永磁同步直线电机可以替代传统的旋转电机与传动机构相结合的的进给系统,近年来其结构和功能上的优点受到国内外学者的广泛关注。但在实际应用中,直线电机相较于滚珠丝杠推力波动大的缺点限制了其运动性能的提高。同时,在电机设计过程中,传统的设计方法已不再适用当前的电机优化任务。因此,运用先进设计方法,设计并优化一种大输出推力兼具低推力波动的永磁直线电机,具有实际的工程意义和创新性。本文主要研究工作如下:（1）总结和介绍了永磁直线电机与永磁游标电机的发展和现状,针对目前应用于数控设备进给系统的直线电机存在输出推力较小且推力波动较大的问题,提出一种新型Halbach阵列永磁直线游标电机（Halbach-Array Permanent-Magnet Linear Vernier Machine,HA-PMLVM）的拓扑结构;基于电机设计理论与电磁学原理,针对HA-PMLVM的初级次级结构、槽极数配合等重要结构参数进行了设计,并介绍了电机的设计过程。在初步设计的基础上,通过分层解析法和等效磁化法,对HA-PMLVM的各层解析区域,包括齿槽区、铁轭区、永磁阵列区以及气隙区的磁场分布进行解析分析,确定了影响HA-PMLVM的输出性能的主要结构参数;（2）在解析分析结果的基础上,引入Taguchi优化方法,通过正交试验设计改进优化过程,以空载反电势望大,静磁阻力望小为优化目标,对HA-PMLVM的结构参数进行了优化设计,以最小有限元计算次数获得最优试验结果,大大减小了设计工作量,提升了优化工作效率。采用均值分析和方差分析等统计学分析方法,对重要结构参数进行显著性分析,总结并确定最合适的参数取值,优化结果提升了空载反电势幅值16.44%,降低了静磁阻力61.10%;（3）利用有限元软件深入分析了HA-PMLVM的电磁性能。将HA-PMLVM与传统永磁直线游标电机拓扑结构的仿真模型进行对比,验证所提出的HAPMLVM拓扑结构的有效性和优越性,采用Halbach阵列励磁能有效提升输出推力,降低推力波动。针对HA-PMLVM的空、负载性能表现及其电感特性等方面,分析相关理论并利用有限元分析结合MATLAB等数据处理工具进行深入计算和研究,对电机的电磁特性进行分析评价;（4）根据HA-PMLVM的电机性能和目标工况,进行一体化机电系统搭建,包括直线电机驱动平台实物的搭建和HA-PMLVM的驱动控制系统的设计。直线电机控制系统采用双闭环矢量控制,在Simulink中对控制系统进行仿真分析,在前文研究基础上,重点研究了电机的启动特性、负载突变特性和堵转特性。所搭建的直线电机驱动平台具有系统刚度大、摩擦阻尼小、调试安装方便的特点,并且设计了工作平台和系统布线,进一步减小了系统损耗和柔性振动,结合无线传输和无线充电技术,可以使驱动系统的完全独立运行,提升输出性能。最后在所完成的机电系统基础上,测试了电机性能,验证设计成果合理有效。