直线电机具有高精度、高加速度、高效和结构简单的优势，被广泛应用于航空航天、高档数控机床、激光加工、半导体加工、轨道交通等高端制造业之中，是许多高端制造装备的核心零部件之一。目前，我国直线电机的相关产业仍处于初步发展阶段，与国外同类产品差距较大，大量市场份额被国外产品占据。因此，针对高性能直线电机，特别是占市场份额较大的永磁直线电机的研究将是至关重要的。
　　对直线电机本体而言，衡量其性能的指标主要是电机推力密度和推力波动，前者决定电机响应速度，后者决定电机定位精度。为提升直线电机的推力密度并降低其推力波动，近年来，一种名为游标永磁直线电机的新型直线电机拓扑被提出并得到关注。游标永磁直线电机拓扑演变自旋转电机中的游标永磁电机，而后者已经被证明具有兼顾高转矩密度和低转矩脉动的优势。但直线电机与旋转电机在结构上存在诸多不同，如直线电机特有的边端效应，以及气隙尺寸较大等，造成目前所提出的游标永磁直线电机仍然面临推力波动较大、推力密度有待进一步提升等问题。此外，目前对此类游标永磁直线电机的研究仍主要停留在有限元仿真验证阶段，缺乏对其内在电磁特性及推力波动的系统分析，因此制约了游标永磁直线电机的进一步发展和应用。
　　为此，本文以游标永磁直线电机为研究对象，从游标永磁直线电机电磁特性分析和新型拓扑结构两方面入手，通过解析公式推导、有限元仿真及样机实验等手段对游标永磁直线电机进行深入的研究，并取得了一系列成果。
　　首先，本文对现有关于游标永磁直线电机的研究工作进行了梳理和总结，简要分析了相关研究的发展脉络与作用。借助经典的磁场调制原理，本文理清了游标永磁直线电机的概念，证明了现有的次级永磁型结构才是对应旋转电机中游标永磁电机概念的游标永磁直线电机。
　　其次，本文推导了游标永磁直线电机电磁特性的计算公式，完善了此类电机电磁特性分析与设计的理论框架。通过对游标永磁直线电机的经典结构——表贴永磁体游标永磁直线电机进行相应的解析模型构建，本文提出了具有一般性的游标永磁直线电机空载气隙磁密、空载反电势、平均推力、电感、功率因数等关键电磁特性的解析表达式，并通过有限元仿真对其准确性进行了验证。基于解析公式，本文阐明了游标永磁直线电机具有更高推力密度和较低功率因数的原因，并给出了游标永磁直线电机的尺寸方程和设计流程。
　　再次，本文推导了游标永磁直线电机空载定位力、负载推力波动及法向力波动的计算公式，提出了一系列有效的推力波动抑制策略。虽然边端尺寸优化和模块化设计已经成为游标永磁直线电机设计中常用的推力波动抑制手段，但现有文献对其内在机理尚缺乏系统的分析。为此，本文结合前述理论分析所推导的公式，完善了针对上述两种推力波动抑制策略的理论分析，并得出边端尺寸优化并不能完全抑制边端力的重要结论。此外，通过对游标永磁直线电机槽极配合的分析，本文创造性地提出了电机横向有效长度内永磁体极对数为分数的分数极游标永磁直线电机，并对其绕组理论、相电流夹角特征等进行了理论分析，得出其具有一般性的规律特点，完善了游标永磁直线电机的绕组理论和设计方法。本文还提出了采用对称分量法分析边端效应引起的三相反电势不对称问题，并由此证明了电机两侧边端槽分配给两相绕组更有利于抑制推力波动的重要结论。
　　最后，基于上述理论分析，本文提出了四种新型游标永磁直线电机拓扑结构，以进一步提升游标永磁直线电机推力密度或降低其推力波动。这四种新型拓扑结构分别是具有更高推力密度的内置永磁体游标永磁直线电机、双边永磁型交替极游标永磁直线电机，以及具有更低推力波动的分数极游标永磁直线电机、双边永磁型模块化游标永磁直线电机。鉴于所提出分数极游标永磁直线电机在具有较好性能的同时结构简单可靠，因此本文最终设计制造了两台样机(12槽20极整数极游标永磁直线电机、18槽29极分数极游标永磁直线电机)进行相应实验，以验证论文中所分析的整数极和分数极游标永磁直线电机的性能。最终得到的实验结果与设计值吻合，从而验证了文中相关研究成果的有效性。