文档介绍：博士学位论文
磁悬浮飞轮储能电机及其驱动系统控制研究
RESEARCH ON IC SUSPENSION
FLYWHEEL ELECTRIC MACHINE FOR
ENERGY STORAGE AND CONTROL OF
DRIVE SYSTEM
哈尔滨工业大学
2009 年 12 月
国内图书分类号: 学校代码:10213
国际图书分类号: 密级:公开
工学博士学位论文
磁悬浮飞轮储能电机及其驱动系统
控制研究
博士研究生: 汤平华
导师: 李铁才教授
申请学位: 工学博士
学科: 电机与电器
所在单位: 电气工程系
答辩日期: 2009 年 12 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index:
:
Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
RESEARCH ON IC SUSPENSION
FLYWHEEL ELECTRIC MACHINE FOR ENERGY
STORAGE AND CONTROL OF DRIVE SYSTEM
Candidate: Tang Pinghua
Supervisor: Prof. Li Tiecai
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Specialty: Electrical Machine and Apparatus
Affiliation: Dept. of Electrical Engineering
Date of Defence: Dec., 2009
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
飞轮储能系统是一种新型的机电能量转换与存储装置,具有使用寿命长、转
换效率高、适应性强以及无污染等优点,在航空航天、分布式发电、电力调峰以
及电动汽车等领域有着广泛的应用前景。飞轮储能技术是一种多学科交叉的高科
技新技术,涉及磁悬浮、高速电机、真空处理、电力电子以及复合材料等技术,
被认为是未来最有应用价值的能量存储方式之一,其研究内容非常丰富。本文的
研究课题来源于深圳市重点科技研究项目——分布式自主能源系统前期研究,主
要包括磁悬浮轴承、飞轮储能用电动机/发电机(本文定义为飞轮储能电机)以及飞
轮储能电机驱动系统控制三个方面的研究内容。
磁悬浮轴承能够解决传统轴承磨损、润滑等方面的问题,是飞轮储能系统的
关键技术。本课题采用由轴向永磁磁悬浮轴承与径向无源电动磁悬浮轴承组成的
全被动磁悬浮轴承结构,永磁磁悬浮轴承用于支撑飞轮质量,无源电动磁悬浮轴
承用于保持飞轮径向稳定。无源电动磁悬浮轴承在直线运动应用场合的研究获得
了很多可喜成果,但在旋转运动尚处于起步阶段,是飞轮储能领域的研究难点。
本文提出新型的径向无源电动磁悬浮轴承结构:定子采用相斥磁场结构,转子采
用单层或双层 8 字形线圈结构。然后利用解析法和有限元仿真分析法对相斥磁场
特性、8 字形线圈受力、转子受力、以及轴承损耗等进行研究。为验证径向轴承
的理论分析和仿真研究的正确性,设计一个径向轴承样机及测试平台进行实验研
究,使转子高速稳定旋转、可以方便观察轴承定子的运动状态、并测得定子的偏
移量和受力关系。
飞轮储能电机实现电能与机械能的相互转换,是飞轮储能系统的关键部件。
为提高能量的转换效率和系统的集成度等性能,提出选用无铁心永磁方波无刷飞
轮电机作为能量转换的电动机/发电机。该种电机无定子铁损和转子铜损,使电机
空载运行时主要损耗为绕组的涡流损耗、负载运行时主要损耗为绕组涡流损耗与
转子涡流损耗。为减小绕组涡流损耗,建立其理论估算模型,并对一台样机进行
绕组涡流损耗估算,再利用自由停机的实验方法验证估算模型的有效性。分析确
定转子涡流损耗的来源为电枢反应,并提出内、外等效电流层求解电枢反应场的
方法;为减小转子损耗,保证电机负载时高效运行,详细分析了空间谐波和时间
谐波产生损耗的原理,并提出改变风损的实验方法对转子