交通电气化已经进入高速发展阶段,对电机系统的轻量化、安全性和效率提出了更高要求。传统永磁电机具有高效高功率密度的优点,但磁通难以调节,存在弱磁调速困难和故障灭磁困难等难题。电励磁同步电机控制简单,可以通过控制励磁电流的大小改变气隙磁场,实现电机调速的目的,但功率密度和效率较低。混合励磁同步电机可以综合永磁电机和电励磁同步电机的优点,具有相对较好的电磁性能和弱磁调速能力。但是,传统的混合励磁同步电机在设计中往往采用转子凸极中心对称放置的永磁体结构,使得电机的励磁转矩和磁阻转矩的最大值在不同的电流相位角处叠加,导致转矩成分不能被充分利用。基于此,本文通过充分分析传统电励磁同步电机和传统混合励磁同步电机的结构特点和转矩特性,以励磁转矩和磁阻转矩能够在相同电流相位角处达到最大值为目标,提出一种具有非对称转子结构的新型混合励磁同步电机,不仅提升了电磁转矩,而且降低转矩脉动。具体研究工作如下:(1)为突出新型混合励磁同步电机的优点,本文采用定量对比研究方法,在电励磁同步电机设计的基础上,设计了传统混合励磁同步电机和新型混合励磁同步电机。通过有限元方法,对三种电机模型的转矩特性进行了分析,验证了提出电机模型通过提升转矩成分利用率来提升电磁转矩的设计原理。通过对比分析三种电机模型的空载反电动势、电磁转矩和转矩脉动,证明了新型电机较另外两种传统电机具有较高的反电动势有效值、较高的电磁转矩和较低的转矩脉动。(2)以电机尺寸和永磁体用量为约束条件,提升电磁转矩、降低反电动势谐波和转矩脉动为优化目标,针对新型混合励磁同步电机分析了 5种不同的极槽配合方案,综合多目标优化结果,确定8极36槽为最优极槽配合方案。在转子拓扑结构优化方面,在保证永磁体用量相同的条件下,对永磁体所在位置、永磁体的尺寸等多个方面进行进一步优化,当电机凸极弧度为34°、永磁体完全偏置时,电机转矩成分利用率和总电磁转矩最大,并且反电动势谐波和转矩脉动得到降低。相较优化前,电机的总电磁转矩提高了 12.22%,励磁转矩和磁阻转矩的叠加情况与目标转矩特性一致。(3)分析了新型混合励磁同步电机的空载、额定负载、高速弱磁和过载四种状态下的电机磁通密度分布情况,表明了新型混合励磁同步电机在不同工况下能够满足设计要求。针对新型混合励磁同步电机气隙磁场调节手段多元的优点,研究了通过改变励磁电流进行弱磁控制的策略,并且分析了弱磁调速过程中电机的转矩和转矩脉动情况。分析了电机在空载与额定负载条件下的铁耗和铜耗,并对电机永磁体进行了退磁分析,表明了新型混合励磁同步电机永磁体在2倍额定电流内具有优异的抗退磁性能。(4)分析了电机的电磁振动情况,推导了新型混合励磁同步电机在空载和负载时的径向电磁力表达式,说明了电磁力波的成分和产生的原因。利用有限元方法,分析了电机空、负载和中高速轻载时的径向电磁力,获得了电机额定工况下的径向电磁力二维傅立叶分解后的时间谐波频率阶数和空间谐波次数。分析了电机定子的模态,得到了电机不同阶数下的固有频率。最后,综合径向电磁力和模态分析得到了电机的电磁振动特性。