清洁替代和电能替代是能源发展的必然趋势。高效、高性能、低成本及智能化的低品位余热发电利用将是能源发展的主要方向。高速透平直驱永磁发电机作为低品位余热发电系统关键部件之一，省去了传统的齿轮箱变速装置，以静密封取代动密封结构，提高了发电系统的热电转换效率和余热资源的利用率。高速透平不可避免地产生轴向力，必须采用专用的平衡机构进行轴向力平衡，但是在稳态、气源扰动和并网电压不平衡运行引起轴向力非周期变化下，平衡机构也承受非周期性的机械冲击，造成发电机结构复杂、损耗大、可靠性低等问题。
　　本文提出一种锥形转子永磁同步透平发电机，通过锥形转子发电机自身产生的电磁轴向力对透平的轴向力进行平衡，简化了透平转子的机械结构、解决转子轴向窜动问题；通过锥形转子的轴向移动实现了发电机输出外特性调节。重点围绕发电机的结构特点、数学模型、磁场分布及其分析方法、性能参数等开展了深入研究，为锥形永磁同步电机在低品位余热利用发电领域的应用提供理论依据和工程实用基础。论文的主要研究工作如下：
　　1、介绍了锥形永磁同步透平发电机的结构和工作原理，研究了由锥形结构引起的不均匀的转子磁路特性，建立了发电机的网络磁路模型和数学模型，推导了锥形磁路参数的解析表达式；结合发电机的运行相量图，采用解析法探讨了等效磁网络模型中各部分磁导的计算以及d-q轴数学模型，分析了发电机的空载反电势、输出电压、电磁转矩等性能。
　　2、建立了透平发电机沿轴向磁场不均匀的2-D、3-D有限元仿真模型，并进行了仿真分析；提出了引入端部效应系数对空载反电势和气隙磁密进行修正的方法，保证输出性能满足设计要求；研究了锥形转子永磁同步发电机的转子锥角变化、转子轴向位移时气隙中的径向、轴向磁场分量的分布以及端部漏磁变化规律；利用3-D模型，分析了电机的齿槽转矩、电磁转矩与结构参数（锥角、转子轴向位移等）对电机性能的影响；利用麦克斯韦应力法，建立了电磁轴向力的解析表达式。
　　3、建立了透平直驱锥形发电机的轴向力耦合模型；基于透平与锥形发电机产生轴向力的理论，推导了轴向力自适应平衡的数学模型；结合有限元建模与仿真，分析了透平轴向力与做工介质膨胀率的变化规律；分析了d、q轴电流对气隙磁场和电磁轴向力、以及d、q轴电流和转子轴向位移对电磁转矩的影响。
　　4、提出了透平直驱锥形发电机轴向力自适应平衡控制策略，研究气源扰动、负载非线性变化时利用发电机d、q轴电流对轴向力实施平衡的控制方法，探讨了电机磁场未饱和及饱和情况下的控制策略，以实现轴向力的实时平衡。
　　5、研制了锥形转子永磁同步透平发电机样机，搭建了以压缩空气为做功介质的发电系统实验平台，对发电机性能进行了测试，并与几何参数接近的圆柱形转子永磁发电机进行了对比，实验结果验证了样机设计分析的准确性和所提控制方法的可行性。