1.课题的背景与意义

飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成动能储存起来，在需要的时候再用飞轮带动发电机的储能方式，飞轮储能的研究主要着力于研发提高能量密度的复合材料技术和超导磁悬浮技术。其中超导磁悬浮是降低损耗的主要方法，而复合材料能够提高储能密度，降低系统体积和重量，截止2012年我国还没有100千瓦、1万转以上的飞轮储能电机。飞轮储能系统主要包括转子系统、轴承系统和转换能量系统三个部分构成。另外还有一些支持系统，如真空、深冷、外壳和控制系统。飞轮转动时动能与飞轮的转动惯量成正比，而飞轮的转动惯量又正比于飞轮的直径和飞轮的质量，当过于庞大，沉重的飞轮在高速旋转时，会受到极大的离心力作用，往往超过飞轮材料的极限强度，很不安全，因此，用增大飞轮转动惯量的方法来增加飞轮的动能是有限的。

飞轮储能装置中有一个内置电机，它既是电动机也是发电机，在充电时，它作为电动机给飞轮加速；当放电时，它又作为发电机给外供电，此时飞轮的转速不断下降；而当飞轮空闲运转时，整个装置则以最小损耗运行。飞轮储能的技术优势是技术成熟度高，高功率密度、长寿命，充放电次数无限以及无污染等特性，飞轮储能的能量密度不够高，自放电率高，如停止充电，能量在几到几十个小时内就会自行耗尽，适用于电网调频和电能质量保障。

轴向磁通双凸极电机由两个不同直径的定子相互嵌套，每个定子上的3个凸极沿周向均匀分布，圆盘状的转子位于定子上方，转子的下端面上，沿周向分别分布有与两个电机定子凸极相对应的两组转子凸极，转子凸极的个数符合双凸极电机转子齿数目限制条件，径向充磁的永磁环嵌于内定子和外定子之间，其外端面与电机外定子内端面相接触，内端面与电机内定子外端面相接触，转子轴固定于转子的中心孔中，转子轴的一端通过电机内定子的中心孔伸出至外部。

所述转子的下端面的两组转子凸极为扇形状，每组转子凸极由两个凸极构成，每组凸极均位于同一圆周上，且均匀分布，两个弧长较短的转子凸极对应于内定子的三个定子凸极，两个弧长较长的外转子凸极对应于外定子的三个定子凸极且这两组转子凸极的对应方向相互垂直，所述电机内定子和外定子上各有三个定子凸极，凸极呈扇形状，定子扇形凸极位于同一圆周上，且均匀分布，内外两组定子扇形凸极上绕有电机电枢绕组。发电机定子上的定子扇形凸极与转子上的转子扇形凸极之间留有间隙，且定子凸极与转子凸极之间的间隙为0.3-1.5mm。

2.课题的国内外研究现状的介绍以及应用

早在50年代就有人提出飞轮储能的设想，但一直没有突破性的进展，近年来，由于以下三个方面的突破，给飞轮储能带来了新的活力：一是高强度碳素纤维和玻璃纤维的出现，飞轮允许线速度可达500-1000m/s，大大增加了单位质量的动能储量。二是电力电子技术的新进展，给飞轮电机与系统的能量交换提供了灵活的桥梁。三是电磁悬浮，超导磁悬浮技术的发展，配合真空技术，极大地降低了机械摩擦与风力损耗。

飞轮储能系统主要由转子，电动/发电机，电力转换器和真空室四部分组成。美国的马里兰大学已经研究成功储能20kwh多层圆柱飞轮，飞轮材料为碳纤维-环氧树脂复合材料。美国Satcon技术公司开发伞状飞轮，这种结构有利于电机的位置安放，对于系统稳定性十分有利，转动惯性大，节省材料，强度设计合理。从系统结构及降低功耗出发，国外研究单位一般均采用永磁无刷同步电动/发电互逆式双向电机，电机功耗还取决于电枢电阻、涡流电流和永磁损耗。因此无铁静子获得广泛应用，转子选用永磁磁铁。马里兰大学特别设计了磁芯叠片，磁铁材料和磁芯缠绕方式，电机总效率可达94%，电枢绕线采用三相连接，同时，每相具有1/3极距的交叠，电枢的叠层材料选用Carpenter Hymu80,每片用激光切割并用硅石涂层绝缘，静子表面磁感应强度达3.2KT，大电机气隙中强磁铁产生0.4T得磁通密度。美国劳伦斯国家实验室应用永磁特别排列成静子，产生一旋转偶极区，转子多相缠绕电感低，静子铜损通过冷却加以控制。

美国的Lipo教授首先提出了双凸极电机以后，英国，法国和德国等国相继开展了对双凸极电机及其控制系统的研制工作，国内外对双凸极电机的研究主要集中在DSPM上，对DSEM研究甚少。目前，国内外对双凸极电机的研究还处于起步阶段，主要集中在基础理论和实验研究上，但是，双凸极电机作为一种被人们看好的交流调速系统，必将在许多调速场合得到应用。

3.飞轮储能技术和双凸极电机课题应用前景

（1）随着环境保护的需求及石油储量问题的日益突出，汽车制造行业纷纷把目光转向电动汽车的研制，能找到储能密度大，充电时间短，价格适宜的新型电池是电动汽车能否拥有更大的机动性并与汽油车一争高下的关键，而飞轮电池能在车辆正常行驶时和刹车时，给飞轮充电，在加速或爬坡时，给车辆提供动力，在减少燃料消耗，空气和噪音污染，发动机的维护等方面有着积极意义。

（2）将飞轮陈列安装于城轨变电站，列车制动时吸收能量回馈到电网，储存于高速旋转的飞轮中；当区间有列车加速时，将储存的能量释放出来以提供较大的功率，这样调节了系统电压稳定，减少损耗，平抑功率流，提高基础设施利用率且无废热排放等优点。

（3）双凸极变速永磁电机是随交流调速系统及功率电子学的飞速发展应运而生的新型机电一体化调速系统，其独特的结构和优良的电气性能正得到愈来愈多的关注和研究，目前，国际上对DSPM电机的研究刚刚起步，在电机参数计算，模型建立，分析方法，控制策略等基础理论方面还有待深入全面地研究和探讨。