随着风力发电、电动汽车、轨道交通等领域的高速发展,国民经济对电机的要求也朝着多样化、轻量化、高效节能的方向发展,这就要求驱动电机需要具有更高的转矩密度、更小的转矩脉动、更高的可靠性和效率等优点。磁通反向电机正是顺应着这些需求而被研发的新型电机拓扑之一。磁通反向电机永磁体放在定子齿表面,安装方便;转子是简单的磁阻结构,适应于高速和高温运行;同时其又具有功率密度高、容错性好、调速性能好、动态响应快、效率高等性能特点,因此磁通反向电机适合于多种调速运行场合如新能源汽车等。此外,磁通反向电机具有磁场增速特性,因此磁通反向电机也适用于要求低速大转矩的直驱场合,例如新能源发电和长轨道直线直驱场合。目前国内外对磁通反向电机的研究还在起步阶段,本体设计主要基于有限元仿真计算,理论研究亦不全面,仍有许多理论问题有待深入研究,包括电磁性能解析计算、通用设计流程及系统分析方法等。基础理论的不完善极大限制了磁通反向电机的推广应用,因此磁通反向电机基础理论及应用技术亟需深入探讨与研究。本文以磁通反向电机的理论分析与拓扑结构为研究主题,对磁通反向电机的拓扑结构、磁场模型、解析算法、端口特性、设计方法及拓扑进行了深入分析研究。文章内容安排如下所述:首先,本文回顾了磁通反向电机的发展历史,通过从开关磁阻电机到双凸极永磁电机、再到磁通反向电机的拓扑结构衍变,明确了磁通反向电机的特点及优势,并对其研究现状进行了总结,对其应用前景也进行了展望。然后,本文以磁通反向电机的磁场分布为入手点,研究了转子不同位置时的磁路,分析并推导了基于永磁磁动势-气隙比磁导的磁路模型。随后,在磁路模型的基础上,本文进一步结合了经典绕组理论,系统地研究了磁通反向电机的永磁体磁动势、气隙比磁导、气隙磁密、反电势、转矩等电磁性能。磁通反向电机的功率因数一般较低,本文还针对功率因数低的原因及如何提升功率因数等问题进行了分析探讨。为了保证解析分析的正确性,本文对推导出的各个理论公式均进行了有限元验证,以确保等效磁路模型的准确性。在对磁通反向电机基本电磁理论深入分析的基础上,本文对磁通反向电机电磁设计方法进行了研究。首先,基于解析公式推导出了磁通反向电机的平均转矩与关键结构尺寸参数之间的关系,并根据此关系确定了电机的气隙直径和叠片长度;然后根据磁密分布确定了定转子结构尺寸;最终得到了整个磁通反向电机的结构参数,并以此建立了磁通反向电机的一般性设计方法。此外,本文还结合解析分析法和有限元法,深入研究了电机结构尺寸的变化对其关键性能(包括平均转矩、齿槽转矩、转矩波动、功率因数和永磁体退磁特性)的影响,分析结果为磁通反向电机设计过程中关键参数的选择提供了参考,同时也为进一步提高转矩密度、降低脉动转矩等优化设计过程提供了理论依据。最后,本文分别通过理论分析、仿真验证及实验测试对所提出的磁通反向电机专用设计方法进行了验证。最后,本文从磁通反向电机的基本运行原理着手,提出了一系列新型磁通反向电机拓扑结构来实现大幅度提升其电磁性能的目的。提出的新型磁通反向电机拓扑结构包括:交替极磁通反向电机、C型槽磁通反向电机、永磁体均布型磁通反向电机及混合励磁磁通反向电机。本文针对以上这四类新型磁通反向电机结构,对各自的结构特点、运行原理进行了分析。同时,对这四种电机分别进行了关键电磁结构参数优化。随后,通过对比分析,将各类新型磁通反向电机的性能进行综合评估,得各自的优点和缺点,为未来的潜在应用提供了选择参考。最后,为了验证新型磁通反向电机的理论分析及仿真计算,制作了相关样机并进行了测试。