始使用，但一直受限于技术条件。直到90年代，飞轮储能技术进入高速飞轮的发展阶段。电机是飞轮储能系统里设计的关键要素之一［1-2］。

高速永磁无刷直流电机具有高速电机的体积小、重量轻、功率密度高和输出转矩大等优点；也有永磁电机在采用永磁励磁后，除了具有良好的调速特性和机械特性外，还由于省去了励磁绕组和励磁损耗而具有结构工艺简单、用铜量少、效率高等优点，特别适合在飞轮储能系统中电机的使用［3-5］。

因此，本文打算在分析电机设计特点的基础上，利用RMxprt初步设计一个1.6kW，35000rpm的4极6槽结构的高速永磁无刷直流电机模型，得出效率特性曲线。然后通过电磁场仿真软件对其进行有限元仿真，验证模型建立的正确性，并对电机的空载和负载进行瞬态分析，显示各场量随时间变化的曲线图。

1　高速永磁无刷直流电机的设计特点

1.1主要尺寸

电机设计的主要尺寸是指定子内径Da和定子铁心有效长度La。在给定的功率和转速下，电动机的主要尺寸和电磁负荷间有着密切的关系［6］

其中，p′—电机的计算功率；αi—计算极弧系数，取0.85；kφ—磁场波形系数，约为1；kw—绕组系数，kw=0.866025；A—电机的电负荷（线负荷），取23.0841A/mm；Bδ—电机的气隙磁密（磁负荷），取0.373925T；nN—电动机的额定转速，取35000r/min。

综合现有的电机尺寸，经过多次试验和优化，取Da=31mm，La=45mm。

1.2极数和定子槽数的选择

极对数与转速之间的关系：

根据此式可知，转速不变的情况下，极对数越大，定子绕组线圈的交变频率也随着越大，由于单位铁心损耗与交变频率的1.3～1.5次方成正比例，所以电机定子铁心损耗也会变大。同时这样的情况下，电子器件的换向次数增加，从而增加了电子器件的换相损耗。在中低速电机里，铁心损耗在总损耗中所占的比例较少，电机的效率随着极对数的增加而增大；然而在高速电机中，铁心损耗在总损耗中所占的比例较多，电机的效率会下降［7］。为了降低高速永磁无刷直流电机的铁心损耗和换相损耗，所以电机极数不能过多。

目前研究比较多的槽/极之比为3，这种结构需要较昂贵的绕线机器来特别绕制，这给实际的设计带来了巨大的困难。且还因为铜耗比较大给电机的运行效率带来问题。另一种槽/极为3/2的组合，具有齿槽转矩小，铜耗小，绕组机制简单的优点。这几年在普通电机中运用较多，但在高速电机的研究较少。因此，本文打算研究4极6槽结构的电机。

1.3永磁材料的选择

目前常用的永磁材料是稀土永磁材料。从组成元素上，稀土永磁材料可以分为钴永磁和钕铁硼永磁。钴永磁材料的磁稳定性好，很适宜用来制造各种高性能的永磁电机，但缺点是钴是战略物资，价格比较昂贵，造成电机的造价较高［8］。而钕铁硼永磁材料的磁性能高于稀土钴永磁；钕在稀土中的含量大，资源丰富，铁、硼的价格便宜，因此钕铁硼永磁材料被广泛使用。在本次设计中，采用NdFe35作为永磁材料。

2　电机模型的建立

以下列出了设计的高速永磁无刷直流电机模型的主要技术参数，详见表1。

表1　高速永磁无刷直流电机的主要参数

依照上面的参数，利用RMxprt初步建立电机模型，然后将其导入到Maxwell 2D模块中，利用二维瞬态磁场理论，进行有限元瞬态分析。图1是所设计电机的二维模型的二分之一部分。

图1　高速永磁无刷直流电机的1/2模型图

3　电机的性能分析

3.1磁路的性能分析

图2是电机的效率变化曲线。当电机转速转到35978.947rpm时，效率达到90%，在这附近一段转速变化时，效率仍比较高，说明对高速永磁无刷直流电机来说，主磁通受电枢反应的影响较小，适用于负载变化的场合。

图2　效率与转速的关系图

3.2时步有限元分析

提出这种分析方法，主要考虑到RMxprt设计的许多参数是由软件查表得知，同时采用磁路的方法，所以电机的设计精度深受影响，有必要基于场的有限元法对电机进行准确的电磁分析［9-10］。

电机转子在额定转速35000r/min时，计算出来的空载磁力线和磁密云图分别见图3、图4。从图3中可以看到，电机的主磁通从转子磁极开始，流经气隙、定子齿部和轭部，最后又回到转子磁极，并与定子绕组交链，且漏磁现象少。图4中可以看出，高速永磁无刷直流电机的定子齿部磁密大于轭部磁密，虽然出现个别磁密过高的情况，但是不存在过饱点，但是总体符合设计要求。

图5a、5b是电机的空载气隙径向磁密和负载气隙径向磁密曲线图。图5a中，气隙径向磁密分布较均匀。而图5b中，气隙径向磁密分布发生畸变。可以看出，电枢反应使每个磁极的前极端增磁，使后极端去磁。另外，负载气隙径向磁密谐波较多。所以，图5a、5b波形区别较大。

图3　电机的空载磁力线云图

图4　电机的空载磁密云图

图5 气隙径向磁密

图6是空载时高速永磁无刷直流电机的反电势波形图，可以看出，绕组反电势波形是正弦波。本文定子绕组部分采用的是分数槽集中绕组，在不采取斜槽的情况下，很好的改善了反电势波形图，使之几乎完全趋近于正弦波。

图6　空载时反电势波形图

图7是机械瞬态运行电磁力矩波形曲线图，从图中可以看出，启动后需要一段时间，约0.7ms时，转矩达到平稳。平稳后转矩波动的平均值是0.570N·m，计算得到转矩波动系数是0.246，可以看出转矩脉动比较小。RMxprt里的额定转矩是0.442002N·m，而与此图有一定的误差。但为了精确性，还是根据有限元的结果为准，因为RMxprt是针对电机的初步设计。

图7　机械瞬态运行时电磁力矩波形曲线图

图8　机械稳态A相绕组电流曲线图

图8是电机机械稳态运行时的A相绕组电流曲线图，由于三相绕组电流具有对称性，也为了方便看图，所以只分析了A相绕组的情况，从图中可以看出，功率开关管相继导通时，波形图有下凹的状况，是由于功率开关管有上升和下降延时。

4　结束语

本文在充分考虑电机设计的特点的前提下，设计出槽/极之比为3/2，1.6kW，35000rpm的飞轮储能用高速永磁无刷直流电机模型，通过气隙磁密云图和磁力线云图等来验证电机设计的正确性。同时通过瞬态有限元分析来计算电机的各种特性曲线，验证了本文设计的电机拥有良好的性能，为电机的进一步分析和基于算法的优化提供了更好的设计路径。另外，从分析中，这种槽/极结构，可在不斜槽的情况下，改善电机的反电势波形，大大减少了转矩波动，且当电机转速转到35978.947rpm时，效率能达到90%，满足飞轮储能系统电机的效率需求。尤其随着这几年高速永磁无刷直流电机在飞轮储能的应用不断扩大，高速永磁无刷直流电机的设计需求更加迫切。

［1］王江波，赵国亮，蒋晓春，等.高速飞轮储能系统的研究与实现［J］.电气传动，2014，44（1）：26-30.［2］孙秋霞，王法庆.采用脉宽调制的飞轮储能系统的稳压设计［J］.电机与控制应用，2006（11）：28-30.

［3］邱晶晶.基于ADSP的高速无刷直流电机控制系统研究［D］.南京：东南大学，2006.

［4］金鑫.永磁无刷直流电机的设计与电磁分析［D］.南京：南京理工大学，2013.

［5］王芳，陈小军.基于Ansoft的高速永磁无刷直流电机磁场有限元分析［J］.南昌大学学报：工科版，2012（4）：85-87.

［6］张斌.汽车EPS用无刷直流电动机及其控制系统的设计［D］.山东：山东大学，2009.

［7］薛劭申，方程，沈围，等.定子槽数和气隙长度对高速永磁无刷电动机性能的影响［J］.微特电机，2011（7）：27-30.

［8］蒋海蛟.电动汽车用稀土永磁无刷直流电机的控制方式研究［D］.西安：西北工业大学，2004.

［9］张宇娇，孙梦云，阮江军.基于有限元法的多相异步电机电磁场分析［J］.大电机技术，2011（5）：29-33.

［10］赵博，张洪亮.Ansoft12在工程电磁场中的应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

（编辑 赵蓉）

Design of High Speed Permanent Magnet Brushless DC Motor for Flywheel Energy Storage

YU Li1，LIU Xiao-qing1，XIE Hong-fei1，LI Jian2
（1.Department of Information&Control，Nanjing University of Information Science&Technology，Nanjing 210044，China；2.Software College，Central South University，Changsha 410000，China）

According to the requirements about the high efficiency，reduction of torque ripple，the features of motor were researched.A 4-pole 6-slot structure，1.6kW 35000rpm high speed permanent magnet brushless DC motor model for flywheel energy storage was designed.Ansoft，a electromagnetic simulation software.Motor model，basic parameters and characteristic curve were established initially by using RM xprt，which is a module of Ansoft.Then Maxwell2D module was used to finitely analyze its magnetic field distribution，rated no-load and load.The results show that the design of the motor structure is reasonable and strongly practical，in terms of the high speed permanent magnet brushless DC motor for flywheel energy storage，it can also provide more useful parameters for the further analysis and optimization based on algorithm.

high efficiency；flywheel energy storage；high speed permanent magnet brushless DC motor；4-pole 6-slot；ansoft software simulation

TH39；TG506

A

1001-2265（2015）02-0047-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.02.013

2014-06-10；

2014-07-08

国家自然科学基金（51207072）

余莉（1973—），女，河南固始人，南京信息工程大学副教授，博士，研究方向为飞轮储能、运动控制，（E-mail）yuhoo405@163.com；通讯作者：刘晓青（1990—），女，江苏盐城人，南京信息工程大学硕士研究生，研究方向为高速电机，（E-mail）xiaoqing_liu1990@126.com。