随着新能源发电、新能源汽车、舰船电力推进等新兴行业的高速发展,永磁电机的研究动向逐步从中小功率微特永磁电机转向高功率大转矩永磁电机。永磁电机虽然较传统电机在电机转矩密度、效率等方面有明显的优势,但在转矩持续增大的情况下,永磁电机仍然面临材料使用量尤其是磁钢用量过大、体积过大、重量过沉等问题。针对永磁电机在高功率、大转矩应用场合中面临的这些问题,工业界解决该问题的普遍做法是采用“高速电机+机械减速齿轮”的组合,该组合虽然能有效提高电机组合的转矩密度,但增加机械齿轮箱不可避免引入摩擦损耗降低效率,并带来振动增加、噪声增大、可靠性降低等一系列问题。为了解决加装机械齿轮箱所带来的问题,目前主要有两种方案:1.采用新型高转矩密度直驱永磁电机;2.采用“高速电机+电磁齿轮箱”的组合电机;这两种方案在取得超高转矩密度的情况下,均可避免了因增加机械齿轮箱而引入的一系列问题,所以均有非常好的应用前景,也是现在国内外电机领域的研究热点。本文以新型超高转矩密度永磁电机—磁场调制永磁电机基础理论与应用技术为研究主题,从磁场调制永磁电机拓扑基础理论与新型磁场调制永磁电机拓扑理论及设计方法两大研究内容着手,通过理论分析、有限元仿真及样机实验验证进行深入研究,取得了一些创新性的研究成果。首先,本文简要回顾和总结了电磁齿轮、“高速电机+电磁齿轮箱”组合电机及新型高转矩密度直驱永磁电机拓扑的国内外研究现状。然后通过拓扑结构衍变将游标永磁电机、磁通反向永磁电机、开关磁链永磁电机、横向磁通永磁电机等新型高转矩密度直驱永磁电机拓扑统一为一类利用磁场调制原理工作的电机,统称为磁场调制永磁电机,并从理论上证明其与“高速电机+电磁齿轮箱”组合电机工作原理也是相同的。在完成了磁场调制永磁电机拓扑的统一与归类之后,本文进一步提出了具有一般性的磁场调制永磁电机气隙磁通密度谐波、反电势、电磁转矩及功率因数的公式,并以气隙磁通密度谐波的分析结果为基础,深入研究了经典绕组理论在磁场调制永磁电机中的应用问题,成功地将经典绕组理论的研究成果应用于磁场调制永磁电机,从而完善了磁场调制永磁电机绕组分析理论及设计方法。此外,为了进一步完善磁场调制永磁电机拓扑,本文还总结了磁场调制感应电机和磁场调制传动装置的工作原理,进一步提出了磁场调制电磁耦合器的概念,并通过有限元对其工作原理进行了验证。在对磁场调制永磁电机族基础理论及共性问题进行深入探讨后,本文以一种机械结构较为简单的磁场调制永磁电机-游标永磁电机为研究对象,对其更为具体、更为细节的设计及应用技术进行了研究。首先,对传统游标永磁电机转矩性能分析理论进行完善,并从理论分析、有限元仿真计算和样机实验方面进行了深入研究,验证其工作原理的可行性和设计方法的有效性,并通过与现有永磁电机产品对比,对游标永磁电机性能进行了全面的评估。在此基础上,提出一种绕组端部短、永磁体用量更少的新型游标永磁电机-外转子交替极环形绕组游标永磁电机,并通过分析该拓扑结构参数对电磁性能影响,设计一台实验样机,并通过样机实验验证其工作原理和电磁性能。本文另外一个具有创新性的研究成果是提出了一种具有高功率因数、高转矩密度的游标永磁电机-双定子切向励磁游标永磁电机。通过对该拓扑结构及工作原理介绍,给出了该拓扑具有高功率因数的原因,并通过有限元仿真对其电磁性能如功率因数、转矩密度等进行了计算。进一步地,本文还给出了针对该拓扑的详细设计过程,提出了包括针对该拓扑的结构参数初值选择、主要尺寸公式、电磁几何尺寸公式等必要的设计公式;最后,本文设计、加工并测试了一台2000Nm的大尺寸双定子切向励磁游标永磁电机样机,通过空载和负载实验验证了该拓扑的工作原理及设计方法的有效性,并证明其具有高功率因数和转矩密度的优良性能。