重力储能告别“钢丝绳+卷扬机”！中国矿业大学闫文举副教授团队提出重力储能新型开关磁阻直线电机

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导语

重力储能如何摆脱钢丝绳和卷扬机？中国矿业大学闫文举副教授团队（通信作者：陈昊教授）在《电工技术学报》2026年第14期提出一种新型分段定子直线开关磁阻电机，以M型动子齿和双侧定子错位设计，让电机在电动与发电双模式下都能高性能运行。

研究背景

随着风电、光伏等新能源占比不断提高，其间歇性和波动性对电网调节能力提出更高要求。储能系统可在电力富余时储存能量、在电力短缺时释放能量，是提升新能源消纳能力和电网稳定性的重要支撑。重力储能利用重物升降过程中的势能变化实现能量存储与释放，具有循环寿命长、容量衰减小、环境友好等优势。

传统重力储能多依赖卷扬机、钢丝绳、齿轮箱等机械传动装置，系统结构复杂、能量转换环节多；直线电机重力储能系统由直线电机直接驱动重物升降，省去中间传动环节，有利于提高系统效率和运行可靠性。但如何为重力储能设计一款长行程、重载、电动/发电双模式兼顾的直线电机，仍是亟待解决的难题。

图1 直线电机重力储能系统示意图

论文所解决的问题及意义

针对传统直线电机推力不足、难以兼顾电动与发电双模式的问题，闫文举副教授团队提出一种适用于直线电机重力储能系统的新型分段定子型直线开关磁阻电机。开关磁阻电机结构简单、坚固可靠、无永磁体、成本较低、容错能力强，适合长行程、大载荷和复杂工况运行。

所提电机采用模块化分段定子，便于沿竖井或轨道长距离布置；动子采用M型齿结构和全节距绕组，可缩短磁通路径、改善磁场分布和电感变化特性，从而提升电动与发电双模式下的输出能力，为重力储能系统中直线电机的拓扑选择与参数优化提供了新思路。

论文方法及创新点

1、采用M型动子齿的分段定子型直线开关磁阻电机

M型动子齿可优化电感随位置的变化特性，增大最大/最小电感比和电感变化率：电动阶段推力更大，发电阶段励磁更充分、续流更强，从而更好兼顾重力储能的电动与发电工况需求。

图2 采用LSRMSS的LEM-GESS结构示意图

图3 动子齿型结构对比

2、面向重力储能的多层多目标优化方法

以电动推力密度、电动推力脉动、发电功率密度和发电推力脉动为优化目标，先通过灵敏度分析区分强、弱敏感参数，再用响应面法和多目标灰狼算法优化强敏感参数，用田口正交法优化弱敏感参数，在减少优化时间的同时提升双模式综合性能。

图4 优化设计流程图

3、定子块垂直错位安装

将两侧定子在垂直方向错位安装，使两侧推力脉动波形互补，在不损失平均推力的情况下进一步降低系统推力脉动。

图5 两侧定子垂直错位安装的储能模块示意图

图6 在不同错位距离下的推力曲线对比

4、优化结果

优化后，电动推力密度和发电功率密度分别提高44.4%和67.1%，电动推力脉动和发电推力脉动分别降低66.7%和67.0%；与同尺寸传统平齿型电机相比，M型齿电机具有更大的最大/最小电感比。不同电流下的两种电机的相电感特性：

图7 两种齿型电机在不同电流下相电感对比

分段定子型直线开关磁阻电机样机：

图8 分段定子型直线开关磁阻电机样机结构图

结论

1）所提电机定子为模块化梯形铁磁块，动子齿为M型结构并采用全节距绕组，磁通路径短，有利于减少铁耗、提高效率。

2）多层多目标优化策略显著提升双模式性能：电动推力密度和发电功率密度分别提高44.4%和67.1%，电动推力脉动和发电推力脉动分别降低66.7%和67.0%。

3）样机实验表明，仿真结果误差分别为8.49%和7.03%，验证了设计与仿真方法的有效性。

该电机为长时、大功率重力储能提供了一种有竞争力的方案，可用于电网调峰、新能源并网消纳和应急备用等场景。未来将进一步研究开关磁阻直线在废弃矿井重力储能安全运行的关键技术，推进其在大规模重力储能系统中的工程应用。

团队介绍

中国矿业大学电气工程学院国际联合研究中心由陈昊教授领衔，主要研究方向为电动车动力系统、电力传动基础理论与关键技术、电力电子与电机变流控制、储能技术与装备。

团队在国内外高水平期刊发表论文300余篇，授权国外发明专利59件、中国发明专利90余件；获江苏省科技进步一等奖1项、二等奖5项，教育部发明二等奖1项；主持国家级项目33项、省部级项目25项、产学研合作项目30余项。建有科技部认定的“新能源电动车技术与装备中东欧国家国际联合研究中心”、“新能源发电与电动载运”江苏省外国专家工作室和中澳两国政府批准的“中国-澳大利亚近海风能波浪能联合研究中心”，并与加拿大、俄罗斯、德国、意大利、丹麦等国家和港澳地区高校开展合作科研与联合培养研究生。

闫文举

副教授，硕士生导师，近年来主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金、省自然科学基金及国家重点实验室开放基金等十余项科研项目。累计发表学术论文50余篇，曾获江苏省科技进步二等奖、福建省科技进步三等奖等多项省部级科技奖。主要研究方向为电动汽车电驱系统、储能技术与装备、电机设计等。

孙芯竹

硕士研究生，研究方向为重力储能和电机设计。

陈昊

教授，博士生导师，多年来一直从事新能源发电与电动车电机及电力电子方面的应用基础理论研究与技术开发。

本工作成果发表在2026年第14期《电工技术学报》，论文标题为"考虑重力储能性能需求的新型开关磁阻直线电机设计"。本课题为广东省基础与应用基础研究基金和国家自然科学基金资助项目。

引用本文

闫文举, 孙芯竹, 王洋, 陈昊, 杨宏伟. 考虑重力储能性能需求的新型开关磁阻直线电机设计[J]. 电工技术学报, 2026, 41(14): 4733-4747. Yan Wenju, Sun Xinzhu, Wang Yang, Chen Hao, Yang Hongwei. Design of a Novel Switched Reluctance Linear Motor Considering the Performance Requirements of Gravity Energy Storage. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(14): 4733-4747.