飞轮电池突破了化学电池的局限,具有大能量密度、高效、清洁以及长寿命等一系列特有的性能,在某些方面逐渐成为代替化学电池的重要新型电池之一。随着新型高强度材料、磁悬浮支承技术和电力电子技术的蓬勃发展,飞轮电池在电动汽车、电力系统、储能电源以及航空航天等领域也迎来了新的发展契机。本文对飞轮电池结构方案、磁悬浮轴承支承系统以及飞轮电池用磁悬浮开关磁阻电机进行了研究。本文主要研究内容与成果有以下几个方面:提出了一种新型的飞轮电池结构,电池采用径向斥力永磁轴承、轴向卸载永磁轴承与低损耗三自由度交直流混合磁轴承组合使用的磁悬浮轴承支承方案,将外转子单绕组磁悬浮开关磁阻电机镶嵌于飞轮转子中,同时实现了飞轮电池在轴向与径向上的被动承载与主动控制。针对本文的飞轮电池设计要求,对径向斥力永磁轴承和轴向卸载永磁轴承进行了结构设计与参数计算,推导了永磁轴承的磁力模型,确定了其结构尺寸,利用有限元仿真对设计结果进行了仿真验证,研究了永磁体结构参数对径向斥力永磁轴承和轴向卸载永磁轴承承载力的影响。针对本文确定采用的低损耗三自由度交直流混合磁轴承,对低损耗三自由度混合磁轴承进行了选型比较,推导了低损耗三自由度交直流混合磁轴承的数学模型,设计了低损耗三相交直流混合磁轴承的结构参数,最后,基于Matlab与Ansoft模型分析了悬浮力与控制电流以及转子偏移量之间的关系。提出了飞轮电池用外转子单绕组磁悬浮开关磁阻电机结构,建立了外转子单绕组磁悬浮开关磁阻电机的数学模型,在数学模型的基础上对电机进行了参数计算,给出了电机基本尺寸设计方法,利用有限元法,验证了设计方法的正确性,分析了电机电磁转矩与悬浮力之间的耦合性。
