哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
摘要
飞轮储能系统凭借高能量密度和低损耗优势已经成为混合动力汽车的重点
发展方向，电机作为其主要动力部件需要克服空间狭窄、散热条件恶劣等困难。
轴向电机结构扁平，适用于对体积有严格要求的车载飞轮储能场合。本文移除
轴向电机的定子轭部得到一种新型定子无轭模块化轴向电机，有效降低损耗使
结构更加紧凑，并重点对该新型轴向电机的电磁设计、机械强度、热管理以及
多目标优化算法等关键技术开展研究。
首先，通过对标轻型混动汽车的放电深度、制动时间和加速时间计算飞轮
电机转速和功率范围，根据制动速度计算再生制动总能量与飞轮容量；解析得
到电机尺寸参数，有限元选择最佳极槽配合；通过等效磁路法得到电机输出性
能与外径\电枢直径比、气隙长度、极弧系数等结构参数的关系并进行优化。
其次，计算转子盘所受轴向电磁力、永磁体离心力、过盈配合压力和高速
旋转时各部件切向与法向应力，比较解析法与有限元法差异性；采用有限元法
得到转子各部件受力云图，分析不同护套厚度和过盈量对转子应力的影响，分
析飞轮放电冲击对电机转子强度的影响；给出包含混合轴承系统、真空室和冷
却系统的主体方案，完成飞轮系统结构总体设计。
再次，对比超级硅钢片、软磁复合材料和非晶合金在不同转速的铁耗表现；
计算不同规格扁线和圆线绕组槽满率、交直流损耗；研究截面积与轴向长度对
永磁体涡流损耗影响；分别采用等效热路模型和瞬态热有限元分析电机主要元
件不同工况温升变化；设计组合式冷却结构，采用瞬态热和流体动力学分析无
冷却瞬态情况电机充放电的散热性能与有冷却时长期运行在最高功率输出的部
件温升情况，验证新型冷却结构的热管理效果。
最后，采用传统田口法进行电机多目标优化，选取气隙长度、转子外径等
6个电机结构参数共5个水平值进行正交试验，通过均值分布、方差分析得到
对应单、综合品质特性优化方案；基于模糊控制改进田口法将多目标输出转化
为唯一目标输出MOI，使得模糊控制田口法优化方案与初始优化和传统田口法
相比各性能指标均得到较大提升，验证了该优化方法的先进性。
关键词：车载飞轮混动系统；定子无轭模块化轴向电机；非晶合金；热网络模
型；模糊推理田口法
-I-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
Abstract
Flywheelenergystoragesystemhasbecomeakeydevelopmentdirectionof
hybridelectricvehicleswithitsadvantagesofhighenergydensityandlowloss.As
itsmainpowercomponent,themotorneedstoovercomedifficultiessuchasnarrow
spaceandbadheatdissipationconditions.Thestructureofaxialmotorisflat,which
issuitableforvehicleflywheelenergystorageoccasionswithstrictrequirementson
volume.Thisarticleremovesthestatoryokeoftheaxialmotortogetanewtypeof
statorunyokemodularaxialmotor,whichcaneffectivelyreducethelossandmake
thestructuremorecompact,andfocusesontheelectromagneticdesign,mechanical
strength,thermalmanagementandmulti-objectiveoptimizationalgorithmofthenew
typeofaxialmotor.