大力发展风力发电技术是实现“碳达峰、碳中和”战略的重要途径。目前,我国陆上风电装机量的年增长率趋于平缓,丰富的海上风能资源使得海上风电开发处于大有可为的战略机遇期。为了提升海上风能利用率并简化风力发电机的传动结构,单机大型化与直驱化成为了海上风力发电机的主要发展趋势,促使学术界与工业界持续探索具有高转矩密度、高能量转换效率的直驱风力发电机技术方案。然而,常规单工作磁场谐波电机的转矩密度已趋近上限,难以适应大型直驱风力发电应用中对于电机日益增长的转矩密度需求。近年来,一类基于磁场调制原理运行的游标永磁电机以其多气隙工作磁场的特点获得了广泛关注。根据电机拓扑的转矩密度、重载输出等电磁性能的对比,具备强励磁能力、磁场调制效应的切向励磁型游标永磁电机在大型直驱风力发电机中拥有强大的应用优势与潜力。然而,切向励磁型游标永磁电机中存在特有的磁障效应,大幅削弱了电机的气隙工作磁场,无法发挥其在直驱风力发电等领域中的性能优势。一方面,磁障效应等特殊物理现象难以通过解析表达式进行数学表征,导致电机拓扑改进缺乏有效的理论指导。另一方面,由于这类电机电磁结构复杂,性能指标与设计参数之间的对应关系尚不明确,应用于直驱风力发电机中缺乏明确的优化设计准则。在此背景下,本文以切向励磁型游标永磁风力发电机为研究对象,深入研究了该类电机工作机理、电磁性能解析计算、新型拓扑及优化设计方法。本文安排如下:首先,本文对现有大型风力发电机拓扑研究现状进行了回顾,对磁场调制技术在直驱风力发电机中的应用进行了归纳,梳理了现有研究中的不足,总结了风力发电机技术的发展趋势。根据各类电机拓扑的转矩密度等基本性能对比结果,选定切向励磁型游标永磁风力发电机作为本文的研究对象。接着,本文构建了切向励磁型游标永磁电机的多节点磁路模型,推导了该类电机的气隙磁场、空载反电势及电磁转矩解析表达式。结果表明,该类电机中存在的附加磁位波动显著削弱了电机气隙工作磁场。根据电机磁动势、磁导的谐波特征,提出了切向励磁型游标永磁电机的“集总磁导补偿”方法,并由此衍生出单连接桥、双连接桥、双定子三类切向励磁型游标永磁电机新型拓扑,分别削弱和消除了附加磁位波动,使得转矩密度大幅增长,提升了其在直驱风力发电领域应用优势。通过空载、额定负载以及过载等性能指标评估,进一步挖掘了双定子切向励磁型游标永磁风力发电机的技术优势。进一步地,本文根据所推导的电磁性能计算解析表达式得到了双定子切向励磁型游标永磁风力发电机无量纲尺寸方程,建立了关键结构尺寸、槽极配合等参数与电机电磁性能的映射关系,提出了MW级双定子切向励磁型游标永磁风力发电机的设计方法,给出了关键结构参数的取值规律及最优取值范围。此外,本文结合无量纲分析与有限元计算,以10 MW功率等级为例,开展了以有效材料重量和成本为优化指标的双定子切向励磁型游标永磁风力发电机的综合设计。基于所提出的电机通用设计方法,完成了3-20 MW双定子切向励磁型游标永磁风力发电机的电磁设计。最终,本文分析了表贴式永磁同步电机、双定子切向励磁型游标永磁电机、超导同步电机以及双定子超导游标磁阻电机四类10 MW直驱风力发电机的电磁性能,对四台风力发电机的转矩重量比、转矩密度、转矩成本比、效率以及故障运行参数等关键性能进行了对比,验证了双定子切向励磁型游标永磁电机在MW级直驱风力发电领域中的应用优势与潜力。