定子无铁芯轴向磁通永磁同步电机(AFPMSM)集合了无铁芯结构和轴向磁通永磁电机的特点。由于其轴向尺寸小,没有定子铁耗和齿槽效应,无铁芯AFPMSM具有结构紧凑,运行平稳,工作效率高等优势,被广泛应用于高速飞轮储能系统,航天器姿态控制以及工业驱动系统中。本文对AFPMSM及其无铁芯结构的类型、应用概况和国内外研究现状进行了综述,围绕本体设计、解析建模、闭环驱动、涡流损耗分析等方面对无铁芯AFPMSM展开了研究。首先,分析了无铁芯结构的特点和设计思路,根据技术指标要求,对无铁芯AFPMSM进行了本体设计和优化,重点给出了永磁体尺寸参数的优化设计方法,分析了线性霍尔和开关霍尔的安装位置,采用三维有限元分析了无铁芯AFPMSM的电磁性能。接着,针对解析法无法计及铁芯饱和的问题,将等效磁路法与解析法结合,提出了一种改进的无铁芯AFPMSM三维空载磁场解析模型。利用三维有限元验证这种解析模型的精确性。并且根据气隙磁场分布规律,提出了一种简洁的气隙磁场数值拟合算法。然后,研究了无铁芯AFPMSM在双闭环控制系统中的性能。其中,分别讨论了正弦波驱动和方波驱动两种驱动方式对无铁芯AFPMSM的作用效果。针对无铁芯AFPMSM电感过小导致转速脉动大的问题,采用在绕组上串联电感的方法以提高电机的对高次谐波的抑制能力。分析验证了无铁芯AFPMSM在正弦波/方波复合驱动控制下的性能。最后,根据实际中永磁电机采用的驱动器类型和控制方式,研究了无铁芯AFPMSM在电流源型逆变器开环控制、电压源型逆变器开环控制、电压源型逆变器闭环控制时的转子涡流损耗。分析了转速、转矩与涡流损耗的关系以及涡流损耗在永磁体和转子铁芯中的分布情况。对Maxwell进行了二次开发,实现基于无铁芯AFPMSM有限元模型的闭环控制。在电压源闭环控制中,又分别分析了正弦波、方波两种驱动方式对损耗的影响。