永磁无刷电机具有体积小、效率高、精度高和结构简单等特点,在很多领域被广泛应用。永磁无刷电机分为内转子和外转子两种形式,与内转子高速电机相比,外转子永磁无刷高速电机设计的难度更大。当外转子电机工作时,其独特的薄壁转子轭结构在高速下极易发生振动,出现薄膜模态振型,造成电机气隙磁密不均匀,导致转子输出的力矩和转速不稳定。另一方面,气隙磁密不均匀引起的不平衡电磁力又导致了外转子结构振动变形的加剧,两者相互耦合,使电机的整体性能降低。因此,对外转子结构的合理设计、电磁场的准确计算和外转子结构的振动特性分析是外转子永磁高速电机设计的关键技术。本文主要做了以下几方面研究:(1)总结了部分国内外学者对外转子永磁电机的设计分析和转子动力特性的研究成果,提出现阶段外转子高速电机设计存在的一些问题。(2)综合考虑转子强度、刚度、转子动力学和电磁特性等方面的要求,确定外转子永磁无刷高速电机的主要尺寸,对外转子径向结构和定子结构进行设计。(3)采用Ansoft Maxwell对电机电磁性能进行静态场和瞬态场分析,计算了电机输出性能的反电势系数和力矩常数,同时优化了齿槽转矩进。建立不同的转子偏心状态模型,分析了气隙磁场的特性,在此基础上计算转子所受的电磁力。(4)研究了电机外转子结构的动力特性。首先分析转子结构本身的固有频率和振型,在此基础上综合考虑电磁力、轴承刚度和轴承跨距对转子模态的影响,求解了转子的临界转速,获得了转子的坎贝尔图。(5)通过ANSYS Workbench提取了在工作转速下的电磁力波频域图,将电磁力加载到转子磁钢上,对外转子进行谐响应分析,得到了强迫振动的频率。以强迫振动频率为目标,对转子结构尺寸进行灵敏度分析,采用响应曲面法对外转子结构进行优化。(6)最后根据仿真所得参数研制了一台样机,通过模态实验验证了转子动力特性分析的正确性,通过电机性能测试表明样机满足设计指标要求。