黄 丽

西南交通大学电气工程学院

摘要(Abstract)：

飞轮储能依靠电机双向运行完成电能与旋转动能的两次可逆转换，往返转换效率是系统功率支撑、新能源平抑场景产业化应用的核心性能指标。现有研究多聚焦单一损耗抑制、电机优化设计，缺少从能量可逆转换热力学边界出发界定动能-电能转换理论效率上限，损耗划分体系存在交叉重叠、归因层级模糊问题。本文首先建立飞轮储能理想化无耗散转换模型，明确系统往返效率标准化定义，从热力学可逆约束、转子材料强度极限、最高运行转速三重维度厘清转换效率理论上限的底层约束；构建三层级标准化损耗归因分类体系，自上而下分为机械损耗、电磁损耗、电力电子损耗三大主类，逐一解析轴承摩擦、真空风阻、电机铜铁杂散损耗、变流器开关与导通损耗的生成机理、能量转化路径与贡献占比特征；基于全转速区间充放电实验数据量化不同工况下各类损耗占比差异，对比机械滚珠轴承、电磁磁悬浮、永磁偏置磁悬浮三类支撑方案的系统性效率差距，揭示运行转速、空载待机时长对系统能量利用系数的制约规律。研究表明：无任何不可逆损耗的理想可逆转换理论效率上限趋近100%，工程可实现的系统往返效率基准由真空度、轴承形式、高速电机与变流器综合性能共同锁定；转子材料许用离心应力约束最高转速，转速同步放大风阻与电磁频率损耗，形成效率上限与能量密度的制衡关系；磁悬浮轴承可消除接触摩擦损耗，高真空腔体大幅压低风阻损耗，二者协同可将系统往返效率提升10至18个百分点；待机自放电损耗随转速三次方增长，长时静置场景下机械气动损耗将取代充放电电磁损耗成为主导能量流失渠道。本文建立的分层损耗归因谱系与效率约束分析框架，可为高速飞轮转子、磁悬浮支撑、宽频永磁电机、高频变流器一体化优化设计提供标准化损耗溯源与性能上限判定工具。

关键词(KeyWords)：飞轮储能；动能电能转换；往返效率；效率理论上限；损耗归因；磁悬浮轴承；风阻损耗；高速永磁电机

参考文献(References)：