飞轮储能具有功率密度高、使用寿命长、充放电次数无限制、环境友好、占地面积小等优点，在可再生能源并网的分级储能电源、航天器储能和调姿、电磁发射脉冲功率电源等方面有着广阔的应用前景。在飞轮储能系统中，飞轮储能电机是机电能量转换的核心，其性能优劣直接影响整个飞轮储能系统的性能。因此，飞轮储能电机对于整个飞轮储能系统至关重要。在众多电机拓扑结构中，感应子电机因其实心转子强度高、结构简单、无刷励磁、易于冷却、几乎无待机电磁损耗等优点，在飞轮储能领域具有良好的应用前景。本文以飞轮储能用感应子电机为研究对象，对其基本理论、分析方法和相关新型拓扑结构等方面展开了全面深入的研究。文章主要内容如下：
　　在电机基本理论方面，针对同性极感应子电机与电励磁同步电机基本理论的相似性和差异性问题，本文对其进行了深入研究。本文从感应子电机的基本数学模型入手，推导了气隙比磁导、气隙磁密、反电势等电磁参数的表达式。通过空间叠加方法，得到了感应子电机的有效气隙磁密和气隙比磁导，并分析了感应子电机的电磁参数与有效气隙磁密和气隙比磁导之间的关系。基于此，本文将感应子电机的数学模型进行分解，得到了不同转子齿宽下的等效电机模型，分析了其电磁特性，进而揭示了不同转子齿宽的感应子电机与电励磁同步电机之间的关系；通过有限元方法系统的分析对比了感应子电机与等效电机的电磁参数，包括气隙磁密、绕组磁链、反电势、电感等。通过对感应子电机样机开展实验研究，验证了前述基础理论及仿真分析的合理性。
　　在分析方法方面，针对感应子电机几何形状复杂、三维磁场分布等特性导致采用有限元法分析该电机非常耗时的问题，本文对该电机的解析分析方法展开了研究，以节约分析时间。首先，从感应子电机磁路出发，结合转子应力分析（应力受转子材料限制，从而限制转子外径和边缘线速度），推导了转子长度与直径之间的关系，并分析了在电机储能一定时，电机功率最佳时转子长度和直径的配合关系。此外，本文结合等效磁路法和气隙比磁导函数，建立了考虑铁芯饱和的感应子电机解析分析模型，系统的研究了感应子电机的励磁磁动势、气隙比磁导、空载气隙磁密等电磁性能。更进一步的，结合经典电机绕组理论，推导了绕组函数，分析了电枢绕组磁动势、电枢反应磁密、绕组自感和互感等电磁参数。最后，为了保证解析分析的正确性，本文对推导的理论公式进行了有限元验证。
　　在性能改进和提升方面，针对传统感应子电机单极性气隙磁密导致其功率密度较低的问题，本文从感应子电机基本运行原理出发，提出了具有双极性气隙磁密的新型多段铁芯外转子感应子电机拓扑结构。首先，本文对新型多段铁芯外转子感应子电机的运行原理和结构特点进行了分析。同时，深入研究了该电机的等效磁路模型，分析表明其可以看作是两类单元电机的组合。然后，通过有限元对比分析了单元电机与多段铁芯外转子感应子电机的磁密、反电势等电磁参数，以验证理论分析的合理性。在此基础上，提出了多段铁芯外转子感应子电机的设计方法。通过分析两类单元电机主要结构尺寸对气隙磁密、反电势、漏磁系数等电磁性能的影响，得到了单元电机的主要结构参数，进而得到新型多段铁芯外转子感应子电机的主要结构尺寸。为了充分研究该新型电机的电磁特性，本文将其与传统感应子电机在反电势、功率密度等方面进行了对比；此外，对该电机的损耗与效率、应力与转子动力学等方面进行了详细的研究，并对抑制实心转子涡流损耗的方法以及抑制转子应力分布不均的措施进行了讨论。
　　本文设计并研制了一台多段铁芯外转子感应子电机实验样机，并对其静态电气参数、空载特性和负载特性等方面进行了较为全面的实验测试。通过仿真与测试结果的对比，验证了所提出结构的可行性以及设计与计算模型的正确性。本文的工作为飞轮储能用感应子电机的理论分析与推广应用奠定了坚实的基础。