飞轮储能用高速永磁同步电机设计及关键技术研究

飞轮储能是实现电动汽车储能要求的一种有效方式，它具有高能量密度、高功率密度、长循环寿命、能快速充放电、免维护和对环境无污染等优点。电机作为飞轮储能系统中实现电能与机械能之间相互转换的核心部件，其性能直接影响着整个飞轮系统的性能。随着飞轮储能密度的不断增大，研制转速高、效率高、体积小的高速飞轮储能用电机对于飞轮储能的发展至关重要。 飞轮储能用高速永磁同步电机运行于真空容器中，针对其特定的应用场合和工作环境，会存在一些关键问题需要解决，本文分别从电机的设计方法、电磁损耗和温升性能等方面展开研究与分析。 首先，从高速电机的应用背景和设计指标出发，对飞轮电机的总体方案进行研究，给出了高速永磁电机的设计方法；从电机的机械强度和电磁性能综合考虑，确定电机的主要尺寸，完成电机的磁路参数选取和护套的设计。对飞轮系统轴系的振动模态和临界转速进行计算，确保飞轮系统能够安全运行。 其次，飞轮电机转速高，在高频供电电源的作用下，电机铁心中的磁场分布复杂，铁心损耗成为电机的主要损耗。为了准确计算飞轮电机高频铁心损耗，在分析对比现有铁耗计算模型的基础上，给出一种综合考虑旋转磁化方式和谐波磁场的正交分解模型，计算高速电机的高频铁心损耗。分析引起转子涡流损耗的主要因素，探讨电机槽口宽度、气隙长度、保护套材料及其厚度等结构参数对转子涡流损耗的影响。 然后，针对飞轮电机在真空高温室内散热困难的问题，对电机的水冷系统的冷却水道进行分析，选择合适的水路结构。建立真空环境中飞轮电机的等效热网络模型，并采用迭代法计算定转子之间的辐射热阻，通过热路模型研究各参数对电机温升的影响。完成高速永磁同步电机的三维温度场模型，计算飞轮电机的稳态温度场分布。 最后，在温度变化对材料性能影响的基础上分析温度变化对电机性能的影响。为了兼顾电机的效率和温升，从电磁负荷分配关系出发，分别给出有槽电机和无槽电机设计的不同点以及它们的设计特点。根据飞轮储能系统的循环工况，研究飞轮电机的瞬态温升特性，分别给出有槽结构和无槽结构电机的损耗和温升特性。