近年来,低速大功率永磁电机直接驱动技术在矿山、石油、冶金、船舶推进以及风电等机械装备中得到了越来越广泛的关注。低速大功率电机一定具备低速大转矩电机的特点,而电机的转矩又与电机的有效体积成正比,因此低速大功率直驱永磁电机的体积势必很庞大。电机过大的体积会给其制造、运输、装配以及维护带来巨大的困难。本文以国家自然科学基金项目“采用单元模块组合式定子的新型低速大功率同步电机研究”(项目编号:51177106)为背景,针对传统低速大功率交流电机中存在的加工制造困难、运输和装配不便、维护难度大以及容错性差等问题,提出了一种基于采用不等跨距绕组的模块组合式定子低速大功率永磁电机(Low-Speed and High-Power Permanent Magnet Machine with Modules Combination Stator,MCSLSHP-PMM)。根据该种新电机结构带来的特殊问题,本文重点从其结构和原理、定子模块拆分规则和不等跨距绕组中每极每相槽数q选取方法等关键技术及设计方法、不等跨距绕组对其性能影响与线圈端部受力以及MCSLSHP-PMM力矩波动来源及削弱方法等方面展开了研究工作。通过样机实验,对理论进行了验证。主要研究成果体现在以下几个方面:(1)研究了MCSLSHP-PMM的结构和原理。建立了其在所有单元模块电机投入运行与部分单元模块电机投入运行两种情况下的电压方程、电磁转矩方程;比较了单元模块电机之间绕组采用串联和并联两种供电方式的优缺点,为其电源及驱动系统的选取提供依据;便于维护作为该种结构电机的一大特点,考虑到故障单元定子模块拆卸的方便性,提出了一种定子模块外部拼装式装配方法。(2)研究了MCSLSHP-PMM的关键技术与设计方法。分析了定子模块拆分规则和不等跨距绕组中每极每相槽数q的选取方法;提出了一种新型矩形状永磁体加导磁金属块表贴式磁极结构,重点研究了导磁金属块外侧圆弧形状对气隙磁密波形正弦度的影响,采用遗传算法对导磁金属块外侧圆弧形状进行了优化研究,比较了常规磁极结构与新型磁极结构的涡流损耗;在此基础上总结了其总体设计方法,编制了其电磁设计CAD软件;设计了一台样机,并采用有限元软件对该样机进行了仿真分析。(3)以MCSLSHP-PMM样机为研究对象,研究了不等跨距绕组对电机性能影响及绕组线圈端部受力。在分别采用等效磁路集中参数法和增量电感法计算其自感和互感参数的基础上,通过相量法重点分析了不等跨距绕组对电机性能的影响,总结了消除由每条支路每相绕组包含大、小跨距线圈数量不一致引起的三相绕组电感参数不等的方法;建立MCSLSHP-PMM样机绕组端部有限元模型,把线圈端部作为一个整体,研究了构成不等跨距绕组各线圈端部受到的径向电磁力随时间的变化规律,采用基于磁固耦合联合仿真的方法对大跨距线圈端部所受径向电磁力的分布以及线圈受力后端部各部分产生的位移形变进行了研究,研究结果为不等跨距绕组结构线圈端部的绑扎和固定提供了理论依据。(4)研究了MCSLSHP-PMM力矩波动来源及削弱方法。采用Schworz–Christistoffel变换理论分别分析了齿槽效应和边端效应,研究了齿槽力矩的生成机理以及削弱方法;重点研究了基于定子模块宽度优化、定子模块铁心沿轴向分段错位结构以及定子模块间边端力互抵三种边端力矩的削弱方法,为提高系统运行的平稳性和控制精度提供了依据。其中,前两种边端力矩削弱方法均以单个定子模块为研究对象,而最后一种边端力矩削弱方法则是以电机整体为对象进行研究;研究了部分单元模块电机投入运行时由于单元模块电机内部及单元模块电机之间的互感参数不完全对称引起的转矩波动的抑制方法。(5)研制了一台额定功率为12kW、定子具有3个模块的MCSLSHP-PMM样机,并搭建试验台对其进行了实验研究。实验内容主要包括:绕组电感参数测试、空载反电势波形测试、单元模块电机转矩与单元模块个数关系测试、空载与额定负载下绕组三相电流的波形和相位以及不同转速下不同数量定子模块投入运行时样机的效率和功率因数随负载率变化关系测量。通过实验结果与仿真分析的对比,部分验证了本文研究的MCSLSHP-PMM关键技术与所设计样机的正确性与合理性,为后续开展该种结构电机的深入研究提供了依据、奠定了基础。