永磁直线同步电机(PMLSM)具有推力大、响应速度快、结构简单、维护方便等优点,在直线运动场合具有广阔的应用前景。随着科技发展,对PMLSM理论研究越来越深入,PMLSM主要存在以下三个缺点：(1)在工频电源条件下,电机速度比较高,在低频下运行时性能变差；(2)在恒频情况下,降低电机速度需增加电机的极对数；(3)PMLSM磁阻力较大,引起推力波动,低速运行时此现象更加明显,影响电机伺服性能。为克服以上缺点,在不增加体积和质量的前提下,对传统PMLSM结构加以改进,本文提出研究一种新型磁场调制式永磁直线同步电机(LPMVM),能在工频或较高的频率下低速运行,且推力波动小,电机性能提高。本文的主要研究内容如下：对LPMVM的磁路理论进行研究。与传统PMLSM结构和原理不同,采用气隙比磁导波法得到电枢开槽后永磁磁密的基波磁场、谐波磁场,推出产生稳定推力时电枢绕组极对数、永磁体极对数、电枢槽数之间的结构关系式及速度大小关系式。通过对比动子移动前后磁场分布图进一步阐明LPMVM运行机理。指出电枢磁密与永磁磁密的基波和Gr次谐波幅值较大,为电机工作磁场,且永磁磁密G,次谐波幅值大于其基波幅值。采用绕组函数得出空载反电势和推力与基波和谐波磁场的磁路关系式,并与传统PMLSM的电磁性能进行了对比分析。采用二维气隙相对磁导函数方法考虑齿槽效应的影响,建立了LPMVM磁场分层解析模型。将气隙磁场等效为无槽气隙磁场与有槽时气隙相对磁导函数共同作用产生的磁场。以矢量磁位为求解变量,根据各层区域交界面边界条件,推导出永磁磁场、电枢磁场无槽分层解析模型各区域磁密解析式。用许-克变换法建立考虑齿槽效应时气隙相对磁导函数解析模型。解析法和有限元法结果表明,无槽气隙磁密在切向分量和法向分量计算正确,计及齿槽效应后法向磁密拟合较好,而切向磁密误差较大,因此气隙相对磁导函数未能考虑齿槽效应在切向方向上对磁场的影响。鉴于气隙相对磁导函数模型求解存在一定局限性,提出了LPMVM精确子域解析模型。计及永磁体相对磁导率、电机槽深、所有槽与槽之间对磁场分布的相互影响,提出了更加接近电机实际情况的LPMVM精确子域模型,将求解区域分为永磁体、气隙、槽三个子域,建立各个子域的标量磁位拉普拉斯方程。根据各子域边界连续条件,采用傅里叶级数法,列出各个边界条件矩阵方程组,得出精确子域模型交界处磁位、磁密解析式。用有限元法验证了所提出的精确子域解析模型的可行性和精确性。根据推导出的LPMVM精确子域模型气隙磁密解析式,计算出电机各个电磁参数,研究了电机力角特性及运行特性。忽略端部效应,采用麦克斯韦应力张量法推导出用气隙磁密各次谐波幅值表示的电机齿槽力和垂直力解析式,对气隙网格合理细化,用有限元法证明了解析法的正确性。推导出电机空载反电动势、恒流源下的静态推力、稳态推力解析式,结果表明电机推力大且波动很小,解析解和有限元解吻合。建立了LPMVM等效电路,分析了电机的电磁性能及稳态运行特性。令电枢电流单独作用,通过磁链法求解电机相绕组自感和互感,经dq坐标变换,计算出同步电感、漏感和电枢反应电感。给出电枢电流、功率、推力、效率、功率因数等电磁性能计算式,用解析法和有限元法详细分析了计及电阻时的力角特性曲线、电流随力角变化曲线,两种方法结果拟合较好。分析了电压和频率变化对最大电磁功率和推力的影响。采用时步有限元法分析电机瞬态特性,结果表明该电机运行速度低,推力、速度波动很小,在不同力角下电机稳定后的推力、速度、电流与理论结果一致。采用优化端齿宽度方法对LPMVM最小磁阻力进行了研究。以短初级长次级LPMVM为研究模型,用端部等效模型模拟端部开断,建立端部磁场解析模型。根据优化动子长度抑制磁阻力的基本原理,给出预估最小磁阻力时的动子长度解析式,用优化端齿长度方法估算出端齿宽度,用有限元法在此宽度及其邻近范围内参数化确定出磁阻力最小时对应的端齿宽度,提高了计算效率。优化后主要抑制了端部力基波,提高了电机性能。