在现代工业中有很多低速大转矩的应用场合,这些场合一般需要配备齿轮箱等中间环节实现电机与负载间的转速转矩匹配。机械齿轮靠齿的啮合传递转矩,因此不可避免地带来摩擦损耗、机械磨损、需要润滑以及振动噪声等问题,在不规则负载或过载条件下还易造成不可逆的损坏,降低了系统的整体效率和可靠性。因此去除齿轮箱采用电机直接驱动负载的直驱技术逐渐成为未来的发展趋势。根据经典电机设计理论,当边率和转速在一定范围内时,电机的输出转矩与体积近似成正比,因此传统的大转矩直驱电机一般体积比较庞大,用料多,成本高。同轴式磁性齿轮的提出为低速大转矩永磁电机的设计提供了新的思路,通过将磁性齿轮的“磁场调制原理”应用到电机设计中,我们可以得到多种具有高功率密度的新型永磁电机拓扑结构,称为磁场调制型永磁电机,近年来获得了越来越广泛的关注。在此研究背景下,本论文以磁场调制型永磁电机作为研究对象,立足于解决转矩能力、结构复杂度和成本等关键性问题,采用拓扑结构创新和参数优化等方法,综合运用有限元仿真、数学解析建模和实验测试等手段,开展了一系列的研究工作。论文从二维层面的结构创新开始,进一步延伸到三维层面的结构创新,主要内容概括如下:1.建立了磁场调制型永磁电机的一般化模型,解释了四类常见的磁场调制型永磁电机与一般化模型的关系,论证了它们在工作原理上的统一性。对比了这些电机的优缺点,讨论了它们的适用场合。2.提出了一种交替极式的“伪直驱”永磁电机拓扑结构。从理论角度分析了“伪直驱”永磁电机的转矩产生机理和转矩限制条件;将交替极的思想引入到“伪直驱”永磁电机中,主要有两个方面的优点,首先是节省了永磁体用量,降低制造成本,其次是优化“伪直驱”永磁电机中磁性齿轮部分和永磁电机部分两者的转矩匹配,从而提高“伪直驱”电机的输出转矩。此外交替极的结构也有利于增强机械可靠性。3.将“伪直驱”永磁电机与游标永磁电机的设计思想相结合,提出一种游标“伪直驱”永磁电机拓扑结构。与游标永磁电机相比,该结构具有更高的功率因数,与“伪直驱”永磁电机相比,该结构更加简单。建立 了游标“伪直驱”永磁电机的子空间数学解析模型,并结合解析法和有限元法对电机的主要设计参数进行了两步优化,兼顾了优化过程的快速性和准确性。4.从二维层面的结构创新延伸到三维层面的结构创新,提出一种聚磁型轴横向磁通式的磁性齿轮拓扑结构。通过对比现有文献中同轴式磁性齿轮的拓扑结构,分析了磁通方向与磁极形式对磁性齿轮转矩密度的影响,并以其中转矩密度最大的聚磁型轴向磁通式结构为研究出发点,分析了该结构存在的问题;为解决这些问题提出一种改进的设计方案,同时利用轴向和横向两条磁路,减少了漏磁和饱和现象,解决了轴向磁通式结构随着轴向长度增加转矩密度锐减的问题。5.将混合磁通方向的设计思想从磁性齿轮拓展到磁场调制电机,提出一种轴径向磁通式的磁场调制电机拓扑结构。分析了传统径向磁通式磁场调制电机的不足;提出一种新型结构,取消杯形的转子结构,利用端部绕组的轴向空间,同时运用聚磁原理提高了气隙磁密,增加了磁场调制电机在小长径比时的转矩密度。对该结构试制了样机,并进行了测试。6.对比了本论文中提到的三种磁场调制型永磁电机结构,分析了它们的优缺点和应用场合,为进一步工程化提供理论指导。