论文总字数：22254字

摘 要

储能问题是当今航空航天领域和电动汽车领域发展中遇到的一个关键问题。飞轮储能技术是一种多学科交织的高科技新技术，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。飞轮储能系统在航空航天领域已经得到了普遍地应用，未来在电动汽车、电力质量调整和军事武器等领域都将得到大量应用。飞轮储能系统具有技术成熟度高、高功率密度、寿命长、充放电次数无限等特征，并且无污染。飞轮储能系统又被称为飞轮电池，它由飞轮、轴承、电机、电力电子运行控制系统以及真空室五个主要部分组成。其中外转子无刷直流电机电机是整个飞轮储能系统的关键部件，它可以在电动机和发电机两种运行模式下自由切换，承担着能量在机械能和电能之间转换的重要工作。因此飞轮电机的轻量化、低能耗、机电转化效率、机械特性成为了飞轮储能系统研究的重点。

本文以飞轮电机常用的外转子无铁心无刷直流电机为研究对象，首先介绍了此电机的结构，详细分析了该电机的工作原理，介绍了Ansoft软件的优点。在Ansoft环境下对电机建模，介绍了有限元分析的基本原理和过程。接着对电机的磁极对数、磁钢厚度、极弧系数、充磁方式等参数对电机运行得影响进行定性或者定量的研究，力求优化电机设计达到自身损耗更低，机电转化效率更高转矩波动最小等要求。

关键词：飞轮储能；外转子无铁心无刷电机；有限元；电磁设计。

Abstract

In both aerospace field and electromobile field, the energy storage is a key step. Also, the development of those fields have been hindered because of the energy storage problem. Flywheel energy storage system is a new technology which is multidisciplinary.It is deemed to be one of the most potential storage systems in the near future. This technology has many advantages. It is mature, long-operating-life,non-pollution and has high power density. This system is also called Flywheel-Battery.The flywheel energy storage system has obtained widespread application in the field of aerospace,and in the near future ,it will be put in usage in many other fields like military,wind power generation,solar power generation and etc.The system contains five parts which are flywheel,bearing,motor,control system and vacuum chamber. The motor is the most important part in the system because it converts the mechanical energy to electric energy or the electric energy to mechanical energy.The motor is becoming a major study direction of the flywheel study.

The thesis is mainly about the study and design of brushless and coreless DC motor with external rotor which is used as flywheel motor.Firstly,the thesis introduces the structure of this motor,and explains the theory of this motor.Secondly,establish model of the motor in Ansoft Maxwell.The width of permanent magnet,the number of poles,pole-arc coefficient are three major study items in this thesis..The main purpose of the study is to decrease the energy loss and reduce vibration of the motor.

KEYWORDS:Flywheel system,brushless and coreless DC motor with external rotor,finite element method,electromagnetic design.

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 外转子无铁心无刷直流电机研究的背景与意义 1

1.2 外转子无铁心无刷直流电机的研究现状 2

1.2.1 无刷直流电机的优缺点。 2

1.2.2 国外无刷直流电机的发展现状 2

1.2.3 国内无刷直流电机发展现状 3

1.3 本文研究的意义和主要工作 3

1.4 本章小结 3

第二章 外转子无铁心无刷直流电机的结构和原理分析 4

2.1 外转子无铁心无刷直流电机结构分析 4

2.2 外转子无铁心无刷直流电机运行原理分析 4

2.3 本章小结 6

第三章 外转子无铁心无刷直流电机整体模型建立 7

3.1 Ansoft软件介绍 7

3.2 外转子无铁心无刷直流电机模型建立 7

3.2.1 电机的主要尺寸 7

3.2.2 Ansoft软件中电机模型建立 7

3.3 有限元分析和网格剖分 8

3.3.1 有限元分析基本原理 8

3.3.2 网格剖分原则 9

3.3.3 网格剖分结果 9

3.4 外转子无铁心无刷直流电机的外电路 10

3.4.1 三相三状态电路 10

3.5 电机模型的仿真结果 11

3.6 本章小结 12

第四章 外转子无铁心无刷直流电机的优化设计 13

4.1 外转子无铁心无刷直流电机磁极对数的设计 13

4.1.1 气隙磁密波形状对电机运行的影响 13

4.1.2 磁极对数优化设计 14

4.2 外转子无铁心无刷直流电机磁钢厚度设计 18

4.2.1 磁钢厚度对电机运行影响分析 18

4.2.2 磁钢厚度优化设计 19

4.3 外转子无铁心无刷直流电机极弧系数设计 20

4.3.1 极弧系数对电机运行的影响分析 20

4.3.2 电机极弧系数的优化设计 21

4.4 电机磁钢充磁方式的选择 22

4.5 本章小结 22

第五章 总结与展望 23

5.1 本文总结 23

5.2 本文研究的不足 23

5.3 对课题研究的展望 24

致 谢 25

参考文献： 26

第一章 绪论

1.1 外转子无铁心无刷直流电机研究的背景与意义

二十世纪五十年代末，人类正式迈出了探索太空的第一步——1957年的10月4号，前苏联在哈萨克斯坦沙漠中发射了人类文明历史上第一颗人造地球卫星，并且顺利送入预定环绕轨道，自此人类开启了使用人造飞行器探索地球之外宇宙空间的新时代。同时人造地球卫星又对人类社会活动产生深远影响，近到天气预报、无线通信，远到地质勘察、军事预警，各方各面都有重要作用。

随着卫星技术的不断应用和发展，人类对卫星性能指标的要求也越来越高，不仅要求卫星成本减小、安全可靠性提高，更希望缩短卫星研发试验周期。尤其是执行单一任务的特种卫星，大卫星的伴飞小卫星，组网卫星群，都需要成本小、周期短的卫星技术。小卫星技术急需发展。

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