高速永磁电机具有结构简单,效率和功率密度高等优点,能省去中间的变速装置与负载直接连接,具有较高的可靠性。所以,高速永磁电机在飞轮储能、高速电主轴、微型燃气轮机等工业领域具有广泛的应用前景。本文以飞轮储能为应用领域,高速永磁电机作为飞轮系统的核心部件,其研究对飞轮储能的发展具有重要意义。针对在真空环境下,飞轮系统在储能能量和储能密度、飞轮电机转子结构和损耗等关键问题,本文分别从高速永磁电机转子的综合设计方法、转子损耗、转子强度和电机温升等方面开展系统的研究与分析,具体内容如下:(1)针对飞轮储能用高速永磁电机的特殊性,本文基于一台350 k W,36000 r/min的高速永磁电机,综合电磁场、强度场和温度场等多物理场对电机转子进行综合设计。提出飞轮本体与高速电机转子径向一体化的复合纤维软磁转子结构,采用Halbach充磁方式,转子实现无铁芯,大幅降低电机转子的损耗。(2)对复合纤维软磁转子结构进行详细的阐述,利用专业的电磁分析软件Ansys Maxwell分析单元层数和混合磁粉含量对电磁性能的影响,总结了相应的规律,确定了电机的主要技术参数,并基于有限元法对电机的电磁特性进行了仿真分析,验证电磁设计的合理性。(3)分析了气隙谐波的产生与影响,采用瞬态场对槽口大小和气隙长度对电机气隙磁密中谐波大小和谐波含量的影响进行了详细分析,并结合复合磁性纤维中涡流密度的变化,揭示转子涡流损耗的变化规律。深入研究了不同单元层产生气隙磁密的大小,分析了转子涡流损耗的分布规律。(4)为保证转子在高速旋转时的安全,对转子强度进行了详细分析。给出了高速永磁电机转子应力的解析计算公式,并对复合磁性纤维材料的物理性能进行了预测,采用有限元分析软件Ansys Workbench计算了转子在静止和额定转速下的应力分布,分析了转速、过盈量和护套厚度对转子应力的影响。(5)针对飞轮高速永磁电机特有的温升问题,建立了真空环境下的辐射散热模型,采用计算流体动力学法(CFD)计算了电机的温升,对电机温升进行了校核。分析了冷却水流速、转子涡流损耗等对电机温升的影响规律。