新型外转子Halbach永磁阵列定子无铁心电机设计与分析
南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室的研究人员耿伟伟、张卓然，在2015年第14期《电工技术学报》上撰文，具有气隙磁密正弦、磁密高等优点的halbach阵列永磁外转子电机应用于飞轮储能系统的电动/发电机可以有效提升系统集成度，简化系统结构，提高系统功率密度。
本文研究分析新型外转子halbach永磁阵列定子无铁心电机的转子结构和定子绕组设计方法；通过有限元方法分析了磁场分布和定子绕组损耗；研究定子绕组区域磁场分布变化特征，采用每匝绕组线圈内部导体换位技术有效抑制线圈导体内部之间的环流；最后，通过场路耦合方法分析定子绕组电流对转子永磁体涡流损耗影响。本文优化设计的200kW外转子halbach永磁阵列定子无铁心电机的机电能量转化效率高达99%以上。
飞轮储能系统是一种将旋转动能加以储存的新型的高效机械储能技术。电动/发电机是整个飞轮储能系统机电能量转化的核心部件，永磁电机具有结构紧凑、功率密度高等优势从而成为飞轮储能系统电动/发电机的优选技术[1-3]。
但是，飞轮电机需要解决的一个关键技术问题是空载损耗极小，额定效率高，且具有强过载能力；特别是针对飞轮储能系统的电动/发电机转子处于真空室内，转子散热困难的问题，最大限度减小转子涡流损耗也是其主要设计难点。
外转子永磁电机具有结构紧凑节约空间、转动惯量大、高效低噪等优点，适合应用于飞轮储能系统。国内外学者针对外转子电机的研究主要集中在结构拓扑、电磁特性和优化设计等方面[4~7]。Halbach永磁阵列转子具有气隙磁场分布正弦度高从而减小空间谐波带来的转矩脉动、单边磁屏蔽能力有效增大气隙磁场强度等特性[8~10]，有利于实现外转子拓扑结构。
更为重要的是，为了提高飞轮电机的过载能力和最大限度的降低空载损耗，定子无铁心电机消除了高速运行条件下的空载铁心损耗。韩国学者开发一种飞轮储能无铁心电动/发电机，其结构为径向双转子halbach永磁阵列结构，输出功率为30kW，最高转速达到20000rpm[11~12]。
文献[13]深入研究了halbach永磁体阵列结构电磁特性，采用场路耦合方法对比不同转子结构对电机磁场分布的影响。
文献[14]设计了一台25N.ms角动量（额定转速30000r/min）的高速外转子飞轮用无铁心永磁无刷直流电动机。另外一种转子无铁心永磁电动机定子上取消了齿槽结构，实际上也可以归为定子无铁心电机的类型[15]。
定子无铁心电机由于定子上取消了导磁硅钢片，完全消除了定子的铁心损耗和齿槽转矩，非常适合高速运行。无定子铁心绕组结构与halbach永磁阵列转子结合即可实现一种槽满率高、转矩密度高、外特性硬的特种永磁电机。然而，也正是定子消除了导磁铁心，电枢绕组完全暴露在磁场中，采取常规的电机绕组漆包线和绕组分布方式必然会带来很大的绕组内部的涡流损耗，因此必须采取有效的方法减小电枢绕组的铜损，这也是本文研究分析的重点之一。
文献[16]介绍了静磁场计算的磁密结果用于数值计算的方法，得到了定子无铁心电机电枢绕组的涡流损耗，然而该方法的缺点是随着绕组的分布不同计算变化量多。同时，径向halbach永磁阵列外转子形成的磁场在径向位置向内磁密逐渐递减，导致无铁心电枢绕组每股导线处于磁场强度不同的定子区域，从而在单匝线圈多股导体之间形成较大环流，增大了绕组铜耗。
本文针对飞轮储能系统高速储能用驱动电机额定功率效率高、空载损耗极低、转子涡流损耗小的苛刻要求，提出一种新型外转子halbach永磁阵列定子无铁心电机。给出了新型外转子halbach永磁阵列定子无铁心电机基本结构；通过有限元方法分析了其电磁特性和定子绕组的涡流损耗。针对磁场分布特性提出一种导体换位的绕组设计方法，采用场路耦合的方法验证导体换位可以有效抑制绕组内部的环流损耗。最后，仿真分析了考虑电流谐波的转子永磁体涡流损耗并计算了200kW原理样机的机电能量转换效率在99%以上。
结论
Halbach永磁阵列转子结构可以提高定子无铁心电机定子绕组安装区域磁场分布的正弦度，从而有效减小定子绕组因转子磁场高次谐波引起的涡流损耗。本文针对飞轮储能系统的电动/发电机苛刻的应用环境，提出一种新型外转子halbach永磁阵列定子无铁心电机，研究分析得出以下主要结论。
（1）外转子halbach永磁阵列磁场分布正弦度高，径向和切线分量幅值相同；磁场强度随着位置远离转子永磁体而减小，且径向和切向正弦度提高。
（2）定子绕组采用利兹线可以有效减小绕组的涡流损耗；针对定子无铁心电机的磁场分布特点，需要合理的绕组线圈导线换位方法减小因内部环流过大引起的铜损。
（3）尽管无铁心电机的定子绕组电枢反应很小，但因其电感小特性矢量控制三相电流谐波较大仍然会增大转子永磁体上的涡流损耗，需要从控制的角度加以抑制。
（4）外转子halbach永磁阵列定子无铁心电机具有机电能量转换效率高、过载能力强、机械特性硬的特点，同时转子涡流损耗小，在飞轮储能系统中应用具有广阔前景。