高速永磁无刷直流电动机具有功率密度大、几何尺寸小、动态响应快、运行效率高等一系列优点,在高速运行场合具有广阔的应用前景。然而,高速电机内的磁场交变频率高,定、转子损耗大；旋转速度快,转子刚度要求高。本文研究的高速永磁无刷直流电动机应用于小型分子泵中,分子泵是获得良好真空环境的关键设备,为保证真空环境的质量,要求分子泵主轴高速旋转,因此,运行于真空环境下的高速永磁无刷电机设计不同于普通电机,其热负荷要求更加苛刻。本文研究课题是基于国家重大科学仪器设备开发专项：高速小型复合分子泵的开发应用(编号2013YQ130429)的电机设计及控制部分。主要研究内容和结论如下：首先,本文从减小定、转子损耗角度提出了转子无铁心的高速永磁无刷电机设计方案,并且配合不导电碳纤维套筒和粘结钕铁硼转子磁环结构以实现转子涡流损耗最小。在此基础上对高速无刷电机的定子极槽裂比、永磁体充磁方式、转矩脉动等方面进行了深入讨论,分别给出了合理解决方案,最后,通过定转子尺寸的合理匹配完成了小型分子泵用高速永磁无刷电机的电磁设计方案。通过实际样机试验证明本文提出的无转子铁芯高速永磁无刷电机设计方案满足小型分子泵的驱动和温升要求,设计方案正确合理。其次,本文基于等效面电流法和镜像法建立了无转子铁心高速永磁电机气隙磁场的等效数学模型,推导了该类电机气隙磁场解析计算表达式,并利用解析法计算出忽略定子槽影响的气隙磁密波形、绕组感生电动势波形及其谐波分布。最后,将解析计算结果与有限元仿真结果和样机实测样机结果进行对比,结果吻合较好,证明本文提出的无转子铁心高速永磁电机气隙磁场解析方法是正确的,为该类电机的进一步设计优化提供了有力工具。再次,基于Bertotti铁耗分立模型和高频铁损曲线计算了转子无铁芯高速永磁电机的定子铁心损耗和转子涡流损耗,并详细分析了空载和负载状态下转子各部分涡流损耗,讨论了槽口宽度、保护环材料、电机转速等影响因素。另外,结合有限元计算和Maxwell应力张量法分析推导了无铁心转子发生静偏心时转轴受到的不平衡径向磁拉力的计算方法,并进一步证明偏心距与转轴不平衡磁拉力呈线性关系,为该类电机加工制作安装公差的确定提供理论依据。最后,以dsPIC30F2010为主控芯片设计开发了基于端电压法的高速永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统,结合改进的三段式起动方法来完成高速无刷电机的可靠起动、运行；通过RS232串行通讯完成了上位机对高速电机的实时控制和监测,通过在小型分子泵上的实验运行结果,证明本文设计的高速永磁电机及其控制满足分子泵运行要求,设计方案是正确可靠的。