高速永磁电机作为高速驱动系统的核心部件,具有体积小、效率和功率密度高、一体化程度好等突出优点,已成为高端装备制造领域研究热点之一。在高速压缩机与风机系统飞轮储能系统、石化产品加工、高速机床主轴电机等领域应用前景广阔。目前大多数高速永磁电机采用内转子结构,转子高速旋转时永磁体承受巨大的离心拉力,因此需要加装永磁体防护装置,由此带来永磁体用量大、气隙磁密低、涡流损耗严重和温升较高等突出问题,然而外转子结构永磁高速电机则可避免该问题。本论文依托国家自然科学基金项目“外永磁转子高速方波爪极电机及其无位置传感器控制研究”,重点针对高速永磁外转子爪极电机电磁性能分析理论、机械强度与动力学特性分析方法、磁场解析与损耗计算模型与综合设计方法等方面开展研究工作,主要内容包括:(1)在研究高速永磁外转子爪极电机结构特点和运行机理的基础上,建立了能够反映电机内部能量流通特点的等效磁电模型,考虑了电机复杂漏磁通与磁路饱和等非线性因素影响。利用三维有限元磁场计算软件,分析了该类电机感应电动势和齿槽转矩,研究了电机主要尺寸与上述性能指标之间的关系,为该类电机电磁设计与性能分析提供了理论依据。(2)建立了基于有限元方法的永磁高速爪极电机外转子应力分布非线性计算模型,并采用有限元方法对外转子轭部和永磁体在离心力及温度变化影响下的应力场分布情况进行计算,分析了极弧系数、永磁体间填充和永磁体分块对转子应力分布的影响;还建立了考虑转动惯量和剪切变形影响的转子模态计算模型,采用有限元方法分析了轴向长度、轴承刚度和陀螺效应等因素对外转子临界转速与模态特性的影响。(3)针对外永磁转子爪极电机三维磁场有限元方法计算量较大的问题,通过对其复杂爪极结构进行轴向分段,建立了基于傅立叶变换和分离变量法的空载气隙磁场解析计算模型,并推导了齿槽转矩与感应电动势的解析表达式,并对该电机气隙磁场分布、感应电动势和齿槽转矩进行计算分析,最后通过有限元方法和样机试验结果验证了所建立解析计算模型的正确性。(4)在分析爪极铁心各部分磁密变化轨迹的基础上,采用三维正交磁化模型近似等效旋转磁化,建立了定子爪极铁耗计算模型;然后利用有限元方法验证了模型的准确性并分析了转子转速、转子表面光滑度、轴向风速等因素对空气摩擦损耗的影响;建立了考虑临近效应和趋肤效应影响的定子绕组铜耗计算模型;最后对永磁体涡流损耗、轴承摩擦损耗进行了研究,并通过有限元和试验方法对所提出的损耗计算模型进行了验证,为该电机温度场分析和冷却散热技术研究提供了理论依据。(5)综合考虑转子应力及动力学特性、电机电磁性能、损耗计算等多种因素的相互影响,针对高速永磁外转子爪极电机提出了基于多物理场综合分析方法的高速永磁外转子爪极电机设计方法。设计并研制了一台1.5kW的试验样机,并对电机参数、空载特性和负载特性进行了较全面的试验研究,验证了设计理论与方法的正确性,为外转子高速电机的推广应用提供了可靠的理论基础。