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高功率因数、高效率及维护方便是永磁电机的特点,因此,近年来永磁电机得到越来越广泛的应用,尤其是自起动永磁电动机,具有一般感应电机的运行维护简单的优点,同时又具有较高的效率。工业上大量的推广应用永磁电机来替代感应电机,将使工业生产能耗大大降低。为此,世界范围内的专家学者针对自起动永磁电机开展了大量的研究工作,并取得了显著成果。但目前自起动永磁电机也存在一些不足,如起动电流较同规格的感应电动机明显增加,起动时对永磁体和电网会造成很大冲击等。另外,目前有关永磁体温度研究与分析工作开展的较少;对永磁体材料特性影响电机性能的研究工作还很少;大功率永磁电机实心转子冷却技术的研究尚未见报道。 本文提出了一种新型实心转子自起动永磁电动机,基于电机学理论、电磁场、温度场和流体场计算分析对大功率高压永磁电动机电磁与传热特性进行了研究,主要针对电机的起动特性和定、转子温度分布规律、影响电机性能的相关因素进行了分析;在此基础上，提出转子轴径向混合通风系统,采用理论分析和温升试验相结合方法对新型通风系统的冷却效果进行研究。 建立了电机机械-电路-磁场耦合的瞬态性能分析模型,以提出的30kW新结构实心转子自起动永磁电动机为例,探究了起动过程中电机转矩、电流及转速的瞬变规律,同时开展了不同工况下电机起动和稳态性能试验研究,证明了理论分析与实验结果相吻合。在此基础上，开发研制了类似结构的6kV、315kW大功率高压自起动永磁同步电动机,研究了大功率高压自起动永磁同步电动机的起动特性及其影响电机性能的若干因素,如电抗参数的变化对转矩的影响,电机性能随永磁体和笼条变化的关系等。 基于传热学理论,建立了大功率高压自起动永磁同步电动机三维稳态温度场分析数学模型,对电机三维温度分布规律进行了分析。为提高温度场的计算准确度,提出了确定表面散热系数分布的新方法,通过给定散热面初始散热系数,进行温度场的迭代计算,根据某些特征点的温度实测值,校验温度场计算中假设分布式散热系数的合理性与准确性。通过该方法提高了温度场计算分析的准确性,解决了复杂散热边界条件下散热系数分布难以确定的问题。同时,开展了相关的试验研究,验证了理论分析结果的正确性,揭示了定转子三维温度分布规律,为电机的温度检测及重点热监测位置的确定提供了理论依据。 在电磁和热性能分析的基础上，对可能引起电机性能和温升变化的因素进行了研究。分析了不同起动笼条和永磁体的尺寸时电机性能的变化规律,探究了电抗参数对牵入转矩和失步转矩的影响;提出在永磁体周边用绝热层来控制转子侧导热路径进而降低永磁体工作温升,研究结果表明,增加绝热层后永磁体温度明显降低,但由于绝热层增加了铁心和槽楔与永磁体接触面的热阻,使得铁心和槽楔的温度有所升高。研究结果可为有效解决永磁体工作温升过高问题提供理论根据和解决问题的参考途径。 对比研究了电机不同类型通风冷却系统的特点,结合实心转子永磁磁极结构,提出新型转子轴径向混合通风系统。建立电机全域流体动力学分析模型,对比了电机冷却系统改进前后冷却介质流动状态的变化,定性研究了转子新增混合通风结构对提高系统冷却效果的作用。此外,对改进冷却系统后大功率自起动永磁电机的温度进行了试验测定,样机试验结果对比表明,改进的转子冷却系统散热效果非常明显,转子的整体温度下降显著。