相比于传统永磁同步电动机,基于磁场调制原理的游标电机转矩密度高,可实现低速大转矩输出,在电动汽车和新能源发电等领域有着广阔的应用前景。本文以定转子双边永磁体结构游标电机为研究对象,针对单转子和双转子结构,从拓扑结构、工作机理、磁场分析、性能计算等方面进行了深入研究,具体研究内容包括:首先,基于磁场调制原理,推导了转子永磁、定子永磁和定转子双边永磁游标电机的气隙磁密解析表达式,得到气隙中各谐波极对数、转速和转向的关系,发现采用定转子双边永磁体时,极对数为|Pr±Qs|的旋转磁场幅值增大,可显著增加绕组电动势和电磁转矩。推导了基波电动势计算公式,计算了气隙磁场中主要旋转谐波产生的基波电动势。研究了转子槽数对电动势基波幅值的影响,对比了不同永磁体极对数Pr时转子永磁游标电机和定子永磁游标电机的电动势大小。研究了转子槽数对电动势谐波含量的影响,发现当Pr为4的倍数时,电动势中存在的偶数次谐波,波形谐波畸变率大,正弦性差。其次,提出了双转子环形绕组游标电机(Dual-Rotor Toroidal-Winding Vernier Machin,简称DTVM)拓扑结构。该电机采用低成本铁氧体永磁,通过双转子和定转子双边永磁结构,弥补了铁氧体磁性能的不足。对电机运行原理进行分析,对内外气隙主要谐波在绕组中产生的电动势进行了计算,解释了双转子结构中内外气隙磁场各谐波在绕组中产生的电动势可相互叠加的原因。对比了不同永磁体排列方式和不同绕组结构时,电机的电动势、转矩、损耗、功率因数和效率。计算了环形绕组不同结构时的交直轴电感和转矩转速曲线。对比了 Pr变化对DTVM性能的影响。对铁氧体和钕铁硼永磁DTVM进行对比,结果表明采用铁氧体永磁时永磁损耗小,且单位转矩永磁体成本低。计算了不同尺寸下电机的各项性能。对电机的数学模型进行了研究和仿真。最后,设计制作了单转子游标电机和双转子环形绕组游标电机样机,对样机进行试验,验证上述理论分析的正确性。