无铁芯永磁同步直线电机（Permanent Magnet Synchronous Linear Motor,简称PMSLM）作为直线电机的一种特殊形式,凭借其推力波动小、定位精度高的突出优点在光刻机、高档数控机床等高精密领域有巨大实用价值。但是由于初级无铁芯,该电机物理气隙大,电机的电磁设计及输出特性不同于有铁芯电机。本文以提高无铁芯PMSLM的推力密度、可靠性和输出稳定性为目的,对电机的结构、电磁和热特性进行分析,并开展电机的多目标优化设计研究。首先分析了无铁芯PMSLM的气隙磁密、磁场谐波等电磁特性差异,研究了不同负载条件下无铁芯PMSLM的基本输出特性,揭示了极弧系数、永磁体充磁厚度、绕组厚度和不同磁极结构对推力性能的影响规律。针对无铁芯聚磁导致的绕组分布特殊性,推导了电机绕组因数的计算方法,揭示了绕组因数与推力性能的关系。对比了六种极槽配合无铁芯PMSLM,研究了它们的非重叠绕组和重叠绕组结构。重点研究了绕组加工误差对推力特性的影响,分析结果可为绕组加工及装配的工艺提供参考。考虑到无铁芯PMSLM磁负荷较低,通常采用较大电密来提高推力密度,但随之而来的温升会影响电机的可靠性和稳定性。针对这个问题,开展电机温度场计算工作,分析了不同工况下铜耗变化规律,建立分层等效模型来解决绕组建模复杂的问题,并获得了运动区域的散热系数。基于温度场计算,获得了电机温升规律,阐明了绕组偏差对温升的影响规律。针对无铁芯PMSLM涉及参数繁多、优化目标不单一的问题,先建立反向传播（Back Propagation,简称BP）神经网络的代理模型实现电机参数与推力性能的准确映射,再利用粒子群算法完成多个目标的综合寻优。并根据电机工作制的不同,将材料耐温和温升引起的推力改变加入优化的约束条件,实现综合考虑推力和热特性的优化设计。研制了无铁芯PMSLM样机,搭建相关测试平台并完成绕组参数、空载反电势、静态推力和温升测试,实现对本文理论分析和优化设计研究工作的有效验证。