飞轮储能系统磁轴承电磁特性与温升特性分析

doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2025.0523

储能科学与技术 ›› 2025, Vol. 14 ›› Issue (8): 2932-2941.doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2025.0523

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飞轮储能系统磁轴承电磁特性与温升特性分析

文贤馗¹(), 李博文¹, 史正军²^,³(), 叶华洋¹, 庞玲蓉¹, 张晓寅²

^1.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州贵阳 550002
^2.广东新型储能国家研究院有限公司，广东广州 510420
^3.南方电网电力科技股份有限公司，广东广州 510623

收稿日期:2025-06-03 修回日期:2025-06-30 出版日期:2025-08-28 发布日期:2025-08-18
通讯作者: 史正军 E-mail:13985410224@139.com;shizj02@139.com
作者简介:文贤馗（1972—），男，硕士，教授级高级工程师，研究方向为新能源发电、储能技术等，E-mail：13985410224@139.com；
基金资助:
中国南方电网有限责任公司科技项目(GZKJXM20232282);国家重点研发计划项目(2024YFE0208100);贵州省科技创新人才团队（黔科合平台人才-CXTD［2022］008）

Analysis of electromagnetic and thermal characteristics of magnetic bearings in flywheel energy storage systems

Xiankui WEN¹(), Bowen LI¹, Zhengjun SHI²^,³(), Huayang YE¹, Lingrong PANG¹, Xiaoyin ZHANG²

^1.Electric Power Research Institute of Guizhou Power Grid Co. , Guiyang 550002, Guizhou, China
^2.National Institute of Guangdong Advanced Energy Storage, Guangzhou 510420, Guangdong, China
^3.China Southern Power Grid Technology Co. , Ltd. , Guangzhou 510623, Guangdong, China

Received:2025-06-03 Revised:2025-06-30 Online:2025-08-28 Published:2025-08-18
Contact: Zhengjun SHI E-mail:13985410224@139.com;shizj02@139.com

摘要/Abstract

摘要：

飞轮储能系统通过电机加速飞轮将电能转化为动能存储或减速制动发电释放动能，并依靠电力电子装置控制电机的加速或减速实现动能与电能的双向转换，具有响应快、充放频次高、转换效率高、寿命长等特点，广泛应用于电力调频、能量回收、不间断供电等领域。本工作提出一种大功率飞轮储能系统磁轴承的设计方案，采用径向和轴向重载电磁轴承相结合的支承方式。运用有限元数值计算手段，系统开展该装置的电磁特性分析。通过建立多物理场耦合模型，实现电磁场与温度场的双向耦合仿真，从而全面评估磁轴承在不同电流下的温度分布。结果表明，所设计的重载电磁轴承性能满足设计要求，自然空冷的方式能保证系统安全运行。减小电流有助于提升热安全性，但会降低电磁力，因此，飞轮储能系统磁轴承设计需在热管理与电磁性能之间实现合理权衡。

关键词: 飞轮储能, 电磁轴承, 有限元分析, 电磁性能, 温度场

Abstract:

The flywheel energy storage system converts electrical energy into kinetic energy by accelerating the flywheel through a motor, storing the energy, decelerating and braking the flywheel to generate electricity, and releasing kinetic energy. The system relies on power electronic devices to control the acceleration or deceleration of the motor to achieve energy conversion. Characterized by a fast response, high charging and discharging frequency, high conversion efficiency, and long service life, flywheel energy storage systems are widely used in fields such as power frequency regulation, energy recovery, and uninterrupted power supply. In this study, a scheme for the magnetic bearing of a high-power flywheel energy storage system is designed by utilizing a support method combining radial and axial heavy-load electromagnetic bearings. The finite element method is used to complete the analysis of the electromagnetic performance of the system through simulation. Furthermore, a multi-physics coupled model is established for analysis of the bidirectional coupling between the electromagnetic and thermal fields, enabling comprehensive evaluation of the temperature distribution of the magnetic bearings under different current conditions. The performance of the designed heavy-duty electromagnetic bearing meets the design requirements, and the natural air-cooling method can ensure the safe operation of the system. Although reducing the coil current contributes to improving the thermal safety, it also leads to a decrease in the electromagnetic force. Therefore, the design of magnetic bearings for flywheel energy storage systems must achieve a proper trade-off between thermal management and the electromagnetic performance.

Key words: flywheel energy storage, electromagnetic bearing, finite element analysis, electromagnetic performance, thermal field

中图分类号:

TK 02

文贤馗, 李博文, 史正军, 叶华洋, 庞玲蓉, 张晓寅. 飞轮储能系统磁轴承电磁特性与温升特性分析[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(8): 2932-2941.

Xiankui WEN, Bowen LI, Zhengjun SHI, Huayang YE, Lingrong PANG, Xiaoyin ZHANG. Analysis of electromagnetic and thermal characteristics of magnetic bearings in flywheel energy storage systems[J]. Energy Storage Science and Technology, 2025, 14(8): 2932-2941.

图/表 19

图1

图2

表1

轴向电磁轴承的设计参数"

序号	符号	名称	数值	单位
1	d_z0	转子内径	200	mm
2	d_z	转子外径	300	mm
3	D_z0	定子内径	220.5	mm
4	D_z	定子外径	257.5	mm
5	h	磁极高度	23	mm
6	A_z	内外环面积	18891.3	mm²
7	c₁	内环宽度	47.5	mm
8	c₂	外环宽度	35.85	mm
9	b	推力盘厚度	86.3	mm
10	$N z$	线圈匝数	191	—

表1

图3

表2

图4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

表3

不同表面的对流换热系数"

散热面位置	对流换热系数/[W/(m² $⋅$ K)]
轴向定子表面	16.7
径向定子表面	19.3
线圈绕组表面	13.3
定子磁极内圆面转子的端面	85.4 61.3

表3

表4

各材料相关属性"

部件

导热系数/[W/(m

⋅

K)]

密度/(kg/m³)

比热容/[J/(kg

⋅

K)]

DT4C

7872

448

硅钢叠片

$λ x = λ y =$ 39.7

$λ z =$ 5.5

7600

460

线圈绕组

398

8933

390

表4

图13

图14

图15

参考文献 15

[1]	唐西胜, 娄彦涛, 戴兴建, 等. 飞轮储能技术及其构网应用展望[J]. 电力系统自动化, 2025, 49(11): 1-13.
	TANG X S, LOU Y T, DAI X J, et al. Flywheel energy storage technology and prospect of its grid-forming application[J]. Automation of Electric Power Systems, 2025, 49(11): 1-13.
[2]	吴刚, 刘昆, 张育林. 磁悬浮飞轮技术及其应用研究[J]. 宇航学报, 2005, 26(3): 385-390. DOI: 10.3321/j.issn: 1000-1328.2005.03.029.
	WU G, LIU K, ZHANG Y L. Application and study of magnetic bearing flywheel technology[J]. Journal of Astronautics, 2005, 26(3): 385-390. DOI: 10.3321/j.issn: 1000-1328.2005.03.029.
[3]	LIN Z, LIU K, ZHANG W. Inertially stabilized platform for airborne remote sensing using magnetic breaings[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2016, 21(1): 288-301.
[4]	MU Q Q, LIU G, LEI X S. A RBFNN-based adaptive disturbance compensation approach applied to magnetic suspension inertially stabilized platform[J]. Mathematical Problems in Engineering, 2014, 2014(1): 657985. DOI: 10.1155/2014/657985.
[5]	FANG J C, WANG C E, WEN T. Design and optimization of a radial hybrid magnetic bearing with separate poles for magnetically suspended inertially stabilized platform[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2014, 50(5): 8101011. DOI: 10.1109/TMAG.2013.2293482.
[6]	张和洪. 多自由度磁浮式精密定位平台悬浮控制技术研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2015.
[7]	杨盛林, 刘昱, 刘玉峰. 惯性平台热场分析及热设计的改进[J]. 中国惯性技术学报, 2005, 13(1): 5-9. DOI: 10.3969/j.issn.1005-6734. 2005.01.002.
	YANG S L, LIU Y, LIU Y F. Research on heat field of inertial platform and improvement on heat design[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2005, 13(1): 5-9. DOI: 10.3969/j.issn.1005-6734.2005.01.002.
[8]	叶品州. 径向电磁轴承铁心损耗计算方法与温度场仿真分析[D]. 济南: 山东大学, 2020. DOI: 10.27272/d.cnki.gshdu.2020.002243.
[9]	江善林. 高速永磁同步电机的损耗分析与温度场计算[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2010.
	JIANG S L. High-speed permanent magnet synchronous motor loss analysis and temperature field calculation[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2010.
[10]	郝叶. 100kW、50000r/min高速永磁同步电机的设计与分析[D]. 沈阳: 沈阳工业大学, 2017.
	HAO Y. Design and analysis of 100kW and 50000r/min high-speed permanent magnet synchronous motor[D]. Shenyang: Shenyang University of Technology, 2017.
[11]	戴兴建, 卫海岗, 沈祖培. 储能飞轮转子轴承系统动力学设计与试验研究[J]. 机械工程学报, 2003, 39(4): 97-101. DOI: 10.3321/j.issn: 0577-6686.2003.04.022.
	DAI X J, WEI H G, SHEN Z P. Dynamics design and experiment study of the rotor-bearing system of a flywheel energy storage system[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2003, 39(4): 97-101. DOI: 10.3321/j.issn: 0577-6686.2003.04.022.
[12]	陈小飞, 吉莉, 刘昆. 基于BP神经网络的磁悬浮飞轮控制[J]. 航天控制, 2010, 28(5): 3-8. DOI: 10.16804/j.cnki.issn1006-3242.2010. 05.001.
	CHEN X F, JI L, LIU K. Control of magnetic suspended flywheel using BP neural network[J]. Aerospace Control, 2010, 28(5): 3-8. DOI: 10.16804/j.cnki.issn1006-3242.2010.05.001.
[13]	陈峻峰, 刘昆, 梁文杰, 等. 磁悬浮飞轮储能系统机电耦合非线性动力学研究[J]. 动力学与控制学报, 2013, 11(3): 225-234. DOI: 10.6052/1672-6553-2013-062.
	CHEN J F, LIU K, LIANG W J, et al. Study on nonlinear dynamics of electromechanical coupling in flywheel energy storage system based on active magnetic bearings[J]. Journal Fo Dynamics and Control, 2013, 11(3): 225-234. DOI: 10.6052/1672-6553-2013-062.
[14]	赵巍龙, 张志洲, 李优, 等. 轻量型机载惯性稳定平台电磁轴承性能与温度场仿真分析[J]. 轴承, 2024(7): 115-121, 137. DOI: 10. 19533/j.issn1000-3762.2024.07.015.
	ZHAO W L, ZHANG Z Z, LI Y, et al. Simulation analysis on performance and temperature field of electromagnetic bearings for lightweight airborne inertial stabilization platform[J]. Bearing, 2024(7): 115-121, 137. DOI: 10.19533/j.issn1000-3762.2024.07.015.
[15]	刘钙, 朱熀秋. 飞轮储能用磁轴承综述[J]. 轴承, 2024(1): 9-18, 48. DOI: 10.19533/j.issn1000-3762.2024.01.002.
	LIU G, ZHU H Q. Review of magnetic bearings for flywheel energy storage[J]. Bearing, 2024(1): 9-18, 48. DOI: 10.19533/j.issn1000-3762.2024.01.002.

飞轮储能系统磁轴承电磁特性与温升特性分析

Analysis of electromagnetic and thermal characteristics of magnetic bearings in flywheel energy storage systems

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序号	符号	名称	数值	单位
1	d_r0	转子内径	210	mm
2	d_r	转子外径	430	mm
3	L_r	转子宽度	254	mm
4	D_r0	定子内径	431	mm
5	D_r	定子外径	746	mm
6	L_r	定子宽度	250	mm
7	t	极柱宽度	110	mm
8	N_r	线圈匝数	124	—

[1]	李博文, 文贤馗, 范强, 古庭赟, 史正军, 张晓寅. MW级飞轮电机转子中空轴内通流散热实验研究[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(8): 2925-2931.
[2]	萨仁高娃, 邬超慧, 倪泽龙, 张悦, 姜新建, 田建宇. 基于强化学习的变参数PID的惯量飞轮有功控制策略[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(5): 1982-1990.
[3]	王艺斐, 徐帆, 王亮, 戴兴建, 徐玉杰, 陈海生. 飞轮储能系统电机定子散热设计研究[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(5): 1946-1953.
[4]	许庆祥, 滕伟, 秦润, 宋顺一, 柳亦兵, 梁双印. 电网调频飞轮储能系统并网能量管理与控制策略[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(5): 2013-2022.
[5]	董文琦, 张东晖, 曹一凡, 宁照轩, 姜新建, 李明, 史学伟. 新型惯量飞轮与高速飞轮参与电网惯性响应与一次调频的控制策略[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(3): 1224-1233.
[6]	李玉光, 刘翔, 梁艳召, 刘双振. 飞轮储能装置在轨道交通中的应用研究[J]. 储能科学与技术, 2024, 13(8): 2679-2686.
[7]	周茜茜, 黄勇, 崔可, 孙大南. 飞轮储能装置电机温度场仿真技术研究及试验验证[J]. 储能科学与技术, 2024, 13(8): 2589-2596.
[8]	金都, 刘广忱, 孙博文, 黄天园, 张建伟, 田桂珍, 荆丽丽. 计及风电场的飞轮储能一次调频控制策略[J]. 储能科学与技术, 2024, 13(6): 1911-1920.
[9]	马海凤, 李文博, 蔡宗慧, 刘琳, 于彤. 飞轮储能系统的计算机处理技术研究[J]. 储能科学与技术, 2024, 13(6): 1983-1985.
[10]	肖威, 吴晓文, 孙静玲, 陈炜. 储能锂电池模组温度场数值计算与散热系统优化设计[J]. 储能科学与技术, 2024, 13(4): 1159-1166.
[11]	李红, 吕江毅, 宋建桐, 闫栋. 车用机电复合储能系统的能量特性分析[J]. 储能科学与技术, 2024, 13(3): 906-913.
[12]	徐帆, 戴兴建, 王又珑, 胡东旭, 张华良, 陈海生. 飞轮储能用永磁电机研究进展[J]. 储能科学与技术, 2024, 13(10): 3423-3441.
[13]	滕国营, 王新改, 孟海军, 丁飞. 高功率储能器件的研究进展[J]. 储能科学与技术, 2024, 13(10): 3442-3452.
[14]	张志国, 王刚, 杨晶, 王书平, 刘东, 饶武峰. MW级飞轮阵列在新能源场站一次调频中的应用[J]. 储能科学与技术, 2024, 13(10): 3569-3578.
[15]	左兴龙, 柳亦兵, 秦润, 曲文浩, 滕伟. 飞轮储能虚拟同步机动态特性及对电力系统频率的改善分析[J]. 储能科学与技术, 2023, 12(6): 1920-1927.