华中科技大学硕士学位论文
摘要
飞轮储能技术具有使用寿命长、环境友好、储能密度高等优点，在电力系统、
UPS、地铁能量回收等多个场合有重要的应用前景，是提高新能源发电稳定性以及制
动能量回收的重要技术之一。然而，飞轮储能系统用永磁电机在极对数较少时，采用
传统叠绕组绕组端部长度较长，影响电机转子动力学性能。飞轮转子在体积较大时，
会由于材料热处理不均匀导致材料淬透性较差，影响飞轮储能系统的安全可靠性。针
对上述飞轮储能系统所存在的问题，选择采用永磁电机带合金钢飞轮转子结构的飞
轮储能系统作为研究对象，工作内容如下：
首先，对在飞轮储能场合应用环形绕组的优势进行分析，并分析了环形绕组电机
所存在的弊端。针对所存在的弊端，提出了一种定子内外槽数不同的环形绕组电机。
并对该种环形绕组永磁电机的空载和负载电磁性能进行分析。针对该种环形绕组永
磁电机进行优化设计，优化参数包括外侧开槽的参数及外侧槽中绕组的排布，确定其
设计规律。
然后，对合金钢飞轮转子结构进行优化设计，并针对金属材料所存在的材料淬透
性问题，提出了飞轮转子轴向分段的结构，对该种结构进行优化设计。此外，为了提
高飞轮转子储能量，对飞轮转子的过盈配合方式进行优化设计。
最后，对永磁电机带飞轮转子的飞轮储能系统进行多物理场分析。对飞轮储能系
统进行力、热、振动、转子动力学等多物理场分析，确定其在额定工况运行下的安全
可靠性。为了验证理论分析和有限元仿真的有效性和合理性，研制了一台功率为
10kW，储能量为3MJ的飞轮储能系统，搭建了相应的实验平台，对电机电磁性能及
负载放电性能进行实验测试，验证电机指标符合设计要求。基于本文所设计飞轮储能
系统，提高了飞轮储能系统的空间利用率，降低了设计成本，具有一定的工程意义。
关键词：飞轮储能;环形绕组;高速永磁电机;合金钢转子;多物理场
I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
Flywheelenergystoragetechnologyhastheadvantagesoflongservicelife,
environmentalfriendlinessandhighenergystoragedensity.Ithasimportantapplication
prospectsinpowersystem,UPS,subwayenergyrecoveryandotheroccasions.Itisoneof
theimportanttechnologiestoimprovethestabilityofnewenergypowergenerationand
brakingenergyrecovery.However,whenthepermanentmagnetmotorforflywheelenergy
storagesystemhasasmallnumberofpolepairs,theendlengthofthetraditionallaminated
windingislong,whichaffectsthedynamicperformanceofthemotorrotor.Whenthe
flywheelrotorislarge,thematerialhardenabilityispoorduetotheunevenheattreatment
ofthematerial,whichaffectsthesafetyandreliabilityoftheflywheelenergystoragesystem.
Inviewoftheaboveproblemsofflywheelenergystoragesystem,theflywheelenergy
storagesyst