自起动永磁同步电动机兼有异步电机能够自起动和永磁同步电机高功率因数及高效、节能的优点,得到了越来越多的关注和应用。但是,由于永磁电机磁路结构的复杂性,使气隙磁场中含有大量的谐波,这势必导致电机中的谐波电势、谐波电流、振动噪声以及铁心损耗的增大。因此优化永磁电机磁极形状,降低气隙磁场中的谐波含量,对永磁电机效率及性能的进一步提高具有重要意义。本文以优化空载气隙磁密波形为目标,利用电磁场计算的有限元法和两种优化算法(遗传算法以及响应面法),对自起动永磁同步电动机的磁极形状进行了优化,并对磁极形状优化前后的永磁电机性能进行了性能对比分析。首先借鉴表面式磁钢永磁电机的不均匀气隙结构,对自起动永磁同步电动机采用一段圆弧磁极形状进行优化。接着,基于大型凸极同步发电机三段圆弧极靴结构设计的基本思想,提出将三段圆弧结构用于自起动永磁同步电动机的磁极形状设计。利用遗传算法、响应面法及两者相结合的优化算法,获得了两种不均匀气隙结构永磁电机磁极形状参数的最优设计值,并对计及定子斜槽时的空载电动势进行了计算分析,谐波含量得到了明显的降低。然后,利用自主开发的时步有限元法程序对优化前后三种不同磁极结构电机的稳态特性进行了计算、分析和对比,仿真结果表明,通过磁极形状的优化,电机稳态运行时电流中的谐波含量以及力矩波动明显降低。最后,通过在一台自起动永磁电机上的空载实验验证了本文时步有限元程序的可信性,从而间接验证了磁极形状优化方法的正确性。仿真和实验结果表明,本文提出的不均匀气隙结构自起动永磁电机磁极形状的优化方法能够明显降低气隙磁场及电动势中谐波含量并显著提高电机的稳态运行性能。