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应用于低温热源有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)透平膨胀发电系统的磁悬浮高速永磁同步发电机(High-speed Permanent Magnet Generator,HSPMSG)具有转速高、功率密度大、工作环境特殊等特点,其设计过程需要综合考虑多物理场性能参数。本文对HSPMSG的综合设计及优化技术进行了研究,具体内容如下:首先,基于HSPMSG的设计特点对发电机拓扑结构进行选择。使用场路结合法分析了HSPMSG的设计过程并完成了定转子电磁结构设计,基于有限元法(Finite Element Method,FEM)获得了发电机不同负载条件下的运行参数,并通过对一套磁悬浮电机对拖实验台进行电参数测试实验,检验了设计过程中使用的电磁场有限元分析方法的准确性。其次,对磁悬浮HSPMSG转子强度和动力学性能进行详细分析。根据转子运行工况特点使用解析法对护套厚度和过盈量进行设计,并基于有限元强度分析结果验证了设计方法的有效性;使用分步动力测试和有限元模型修正方法获得了设计转子准确的三维动力学模型,在磁悬浮柔性支承条件下分析了转子临界转速和不平衡响应,各动力学性能均符合相关设计标准要求。为了准确计算HSPMSG高频运行下的电磁损耗,对铁芯所用硅钢片进行损耗特性测试并分析得到损耗系数随频率的分布规律,基于有限元法对不同负载条件下HSPMSG定转子电磁损耗进行详细分析,并通过解析法与计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)法的综合分析,获得了有机工质环境下转子风磨损耗随进风量的变化规律。对ORC系统内HSPMSG的冷却方式结合实际ORC系统进行了设计。对发电机总体散热方案进行了研究,分析了不同冷媒的散热效果并通过温升对比确定了最终的散热结构。综合使用CFD、FEM和等效热路法对液冷和气冷系统参数进行设计,并基于FEM分析了整流负载工况下HSPMSG的定转子温度分布,结果表明各部分温升均符合设计要求。最后,针对ORC系统内磁悬浮HSPMSG转子损耗大的问题对定转子结构进行了综合优化设计。使用Isight软件对磁悬浮发电机各物理性能的计算方法进行集成并使用径向基神经网络构造各物理场代理模型,消除了无关结构变量对优化过程的影响。基于自适应模拟退火算法对转子损耗进行综合优化,获得了结构参数的全局最优解。优化结果使转子损耗降低了15.3%,同时其他物理性能均符合约束要求。