有限转角力矩电机无需复杂的中间传动装置,便可实现在有限角度内反复摆动,具有结构简单、可靠性高、控制方式简单等诸多优点。现今的有限转角力矩电机产品中多为绕线式结构,力矩密度低的致命缺点使其很难适用于对体积与重量有严格限制的场合。齿槽式结构虽具有更高的力矩密度,但又存在运行区间内齿槽转矩较大、磁场饱和严重、力矩特性非线性等突出问题。以集中绕组有限转角力矩电机为研究对象,针对该电机的电磁机理、恒转矩区间的估算方法、运行特性、非线性磁路模型等问题进行了研究。针对常规齿槽式有限转角力矩电机,分析了其磁路结构与电磁机理,在此基础上提出了一种集中绕组有限转角力矩电机,并通过等效磁路法,推导了其电磁转矩的解析式。基于推导的电磁转矩解析式,同时考虑相应设计指标,确定了电机的主要尺寸,并利用有限元法对其进行了齿部形状优化。为了进一步提高集中绕组有限转角力矩电机的转矩密度,提出了一种尖角形齿尖形状,并通过样机与实验对常规平行齿尖与尖角形齿尖进行了电磁性能比较与验证,发现后者的力矩性能提高了29%。利用恒定磁场的拉普拉斯方程与泊松方程,建立了适用于集中绕组有限转角力矩电机的磁场子域模型。利用此模型计算了集中绕组有限转角力矩电机的空载与负载特性,并通过有限元法验证了所建立的磁场子域模型的正确性。针对集中绕组有限转角力矩电机恒转矩区间难以直接估算的问题,提出了一种基于磁场子域模型估算有限转角力矩电机恒转矩区间的方法。在给定电机电流及力矩波动带的条件下,利用此方法得到了不同极槽数下电机的恒转矩区间。通过对4极4槽及12极12槽样机进行静态力矩实验测试,验证了所提出的恒转矩区间估算方法的正确性。在分析常规有限转角力矩电机数学模型的基础上,提出了有限转角力矩电机的精确数学模型。与常规数学模型中的恒定电磁参数如力矩系数、电感等相比,该模型可以完全考虑力矩系数、磁链与电感随绕组电流及转子位置的变化。利用此模型得到了有限转角力矩电机位置跟随特性分析方法,并与传统的场路耦合模型进行比较,其计算效率远远高于传统的场路耦合模型,且两者位置跟随特性计算结果基本一致。为了估计电机的运行温度,提出一种适用于集中绕组有限转角力矩电机的热路模型。通过对4极4槽样机进行运行特性实验测试,验证了电机位置跟随特性与运行温度计算方法的正确性。针对定子形状为圆筒型且定子齿对称分布的有限转角力矩电机,提出了一种新型有限转角力矩电机,其定子形状为矩形且定子齿为非对称齿。基于磁路法原理,提出了一种适用于非对称齿矩形有限转角力矩电机的非线性磁路模型,并通过有限元法进行相应计算结果的对比验证。该非线性磁路模型可以考虑磁路饱和问题,且计算时间短。在利用非线性磁路法得到新型有限转角力矩电机初始方案的基础上,又通过有限元法对电机非绕线齿的形状进行了进一步优化。最终研制了一台非对称齿矩形有限转角力矩电机的样机,并进行了静态力矩测试,其力矩性能明显优于圆筒型定子结构的有限转角力矩电机。