永磁直线同步电机（Permanent Magnet Linear Synchronous Motor，PMLSM）具有推力密度高、响应速度快；可靠性好、效率高；可控性好、精度高等显著优点，广泛应用在精密运动平台中，实现高速长行程运动和微米级、亚微米级的定位精度。由于初级铁心纵向开断，直线电机存在特有的纵向端部效应，同时受齿槽效应、横向端部效应和外悬效应等因素的影响，气隙磁场发生了很大的畸变。受现有加工制造、安装精度及人为等因素的限制，永磁直线同步电机三维空间磁场分布存在非对称性，产生了寄生力或力矩，使电机系统产生振动和噪音。本文以精密运动平台用永磁直线同步电机为研究对象，针对以上问题开展计及齿槽效应、端部效应和外悬效应的永磁直线同步电机磁场精确解析、三维电磁力分析以及性能参数分析与优化设计的研究。本文首先分别建立基于永磁体等效磁化强度法和电枢绕组等效面电流法的永磁直线同步电机层分析模型，根据对称和非对称的边界条件得到无铁心和无槽PMLSM永磁体励磁磁场与电枢反应磁场。考虑到铁心开齿槽和永磁体斜极的拓扑结构，分别建立考虑齿槽效应和斜极效应的分析模型，推导气隙相对磁导分布函数和斜极、类V形斜极磁极结构的参数等效转换表达式，得出斜极有铁心PMLSM的永磁体励磁磁场与电枢反应磁场。结合不同的边界条件，建立的计及齿槽效应和斜极效应永磁直线同步电机磁场分析方法具有广泛的适应性。上述分析为后续完善计及端部效应的永磁直线同步电机磁场精确解析方法奠定理论基础。由于短初级长次级PMLSM动子铁心在纵向和横向方向均为有效长，电机纵向端部和横向端部的磁场发生很大的畸变，分别针对纵向和横向端部效应及外悬效应展开研究。在纵向端部效应静态模型的基础上，建立能模拟纵向端部效应的铁心端部虚拟边界模型，得出在动子运动过程中短初级有铁心PMLSM纵向端部区域的磁场分布。建立考虑外悬效应的有铁心PMLSM横向端部效应分析模型，研究揭示外悬效应机理和不同外悬长度对横向端部磁场的影响规律，并分析横向端部效应与外悬效应的内在关系。采用等效磁荷法和镜像法精确解析无铁心PMLSM的三维空载气隙磁场，分析横向端部效应对气隙磁场的影响规律。最终建立计及各种效应的永磁直线同步电机磁场精确解析方法。在计及齿槽效应、斜极效应、端部效应和外悬效应的永磁直线同步电机磁场分析方法的基础上，以精密运动平台中常用的具有代表性的无铁心和有铁心PMLSM作为具体研究对象，开展三维电磁力研究。先阐述永磁直线同步电机寄生力的定义及其主要产生原因，揭示出永磁直线同步电机寄生力及其波动的产生机理。推导无铁心PMLSM的三维电磁力表达式，研究揭示绕组端部产生的电磁推力和初级、次级发生横向偏移时产生的横向寄生力的变化规律。之后，采用改进积分路径的麦克斯韦应力法推导有铁心PMLSM定位力与空载法向力、电磁推力和负载法向力；在建立斜极永磁体等效为载流导体的分析模型基础上，推导斜极有铁心PMLSM横向寄生力表达式，揭示斜极有铁心PMLSM横向力及其波动的产生机理，并研究极槽配比、永磁体倾斜长度、外悬长度、相电流等电磁参数对横向力及其波动的影响规律。研制旋转伺服电机+滚珠丝杠副加载的直线电机气浮测试平台，并开展PMLSM样机电磁力测试研究。基于精密运动平台的应用背景，分别确定无铁心和有铁心PMLSM关键的性能参数，开展性能分析、多目标优化设计和两种类型电机性能对比评估等方面的研究。对于无铁心PMLSM，分析非重叠和重叠集中绕组电机的最佳极槽配比；研究揭示永磁体和电枢绕组的结构、尺寸对推力体积密度、推力质量密度、电机常数和推力波动的影响规律。对于有铁心PMLSM，提出齿槽效应和纵向端部效应分离法，推导齿槽定位力与齿槽效应空载法向力、端部定位力与端部效应空载法向力解析式，研究得到矩形、斜极和类V形磁极结构对两种效应的定位力和负载法向力影响规律。之后，以非重叠绕组无铁心PMLSM为案例，开展基于多种群遗传算法和权重系数相结合的电机多目标优化设计研究。最后，对无铁心PMLSM和有铁心PMLSM进行性能对比评估，并总结出精密运动平台用永磁直线同步电机的选型准则。