论文总字数：26979字

摘 要

陀螺飞轮是一种新型姿态控制元件，具有体积小、质量轻等优点，主要用于微小卫星的姿态控制，在近几年研发出的一种两轮新型汽车中，陀螺飞轮也是维持两轮汽车平衡的核心。本文以两轮汽车陀螺飞轮系统为研究对象，围绕飞轮电机的设计与优化问题展开了研究。

根据飞轮电机的应用环境和设计指标，对适用于两轮汽车陀螺飞轮系统的外转子永磁同步盘式电机进行了设计与优化。通过对陀螺飞轮的动力学分析，确定了飞轮电机主要尺寸，在此基础上，建立了飞轮电机二维模型，采用有限元法对永磁同步飞轮电机进行了设计和分析，对电机元件材料、磁极和绕组进行了设计优化，达到了减小电机损耗、提高电机性能的目的。分析结果表明，选择合适的槽数和极数，能增强气隙磁密、使电机空载反电势更接近正弦波；选择合适的充磁方式，能减小气隙磁密波动系数、增强磁密幅值；磁钢厚度与绕组阻值为凹函数关系，选择合适的磁钢厚度能较好的减小铜耗；合适的极弧系数能减小漏磁以及很好的改善气隙磁密。

关键词：陀螺飞轮；永磁同步电机；有限元法

Abstract

Gyro flywheel is a new type of attitude control element, which has the advantages of small size and light weight. It is mainly used for attitude control of microsatellites. The gyro flywheel is also the primary struct that maintains the balance of two-wheeled vehicles which is a new type of vehicle developed in recent years. This paper takes the two-wheeled gyro flywheel system as the research object, and focused on the design

and optimization of flywheel motors.

According to the application environment and design index of the flywheel motor, the external rotor permanent-magnet synchronous disk motor suitable for two-wheeled vehicle gyro flywheel system was designed and optimized. Through the dynamic analysis of the gyro flywheel, the main dimensions of the flywheel motor are determined. Based on this, a two-dimensional model of the flywheel motor is established. The finite element method is used to design and analyze the permanent magnet synchronous flywheel motor. The poles and windings were designed and optimized to reduce the motor losses and improve the motor performance. The analysis results show that choosing the proper number of slots and poles can enhance the air-gap flux density and make the back-EMF of the motor closer to the sine wave; choosing the appropriate magnetization method can reduce the air-gap flux density coefficient and enhance the magnetic flux. The relationship between the thickness of the magnetic steel and the winding resistance is a concave function. So choosing the appropriate thickness of the magnetic steel can reduce the copper loss; the appropriate polar coefficient can reduce the magnetic leakage and improve the air gap magnetic flux .

KEY WORDS: Gyro flywheel，Permanent magnet synchronous motor，Finite element method

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景和意义 1

1.2两轮车用陀螺飞轮系统的研究和发展现状 1

1.3飞轮储能电机的发展研究概况 2

1.3.1飞轮储能系统的原理 3

1.3.2国外发展的概况 3

1.3.3国内研究的进展 4

第二章 飞轮电机的设计与研究 5

2.1引言 5

2.2飞轮电机的结构及设计指标 5

2.2.1飞轮电机的主要设计参数 5

2.2.2陀螺仪飞轮电机系统的结构和工作原理 5

2.2.3飞轮电机转动惯量的确定 6

2.2.4飞轮电机的基本结构 7

2.2.5 电机主要结构的材料选择 7

2.3飞轮电机的优化 9

2.3.1电机转子主要尺寸的确定 9

2.3.2电机绕组的设计与优化 10

2.3.3飞轮电机磁钢充磁方式的选择 15

2.3.4飞轮电机磁钢厚度的优化 18

2.3.5 磁极极弧系数的确定 22

第三章 有限元软件Ansoft Maxwell基本原理 26

3.1 电机电磁场基本理论 26

3.1.1 麦克斯韦方程组 26

3.1.2 电机电磁场的理论基础 27

3.2有限元理论基础 27

3.3有限元分析软件Ansoft Maxwell介绍 28

第四章 仿真实验结果 30

4.1飞轮电机的有限元模型 30

4.1.1飞轮电机主要结构尺寸 30

4.1.2飞轮电机有限元模型 30

4.2飞轮电机各项性能参数 31

结论 33

致谢 34

第一章 绪论

1.1课题研究背景和意义

当今社会，在汽车交通方面主要面临着三大问题：（1）汽车尾气排放污染严重（2）交通拥堵（3）停车位愈发稀缺。而制造出更加轻量化、小型化且使用电力驱动的汽车便是一种从根源上解决问题的方法——自平衡两轮车便是一个优秀的解决方案。同时，虽然私家车普及率不断增高，但是人们平时开车多为单人出现，这就造成了汽车使用效率不够饱和。对于常见的单人外出的情况，其实使用摩托车和自行车比汽车更加高效和环保，但是它们也有很大的弊端：摩托车安全系数较低，且在市区往往被内禁止使用；而自行车行驶距离较短、速度较低。这时，自平衡两轮车就显示出了其独特的优势，尽管只有两个轮子，但依靠车内的陀螺仪飞轮系统，车身能在静止、直线行驶或转弯时都保持平衡，且能在面对一定程度的冲撞时保持不到并迅速回归平衡状态，具有较高的安全性。

近年来，国外国内相继有公司展开了对两轮自平衡汽车的研发，而其中的一个关键技术便是陀螺飞轮系统，这是使得两轮自平衡车始终保持平衡的核心技术。陀螺飞轮系统既要满足自平衡两轮车质量轻、体积小的特点，又要保证足够的转速和转动惯量以维持车身平衡，设计一台性能优越的飞轮电机是解决问题的关键，也是本文的主要研究对象。并且，飞轮电机相关的技术也能许多其他领域取得应用，具有较好的研究价值和应用前景。

本文采用有限元法，依托有限元软件Ansoft Maxwell，对飞轮电机进行计算研究，通过对电机的磁极优化设计（磁极数的选取、 磁钢厚度的选择、磁极极弧系数的设计以及充磁方式的选择）和绕组优化设计，达到提高电机性能，减小电机损耗的目的。

1.2两轮车用陀螺飞轮系统的研究和发展现状

2015年，两轮自平衡车Lit Motors C1面世。在两轮车的座位下面，有两个用于维持车身平衡的陀螺飞轮，称为”控制力矩陀螺”（Control Moment Gyroscopes，CMG）, 是陀螺飞轮系统的核心部分。其基本原理是，单自由度的陀螺能绕与其自旋轴相垂直的旋转轴旋转，此时， 会产生一个与旋转轴和扭矩轴构成的平面相垂直的陀螺力矩，而该两轮汽车就是这个进动力矩作为姿态控制的执行器。两个陀螺飞轮在运行时具有极高的转速，从而具有较大的角动量，在车身偏离平衡位置时能产生足够大的进动力矩使两轮汽车回归平衡位置。当车辆因为外力或转弯发生倾斜时，应用闭环控制算法的自控系统会控制陀螺仪根据情况变换倾斜角度，来调整车辆的平衡。

图1-1 自平衡两轮汽车实物图

2018年4月，国产两轮汽车发布。通过使用优质的高强度、低密度材料，将整车质量降到了0.4吨左右，并通过优化电机性能等手段，将汽耗电量降到了0.05度/公里；其供电系统采用了插片式电池组，提高了给两轮汽车充电的便捷程度^[6]。

图1-2 国产两轮汽车结构示意图

两轮汽车的自平衡控制过程示意图如下：

图1-3 自平衡两轮汽车控制系统流程图

1.3飞轮储能电机的发展研究概况

本文设计的飞轮电机属于飞轮储能电机，运行时具有高转速和高角动量，且在两轮汽车能源不足时能通过降低转速，将机械能转化为电能供给汽车。在20实际初，利用飞轮进行储能的构想就已经出现，但是由于当时的材料性能有限、制造水平较低，这种构想并没有取得更多进展。直到上世纪六十年代，飞轮储能技术才被美国航天局应用在卫星上。经过几十年的研究和发展，国外的飞轮储能电机技术已较为成熟，已经进入了系统化、产业化、市场化的阶段。国内对飞轮储能系统的研究起步较晚，主要研究机构有北京飞轮储能柔性研究所、清华大学、北京控制工程研究所、中国科学院电工研究所、华北电力大学、北京航空航天大学、合肥工业大学等^[7]。随着国内对飞轮储能技术研究的增加，取得了越来越多的进展和成果，推动了飞轮储能技术在航空航天和工业生产中的应用。

1.3.1飞轮储能系统的原理

飞轮储能技术是指在电力过剩的时间段利用多余的电力驱动飞轮电机旋转，将多出的电能转换为飞轮的动能，而在电能不足的时刻，飞轮电机处于发电机的运行状态，飞轮转速下降，动能转换为电能。由此，飞轮储能系统实现了充电、储存和放电功能^[8]。其工作原理如下图所示：

图1-4 飞轮储能系统工作原理图

1.3.2国外发展的概况

美国、日本、德国等发达国家在飞轮储能领域起步较早，在上世纪70年代，在环境污染和全球能源危机的影响下，一些发达国家开始了相关研究，目前它们在该领域也处于世界领先水平。

国际上最早开始飞轮储能相关研究的单位是美国宇航局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）Glenn 研究中心，其在20世纪60~70年代便开始系统的研究将飞轮储能系统作为卫星上储能电池的技术。直至上世纪90年代，依托材料技术、电力电子技术、磁悬浮技术和高温超导技术的突破性发展，飞轮储能技术也有了更多突破，迎来了更加广阔的发展空间。

美国AFS Trinity Power Corporation公司是世界上飞轮储能技术上投资最大的公司之一，也是目前飞轮技术商业化规模最大的公司。AFS与美国军方也保持着合作关系，用于美国空军探索者二号上的动量轮便是由该公司与参与研发的。此外，AFS已经进入中国市场，为中国电力系统研究建设提供服务。

在磁悬浮飞轮技术方面，德国的TELDIX公司处于世界领先水平，其开发的MWX万向磁悬浮飞轮在噪声、转速范围、角动量范围等性能上都处于业内顶尖水平。此外，日本在磁悬浮飞轮领域发展也十分迅速，三菱公司、东芝公司、东京大学等单位都在该领域进行了大量研究，产出了许多适用于航空航天领域的成果。

1.3.3国内研究的进展

清华大学是国内最早研究飞轮储能电机的机构之一。上世纪90年代，清华大学物理系成立了飞轮储能技术实验室^[7]，该实验室于2016年3月研制出了1兆瓦/60MJ的飞轮储能系统，该系统主要用于石油行业，达到了业内领先水平，成功将油耗减少了17%-25%。

中国科学院电工研究所在2017年通过了高速磁悬浮复合纤维飞轮储能系统技术”项目，该项目以飞轮转子作为储能单元，集成了永磁电机的永磁转子功能，采用复合碳纤维磁粉软磁转子技术，转子外层为高强度碳纤维材质，内部为永磁电机转子的永磁体层形成永磁场。利用上述技术，该项目飞轮技术性能达到了1ms功率响应、5ms全功率输出的功率响应性能，飞轮可达每小时循环充放电次数40次，更加有利于地铁制动再生能回收、新能源并网、微电网电能质量调节等领域的应用。

国内不同大学和研究机构对飞轮储能系统的研究侧重点也不同，北京飞轮储能柔性研究所主要研究飞轮储能在柔性输电系统中的应用；北京航天航空大学主要针对其在航空航天领域中的应用开展研究；武汉理工大学主要致力于更适于在电动汽车上使用的飞轮电机^[9]。

第二章 飞轮电机的设计与研究

2.1引言

针对自平衡两轮车体积小、质量轻的特点，车载小型陀螺飞轮电机应尽量具备体积紧凑、易于拆装、环境友好、平衡性能好、价格适中的优点。此外，为了保证两轮车的安全性能，在收到一定外部冲撞时，要能依靠车内陀螺飞轮系统产生力矩将两轮车“拉回”平衡位置，飞轮电机运行时必须有足够大的角动量。

综合考虑该飞轮电机的性能指标和应用环境，本文设计和研究了外转子高速永磁同步飞轮电机。根据飞轮电机的设计参数，使用Ansoft Maxwell软件进行仿真和计算，确定了飞轮储能电机的结构以及主要尺寸。借助有限元软件对永磁同步盘式电机进行了设计和分析，主要从磁极和绕组两个方面改进电机结构，达到了提高电机性能，减小电机损耗的目的。

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