矿石粉碎加工设备是矿石加工行业的重要设备,常规的驱动系统一般采用感应电机与减速器结合方式,系统能量效率低下。在节能环保要求日趋严峻的形势下,提升矿石粉碎加工设备系统能量效率已成为亟需解决的重要实际问题。近年来,无减速器的直驱电机系统因其高效和小体积等优点受到研究关注并且得到飞速发展,其中开关磁阻电机具有高效率、高能量输出、高转矩密度和高可靠性的优势,在多个领域作为直驱电机得到了重要应用。本文以矿石加工为应用背景,以矿用雷蒙粉碎机(Raymond Pulverizer)为研究对象,采用开关磁阻电机作为直驱电机的方案。针对低转速、大扭矩带来的系统效率低、转矩脉动大、涡流损耗大和温升较高等突出问题,采用高极槽数的解决方案,重点针对高极槽数开关磁阻电机电磁性能分析理论、机械强度与热力学特性分析方法、磁场解析与损耗计算模型与综合设计方法等方面开展研究工作,最终实现开关磁阻电机直接驱动雷蒙德粉碎机。主要内容包括:(1)在对已有传统矿用雷蒙粉碎机结构特点和运行机理分析的基础上,设计直驱开关磁阻电机的参数,并且针对各个参数对于电机性能影响进行深入研究,给出了低速直驱开关磁阻电机的新拓扑设计。利用有限元磁场计算软件,分析了该类电机电磁特性和齿槽转矩,研究了电机主要尺寸与上述性能指标之间的关系,为该类电机电磁设计与性能分析提供了理论依据。(2)利用代理模型法对开关磁阻电机进行了参数优化,为包含3个优化目标(最大平均转矩,最高效率和最小转矩脉动),2个约束条件以及7个设计变量的多目标设计优化问题。通过对可优化设计变量进行灵敏度分析,阐明不同参数对于低速直驱型开关磁阻电机的影响,优化变量由7个减少至4个,最终变量确定为定子和转子的极弧角度,定子和转子的轭厚,绕组每极匝数和绕组导线的直径。利用拉丁超立方体采样(LHS)和Kriging模型构建电机性能的代理模型,采用基于粒子群优化算法(PSO)的代理模型对电机变量参数进行优化。利用有限元分析软件,对优化后的开关磁阻电机的性能进行分析,并研究了所设计电机的控制策略和开通关断角度。基于代理模型的开关磁阻电机优化技术相较于传统商用有限元优化软件(例如SPEED)可以大幅减少计算量、减少优化复杂性。(3)通过对所设计优化后的低速直驱开关磁阻电机进行数值化仿真分析,进一步提高其散热和机械性能。对电机进行热分析,阐明此型电机中冷却系统设计和热扩散的机制与机理。利用基于计算流体动力学的有限元分析结果,揭示并估算电动机内部和散热器的流体状态和温度分布。通过对不同散热器的比较与研究,提出了具有17个流道的散热器设计,对大型低速开关磁阻电机的散热性能进一步提升。通过电机机械力学模型的研究,提出了一种轮辐式支撑结构的主轴,该结构的优势在于保持原有机械强度的同时并降低了开关磁阻电机原型的重量和提高了散热性能。(4)综合考虑转子应力及动力学特性、电机电磁性能、损耗计算等多种因素的相互影响,针对高槽极数开关磁阻电机提出了基于多物理场综合分析方法的开关磁阻电机设计方法。设计并研制了一台79.16kW,槽极数72/48,最高转速105r/min的试验样机,并对电机参数、空载特性和负载特性进行了较全面的试验研究,电机的效率达到了 90%以上,验证了设计理论与方法的正确性,为直驱开关磁阻电机的推广应用提供了可靠的实验和理论基础