潜液式深冷电机(Cryogenic Motor),主要是指浸没在温度为-183℃(90K)液氧(Liquid Oxygen简称LOX)、-161℃(112K)液态天然气(Liquid natural gas简称LNG)和-196℃(77K)液氮(Liquid nitrogen简称LN2)中运行的电机。由于在深冷温度下电机材料特性及参数变化规律与一般常温下有较大区别,导致电机运行情况及特性有较大差异,给电机设计及制造带来一些特殊性的问题。目前,美国的J.C.Carter公司、法国的Cryostar公司以及日本的Ebara、Nikkiso、Shinko公司等掌握着深冷感应电机的选材、电磁-热耦合仿真模型及运行特性等关键技术,处于技术垄断的现象。但深冷感应电机存在效率和转矩密度有一定的局限性,不利于深冷系统的高效可靠运行,严重制约了深冷电机推广。而国内在潜液式深冷电机关键技术还处于起步阶段,其设计理论和效率提升技术目前我国还处于空白。因此,研究潜液式深冷电机,具有重要的意义。本文以LNG潜液泵用深冷永磁同步电机为研究目标,重点围绕深冷温度下的永磁电机的结构特点、数学模型、磁场分布及其分析方法、性能参数等开展了深入研究;提出了深冷温度下永磁同步电机设计方法,建立深冷永磁电机设计与分析的理论与技术体系,为类似深冷电机的研究和应用奠定理论与技术基础。论文的主要研究工作如下:1、以“V”型转子磁路结构深冷永磁同步电机为研究对象,分析其结构和特征,重点阐述了其数学模型,寻找深冷环境下永磁体剩磁和定子绕组电阻率的变化规律,推导了永磁体体积和定子槽面积的表达式,提出了深冷永磁同步电机的快速设计方法。为样机的研制提供理论基础。2、深入研究深冷永磁同步电机的尺寸与结构方面的特点,重点分析其关键参数和深冷温度对电机电磁性能的影响,明确电机转矩、转速和效率与关键尺寸的变化规律。分别从电磁约束、温升约束和机械约束三个方面对深冷永磁电机力矩特性进行了设计和优化。获得了电机的基本外形尺寸。3、针对深冷永磁同步电机设计的基础理论,分析了深冷永磁同步电机的电场、磁场、热场、机械应力场耦合原理,建立了电机的电磁-温度-应力多物理场耦合模型,围绕定子铁芯硅钢片材料、转子永磁材料在深冷温度下的电磁性能与力学性能进行仿真分析。另外针对温度突变下转子磁钢槽与永磁体之间,因收缩程度不同而产生抱死、裂纹和间隙等现象进行了分析。4、研制了深冷永磁同步电机样机,提出对电机各关键部件材料进行深冷处理的制造工艺方法,出于安全考虑,搭建了-196℃液氮为深冷流体的潜液泵整体测试平台,提出了测试方法和流程,对深冷永磁同步电机的关键部件、以及LNG潜液泵系统性能进行了测试。最后与温升接近的常温永磁同步电机进行了功率密度对比试验,实验结果验证了样机设计分析的准确性和可行性。