● 摘要
高速电机转速高、体积小、安装尺寸小、重量轻，当其应用于高速离心式机械，如高速离心式鼓风机、高速离心式压缩机等时，可以直接驱动离心叶轮，可省去变速箱，大大提高系统效率和系统可靠性。永磁电机转子无需励磁、转子损耗小、电机效率及功率因数高，在高速电机领域得到了广泛的研究与应用。随着磁悬浮技术的发展，采用磁悬浮轴承支承的高速电机已经成为电机行业未来发展的重要方向之一。本文以磁悬浮高速永磁电机为研究对象，围绕高速永磁电机设计中损耗及温升两大内容进行研究，分别在高速永磁电机绕组高频损耗计算方法、高速永磁电机绕组设计方法、高速永磁电机定子损耗最小化设计方法、高速永磁电机转子涡流损耗特性及温度特性四个方面展开研究，论文的主要研究内容如下：
1、针对高速永磁电机绕组电流频率高、绕组交流电阻随频率增长较快进而导致绕组损耗显著增加的问题，分析了高速永磁电机绕组损耗的构成和主要影响因素。高速永磁电机中绕组高频损耗的来源有集肤效应、邻近效应、转子永磁体旋转和环流效应，分析后可以得到环流效应对高频损耗的贡献最大。分析损耗来源之后，提出了一种绕组高频损耗解析计算方法，分析计算了不同频率下绕组交流电阻以及一个并联支路内各股线的电流幅值及电流相位。对所提出的计算模型进行了有限元验证，结果证明了本文提出的解析计算模型的正确性。
2、针对高速永磁电机绕组高频损耗显著的问题，分析了绕组设计参数对于绕组损耗的影响，提出了以绕组损耗最小为目标的高速电机定子绕组设计方法。在高速电机中，绕组设计准则与低速电机有很大的不同。分析了设计参数对于绕组高频损耗的影响方式，为定子损耗最小化设计中优化变量选择提供了理论依据。所分析的参数有定子铁芯长径比、绕组节距、并绕根数、并联支路数、槽内上部预留高度、槽口大小、磁性槽楔厚度、定子齿宽度等。
3、针对高速永磁电机定子损耗密度大、温升高的问题，提出了高速永磁电机定子损耗最小化设计方法。首先在分析高速永磁电机设计特点的基础上，分析了高速永磁电机设计参数对定子损耗的影响，选择了槽上部预留高度、定子齿宽度和并绕根数三个参数作为优化变量。最后选取了响应面法和遗传算法相结合的优化方法，两种方法相结合可实现工程电磁场设计目标的快速优化。
4、针对高速永磁电机转子温升较高的问题，分析了高速永磁电机转子涡流损耗的影响因素，研究了定子损耗、风摩损耗和转子涡流损耗对于转子温升的影响机理，提出了转子温升计算方法。给出了转子涡流损耗与转子材料电导率的对应关系，通过有限元仿真得出了机械气隙、定子槽口等因素对转子涡流损耗的影响方式，分析了定子损耗、风摩损耗和转子涡流损耗对于转子温度的影响机理，并通过实验验证了转子涡流损耗产生温升的计算方法，得出了以转子涡流损耗最小为目标的转子设计准则和转子温升的计算方法。
本文首先针对高速永磁电机绕组高频损耗的构成进行了分析，并在此基础上进行了绕组高频损耗计算方法的研究，并进一步进行了高速永磁电机绕组设计方法的研究、高速永磁电机定子损耗最小化设计方法的研究和高速永磁电机转子涡流损耗特性及温度特性的研究。通过本文的研究，定子温度及转子温度得到了可靠保证，后期样机的效率及温升水平良好，为高速永磁电机进一步优化和工程应用奠定了理论和技术基础。
关键词：磁悬浮高速永磁电机，绕组交流损耗，响应面法，遗传算法，转子涡流损耗，绕组设计方法