高速永磁同步电机具有功率密度高、效率高、动态响应快等优点,因此被广泛应用于高速磨床、飞轮储能系统、高速离心压缩机等领域。然而,高速永磁同步电机的超高转速使得高速永磁电机的设计与分析具有一些新的特点,如高速永磁电机频率高,时间和空间谐波远大于常规永磁电机,导致转子表面涡流损耗较大。另外,高速永磁电机的高转速也导致转子冷却散热条件较差,综合考虑,高速永磁电机的转子温升较高,极易造成永磁体高温失磁,因此转子涡流损耗的精确计算及转子温度场的准确分析对高速永磁电机的设计具有重要的意义。其次,转子高速旋转,转子表面受到的离心力较大,常规的永磁体护套方案不能满足永磁转子的安全稳定运行,甚至可能会发生永磁体断裂和护套形变过大等故障,因此亟需对高速永磁电机的转子护套结构方案开展深入的研究,以确保转子及永磁体安全稳定运行。此外,高速永磁电机运行频率较宽,从启动到稳定运行需要穿越较大的频带,在此过程中,高速永磁电机极易发生共振,如果不能快速穿越共振频域,极易造成转子体共振形变,诱发电机转子扫镗故障,因此开展高速永磁电机全频域转子动力学分析,为高速永磁电机的启动和运行控制提供数据支撑。针对上述问题,本文重点开展了高速永磁电机电磁场、温度场、应力场等多物理场和转子动力学的仿真分析,具体内容如下。本文以一台200kW、15000r/min的大功率高速永磁同步电机为例,建立了二维瞬态电磁场数学分析模型,采用径向等比渐进法对转子护套进行了离散化处理,采用上述所建立的分析模型对电机各组件损耗分布进行了精确计算,并研究了护套厚度对转子损耗分布的影响规律。在此基础上,建立了高速永磁电机全域温度场数学分析模型,研究了高速旋转情况下,不同气隙长度和温度对气隙等效导热系数的影响规律,并采用所计算的气隙等效导热系数对高速永磁电机的转子温度场进行了深入研究,结果表明:随着气隙温度的升高与气隙长度的减小,气隙等效导热系数大幅度降低,进而导致电机转子温升较高。最后,研究了护套厚度对电机内温度分布的影响。针对周轴向分块式永磁体与奥氏体不锈钢护套配合设计的表贴式转子结构的应力安全问题,建立了高速永磁同步电机的机械应力场三维数学模型,对比研究了永磁体轴-周向分块数量对永磁体结构强度以及电机转子各组件应力的影响。在此基础上,采用轴向分十块,周向分两块的永磁体结构,进一步研究了永磁体与护套的配合尺寸、电机转速以及护套厚度对电机转子各组件应力的分布影响,确定了奥氏体不锈钢护套和永磁体应力的安全阀值,为后续的高速电机设计提供了参考。针对高速永磁电机转子启动到稳定运行需要穿越较大的频带,易发生共振,诱发扫镗故障的问题,建立了高速电机转子动力学特性分析的数学模型,通过对电机不同护套厚度下电机转子结构的坎贝尔图的比较分析,研究了不同转子结构的临界转速及其对应的振型变化。对一台50kW、30000r/min的高速永磁同步电机进行了模态分析,验证仿真计算结果的正确性。