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摘 要 高速永磁電機(jī)能夠滿足飛輪儲能系統(tǒng)對電機(jī)高效率、高功率密度的需求，目前主要還存在高速、高功率帶來的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度和轉(zhuǎn)子散熱這兩個問題，永磁體的旋轉(zhuǎn)離心載荷只能由轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來承擔(dān)、真空運(yùn)行高熱阻條件增加了問題的難度。本文分析了飛輪儲能用永磁電機(jī)的各種分類及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對比了多個飛輪儲能永磁電機(jī)案例中的主要參數(shù)，分析了永磁電機(jī)各類電磁損耗的計算方法、損耗減低措施?？偨Y(jié)不同飛輪永磁電機(jī)的各項損耗占比，永磁電機(jī)額定狀態(tài)下電磁損耗與額定功率的比值一般不超過5%，大功率永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子損耗與額定功率的比值往往低于0.4%。簡要回顧了永磁電機(jī)的熱管理研究現(xiàn)狀。新型永磁材料、轉(zhuǎn)子直接冷卻和飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)子一體式結(jié)構(gòu)研究是未來飛輪儲能永磁電機(jī)發(fā)展的重要方向。
關(guān)鍵詞 飛輪儲能；永磁電機(jī)；損耗；散熱方式
近年來，作為機(jī)械儲能方式的飛輪儲能由于具有效率高、響應(yīng)迅速、循環(huán)壽命長、功率密度高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，逐漸開始得到人們越來越多的關(guān)注，已應(yīng)用于動態(tài)不間斷供電、制動能再生利用、獨(dú)立能源系統(tǒng)調(diào)峰、新能源電網(wǎng)電壓、頻率支撐、火電發(fā)電聯(lián)合調(diào)頻等領(lǐng)域。飛輪儲能系統(tǒng)(flywheel energy storage system, FESS)是通過電機(jī)驅(qū)動飛輪升速儲能、飛輪帶動電機(jī)減速發(fā)電釋能實現(xiàn)飛輪動能與電能雙向轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，電機(jī)通過變流器實現(xiàn)與電網(wǎng)交換電能。它由飛輪、電機(jī)、軸承、機(jī)殼以及變流器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 飛輪儲能系統(tǒng)
飛輪儲能的動能計算公式如下：
式中，J表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，單位為kg·m2；ω表示轉(zhuǎn)子角速度，單位為rad/s。
飛輪電機(jī)功率計算公式如下：
式中，M表示轉(zhuǎn)矩，單位為N·m。
由此可見，提高儲能量、功率的有效途徑是提高旋轉(zhuǎn)速度ω。
飛輪儲能系統(tǒng)為了獲得盡可能高的能量、功率，往往需要飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)子有較高的轉(zhuǎn)速。高速會給電機(jī)的運(yùn)行帶來許多問題，例如電機(jī)轉(zhuǎn)子和永磁體的強(qiáng)度是否支持在設(shè)定轉(zhuǎn)速下安全運(yùn)行、高速的電機(jī)轉(zhuǎn)子與介質(zhì)的摩擦產(chǎn)熱以及高頻變化的電場、磁場帶來的損耗和溫升如何解決等。這些因素之間互相影響，需要綜合考慮，例如為了讓轉(zhuǎn)子達(dá)到強(qiáng)度要求將轉(zhuǎn)子設(shè)計成細(xì)長的形狀，然而這樣又會使轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速降低，使得轉(zhuǎn)子容易發(fā)生彎曲共振。飛輪儲能系統(tǒng)通常會為了減少風(fēng)損，讓飛輪及電機(jī)轉(zhuǎn)子在真空環(huán)境下工作，這使得轉(zhuǎn)子散熱變得極為困難。
感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)以及開關(guān)磁阻電機(jī)在飛輪儲能系統(tǒng)中均有應(yīng)用。在這其中，由于具有功率密度高、轉(zhuǎn)速范圍大以及損耗低的優(yōu)點(diǎn)，永磁電機(jī)成為飛輪儲能系統(tǒng)最常見的選擇。但是永磁電機(jī)也有其自身的缺點(diǎn)，永磁體的成本較高、強(qiáng)度問題突出，當(dāng)溫度過高時永磁體會有永久失磁的風(fēng)險。由于定子電樞繞組電流的頻率較高，高速永磁電機(jī)往往具有較大的渦流損耗。永磁電機(jī)存在空載鐵損耗，對于需要長時間待機(jī)運(yùn)行的飛輪儲能系統(tǒng)，永磁電機(jī)空載鐵耗會帶來能量損失。
對于飛輪儲能系統(tǒng)的工程設(shè)計，永磁電機(jī)的電磁方案、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率特性、損耗以及散熱設(shè)計是需要關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。本文對永磁電機(jī)的分類以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡要介紹，分析了永磁電機(jī)對于永磁體材料的選擇，以及永磁體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。隨后對永磁電機(jī)在飛輪儲能的各類損耗的計算和抑制方法進(jìn)行了分類討論，最后根據(jù)損耗分布情況提出了永磁電機(jī)不同部位的各種散熱設(shè)計，并對未來研究趨勢進(jìn)行展望。
1 飛輪儲能永磁電機(jī)概述
1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
永磁電機(jī)種類豐富，通常情況下可以按照圖2所示3種方式進(jìn)行分類。根據(jù)電流波形的不同，永磁電機(jī)可以分為正弦波的永磁同步電機(jī)和方波的無刷永磁直流電機(jī)。此外，永磁電機(jī)還可以按照磁通路徑分為徑向永磁電機(jī)和軸向永磁電機(jī)。對于徑向永磁電機(jī)，根據(jù)定轉(zhuǎn)子相對位置的不同，可以將其分為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖3所示。
圖2 永磁電機(jī)分類圖解
圖3 徑向內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)，徑向外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)與軸向永磁電機(jī)
當(dāng)應(yīng)用在飛輪儲能領(lǐng)域時，內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由于具有轉(zhuǎn)子直徑小、可靠性強(qiáng)、安全性更高的優(yōu)點(diǎn)，比外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)應(yīng)用更廣。而外轉(zhuǎn)子電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)特征，更適合被用在飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)子一體式的系統(tǒng)設(shè)計中。此外，在飛輪儲能系統(tǒng)中，為了盡可能降低摩擦損耗，會盡量少使用機(jī)械軸承，而是采用磁軸承來支承電機(jī)，于是出現(xiàn)了將磁懸浮軸承和電機(jī)結(jié)合在一起的無軸承電機(jī)。這種無軸承電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊和成本低的優(yōu)點(diǎn)，在高速飛輪儲能系統(tǒng)中有所應(yīng)用。
各類永磁電機(jī)在飛輪儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)展如表1所示，可見目前飛輪儲能使用的大功率或高轉(zhuǎn)速的高難度值(即功率的開方乘以轉(zhuǎn)速)永磁電機(jī)更多還是內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向永磁電機(jī)，軸向永磁電機(jī)以及一體式的新型結(jié)構(gòu)目前主要還是出現(xiàn)在小功率或者低轉(zhuǎn)速的應(yīng)用場景。同時可以看到，飛輪儲能永磁電機(jī)的功率一般在500 kW以下，較少達(dá)到MW級別，轉(zhuǎn)速一般在30000 r/min以下，且大功率永磁電機(jī)往往難以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速。不過近些年也出現(xiàn)了能夠兼顧大功率(1 MW)和較高轉(zhuǎn)速(10500 r/min)的飛輪永磁電機(jī)。
表1 飛輪儲能用永磁電機(jī)案例
無刷永磁直流電機(jī)為了產(chǎn)生梯形的磁通密度，從而產(chǎn)生梯形波的反電動勢，往往將永磁體設(shè)計成瓦片形狀。永磁同步電機(jī)通常會使用正弦相電流，為了保證激勵波形與轉(zhuǎn)子角位置時刻同步，還需要安裝相電流傳感器和轉(zhuǎn)子位置傳感器。相比永磁同步電機(jī)，無刷永磁直流電機(jī)對轉(zhuǎn)子位置傳感器的分辨率要求稍低，因為它在每個電周期只需要感知6個換向瞬間。但無刷永磁直流電機(jī)的驅(qū)動器更容易受到一些脈動扭矩產(chǎn)生機(jī)制的影響。
此外，無刷永磁直流電機(jī)定子繞組往往采用集中繞組；而永磁同步電機(jī)定子繞組更多使用分布繞組。集中繞組的電樞電阻比分布式繞組的電樞電阻小，從而降低銅損耗，實現(xiàn)高效驅(qū)動，還能有效減小電機(jī)尺寸。在低速場景，銅損比鐵芯損耗更明顯，這時采用集中繞組可降低總損耗，提高效率。但集中繞組也存在一些缺點(diǎn)，由于磁通分布的諧波影響，鐵芯損耗會增加，振動和噪聲也會增加。在高速場景，更適合使用分布繞組的結(jié)構(gòu)，能達(dá)到更高的效率。此外采用集中式繞組的永磁同步電動機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩與分布式繞組相比更低。
多相電機(jī)具有高可靠性，低轉(zhuǎn)矩脈動，低定子銅耗并且易于實現(xiàn)低壓大功率的特點(diǎn)，這使其在各個領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。永磁多相電機(jī)則在此基礎(chǔ)上，又具有永磁電機(jī)的高功率密度，低損耗的特點(diǎn)，在推動飛輪儲能技術(shù)發(fā)展上具有重要意義。多相電機(jī)可以在某相出現(xiàn)故障時將該部分隔離，從而繼續(xù)工作，由此實現(xiàn)高可靠性。由于對稱多相電機(jī)控制較為復(fù)雜，也有犧牲容量和利用率換取控制簡單的雙三相電機(jī)出現(xiàn)，同時雙三相電機(jī)還消除了5、7次諧波磁勢，在抑制轉(zhuǎn)矩脈動上具有優(yōu)勢。Li等以用于飛輪儲能的12相(由四個三相變換器驅(qū)動)永磁同步電機(jī)為對象，給出故障發(fā)生時將故障相的變流器轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嗄Ｊ焦ぷ鞯娜蒎e控制方法。
徑向永磁電機(jī)是最傳統(tǒng)和應(yīng)用最廣的永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)，其定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)沿徑向分布，在軸向上重疊。由于具有成本低、制造簡單、泛用性好的優(yōu)點(diǎn)，徑向永磁電機(jī)被廣泛應(yīng)用在飛輪儲能系統(tǒng)中。軸向永磁電機(jī)又稱盤式永磁電機(jī)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將定子與轉(zhuǎn)子沿軸向放置，如圖4所示，具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、功率密度大的優(yōu)勢，在飛輪儲能領(lǐng)域也有應(yīng)用。由于其定轉(zhuǎn)子沿軸向布置的特殊結(jié)構(gòu)，軸向永磁電機(jī)的長徑比更小，空間緊湊，體積小，可有效緩解軸向振動引起的問題。而且軸向永磁電機(jī)的功率密度相對較高，整體重量輕，材料利用率高，噪音和振動也更低。
圖4 軸向永磁電機(jī)
軸向永磁電機(jī)具有如圖4所示的多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，單定子單轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)最簡單，但是它具有定子和轉(zhuǎn)子之間的軸向力不平衡，容易造成結(jié)構(gòu)扭曲的缺點(diǎn)。為了解決這一問題，Liu等提出了一套系統(tǒng)的評價方法，以獲得單定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)軸向永磁電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩軸向力比，并被驗證為一種合適的指導(dǎo)方法。隨著功率的提高，軸向永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)軸受到機(jī)械強(qiáng)度和軸向空間的限制，且對于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和工藝性要求較高，難以用于大功率高轉(zhuǎn)速的場合，但可通過多定子多轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)得到改善。軸向永磁電機(jī)還有無鐵芯的特殊結(jié)構(gòu)，Kamper等指出這種結(jié)構(gòu)可以去除鐵芯損耗，從而獲得更高的效率，此外還具有優(yōu)秀的轉(zhuǎn)矩性能。這種無鐵芯的軸向永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)尤其適用于要求電機(jī)有較低的齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動的情況。但是定子繞組中會產(chǎn)生額外的渦流損耗，在高速高頻下甚至遠(yuǎn)高于鐵損耗，采用Litz線等方法可以削弱，但總體來講無鐵芯電機(jī)不適合高頻運(yùn)行。
在飛輪儲能系統(tǒng)當(dāng)中，永磁電機(jī)與飛輪轉(zhuǎn)子最常見也最簡單的連接方式是同軸連接，扭矩通過軸傳遞。然而這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得飛輪儲能系統(tǒng)的體積較大，尤其是軸向長度較大，降低了轉(zhuǎn)子撓曲臨界轉(zhuǎn)速。為了提高系統(tǒng)的集成度，可以采用一體式的結(jié)構(gòu)，即將飛輪轉(zhuǎn)子和電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)合在一起，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。Bolund等將軸向永磁電機(jī)用于飛輪儲能系統(tǒng)，并采用一體式的結(jié)構(gòu)，不僅使得結(jié)構(gòu)更加緊湊，還降低了總體的體積和重量。Li等提出一種無軸、無輪轂的飛輪儲能系統(tǒng)，將一體化無鐵芯永磁電機(jī)應(yīng)用于飛輪儲能系統(tǒng)中，獲得了更高的能量密度。后來又有Zhang等通過對支撐系統(tǒng)的改進(jìn)使得該結(jié)構(gòu)變得更加緊湊。朱志瑩等將外轉(zhuǎn)子軸向分相結(jié)構(gòu)應(yīng)用于一體式飛輪儲能永磁電機(jī)之中，并利用粒子群算法進(jìn)行了優(yōu)化。徑向磁通電機(jī)中，除了外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)之外，內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)也有用于一體式飛輪儲能電機(jī)的方案。
圖5 飛輪儲能一體式永磁電機(jī)
對于飛輪儲能來說，一體式飛輪電機(jī)使整體的軸向長度變短，從而提高了臨界轉(zhuǎn)速，還降低了整體的體積和重量，減少了成本，因而是未來飛輪儲能用永磁電機(jī)的重要方向。一體式飛輪電機(jī)的主要問題在于電磁設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱設(shè)計多場耦合中設(shè)計約束多，設(shè)計參數(shù)相關(guān)性大，設(shè)計方法尚不完善；此外，轉(zhuǎn)子儲能驅(qū)動一體式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可達(dá)轉(zhuǎn)速理論上低于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
1.2 永磁體
1.2.1 永磁體材料的選擇
釹鐵硼材料具有較大的最大磁能積以及剩磁密度，可以以較小的體積提供足夠的磁通，從而減小電機(jī)的體積和重量，提升電機(jī)功率密度。然而釹鐵硼材料的缺點(diǎn)也很明顯：首先，釹鐵硼材料的溫度特性較差，在高溫下易發(fā)生不可逆的退磁現(xiàn)象，使電機(jī)無法繼續(xù)工作；其次，釹鐵硼材料的強(qiáng)度難以支持高轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)，往往需要增加護(hù)套保護(hù)；最后，釹鐵硼材料的制備需要稀土元素，為了提高矯頑力有時也要加入別的稀土元素，這導(dǎo)致永磁電機(jī)成本增高。
釹鐵硼材料的矯頑力和最大磁能積都會隨著溫度的升高而降低，其中矯頑力的下降速度遠(yuǎn)高于最大磁能積。為了降低釹鐵硼材料的熱失磁風(fēng)險，往往采用加入鋱和鏑來提高釹鐵硼永磁體的矯頑力，從而確保在溫度較高時永磁體的矯頑力能保持足夠的余量。
除了釹鐵硼材料以外，釤鈷永磁體也被用于永磁同步電機(jī)之中。釤鈷永磁體的磁性能稍遜色于釹鐵硼材料，但是溫度系數(shù)卻更低，可以在較高的環(huán)境溫度中工作，在環(huán)境溫度高、轉(zhuǎn)子散熱困難的場合表現(xiàn)優(yōu)秀。不過釤鈷永磁體材料的抗拉強(qiáng)度同樣難以承受高轉(zhuǎn)速下的離心力，往往需要護(hù)套保護(hù)。此外，釤鈷材料同樣需要用到稀土元素，材料的成本甚至比釹鐵硼材料更高。
永磁鐵氧體具有相當(dāng)高的居里溫度(接近450 ℃)，而且矯頑力隨溫度升高而升高，高溫性能優(yōu)良。此外，永磁鐵氧體不會導(dǎo)電，因此不會產(chǎn)生耗散性渦流損耗。永磁鐵氧體具有高矯頑力，但磁化強(qiáng)度卻相當(dāng)?shù)汀５痛呕瘡?qiáng)度導(dǎo)致需要大量的永磁鐵氧體來產(chǎn)生足夠的磁通驅(qū)動電機(jī)，這對于減小電機(jī)體積和重量不利，因此未見應(yīng)用于飛輪儲能。
綜合以上研究可知，對于飛輪儲能系統(tǒng)，性能優(yōu)異的釹鐵硼永磁電機(jī)往往是最合適的選擇。在散熱設(shè)計不便的場合，有時也要考慮溫度系數(shù)更低的釤鈷永磁體。
1.2.2 永磁體布置方式
在永磁電機(jī)中往往將永磁體放置在轉(zhuǎn)子之中，永磁體有多種布置方式，其中最常見的結(jié)構(gòu)是表貼式、表面嵌入式、圓環(huán)式與內(nèi)置式，其中內(nèi)置式又包括徑向內(nèi)置式和切向內(nèi)置式等多種結(jié)構(gòu)。由于永磁電機(jī)常用的燒結(jié)釹鐵硼永磁體是脆性材料，難以承受拉應(yīng)力，再加上飛輪儲能的應(yīng)用場景下電機(jī)轉(zhuǎn)速往往較高，永磁體表面往往會有過盈配合的復(fù)合材料或合金護(hù)套保護(hù)，以避免永磁體脫離。相比合金護(hù)套，復(fù)合材料護(hù)套不會產(chǎn)生額外的渦流損耗，但散熱性能不佳。對于轉(zhuǎn)子護(hù)套過盈配合量，丁鴻昌等給出了計算方法。對于合金保護(hù)套，在內(nèi)層加入銅屏蔽層可以有效抑制轉(zhuǎn)子渦流損耗。
如圖6所示，表貼式和表面嵌入式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于圓弧型的永磁體被安裝在圓柱形轉(zhuǎn)子鐵芯的表面。表貼式結(jié)構(gòu)為隱極結(jié)構(gòu)，表面嵌入式結(jié)構(gòu)為凸極結(jié)構(gòu)，這是因為永磁體的磁導(dǎo)率與氣隙磁導(dǎo)率相近。由于存在凸極效應(yīng)，表面嵌入式結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行弱磁擴(kuò)速。但由于其存在極間漏磁以及永磁體利用率低的缺點(diǎn)，總的來說在飛輪儲能中應(yīng)用較少。表貼式永磁無刷直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單、性價比高，還具有轉(zhuǎn)矩脈動和齒槽轉(zhuǎn)矩比較小的優(yōu)點(diǎn)，但是沒有凸極效應(yīng)和磁阻轉(zhuǎn)矩，廣泛應(yīng)用于弱磁擴(kuò)速要求不高的場合，在飛輪儲能領(lǐng)域有一定的應(yīng)用。圓環(huán)式的永磁體雖然有裝配簡單、加工方便的優(yōu)勢，但會造成較大的渦流損耗，在飛輪儲能領(lǐng)域難以發(fā)揮作用。
圖6 表貼式永磁電機(jī)與表面嵌入式永磁電機(jī)
相較于表貼式的結(jié)構(gòu)，如圖7所示的內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的永磁同步電動機(jī)具有凸級效應(yīng)，交軸電感不等于直軸電感，可以有效利用磁阻轉(zhuǎn)矩。此外，弱磁控制在永磁同步電動機(jī)中發(fā)揮了有效的作用，實現(xiàn)了永磁同步電動機(jī)的高速運(yùn)行和寬恒功率運(yùn)行。內(nèi)置式的結(jié)構(gòu)在永磁體的選擇上也有更大的自由度，可以不必使用圓弧形永磁體。然而由于定子與轉(zhuǎn)子之間磁阻變化的不連續(xù)性，內(nèi)置式永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動和齒槽轉(zhuǎn)矩比表貼式永磁電機(jī)大。為了解決這一問題，Sanada等采用非對稱設(shè)計，使得隔磁橋與定子齒的位置不對應(yīng)，可以大大降低轉(zhuǎn)矩脈動。隔磁橋和磁障結(jié)構(gòu)在內(nèi)置式永磁電機(jī)中得到了廣泛使用，這是為了盡量減少內(nèi)置式結(jié)構(gòu)普遍存在的漏磁現(xiàn)象，然而這不僅使轉(zhuǎn)子沖片的加工更加復(fù)雜，還給高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子帶來了隔磁橋處應(yīng)力過大的問題。為此可以對永磁體采用分段結(jié)構(gòu)，并在永磁體段間設(shè)置加強(qiáng)筋，此方法還能達(dá)到減小氣隙磁密諧波含量、抑制渦流損耗的作用，在內(nèi)置式結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。此外，Calfo等采用了一種特殊的徑向內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，將硅鋼片掛在不導(dǎo)磁鋼軸上，將永磁體夾在相鄰兩片硅鋼片之間，這種結(jié)構(gòu)增大了永磁體與硅鋼片的受力面積，有效優(yōu)化了徑向內(nèi)置式結(jié)構(gòu)永磁體的應(yīng)力分布。
圖7 內(nèi)置式永磁電機(jī)
1979年，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的Halbach等提出了一種特殊的磁體陣列，將充磁方向有異的永磁體按照特定順序排列，從而使磁場不對稱分布，即為Halbach陣列。當(dāng)應(yīng)用于永磁電機(jī)時，Halbach陣列能夠提高永磁體的利用率，還能夠使氣隙磁場呈現(xiàn)出更好的正弦性，還具有磁自屏蔽性，得到了廣泛的關(guān)注。Jang等對比了包括Halbach陣列在內(nèi)的三種永磁電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，說明了Halbach陣列電機(jī)具有高功率密度和高效率的優(yōu)勢，后來還提出了內(nèi)外雙層轉(zhuǎn)子，均使用Halbach陣列的永磁電機(jī)特殊結(jié)構(gòu)。Luise等將Halbach陣列用在無槽永磁電機(jī)中，最終得到電機(jī)的功率是640 kW，轉(zhuǎn)速達(dá)到10000 r/min。朱熀秋等將Halbach陣列用于無軸承的永磁電機(jī)上，包括外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了一些分析?？軐毴忍岢隽艘环N新型Halbach陣列，如圖8所示，這是一種由兩種形狀的永磁體排列而成的雙層結(jié)構(gòu)，這種特殊的結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到降低氣隙磁通密度的諧波畸變率的目的。
圖8 一種新型的雙層Halbach陣列
總的來說，在飛輪儲能用永磁電機(jī)中，表貼式和內(nèi)置式各有利弊，Halbach陣列能夠提高永磁體的利用率，比通常布置具有明顯的優(yōu)勢，預(yù)計可以在飛輪儲能用永磁電機(jī)中發(fā)揮重要作用。
2 永磁電機(jī)損耗研究現(xiàn)狀
永磁電機(jī)損耗包括定子繞組銅損、定子鐵芯鐵損、轉(zhuǎn)子鐵芯鐵損、磁鋼渦流損耗以及摩擦損耗，摩擦損耗包括了風(fēng)磨損耗和機(jī)械軸承摩擦損耗。邢軍強(qiáng)等對高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子風(fēng)損進(jìn)行了理論分析，并與實驗數(shù)據(jù)比較，其目標(biāo)電機(jī)的風(fēng)損與電機(jī)轉(zhuǎn)速的1.927次冪成正比。
由于真空室以及磁懸浮軸承的使用，在飛輪儲能系統(tǒng)的永磁電機(jī)的運(yùn)行過程中，主要的損耗來源于電機(jī)定子的銅耗和鐵耗、轉(zhuǎn)子鐵芯損耗以及永磁體的渦流損耗，這部分電磁損耗與電機(jī)總功率的比值一般在5%以下。表2列出了一些永磁電機(jī)電磁損耗數(shù)據(jù)。
表2 永磁電機(jī)電磁損耗
2.1 銅耗
銅耗指的是由定子繞組電阻和流經(jīng)的電流產(chǎn)生的電機(jī)損耗。對于永磁電機(jī)，其額定狀態(tài)下的銅耗往往占到其額定功率的0.2%~2%，且受到相電阻、電流有效值、電流頻率等多方面因素影響。對于傳統(tǒng)電機(jī)而言，銅耗的計算方法如下，在電機(jī)初步設(shè)計簡化計算時往往采取這種方法。
式中，m表示電機(jī)相數(shù)；I表示電樞繞組相電流有效值，單位為A；R表示電樞繞組相電阻，單位為Ω。
王成等以一臺300 kW、10000 r/min的飛輪永磁電機(jī)為研究對象，計算得到其穩(wěn)態(tài)銅耗為1.79 kW，該結(jié)果比較有代表性。然而對于高速電機(jī)而言，電機(jī)中交變磁場的集膚效應(yīng)與高頻電流的臨近效應(yīng)都會產(chǎn)生額外的損耗。這些損耗之所以不能忽略，是因為電機(jī)在包括飛輪儲能的高速應(yīng)用場景下，其繞組電流頻率較高，繞組所處的磁場頻率也較高，會使得集膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)造成的影響難以忽略。Mellor等使用并繞根數(shù)為7根的1.60 mm銅線，通過計算和實驗發(fā)現(xiàn)：在繞組溫度100 ℃的前提下，繞組的800 Hz交流電阻大約是直流電阻的3.25倍，400 Hz交流損耗大約是直流損耗的1.6倍。實際飛輪應(yīng)用中，可以通過增大股數(shù)和減少單股直徑的方法降低交流銅損。
由于能夠大幅度減輕集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)帶來的影響，保證電機(jī)高效工作，由多根彼此絕緣的導(dǎo)線扭繞而成的利茲線開始逐漸替代傳統(tǒng)的繞組導(dǎo)線，在電機(jī)領(lǐng)域得到應(yīng)用。Liang等將成形換向繞組引入永磁同步電機(jī)，有效地抑制電機(jī)的交流銅損耗，其223 kW永磁同步電機(jī)銅耗從7.25 kW降至4.02 kW。當(dāng)高速電機(jī)被應(yīng)用于低頻次充放電飛輪儲能的特殊場景時，銅耗計算的重要性下降，這是因為在整個運(yùn)行過程當(dāng)中，系統(tǒng)在大部分時間都處于無負(fù)載的待機(jī)狀態(tài)，此時的電機(jī)空載運(yùn)行，電機(jī)的定子銅耗一般較小。
判斷集膚效應(yīng)的重要性可以使用集膚深度的概念，當(dāng)繞組導(dǎo)線單股直徑小于集膚深度時，集膚效應(yīng)的影響非常小，集膚深度的計算公式如下：
式中，f表示電機(jī)頻率，單位為Hz；μ表示磁導(dǎo)率，單位為H/m；σ表示電導(dǎo)率，單位為S/m。
為簡化計算，在計算精度需求不高的計算過程中，往往可以根據(jù)Dowell在1966年所建立的用于計算繞組損耗的一維模型。關(guān)于鄰近效應(yīng)對損耗的影響，后來Nan等選用了一種基于Dowell函數(shù)的新函數(shù)擬合二維仿真數(shù)據(jù)，得到的鄰近效應(yīng)造成的額外損耗誤差在2%以下。Nalakath等基于沙利文平方場導(dǎo)數(shù)方法，利用磁通密度的空間平均平方導(dǎo)數(shù)，可通過求解簡單的靜磁問題得到鄰近效應(yīng)造成的額外損耗。如今隨著計算機(jī)算力的不斷提升，有限元方法也被廣泛應(yīng)用于銅耗的計算中。
2.2 鐵耗
電機(jī)的鐵耗即分布在定轉(zhuǎn)子鐵芯中的損耗，分為渦流損耗、磁滯損耗和附加渦流損耗三部分。額定狀態(tài)運(yùn)行的永磁電機(jī)的鐵耗一般占其額定功率的0.5%~3%。為了減小定轉(zhuǎn)子鐵芯中的鐵耗，電機(jī)定轉(zhuǎn)子一般采用硅鋼片浸漆后沿軸向疊壓而成。增加硅鋼片的含硅量會導(dǎo)致電阻率增加，對降低渦流損耗有利，但是會使硅鋼片的導(dǎo)磁性能下降且材料脆性升高?？讜怨獾葘σ慌_功率75 kW永磁同步電機(jī)展開實驗，得到其轉(zhuǎn)速6000 r/min，頻率1000 Hz時鐵耗為3.37 kW。另有熊博文以功率100 kW，轉(zhuǎn)速24000 r/min，頻率400 Hz的永磁電機(jī)展開分析，指出其總鐵耗約為1.32 kW。
在高頻電機(jī)中使用較薄的硅鋼片是一種降低硅鋼片中的渦流損耗的有效手段，高速永磁電機(jī)常見的硅鋼片厚度在0.2～0.35 mm附近或以下。非晶合金材料具有高電阻率、高磁導(dǎo)率，當(dāng)使用非晶合金材料取代無取向硅鋼片時，可以顯著降低高速電機(jī)的鐵芯損耗，在飛輪儲能的高速運(yùn)行條件下鐵芯損耗降低表現(xiàn)得更加明顯。學(xué)界對非晶合金用于永磁電機(jī)進(jìn)行了探索，得到的小功率樣機(jī)表現(xiàn)出良好的機(jī)械特性和效率。但目前非晶合金還存在飽和磁密低的問題，這限制了非晶合金的使用。此外由于其材料脆性以及對機(jī)械應(yīng)力的敏感性導(dǎo)致的加工困難，非晶電機(jī)往往只能采用無槽結(jié)構(gòu)。除了非晶合金材料之外，渦流損耗很小的軟磁復(fù)合材料(soft magnetic composite, SMC)替代傳統(tǒng)硅鋼片鐵芯的前景也被人們看好。但SMC材料也存在磁滯損耗大、導(dǎo)磁率低的問題。Li等指出，當(dāng)永磁電機(jī)頻率為400 Hz時，其SMC電機(jī)的鐵耗與使用DW470硅鋼片的永磁電機(jī)相當(dāng)，當(dāng)頻率繼續(xù)升高時，SMC電機(jī)鐵耗更低的優(yōu)勢就會顯現(xiàn)。目前，硅鋼片仍然是飛輪永磁電機(jī)的首選，新型鐵芯材料仍需進(jìn)一步研究。
比損耗法常見于低速電機(jī)的鐵耗計算中，即由給定材料在特定磁密與頻率下的鐵耗按一定的冪折算到電機(jī)額定工作磁密與頻率下，再用經(jīng)驗系數(shù)對結(jié)果加以修正。這種方法計算簡便，廣泛用于電機(jī)的初步設(shè)計階段。但這種方法難以適用在電機(jī)轉(zhuǎn)速較高、頻率較高的情況。在高頻鐵耗的計算過程中，可以采用Bertotti提出的鐵耗分離模型分別計算各類鐵耗，即：
式中，kh，α表示磁滯損耗系數(shù)；kc和ke分別表示渦流損耗系數(shù)和附加損耗系數(shù)；B表示磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為T。
基于鐵耗分離模型，Boglietti等提出了根據(jù)電源電壓預(yù)測鐵耗的改進(jìn)模型。后來余莉等對永磁無刷直流電機(jī)內(nèi)的磁場分布進(jìn)行了研究，探討了非正弦交變磁場下的鐵耗計算模型，提高了高速永磁電機(jī)鐵耗計算的精度。Zhang等建立了考慮集膚效應(yīng)的渦流損耗解析模型和動態(tài)磁滯有限元鐵芯損耗模型，并進(jìn)行了實驗驗證。
2.3 轉(zhuǎn)子渦流損耗
在永磁電機(jī)中，由于轉(zhuǎn)子與基波磁場同步旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子鐵耗較小，在小型永磁電機(jī)中基本占額定功率1.5%以下，對于百千瓦以上的永磁電機(jī)往往在0.4%以下。然而由于轉(zhuǎn)子散熱不如定子散熱便利，對于往往采用真空室的飛輪儲能更是如此，并且永磁電機(jī)常用的釹鐵硼磁體的退磁溫度較低，減少和計算轉(zhuǎn)子渦流損耗成為高速永磁電機(jī)設(shè)計工作的重要一環(huán)。
增大氣隙，減少槽開度，采用分?jǐn)?shù)繞組和采用外接線路電感均是可以降低轉(zhuǎn)子損耗的方法。也可以從永磁體入手，通過將永磁體分塊、在護(hù)套周向開槽、添加銅屏蔽環(huán)的方式減少永磁體上的渦流損耗。原本人們認(rèn)為增加永磁體的電阻率也能夠降低渦流損耗，然而有研究證明磁體電阻率增大雖然會降低永磁體上的渦流損耗，但也會使永磁體的磁屏蔽作用減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子其他位置的渦流損耗增加，轉(zhuǎn)子總渦流損耗變化不大。
當(dāng)使用解析法計算表貼式永磁電機(jī)的渦流損耗時，往往可以采用Zhu等提出的忽略齒槽的計算方法。后來Wu等又基于精確子域場模型，對于表貼式永磁電機(jī)，建立了由開槽效應(yīng)引起的開路磁體渦流損耗的解析模型。到了2016年，Nair等提出了一種基于廣義圖像理論的分析方法，解析推導(dǎo)出磁體內(nèi)的三維渦流分布，進(jìn)而得到磁體內(nèi)的總渦流損耗，是一種精確高效的計算方法。后來這些學(xué)者又更進(jìn)一步，基于磁通密度時間導(dǎo)數(shù)的三維傅里葉展開式，提出了一種考慮開槽的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子磁體三維渦流損耗的計算方法。卓亮等將精確子域法和等效熱網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，提出了考慮溫度變化的渦流損耗半解析模型，并以其40 kW永磁電機(jī)為例，通過對銅耗、機(jī)械損耗以及鐵芯損耗進(jìn)行計算，分離得到其在18000 r/min轉(zhuǎn)速下渦流損耗為562.2 W。
對永磁電機(jī)各部分損耗進(jìn)行分別計算可以了解電機(jī)各部位發(fā)熱情況，從而可以有針對性地設(shè)計散熱方式，還有利于計算電機(jī)效率，對于電機(jī)設(shè)計來說十分重要。尤其對于散熱不便的電機(jī)轉(zhuǎn)子部分，精確了解轉(zhuǎn)子損耗才能保證永磁體工作在合適的溫度區(qū)間內(nèi)，從而確保電機(jī)能夠正常運(yùn)行。
3 永磁電機(jī)熱管理研究現(xiàn)狀
采用低退磁溫度的釹鐵硼永磁體的永磁電機(jī)會有永磁體退磁的風(fēng)險，有必要在損耗分析的基礎(chǔ)上，完成電機(jī)的溫度分析，并通過一些散熱手段，例如風(fēng)冷、水冷以及其他散熱措施控制電機(jī)溫度。
3.1 熱分析
對于永磁電機(jī)而言，其溫度分布往往存在以下規(guī)律：定子繞組及定子齒部溫度較高，定子軛部溫度較低；永磁體溫度較高，轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)溫度較低，這是由銅耗、永磁體渦流損耗以及定子鐵耗的空間分布造成的。以文獻(xiàn)[121]中的300 kW永磁電機(jī)為例，10000 r/min空載狀態(tài)下永磁體最高溫度為121.32 ℃，繞組最高溫度為116.81 ℃。
目前在電機(jī)的溫度分析方面，最常用的兩類方法是集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)分析法和數(shù)值分析法，其中數(shù)值分析法又可以分為有限元法和計算流體力學(xué)分析法。熱網(wǎng)絡(luò)法最早在1991年被提出，并被應(yīng)用在了三臺感應(yīng)電機(jī)上。熱網(wǎng)絡(luò)法采用與電路分析類似的方法，將各部分損耗當(dāng)作熱源，溫度相近的部分當(dāng)作一個節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間的傳熱通過熱阻的形式來模擬，根據(jù)能量守恒定律或者基爾霍夫定律列出方程組進(jìn)行求解。熱網(wǎng)絡(luò)法優(yōu)點(diǎn)在于計算速度較快，但只能得到節(jié)點(diǎn)的溫度，難以求得精確的溫度場分布。Ghahfarokhi等對所分析電機(jī)建立了集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)，并用簡化的解析相關(guān)法計算了集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，最后將分析結(jié)果與實驗結(jié)果比對，吻合良好。
Xiao等在2020年提出了一種基于遞歸卡爾曼濾波算法的在線估計方法，用于在線辨識電機(jī)定子鐵芯、定子繞組和永磁體的三節(jié)點(diǎn)熱阻。
有限元法耗時較久，但是可以較為精確地計算電機(jī)各個部位的損耗與溫度分布情況，在電機(jī)溫度分析領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。2012年，Kefalas等基于減少三維瞬態(tài)熱分析計算成本的有限元技術(shù)，建立了可用于表貼式永磁同步電機(jī)在不同負(fù)載條件和環(huán)境溫度下的瞬態(tài)熱分析的有限元軟件包。
對于散熱結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以通過經(jīng)驗公式計算傳熱系數(shù)的情況，往往就需要用到計算流體力學(xué)分析法。Kolondzovski等將計算流體動力學(xué)方程與傳熱方程耦合在一起，并與傳統(tǒng)的熱網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行了比對。
3.2 定子冷卻
飛輪儲能系統(tǒng)中，為高速電機(jī)的定子提供冷卻的方式比較多樣，包括風(fēng)冷、液冷(水冷、油冷)、相變冷卻等。風(fēng)冷結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，便于維護(hù)，在中小型電機(jī)中有所應(yīng)用。有的高速永磁電機(jī)使用軸向強(qiáng)制定子風(fēng)冷，但沒有將定子與轉(zhuǎn)子隔開，因而無法用于使用真空室結(jié)構(gòu)的飛輪儲能系統(tǒng)。并且風(fēng)冷的冷卻能力有限，對于大功率高速電機(jī)的應(yīng)用，往往需要考慮其他的冷卻模式。液冷與風(fēng)冷類似，都需要將定子與轉(zhuǎn)子隔離，或使用水套等特殊結(jié)構(gòu)，以適用于真空室結(jié)構(gòu)。
Xu等在其150 kW，最高轉(zhuǎn)速32000 r/min的永磁電機(jī)中使用油冷，使用油套將電機(jī)劃分為注油定子室和無油轉(zhuǎn)子室兩個區(qū)域。計算結(jié)果表明相比傳統(tǒng)油套冷卻，使用該方法能將電機(jī)各部分溫度再降低30～80 ℃，其中繞組降溫最為明顯。Cavazzuti等使用水套結(jié)構(gòu)為永磁同步電機(jī)提供冷卻，結(jié)果表明有超過99.5%的散熱量是通過水套實現(xiàn)的。相變冷卻是一種先進(jìn)而有效的冷卻方式，可以通過簡單的結(jié)構(gòu)獲得更好的冷卻效果。如Wang等使用石蠟相變材料為電機(jī)提供冷卻，與自冷式相比工作時間增長了32.7%。中國科學(xué)院電工研究所的顧國彪團(tuán)隊經(jīng)歷幾十年對相變冷卻的研究，對蒸發(fā)冷卻的研究成果被應(yīng)用于三峽地下電站27、28號電機(jī)，表現(xiàn)良好。除此之外，噴霧冷卻也是一種相變冷卻方式，涉及液氣兩相的變化。
3.3 轉(zhuǎn)子冷卻
在飛輪儲能的應(yīng)用場景下，電機(jī)轉(zhuǎn)子往往工作在真空室中，只能通過熱輻射散熱，很容易導(dǎo)致溫度持續(xù)上升。由于轉(zhuǎn)子表面線速度較高，采用冷卻介質(zhì)時應(yīng)盡量避免從轉(zhuǎn)子表面流過，有些設(shè)計會采用軸內(nèi)冷卻的模式，這種模式同時還能避免真空環(huán)境對冷卻液的影響。除了常見的兩端分別進(jìn)出的模式外，對于一端封閉的軸系，可以采用內(nèi)外分層的結(jié)構(gòu)完成同側(cè)進(jìn)出冷卻液。如果采用飛輪儲能常用的立式軸系，還需要考慮將油泵送到中空軸指定高度處，并且維持恒定出口流量所需的壓力。
沈軍等使用轉(zhuǎn)子軸內(nèi)油冷的方式為最高轉(zhuǎn)速14000 r/min的永磁同步電機(jī)提供轉(zhuǎn)子冷卻，對比了四種軸孔結(jié)構(gòu)后選擇了如圖9所示的軸向矩形結(jié)構(gòu)，最終永磁體最高溫度下降了近140 K，轉(zhuǎn)子部分最高溫度下降了近200 K。此外也可以采用轉(zhuǎn)子內(nèi)置熱管的形式實現(xiàn)相變傳熱，這種方法可以避免增加摩擦損耗。
圖9 軸向矩形結(jié)構(gòu)
在飛輪儲能系統(tǒng)中，定子散熱方式可以根據(jù)電機(jī)具體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來設(shè)計，自由度比較大，其中風(fēng)冷和水冷、油冷應(yīng)用比較多。對于往往應(yīng)用真空室的飛輪儲能來說，如果使用風(fēng)冷散熱往往需要將轉(zhuǎn)子與定子部分隔開，避免破壞真空環(huán)境。對于轉(zhuǎn)子的冷卻比較困難，由于永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子損耗并不高，可依靠輻射散熱。如果轉(zhuǎn)子損耗引起的溫升顯著，影響到電機(jī)的正常工作，就要應(yīng)用一些比較復(fù)雜的散熱設(shè)計，比如提供相變冷卻或者軸孔油冷的方式進(jìn)行散熱。
4 結(jié)論與展望
低損耗、高功率密度的永磁電機(jī)是飛輪儲能技術(shù)的重要發(fā)展方向，國內(nèi)外研究者在永磁體的選擇、電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、抑制損耗的方法和損耗的計算方法，以及不同的散熱設(shè)計等各個領(lǐng)域做出了大量努力，并取得了顯著的成果，研發(fā)了100～1000 kW，甚至最高5 MW(脈沖短時工作制)的飛輪用永磁電機(jī)并進(jìn)行了實驗。軸向永磁電機(jī)、飛輪-電機(jī)轉(zhuǎn)子融合結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)在飛輪儲能領(lǐng)域的應(yīng)用仍然在研究開發(fā)之中。
為了能夠獲得更大的儲能量、功率和更高的效率，飛輪儲能用永磁電機(jī)還需要進(jìn)一步研究的方面包括以下幾點(diǎn)：
（1）永磁材料的探索方面，需要退磁溫度更高、強(qiáng)度更高的復(fù)合永磁材料。如今常用永磁材料的退磁風(fēng)險限制了電機(jī)功率的提高，而強(qiáng)度的限制又給轉(zhuǎn)子最大線速度設(shè)限，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
（2）在高頻次高功率應(yīng)用場景下，電機(jī)的熱負(fù)荷高，轉(zhuǎn)子散熱研究需要加強(qiáng)。目前對永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻的研究多數(shù)停留在理論層面，工程實踐還比較少，轉(zhuǎn)子冷卻結(jié)構(gòu)也往往比較復(fù)雜，值得進(jìn)一步研究改進(jìn)。
（3）提高系統(tǒng)集成度方面，需要對一體式電機(jī)和無軸承電機(jī)展開研究。新型一體式飛輪電機(jī)，包括軸向電機(jī)、外轉(zhuǎn)子徑向電機(jī)和內(nèi)轉(zhuǎn)子徑向電機(jī)，將會大大提高系統(tǒng)的集成度，降低體積與成本，還能夠縮短電機(jī)的軸向長度，從而提高臨界轉(zhuǎn)速。同時無軸承電機(jī)也可以與一體式電機(jī)相結(jié)合，將產(chǎn)生懸浮力的部件與電機(jī)集成，使整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，成本也能進(jìn)一步降低。然而目前對于這兩個方向的研究較少，應(yīng)用于工程實踐的經(jīng)驗也不足，需要繼續(xù)探索。
