飞轮储能用高速永磁电机温度场及系统放电过程的研究

摘要

飞轮储能以其高能量密度、高功率密度、长循环寿命、快速充放电、免维护和对环境无污染等优点在众多领域有着广阔的应用前景，高速大容量的飞轮储能系统受到越来越多的关注。
　　作为高速大容量飞轮储能系统机电能量转换的核心部件，高速大功率永磁电机直接影响着飞轮储能系统的性能。高速大功率永磁电机转速高、功率密度大，单位损耗相对较大存在着转子温升高的问题，会对永磁体的性能产生不利影响，甚至导致永磁体热退磁现象的发生。因此，研究电机结构及护套变化对高速大功率永磁电机温度场的影响有重要意义。
　　飞轮储能系统放电过程中负载会对电机内的磁场产生影响，从而影响整个系统的放电效率及放电时间，因此研究负载对飞轮电机放电过程的影响对提高飞轮系统的放电性能具有重要意义。
　　本文以一台用于飞轮储能系统的200kW、15000r/min高速大功率永磁电机为研究对象，分析了转子结构、护套材料及复合结构、变频控制产生的定子电流时间谐波等对电机的损耗及温度分布的影响。
　　根据高速大功率永磁电机的设计特点，给出了本电机的设计方案。建立了200kW高速大功率永磁电机的二维瞬态电磁场有限元计算模型，分析了表面式永磁电机的永磁体极间铁心高度对电机损耗的影响，从改善主极磁场波形以减小电机损耗的方面入手，研究了永磁体形状及充磁方向与电机损耗的关系。
　　为减小高速大功率永磁电机的损耗，分析了气隙长度、护套厚度与电机损耗的关系，并研究了转子护套采用不同材料及复合结构时电机内的损耗变化。
　　建立了200kW电机的三维全域稳态温度场有限元计算模型，研究了转子护套材料及复合结构对电机温度分布的影响，对比分析了护套采用单一材料及复合结构时电机的定转子温升变化;计算了变频控制所带来的定子绕组电流时间谐波对电机内的损耗及温度的影响。研究内容为降低高速永磁电机温升，防止永磁体热退磁提供参考。
　　研究了飞轮储能系统的放电过程。为提高飞轮储能系统的储能密度，对飞轮采用不同结构时的储能量、储能密度进行分析。针对放电过程中电枢反应引起电机内磁场变化的情况，在考虑电机自身阻抗的前提下，研究了负载对电机放电效率及放电时间的影响，并分析了电机内磁场变化对恒压放电过程中放电效率的影响。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 课题的研究背景与意义

1．2 飞轮储能工作原理及其关键技术

1．2．1 飞轮储能工作原理及工作模式

1．2．2 飞轮储能系统关键技术

1．3 飞轮储能系统发展现状

1．3．1 飞轮储能系统国外发展现状

1．3．2 飞轮储能系统国内发展状况

1．3．3 飞轮储能用高速电机研究现状

1．4 本文的研究内容

2 飞轮储能用高速永磁电机设计及转子结构优化

2．1 高速永磁电机设计

2．1．1 电机主要尺寸的确定

2．1．2 极对数、定子槽数及绕组方案的确定

2．1．3 转子结构的确定

2．2 高速永磁电机的数学模型及主要损耗的计算方法

2．2．1 高速永磁电机本体结构及二维电磁场有限元计算模型的建立

2．2．2 电机主要损耗的计算方法及影响因素分析

2．3 永磁体极间铁心高度对表面插入式永磁结构电机损耗的影响

2．3．1 极间铁心高度对电机空载漏磁系数的影响

2．3．2 极间铁心高度对电机交直轴电抗的影响

2．3．3 额定负载时极间铁心高度对转子涡流损耗的影响

2．4 永磁电机磁极形状与充磁方向对电机损耗的影响

2．4．1 永磁体磁极形状对电机损耗的影响

2．4．2 永磁体充磁方向对电机损耗的影响

2．5 章节小结

3 气隙长度、护套厚度与结构对高速永磁电机损耗的影响

3．1 气隙长度与高速永磁电机损耗的关系

3．2 护套厚度变化对永磁电机损耗的影响

3．3 护套材料及复合结构对降低高速永磁电机转子损耗效果的分析

3．4 章节小结

4 护套复合结构及定子电流时间谐波对永磁电机温升影响的研究

4．1 200kW永磁电机三维全域温度场有限元模型的建立

4．2 电机内各部件导热系数及对流传热系数的确定

4．2．1 机壳表面的散热系数

4．2．2 气隙传热系数

4．2．3 机壳水冷散热系数计算

4．2．4 绕组等效模型

4．2．5 电机内各部件导热系数

4．3 不同护套材料及复合结构对电机温度场的影响

4．3．1 电机采用单一不锈钢护套时电机内的温度分布

4．3．2 不锈钢护套采用铜屏蔽复合结构对降低电机温度效果的研究

4．3．3 电机采用单一碳纤维护套时电机内的温度分布

4．3．4 碳纤维护套采用铜屏蔽复合结构对电机温度影响的研究

4．4 变频驱动时定子电流时间谐波对带护套永磁电机温度场影响的研究

4．4．1 永磁电动机样机参数及测试测试

4．4．2 变频器控制时永磁同步电动机样机的损耗计算

4．4．3 电流谐波作用下永磁电机样机温度场的计算及分析

4．5 本章小结

5 飞轮结构优化及负载对飞轮储能系统放电过程的影响

5．1 储能飞轮采用不同结构时的储能密度分析

5．2 飞轮系统放电过程中负载对放电效果的影响分析

5．3 200kW电机放电实验及分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

参考文献

附录

索引

作者简历及攻读硕士／博士学位期间取得的研究成果

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