在结构上,异步起动永磁同步电动机可以看作是在感应电动机的转子内部放置了永磁体,能够依靠转子鼠笼产生的异步转矩实现自起动。与感应电动机相比,异步起动永磁同步电动机具有效率高、功率因数高及经济运行范围宽等优点。在全球节能减排的趋势之下,异步起动永磁同步电动机的优势将进一步凸显,具有广阔的发展前景。近年来,学者们已经对异步起动永磁同步电动机展开了深入的研究,为该类电机的设计、制造及推广应用奠定了基础。但是,在异步起动永磁同步电动机的实际应用中,仍然存在一些问题,这主要是由于该类电机的永磁体退磁、齿槽转矩及电磁振动三个关键难点问题缺乏深入系统的研究。本文依托国家自然科学基金项目“异步起动永磁同步电动机若干难点问题的研究”(51177089),针对这三个难点问题展开了研究,主要的研究内容如下：1.异步起动永磁同步电动机起动过程中及不同故障工况下的退磁特点为了更好地反映永磁体的退磁状态,根据有限元仿真结果确定了永磁体的最小工作点,它不仅可以反映永磁体的整体退磁状态,还能反映永磁体是否发生局部不可逆退磁。以一台22kW、6极异步起动永磁同步电动机为样机,利用有限元法研究了电机起动过程中及三相供电电压不对称、失步及超同步运行、突然反转等工况下的退磁特点。为了便于说明,定义了永磁体的局部最大退磁点和全局最大退磁点的概念：永磁体的局部最大退磁点是电机某一次瞬态过程中永磁体最小工作点曲线的最小值；而某一工况下的永磁体全局最大退磁点是电机遇到该工况下的最严重退磁磁场时永磁体的最小工作点。分析了电机起动过程中定转子绕组磁动势对永磁体的退磁作用,发现：定转子绕组的直轴合成基波磁动势可以准确反映永磁体的退磁状态,其与永磁体最小工作点曲线的变化趋势吻合较好。针对电机起动过程中何时永磁体退磁最严重的争议,进一步分析了电机的转动惯量、负载转矩及转子初始位置对永磁体局部最大退磁点的影响。经过分析发现：负载条件及转子初始位置不同时,永磁体的局部最大退磁点可能出现在任意转速,但是随着负载转矩及转动惯量的增大,永磁体的局部最大退磁点出现在电机转速接近同步速时的概率增大：并且永磁体的局部最大退磁点对应的电机转速越接近同步速,永磁体的局部最大退磁点低的概率也越大。进一步研究了电机在多种故障工况下的退磁特点,包括三相供电电压不对称、失步及超同步运行、突然反转等工况,分析了负载条件等对永磁体退磁的影响,得到了永磁体最大退磁磁场的出现规律。此外,本文将异步起动永磁同步电动机的动态数学模型和磁路计算模型结合,建立了电机起动过程中永磁体平均工作点的解析计算模型。利用电机的动态数学模型计算出电机起动过程中每时刻的定转子电流值,利用该电流值计算出永磁体的退磁磁动势,然后将该退磁磁动势导入电机的磁路计算模型计算对应的永磁体平均工作点。通过与有限元仿真结果作比较,验证了该解析计算模型的正确性。2.异步起动永磁同步电动机齿槽转矩的解析分析及其削弱措施现有关于永磁电机齿槽转矩的研究主要局限于单边开槽永磁电机,而异步起动永磁同步电动机的齿槽转矩缺乏有效的解析分析方法及削弱措施。由于异步起动永磁同步电动机定转子双边开槽,定转子相对位置发生变化时,有效气隙长度的分布十分复杂,这大大增加了该类电机齿槽转矩的解析计算难度。为了降低有效气隙长度分布的解析计算难度,本文将整个转子(包括转子齿槽)的作用等效为气隙磁动势分布,这样有效气隙长度的分布就只与定子齿槽分布有关,利用能量法得到了异步起动永磁同步电动机齿槽转矩的解析表达式。需要指出的是,该解析表达式的目的不在于齿槽转矩的准确计算,而在于建立齿槽转矩与电机参数之间的明晰关系。利用上述齿槽转矩的解析表达式,分析了电机极槽数配合、定子斜槽、不均匀气隙等对齿槽转矩的影响,发现：通过采用不均匀气隙、选择合适的极槽数配合可以得到较小的齿槽转矩：而选择合适的定子斜槽数可以彻底消除齿槽转矩。此外,进一步研究了异步起动永磁同步电动机齿槽转矩的削弱措施。推导了改变定子齿宽、定子不等齿宽配合、定子不等槽口宽配合、改变转子齿宽、转子不等齿宽配合、转子不等槽口宽配合及磁极偏移时齿槽转矩的解析表达式,分别得到了能有效削弱齿槽转矩的电机参数确定方法,并利用有限元法研究了上述措施的有效性以及对电机性能的影响。计算结果表明,本文所提出的措施均能有效削弱异步起动永磁同步电动机的齿槽转矩,并且不会对电机性能产生较大的影响。3.异步起动永磁同步电动机电磁力的解析分析及电磁振动的抑制措施电机的电磁振动是由随时间变化的电磁力作用于定子铁心所引起的,目前,尚未有文献建立异步起动永磁同步电动机电磁力的解析计算模型,这主要是由于该类电机的定转子双边开槽结构大大增加了其电磁力的解析计算难度。本文采用齿槽转矩研究中的转子等效方法,降低了解析计算该类电机电磁力的难度,利用麦克斯韦张量法得到了电机空载电磁力的解析表达式。需要说明的是,该解析表达式的目的不在于电磁力的准确计算,而在于建立电机参数与不同阶数、频率的电磁力之间的明晰关系。以一台1.5kW、4极异步起动永磁同步电动机为样机,利用有限元法计算了其空载气隙磁密及电磁力分布,利用机械阻抗法计算得到了主要低阶电磁力产生的电磁振动噪声声功率级频谱,得到了需要抑制的主要电磁力的阶数及频率。利用上述电磁力解析计算方法,计算了改变转子齿宽、改变定子齿宽、定子不等齿宽配合以及定子不等槽口宽配合时空载电磁力的解析表达式,得到了能有效抑制上述主要电磁力的电机参数确定方法,并利用有限元法验证了上述措施的有效性以及对电机性能的影响。计算结果表明,本文所提出的措施均能有效抑制对电磁振动起主要作用的电磁力,可以有效抑制异步起动永磁同步电动机的空载电磁振动,并且对电机性能产生的影响较小。利用电机电磁力的解析分析模型,进一步研究了转子静态偏心、动态偏心对电磁力频率成分的影响；结果表明：转子不偏心与静态偏心时,电磁力的主要频率成分为电源频率的偶数倍,而转子动态偏心时,电磁力的主要频率成分比转子不偏心时增加了半倍电源频率的奇数倍、电源频率的奇数倍。另外,实测了1.5kW样机的空载振动频谱,其主要频率成分与解析分析结果相符,这进一步验证了本文所提出的电磁力解析分析模型能够反映异步起动永磁同步电动机电磁力的主要频率成分。