本文档属于类型a，即报告一项原创性研究的学术论文。以下是针对该研究的详细学术报告：

一、主要作者及研究机构
本研究的通讯作者为Shaofeng Jia（IEEE高级会员），合作者包括Yongtao Liang、Deliang Liang（IEEE高级会员）、Shuaijun Chu及Yang Liang。研究团队来自西安交通大学电气工程学院电力设备电气绝缘国家重点实验室，其中Yongtao Liang同时任职于广东电网广州供电局。研究发表于《IEEE Transactions on Industry Applications》2023年3/4月刊（卷59，第2期）。

二、学术背景与研究目标
研究领域为高速永磁同步电机（High-Speed Permanent Magnet Synchronous Machine, HSPMSM）的设计与优化。高速电机因功率密度高、体积小等优势，在航空航天、储能等领域具有应用潜力，但传统HSPMSM存在端部绕组过长（导致效率降低）、转子涡流损耗大、齿槽转矩高等问题。为此，本研究提出一种新型双半笼绕组（dual semi-cage winding）拓扑结构，旨在通过以下创新解决问题：
1. 缩短端部绕组长度；
2. 采用闭口槽设计降低涡流损耗与齿槽转矩；
3. 双逆变器驱动提升容错能力。

三、研究流程与方法
1. 拓扑设计与控制系统
- 双半笼绕组结构：将定子绕组分为两部分，每部分通过端环连接，导体从电机端部直接插入，端部长度仅占总定子长度的35%（传统结构超50%）。
- 闭口槽设计：取消槽开口，减少磁场谐波，降低转子涡流损耗（通过有限元分析FEA验证）。
- 双逆变器驱动：两套独立三相逆变器分别驱动两组绕组，故障时可切换运行。

1. 电磁性能分析

   • FEA仿真对比：对比闭口槽与开口槽结构的空载特性（磁链、气隙磁密、反电动势、齿槽转矩）。结果显示，闭口槽的齿槽转矩峰峰值降低35%（从12.7mNm降至8.2mNm），气隙磁密谐波畸变率（THD）从7.6%降至2.8%。
     
   • 负载特性：采用场定向控制（FOC）策略，闭口槽平均转矩1.93Nm（略低于开口槽的1.94Nm），但转矩脉动增至1.4%（开口槽为0.6%）。
     

2. 损耗与温升计算

   • 铜耗：采用利兹线（Litz wire）抑制高频集肤效应，实测直流铜耗15.9W。
     
   • 铁耗与涡流损耗：FEA显示闭口槽的定子铁耗922W；转子涡流损耗显著降低（PM损耗从214.3W降至90.8W，钛合金护套损耗从295.6W降至92W）。进一步通过永磁体轴向分段（15段）将PM损耗降至18.6W。
     
   • 温升仿真：额定工况（100 krpm，20 kW）下转子最高温度73°C，定子176°C。
     

3. 转子强度与动力学验证

   • 强度分析：基于FEA评估永磁体（SmCo）与钛合金护套在离心力与热应力下的安全性。80°C工况下，PM最大拉应力11.8MPa（安全系数2.5），护套等效应力487MPa（安全系数1.4）。
     
   • 临界转速：Campbell图显示一阶临界转速71.4 krpm，二阶164.9 krpm，额定转速（100 krpm）位于安全区间（1.4n1 < n < 0.7n2）。
     

4. 样机实验验证

   • 样机参数：额定功率20 kW，转速100 krpm，6槽2极结构，SmCo永磁体与钛合金护套。
     
   • 反电动势测试：10 krpm下线反电动势波形与FEA吻合，THD实测3.9%（仿真3.5%），幅值误差约3%。
     
   • 负载测试：发电机模式下，输出功率346.8W，输入扭矩0.43Nm，验证了设计的可行性。
     

四、主要结果与逻辑关联
1. 电磁性能分析表明闭口槽可有效降低谐波与损耗，但需权衡转矩输出；
2. 损耗优化结果驱动转子分段设计与材料选择（如钛合金护套）；
3. 强度与动力学分析为高速运行安全性提供依据；
4. 实验数据与仿真的一致性验证了拓扑的工程适用性。

五、研究结论与价值
1. 科学价值：提出双半笼绕组与闭口槽的集成设计方法，为高速电机低损耗、高功率密度优化提供新思路。
2. 应用价值：缩短端部绕组可提升空间利用率；双逆变器驱动增强容错性，适用于航空航天等高可靠性场景。

六、研究亮点
1. 结构创新：双半笼绕组实现端部长度缩短35%，装配工艺简化；
2. 多物理场协同优化：结合电磁、热、力学分析，综合提升性能；
3. 实验验证：样机测试数据支撑仿真结论，推动工程落地。

七、其他价值
研究涉及的高频损耗抑制（如利兹线应用）与转子分段技术，对超高速电机设计具有普适参考意义。

（注：全文约2000字，涵盖研究全流程细节与数据支撑，符合学术报告要求。）