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飞轮储能用双6/3横向磁通磁悬浮开关磁阻电机设计与优化

飞轮储能用双6/3横向磁通磁悬浮开关磁阻电机设计与优化

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作者：曾文君江苏大学

学位级别：硕士

随着传统能源的日趋紧张,加之全球对环境保护的日益重视,新能源得到迅猛发展,因此对能源存储技术的研究至关重要。飞轮电池因其功率密度高、无化学污染、充放电快等优势,得到了国内外学者的关注。磁悬浮开关磁阻电机(Bearingless Switch... 详细信息

随着传统能源的日趋紧张,加之全球对环境保护的日益重视,新能源得到迅猛发展,因此对能源存储技术的研究至关重要。飞轮电池因其功率密度高、无化学污染、充放电快等优势,得到了国内外学者的关注。磁悬浮开关磁阻电机(Bearingless Switched Reluctance Motor,BSRM)结构简单、容错能力强、控制灵活,被广泛应用于飞轮储能系统。但传统的BSRM存在转矩与悬浮磁通耦合的问题,为解决该问题,本文提出了一种新型的双6/3横向磁通磁悬浮开关磁阻电机(Transverse Flux Bearingless Switched Reluctance Motor,TFBSRM),详细介绍了该电机的拓扑结构与工作原理,并对其电磁特性、温度场、散热设计、结构参数优化等方面进行了研究与分析。主要研究内容如下:详细介绍了该研究内容的背景及意义,全面分析了飞轮储能电池及其所用BSRM的研究现状,对BSRM的数学建模、损耗以及温升几个方面的研究现状及方法进行了叙述。提出了一种飞轮电池用双6/3TFBSRM,详细介绍了其拓扑结构及工作原理,建立了该电机的转矩与悬浮力的数学模型,计算设计出该电机的初始尺寸。运用ANSYS软件对该电机进行建模,并对其电磁特性进行了分析,验证了该电机机理的正确性。介绍了电机铁损的计算模型,运用有限元软件对该双6/3TFBSRM的铁损进行了分析,得到电机运行时的磁密分布,验证了铁损中涡流损耗与磁滞损耗的关系,总结了铁损与电机转速之间的联系,并对绕组铜耗、机械损耗、杂散损耗进行计算。阐释了热分析的基本理论,选用单向耦合的方式,对该双6/3TFBSRM建立热分析模型。分别对该双6/3TFBSRM在自然风冷和真空工况下的温度场进行仿真分析,研究了该电机各结构在不同电机转速下对应的温度,以及真空工况下不同辐射率条件下对应的温度场。对该电机外壳进行开散热槽处理,并对开了散热槽后的该电机温度场进行了分析,分析结果表明该散热方式效果优异。仿真分析了该双6/3TFBSRM的转矩、悬浮力、损耗在不同电机结构参数下对应的数值大小,初步总结了转矩、悬浮力、损耗与电机各结构参数之间的关系。选取该电机的优化目标,对该电机各结构参数的灵敏度进行计算分析,从而选取优化结构参数变量。采用遗传粒子群优化算法(Genetic Algorithm Particle Swarm Optimization,GAPSO)对该电机进行优化,选取一组最优解作为优化后的电机结构参数,并通过对比优化前后电机的性能,验证了该优化方法的有效性。

关键词：飞轮储能横向磁通磁悬浮开关磁阻电机解耦温度场优化设计

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