在太阳能无人机、电动汽车等电机应用领域,由于供电能源有限、平台体积质量有限,对动力来源电机的效率、体积和质量均提出苛刻要求。永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)具有效率高、体积小、功率因数高的特点,特别适合运行在宽效率区和过载状态,从而实现高效率或者高功率密度。永磁同步电机的效率和功率密度是相互影响、相互制约的。定量分析永磁电机效率和功率密度之间的影响关系是实现高效率兼具高功率密度永磁电机设计的关键,目前在这一领域学术界研究的还很少。本文为解决临近空间飞行器电推进系统用永磁同步电机体积、质量受限,效率高、损耗小,同时散热困难的难题,对永磁电机的损耗、温升特性以及效率和功率密度之间的相互影响规律进行了研究,最后研制兼具高效率、高功率密度永磁电机样机。为了提高电机的功率密度,定子铁心采用具有高饱和磁密特性的铁钴合金。针对新型铁磁材料缺少铁损耗数据的不足,搭建实验平台测试分析新型软磁材料铁钴合金(1J22)的B-H曲线和B-P特性。根据1J22的铁损耗系数随频率变化的特性,提出一种变系数正交分解铁损耗计算模型,并利用该模型对铁损耗进行有限元数值计算。建立了基于铁钴合金定子铁心区域分块的铁损耗磁路计算模型,对铁耗经验系数进行了修正,得到参数化铁损耗方程,实验测试结果与数值计算结果和路算结果一致,验证了理论分析的正确性。最后采用数值计算模型研究了相电流频率、幅值变化,永磁体充磁形式以及槽开口对铁损耗的影响规律,得到了铁损耗最小时的参数取值。为了减小谐波损耗,采用多极离散型Halbach阵列转子。对离散型Halbach阵列产生的气隙磁场进行解析计算,并与数值计算结果进行了比较,研究表明当极对数以及每极磁体数大于4时,离散Halbach磁体阵列产生的气隙磁通基本呈正弦分布,与理想Halbach阵列产生的磁通波形一致。考虑到解析计算时做了很多理想化处理,利用时步有限元计算方法分析了实际铁磁边界对气隙磁密分布产生的影响,结果表明铁磁材料磁导率以及尺寸参数均对气隙磁密分布有较大影响。提出一种考虑谐波电流和齿谐波引起涡流损耗的叠加原理计算永磁体涡流损耗方法,建立了转子涡流损耗的参数化方程,可以直观地看出参数变化对涡流损耗的影响,有限元计算结果验证了参数化方程的准确性。最后分析了永磁体分块、槽开口、电流变化对转子涡流损耗的影响规律。首次建立了永磁电机的铜损耗、铁损耗、涡流损耗参数化方程,定量分析永磁电机的效率、功率密度随电机参数的变化规律。建立的永磁电机参数化效率方程表明当其它条件不变时,铜损耗与铁损耗、涡流损耗之和相同时永磁电机具有最大的效率。提出永磁电机“功效积”定义,建立了永磁电机的“功效积”参数化方程,参数化方程表明存在最优值使永磁电机“功效积”最大,并研究了“功效积”最大时的电机参数选取方法。定量分析了永磁电机效率和功率密度之间的相互影响规律,为永磁电机的高效率兼具高功率密度设计提供理论支撑。为了验证所得到的永磁电机效率和功率密度之间的相互影响规律的正确性,测试了内转子电机和外转子电机的在不同负载工况下的效率特性和功率密度特性,并与理论计算结果进行了对比。为了解决高空中电机散热困难与对散热装置的质量和体积有限制的矛盾,提出了一种基于热管轴向导热的电机散热结构,研究分析了热管的各部分热阻,建立了热管的热阻模型和等效散热系数模型,通过等效建模极大减少了温度场仿真的计算时间,同时能够满足计算精度要求。在此基础上结合电机等效模型建立了电机的2D热计算模型和3D热计算模型,3D计算模型能够准确计算各个部位的温度场分布情况,2D模型能够快速计算电枢绕组、铁心以及永磁体等主要部位的温度场分布情况。最后搭建实验测试平台,测试了样机在不同负载以及散热条件下温升情况,验证了理论的正确性。