直线电机在精密机床、3D打印、激光切割、数控系统等领域中的应用越来越广泛,需要满足各种工况下的稳定和安全运行的要求。永磁同步直线电机的输出推力与电机绕组电流密切相关,提升电机的电负荷是提升电机推力密度从而极大提高电机输出推力的可行方法,但是,这必然导致电机绕组电流密度极大提升,绕组温升会迅速变大。与有铁芯直线电机的构造相比,无铁芯直线电机的线圈没有足够的散热空间,更应该考虑其温升特性。水冷是电机常用冷却方式之一。研究无铁芯直线电机的温升特性和水冷结构的设计具有重要现实意义。本课题以抑制无铁芯永磁同步直线电机（permanent magnet synchronous linear motor,PMSLM）初级温升,提高直线电机不同工况下的过载能力和持续输出推力,保证电机在各种极端工况下安全运行为目的,以热流固耦合有限元分析（finite element analysis,FEA）和热网络分析（thermal resistance-network analysis,TRA）为主要建模方法,研究了直线电机的温升特性,并据此设计了一种适用于无铁芯双层永磁同步直线电机的水冷结构,在初级双层绕组间布置水冷板,同时设计其冷却水道拓扑,优化水冷结构和给水系统参数。本课题从结构设计部分尝试创新,从不同工况下的电磁场和热流固耦合场建模阐述、仿真计算对比以及实验对比证明了本课题建模方法的正确性和设计的水冷结构的有效性。本文主要做了如下几个方面的工作:1.针对本文的主要研究对象—双层无铁芯永磁同步电机,阐述了其整体结构和其内部的初级绕组结构。并给出温度场和热流固耦合场建模的基本假设条件与数学模型,为稍后的建模计算提供理论基础。最后,为了获得直线电机在短时高过载运行与短时周期运行时的温升特性,分别求解不同工况下的电机初级绕组导热系数和温度场边界条件,建立直线电机初级温度场模型,并据此得到初级的温升特性。2.根据得到的电机初级在无水冷情况下运行的温升结果,引入了本文所提出的水冷结构,在双层绕组间布置水冷板,从而提高电机初级散热效能。对比分析了所设计的两种水道走势拓扑的散热效果。分别建立水冷电机的热网络模型和耦合FE模型,计算了直线电机在水冷下的温升,结果均表明初级温升大幅下降且满足预期散热效果。为了获得此时电机过载能力的改善情况,建立了基于响应面的快速计算模型,得到了电机在水冷情况下的极限最大持续工作电流。最后建立了水冷电机的电磁FE模型,分析了其电磁性能。结果表明所设计的水冷结构,大幅改善了电机的过载能力,大幅提高了电机的持续输出推力。3.针对所设计的水冷结构,以降低对电机电磁性能的影响、减少给水系统能耗为优化的基本原则,对水冷结构和给水系统进行更细致的参数优化分析。分别分析研究了不同冷却水道槽截面形状、不同冷却水道水槽深度、不同给水系统入口水速时电机电磁性能和给水系统耗能的情况。最后研究了优化后的水冷电机的温升性能。4.建立了直线电机推力和温升测量实验平台,验证了本课题提出的各种建模方法计算结果的准确性和设计的水冷结构的有效性。据此,本课题中建立的温升计算模型和设计的水冷结构能够为直线电机温升特性研究和水冷结构设计提供新思路。