CN112636494A - 一种用于储能飞轮的飞轮电机及其电磁仿真分析方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于储能飞轮的飞轮电机及其电磁仿真分析方法，涉及储能飞轮技术领域，本发明通过在电机定子中的壳体（1）内设置定子铁芯（3），定子铁芯与壳体过盈配合连接，在定子铁芯上设置电机绕组（2），在定子铁芯的中部设置电机转子，并利用有限元分析，对所设计的飞轮电机分别进行空载工况和额定充放电工况下的电磁仿真分析，确认了飞轮电机在结构上的可行性，同时在驱动上也是可行的、控制上也是稳定可靠的，为储能飞轮其他部件的结构设计提供参考依据，为储能飞轮工业化、产品化提供帮助等，本发明具有操作简单的特点，适合大范围的推广和应用。

Description

一种用于储能飞轮的飞轮电机及其电磁仿真分析方法
技术领域
本发明涉及储能飞轮技术领域，具体涉及一种用于储能飞轮的飞轮电机及其电磁仿真分析方法。
背景技术
已知的，飞轮储能技术已经应用于电力系统电网调频、削峰填谷、风电与光伏发电并网、轻轨制动动能再生、不间断电源(UPS)、高功率脉冲电源、卫星储能/姿控等众多领域，美国、德国、日本等发达国家对飞轮储能技术的开发和应用比较多。日本已经制造出在世界上容量最大的变频调速飞轮蓄能发电系统(容量26.5MVA,电压1100V,转速510690r/min,转动惯量710t•m2)。美国马里兰大学也已研究出用于电力调峰的24kwh的电磁悬浮飞轮系统。飞轮重172.8kg,工作转速范围11,610—46,345rpm,破坏转速为48,784rpm,系统输出恒压110-240V,全程效率为81%。经济分析表明,运行3年时间可收回全部成本。飞轮储能技术在美国发展得很成熟,他们制造出一种装置,在空转时的能量损耗达到0.1%每小时。欧洲的法国国家科研中心、德国的物理高技术研究所、意大利的SISE均正开展高温超导磁悬浮轴承的飞轮储能系统研究。
我国在飞轮储能方面的研究起步较晚，目前飞轮储能技术难点主要集中在转子材料及制造和电磁轴承等方面，除清华大学等高等院校在转子及电磁轴承方面有一些研究和进展外，一些企业通过收购国外公司后具备生产相关产品的能力，且技术严重依靠国外技术团队支撑，这就导致这些公司在自主技术方面的薄弱性，而且一些材料方面也严重需要进口，为后期实际产品运行检修维护埋下隐患等。
因此，如何提供一种完全拥有自主知识产权的飞轮储能技术就显得尤为重要，而在飞轮储能技术中，飞轮电机是其中的关键部件之一，那么如何提供一种用于储能飞轮的飞轮电机及其电磁仿真分析方法就成了本领域技术人员的长期技术诉求。
发明内容
为克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种用于储能飞轮的飞轮电机及其电磁仿真分析方法，本发明为储能飞轮其他部件的结构设计提供参考依据，为储能飞轮工业化、产品化提供帮助等。
为实现如上所述的发明目的，本发明采用如下所述的技术方案：
一种用于储能飞轮的飞轮电机，包括电机定子和电机转子，在所述电机定子中的壳体内设有定子铁芯，定子铁芯与壳体过盈配合连接，在定子铁芯上设有电机绕组，在定子铁芯的中部设有电机转子，在所述电机转子中的转轴上设有两块永磁体A，在每块永磁体A左右两侧转轴的外缘面上分别设有两块永磁体B形成所述的用于储能飞轮的飞轮电机。
所述的用于储能飞轮的飞轮电机，所述定子铁芯的外径为368mm，内径为200mm，轴向长度为210mm，端部长度为100～110mm。
所述的用于储能飞轮的飞轮电机，所述定子铁芯为36槽的矽钢片。
所述的用于储能飞轮的飞轮电机，所述36槽的矽钢片的槽数Z为36，极数2p为2，外径Dso为368mm，内径Dsi为200mm，轴外径Dzhou为128mm，转子外径Dro为174mm，永磁体厚hM为23mm，气隙长度为18mm，槽开口b0为2.5mm。
所述的用于储能飞轮的飞轮电机，所述电机绕组采用3相对称绕组。
所述的用于储能飞轮的飞轮电机，所述永磁体A和永磁体B的外缘面上设有碳纤维缠绕护套。
所述的用于储能飞轮的飞轮电机，所述壳体的材质为铝合金。
所述的用于储能飞轮的飞轮电机，所述永磁体A和永磁体B的材质为钐铁氮注射磁体，剩磁密度为0.75T，矫顽力为600kA/m，充磁方向全部平行一个方向，永磁体A和永磁体B的轴向长度为220mm。
一种用于储能飞轮的飞轮电机电磁仿真分析方法，所述仿真分析方法使用Maxwell软件，采用有限元分析，对所设计的永磁同步电机分别进行空载工况和额定充放电工况下的电磁仿真分析。
采用如上所述的技术方案，本发明具有如下所述的优越性：
本发明通过在电机定子中的壳体内设置定子铁芯，定子铁芯与壳体过盈配合连接，在定子铁芯上设置电机绕组，在定子铁芯的中部设置电机转子，并利用有限元分析，对所设计的飞轮电机分别进行空载工况和额定充放电工况下的电磁仿真分析，确认了飞轮电机在结构上的可行性，同时在驱动上也是可行的、控制上也是稳定可靠的，为储能飞轮其他部件的结构设计提供参考依据，为储能飞轮工业化、产品化提供帮助等，本发明具有操作简单的特点，适合大范围的推广和应用。
附图说明
图1是本发明中电机定子结构示意图；
图2是本发明中电机绕组的结构示意图；
图3是本发明中电机转子结构横截面图；
图4是本发明中电机定子绕组绕线图；
图5是本发明中300kW空载时电机内部的磁力线；
图6是本发明中空载时的磁密云图；
图7是本发明中空载时的气隙曲线波形图；
图8是本发明中空载时的定子齿部气隙曲线波形图；
图9是本发明中空载时的定子轭部气隙磁密曲线图；
图10是本发明中空载10500rpm时相反电动势波形图；
图11是本发明中空载10500rpm时线反电动势波形；
图12是本发明中有效值370A时的电磁转矩波形；
图13是本发明中有效值370A时电机内部磁力线分布；
图14是本发明中有效值370A时电机内部磁场云图；
图15是本发明中有效值370A时电机气隙磁密曲线；
图16是本发明中有效值370A时定子齿部磁密曲线；
图17是本发明中有效值370A时定子轭部磁密曲线；
图18是本发明中有效值370A时电机线电压曲线；
图19是本发明中有效值372A时电机内部磁力线分布；
图20是本发明中有效值372A时电机内部磁场云图；
图21是本发明中有效值372A时电机气隙磁密曲线；
图22是本发明中有效值372A时电机定子齿部磁密曲线；
图23是本发明中有效值372A时电机定子轭部磁密曲线；
图24是本发明中有效值372A时电机线电动势曲线；
图25是本发明中有效值372A时的电磁转矩；
在图中：1、壳体；2、电机绕组；3、定子铁芯；4、永磁体A；5、永磁体B；6、转轴。
具体实施方式
通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例；
本发明结合附图1～4所述的一种用于储能飞轮的飞轮电机，包括电机定子和电机转子，所述壳体1的材质为铝合金，选用铝合金的主要目的是增加电机定子的散热，为了提高散热效果，在电机定子的外部设置强制风冷装置；在所述电机定子中的壳体1内设有定子铁芯3，定子铁芯3与壳体1过盈配合连接，在定子铁芯3上设有电机绕组2，所述电机绕组2采用3相对称绕组，绕线图如图 4所示，电机绕组2的端部采用高温密封胶灌封，在定子铁芯3的中部设有电机转子，为了使一对极的转子的反电动势波形更接近于正弦波，对永磁体A4和永磁体B5进行了优化设计，在圆周方向，分成10份，分别由永磁体A4和永磁体B5组成，如图3所示，充磁方向为平行充磁，为了减少永磁体A4和永磁体B5上的涡流损耗（涡流损耗是引起转子温升的一个主要来源），沿飞轮转子轴线方向，将磁钢进行分层设计，共分10层，这样做还提高了磁钢的利用率，利于今后批量生产；在所述电机转子中的转轴6上设有两块永磁体A4，在每块永磁体A4左右两侧转轴6的外缘面上分别设有两块永磁体B5形成所述的用于储能飞轮的飞轮电机。
实施时，所述定子铁芯3的外径为368mm，内径为200mm，轴向长度为210mm，端部长度为100～110mm。如图2所示，所述定子铁芯3为36槽的矽钢片，所述36槽的矽钢片的槽数Z为36，极数2p为2，外径Dso为368mm，内径Dsi为200mm，轴外径Dzhou为128mm，转子外径Dro为174mm，永磁体厚hM为23mm，气隙长度为18mm，槽开口b0为2.5mm。
进一步，在所述永磁体A4和永磁体B5的外缘面上设有碳纤维缠绕护套。永磁体A4和永磁体B5的材质为钐铁氮注射磁体，剩磁密度为0.75T，矫顽力为600kA/m，充磁方向全部平行一个方向，永磁体A4和永磁体B5的轴向长度为220mm。
一种用于储能飞轮的飞轮电机电磁仿真分析方法，所述仿真分析方法使用Maxwell软件，采用有限元分析，对所设计的永磁同步电机分别进行空载工况和额定充放电工况下的电磁仿真分析，空载时的电磁分析结果如图5、6、7、8、9、10、11所示，有效值370A（纯交轴电流，直轴电流为0）时的电磁分析结果如图 12、13、14、15、16、17、18所示，有效值372A（交轴电流370A，去磁直轴电流为39A，超前角6°)时的电磁分析结果如图 19、20、21、22、23、24、25所示，具体如下：
空载时的电磁分析结果：
1）、空载时电机内部的磁力线分布如图 5所示：
2）、转速10500rpm，空载时电机内部磁场云图如图6所示，最大磁密为1.25T，使用矽钢片导磁磁密未饱和。
3）、空载时电机气密曲线波形如图 7所示。
4）、空载时的定子齿部气隙磁密曲线波形如图8所示。
5）、空载时的定子轭部气隙磁密曲线（静态场仿真）如图 9所示。
6）、空载10500rpm时相反电动势波形如图10所示。
7）、空载10500rpm时线反电动势波形如图 11所示。
有效值370A时的电磁分析结果：
1）、有效值370A（纯交轴电流，直轴电流为0）时的电磁转矩波形如图 12所示。
2）、有效值370A（纯交轴电流，直轴电流为0）时电机内部磁力线分布情况如图 13所示。
3）、有效值370A（纯交轴电流，直轴电流为0）时电机内部磁场分布云图如图 14所示。
4）、有效值370A（纯交轴电流，直轴电流为0）时电机气隙磁密曲线如图 15所示。
5）、有效值370A（纯交轴电流，直轴电流为0）时定子齿部磁密曲线如图 16所示。
6）、有效值370A（纯交轴电流，直轴电流为0）时定子轭部磁密曲线如图17所示。
7）、有效值370A（纯交轴电流，直轴电流为0）时电机线电压(峰值760V)如图18所示。若再考虑到端部漏电感上的电压，线电压幅值还要高一些，此时必须采取弱磁控制，才能发出额定电功率。
有效值372A时的电磁分析结果：
1）、有效值372A（交轴电流370A，去磁直轴电流为39A，超前角6°)时电机内部磁力线分布情况如图 19所示。
2）、有效值372A（交轴电流370A，去磁直轴电流为39A，超前角6°)时电机内部磁场云图如图20所示。
3）、有效值372A（交轴电流370A，去磁直轴电流为39A，超前角6°)时电机气隙磁密曲线如图21所示。
4）、有效值372A（交轴电流370A，去磁直轴电流为39A，超前角6°)时电机定子齿部磁密曲线如图 22所示。
5）、有效值372A（交轴电流370A，去磁直轴电流为39A，超前角6°)时电机定子轭部磁密曲线如图23所示。
6）、有效值372A（交轴电流370A，去磁直轴电流为39A，超前角6°)时电机线电动势（735幅值）曲线如图 24所示。
7）、有效值372A（交轴电流370A，去磁直轴电流为39A，超前角6°)的电磁转矩曲线如图 25所示。
本发明未详述部分为现有技术。
为了公开本发明的发明目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。

Claims (9)

1.一种用于储能飞轮的飞轮电机，包括电机定子和电机转子，其特征是：在所述电机定子中的壳体（1）内设有定子铁芯（3），定子铁芯（3）与壳体（1）过盈配合连接，在定子铁芯（3）上设有电机绕组（2），在定子铁芯（3）的中部设有电机转子，在所述电机转子中的转轴（6）上设有两块永磁体A（4），在每块永磁体A（4）左右两侧转轴（6）的外缘面上分别设有两块永磁体B（5）形成所述的用于储能飞轮的飞轮电机。
2.根据权利要求1所述的用于储能飞轮的飞轮电机，其特征是：所述定子铁芯（3）的外径为368mm，内径为200mm，轴向长度为210mm，端部长度为100～110mm。
3.根据权利要求1所述的用于储能飞轮的飞轮电机，其特征是：所述定子铁芯（3）为36槽的矽钢片。
4.根据权利要求3所述的用于储能飞轮的飞轮电机，其特征是：所述36槽的矽钢片的槽数Z为36，极数2p为2，外径Dso为368mm，内径Dsi为200mm，轴外径Dzhou为128mm，转子外径Dro为174mm，永磁体厚hM为23mm，气隙长度为18mm，槽开口b0为2.5mm。
5.根据权利要求1所述的用于储能飞轮的飞轮电机，其特征是：所述电机绕组（2）采用3相对称绕组。
6.根据权利要求1所述的用于储能飞轮的飞轮电机，其特征是：所述永磁体A（4）和永磁体B（5）的外缘面上设有碳纤维缠绕护套。
7.根据权利要求1所述的用于储能飞轮的飞轮电机，其特征是：所述壳体（1）的材质为铝合金。
8.根据权利要求1所述的用于储能飞轮的飞轮电机，其特征是：所述永磁体A（4）和永磁体B（5）的材质为钐铁氮注射磁体，剩磁密度为0.75T，矫顽力为600kA/m，充磁方向全部平行一个方向，永磁体A（4）和永磁体B（5）的轴向长度为220mm。
9.根据权利要求1～8任一权利要求所述的一种用于储能飞轮的飞轮电机的一种用于储能飞轮的飞轮电机电磁仿真分析方法，其特征是：所述仿真分析方法使用Maxwell软件，采用有限元分析，对所设计的永磁同步电机分别进行空载工况和额定充放电工况下的电磁仿真分析。
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