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随着全社会对能源和环境问题的关注,可再生能源的开发利用正呈现加速发展的趋势。风能在地球上广泛存在,并且是目前被掌握的技术最为成熟的可再生能源之一,风力发电是风能利用的主要方式。与机械式增速齿轮箱为中间环节的高速发电系统相比,直驱风力发电系统以其效率高、动态响应快、维护费用低等优点,近年来得到了快速发展。由于工作在较低转速,传统直驱式风力发电机本体存在体积大、功率密度低、造价高、运输和安装困难等问题。本文在现有磁齿轮研究的基础上,提出了一种新型同轴磁齿轮结构,分析了其工作原理和转矩传递特性；并基于磁齿轮原理提出一种外转子聚磁式场调制永磁(Flux-Concentrating Field-Modulated Permanent-Magnet, FCFMPM)电机,基于等效磁路法和有限元法分析了该电机低速大转矩特性的本质,研究了其电磁特性及电机优化设计方法,制造了实验样机,并以该样机为基础搭建了直驱风力发电模拟实验平台,对系统开展了实验研究。论文的主要研究内容包括以下几点：1. 从磁齿轮工作原理出发,将现有磁齿轮结构进行归纳分类：传统磁齿轮和场调制磁齿轮,并比较分析二者的结构特点和性能差异,同时提出了一种外转子聚磁式同轴磁齿轮结构。将所提同轴磁齿轮与现有同轴磁齿轮结构对比分析,并与机械齿轮相比较,指出磁齿轮的优点及其发展趋势。2. 利用二维有限元方法对比分析不同磁齿轮复合电机的性能差异,指出了同轴磁齿轮、磁齿轮复合电机、游标电机三者之间的内在联系。基于磁齿轮原理提出了一种外转子聚磁式场调制永磁风力发电机拓扑结构,并利用等效磁路法详细分析了该电机工作原理,揭示了其能够实现大转矩传递能力的本质。3. 采用二维有限元分析方法,对FCFMPM电机的磁场分布、气隙磁密、空载永磁磁链、空载感应电动势、绕组电感、定位力矩和电磁转矩等静态电磁特性进行分析,并与现有裂槽表贴永磁游标(Split-Slot Surface Permanent-Magnet Vernier, S3MV)电机进行了性能比较,同时推导了此类场调制永磁电机的电枢反应电抗压降表达式,提出了改善此类场调制电机输出特性的方法。4. 推导了FCFMPM电机的主要尺寸关系式,为电机主要尺寸参数的确定提供了依据。借助二维有限元分析方法,阐明了FCFMPM电机的结构选择依据,分析了极对数配比的选择与电机转矩密度之间的关系,以及长径比的选择与电机输出特性之间的关系,并以最大转矩密度为目标对电机主要结构参数进行优化设计,制作了原理样机,实验结果验证了有限元分析的正确性。5. 根据基本的电磁定律和场调制电机的运行原理,建立了FCFMPM电机三相静止和两相旋转坐标系下的数学模型,在此基础上结合有限元分析结果,搭建了基于MATLAB/SIMULINK的以直流电机模拟风力机、以FCFMPM为发电机的直驱风力发电系统仿真模型,分析研究了该系统的运行特性和最大风能跟踪控制方法。6. 构建了基于FCFMPM样机的风力发电模拟实验平台,并建立了以DSP控制器为核心的软硬件结合、多层次保护的测控电路,以实现最大风能跟踪控制为目标,采用直接转矩控制方法,实验研究了系统动稳态性能,验证了所述控制方法的有效性。