低温余热发电系统广泛采用有机朗肯循环以提升余热利用效率,发电机组通常采用涡轮-永磁电机直驱结构可实现良好密封,有效防止有机工质泄漏。永磁电机具有体积小、结构简单、运行可靠等优点,可与高速涡轮机直驱连接实现高效率的能量转换。但传统机组采用止推轴承连接结构平衡涡轮轴向力的方法存在维护困难,寿命和可靠性较低的缺点。本文提出了一种利用锥形转子电机自身轴向力平衡涡轮轴向力的方法,在保持涡轮与电机直驱连接实现高性能发电的同时,简化其连接处的轴承结构,提升机组运行的稳定性和可靠性。本文首先介绍了低温余热发电机组中涡轮机和发电机的结构和工作原理,分析其各自的运行方式和轴向力的产生原因。根据涡轮机组和锥形电机的运行特点和基本要求提出了转子采用锥形结构。分析了由锥形结构带来的转子磁路沿轴向的变化的特点,并建立了电机的等效磁路模型、推导锥形电机磁路参数的表达式。画出了电机的运行相量图,推导了电机空载反电动势、输出电压、电磁转矩的计算公式。其次,根据电机设计的参数建立了二维和三维有限元仿真模型。通过比较锥角为零时两者的磁密云图和气隙径向、轴向磁密的分布情况分析了电机的端部漏磁情况。进一步研究了锥角变化对转子磁密分布和气隙径向、轴向磁场影响,分析了锥角对电机内部磁场和端部漏磁的影响和定转子错开时的空载反电动势的特性。研究了锥形永磁电机轴向力的产生机理,推导了虚位移法和非线性积分法计算轴向力的公式。从推导电机磁路不饱和时d、q坐标系下的的磁场解析表达式出发,提出了定性分析直、交轴电流对转子表面磁场分布和对锥形电机轴向力的影响的方法。分析了直、交轴电流和转子轴向位移对电磁转矩的影响。通过仿真结果验证了上述分析和结论。分析了涡轮机组运行过程中涡轮轴向力的特性,结合锥形电机的轴向力特性说明了利用锥形电机的轴向力实现轴向平衡的可行性。提出了额定工况和变工况时通过调节直、交轴电流维持机组轴向平衡的方法,并通过定负载和85%额定负载的电机工作点和运行特性进行了验证。