永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）具有功率密度高,功率因数高以及效率高等优点,较异步电机简化了机械传动结构,便于采用多种新能源技术,是城轨列车牵引系统的理想选择。PMSM在城轨列车牵引系统中的优势主要体现在易实现电机的经量化设计和全封闭设计,降低转向架簧下质量,有效隔离噪声。但PMSM存在温升高、转矩脉动大、易发生气隙磁密畸变和退磁故障等问题。因此,针对城轨列车的运行要求,从PMSM的本体优化设计出发,研制具有高功率密度、高可靠性及低排放（包括低能耗、低振动噪声、低电磁干扰三方面）的永磁同步牵引电机至关重要。研究内容有:（1）根据城轨列车的结构和运行性能需求,初步设计出模型电机,额定功率30k W、额定转速1500rpm、额定转矩191N·m。并构造模型电机的有限元模型进行初步仿真,分析设计的合理性及电机的电磁性能。（2）针对PMSM关键技术问题,从优化磁极拓扑结构出发,提出一种中心部分分段磁极结构。以十字型中心部分分段Halbach PMSM为例,采用精确子域模型法对电机空载、电枢反应、负载下各子域的矢量磁位进行求解,推导电机空载和负载时的气隙磁场分布、齿槽转矩以及电磁转矩的解析表达式,将解析解与有限元仿真结果进行对比,验证解析方法的正确性。同时,提出一种分级多变量多目标优化算法,对十字型中心部分分段Halbach PMSM进行磁极拓扑结构优化,并与其余8种磁极结构PMSM的电磁性能进行对比分析,验证磁极中心部分分段Halbach PMSM性能的优越性。（3）在磁极拓扑结构优化基础之上,针对永磁同步牵引电机存在励磁磁场难以调节,永磁体不可逆退磁等问题,从优化电机整体拓扑结构出发,基于磁场调制原理结合混合励磁,得到一种外转子聚磁式混合励磁磁场调制永磁（Flux-Concentrating Hybrid Excitation Field-Modulated Permanent Magnet,FCHEFMPM）牵引电机,经优化与外转子表贴式混合励磁磁场调制永磁（Surface-Mounted Hybrid Excitation Field-Modulated Permanent Magnet,SMHEFMPM）牵引电机进行对比。并在仿真优化基础之上,分析外转子F CHEFMPM牵引电机在不同工况下的电磁性能和机械特性。