永磁电机是利用永磁体作为励磁源进行电能和机械能转化的一种机电装置。随着我国对电机能效要求的不断提升,以及各行各业在高能效电机应用方面的积极推进,高效率、高功率密度的永磁同步电机在工业伺服、家用电器等传统行业主导着革新换代,同时在交通电气化、机器人、电动汽车等新兴领域被广泛应用。随着2030年“碳达峰”、2060年“碳中和”目标的提出,我国正开启新一轮的能源领域革命,新型永磁电机在新能源发电、抽水蓄能等能源领域的作用也进一步得到重视。近年来,一类采用磁场调制原理的永磁电机——磁场调制电机（Flux Modulation Machine,FMM）的研究和应用,为进一步提升电机转矩品质及电机效率、减少电机体积质量提供了新的途径。随着研究的深化,常规磁场调制永磁电机的转矩性能趋近理论上限。然而,各类传统和新型应用领域对永磁电机转矩密度的需求仍在不断提升。因此,亟需更新和拓展磁场调制永磁电机的转矩理论,并对高转矩密度新型拓扑进行探索研究。在此背景下,采用多层永磁体励磁工作的磁场调制电机拓扑——磁齿轮复合电机、双调制永磁电机等在近年来获得了广泛关注。此外,多工作磁动势（Multiple-WorkingMMF,MWM）磁通反向电机及开关磁链电机的研究也为定子永磁型磁场调制电机设计提供了新的思路。通过现有研究,以上具有多个工作磁动势的磁场调制电机的性能优势正被逐步认知。然而,目前关于多工作磁动势磁场调制电机（Multiple-Working-MMF Flux Modulation Machine,MWM-FMM）的研究仍然较为分散独立,理论系统性较弱,缺乏系统的设计流程以及对齿槽转矩、永磁体退磁等共性问题的研究。在此背景下,本文以多工作磁动势磁场调制电机为研究对象,深入分析此类电机的工作原理和转矩性能优势,研究此类电机的优化方法以及高转矩密度的新型拓扑。文章的内容安排如下:首先,本文回顾了磁场调制理论的认识与发展,基于励磁和调制单元数量总结了各种磁场调制电机拓扑。对MWM-FMM研究现状进行了总结和梳理。首次分析了槽口换极效应对磁场调制电机气隙磁密计算误差的影响,并基于修正磁动势磁导模型和应力张量法,对磁场调制电机平均电磁转矩进行了公式推导和准确计算。系统分析了多个励磁磁动势同时工作的准则和几种可行工作条件,推导了三种MWM-FMM的平均转矩表达式,从而统一了MWM-FMM的工作原理,提供了各类MWM-FMM工作可行性的理论支撑,并揭示了MWM-FMM尺寸参数与平均转矩的关系。结合仿真计算,比较了常规单工作磁动势磁场调制电机与三种多工作磁动势磁场调制电机的转矩密度,发现多工作磁动势拓扑增加了磁场调制电机的优化策略,从而能够实现更高的转矩密度。提出了基于单工作磁动势和多工作磁动势的MWM-FMM转矩密度提升策略,并在此基础上提出了四种理论上具有更高转矩密度的新型拓扑。在对多工作磁动势磁场调制电机转矩理论分析的基础上,分别对三种MWM-FMM拓扑:定子永磁型、双调制型、以及磁齿轮复合型MWM-FMM进行了深入研究。1.分析了定子永磁型MWM-FMM中永磁阵列产生气隙磁密的幅值上限。提出了一种参数灵活可变的多磁动势永磁阵列的设计方法,分析了构造参数对永磁阵列性能的影响。以多工作磁动势磁通反向电机为对象,研究了反电势和转矩提升最大化的条件,研究了电机参数的选择和优化方法。提出了一种反电势和转矩可提升40%的多工作磁动势磁通反向电机,并研制样机进行了实验验证。2.利用微分磁路模型,计算了双调制型MWM-FMM的气隙磁密,并推导了反电势和平均转矩解析公式,结合有限元验证了公式的准确性。以转矩密度为目标,对双调制永磁电机的定转子极对数、极比以及尺寸参数的优化进行了研究。给出了双调制永磁电机齿槽转矩公式,并从气隙磁密谐波的角度提出了降低此类电机齿槽转矩的手段。研究了双调制永磁电机的永磁体退磁机理,并提出和比较了几种退磁抑制手段。3.分析了磁齿轮复合型MWM-FMM中磁力齿轮的工作机理以及尺寸参数与传递转矩的关系。系统介绍和比较了几种不同复合方式的磁齿轮复合型MWM-FMM拓扑的电磁性能。对磁齿轮复合型MWM-FMM的设计优化方法进行了研究,定义了复合裂比这一关键参数,研究对数、极槽配合、减速比以及复合裂比对电机综合输出转矩密度的影响,总结了此类电机的设计和优化流程。最后,通过有限元仿真和样机测试验证了本文所提出的四种新型MWM-FMM拓扑的转矩性能。