稀土永磁无铁心电机是代表电机行业未来发展方向的一种新型特种电机。轴向磁场的盘式无铁心永磁电机因具有轴向尺寸短、体积小、结构紧凑等特点，已经成为研究热点。尤其在轴向尺寸有限的应用场合，例如空调外机、汽车散热器的风扇、电动车辆等，具有明显优越性。本文在总结国内外现有轴向磁场无铁心永磁电机研究成果基础上，就定子无铁心轴向磁场永磁(AFPM)电机样机设计、三维(3-D)气隙磁场分析、性能分析、优化、轴向电磁力、机械强度等进行了全面研究;在此基础上，提出了一种磁极组合型无铁心AFPM电机。　　本论文首先分析了定子无铁心AFPM电机的结构特点，提出本文所设计样机的主要结构;对样机进行了详细设计，给出了电机主要尺寸、定子绕组参数及转子永磁体尺寸参数的确定方法。　　其次，基于麦克斯韦方程，应用分离变量法，结合贝塞尔函数理论，对定子无铁心AFPM电机磁场进行了分析，得到了3-D磁场解析模型，该方法可直接用于电机优化设计。研究了气隙轴向磁密分布与电机径向位置，周向位置及轴向位置的关系。作为对解析法的一个验证，基于3-D有限元分析方法对定子无铁心AFPM电机的磁场进行了分析，有限元法得到的结果与解析法得到的结果是一致的。　　第三，基于3-D磁场解析模型研究了定子无铁心AFPM电机的性能分析方法，给出了无铁心定子绕组的绕组系数、电动势、电感等的解析计算公式。结合样机的控制方式，对电机稳态工作性能进行了分析。由于电机无铁心结构，绕组直接暴露于交变磁场，所以无铁心绕组的涡流损耗不得不考虑。在稳态性能分析过程中，重点讨论了绕组涡流损耗的计算方法，推导了计算公式。并对样机进行了实验测定，与理论解析结果进行对比。　　第四，对定子无铁心AFPM电机而言，进行优化设计不但可以提高电机性能，而且能够缩短设计周期。本文利用遗传算法，结合3-D磁场解析法，分别以两种不同的优化目标对该电机进行优化设计。详细介绍了优化变量、优化目标的确定原则，并对优化后的设计结果与原方案进行分析、比较。在满足约束条件前提下，优化后的AFPM无铁心电机减小了永磁材料用量，降低了电机成本，提高了电机效率。　　第五，对定子无铁心AFPM电机的轴向电磁力密度及轴向电磁力进行计算，分析了永磁体尺寸及气隙长度对轴向电磁力的影响。并针对样机加工或装配中常出现的误差，分析无铁心绕组偏离中心及转子盘发生倾斜导致气隙不均匀这两种现象对电机性能影响;利用结构有限元分析方法对转子盘体应力分布及变形进行研究，为定子无铁心AFPM电机转子盘的优化设计提供保障和依据。　　最后，针对常规定子无铁心AFPM电机有效气隙较大，气隙磁密不高的特点，同时为降低电机永磁材料用量，提出了一种磁极组合型无铁心AFPM电机。该电机采用组合式转子磁极结构，即电机转子每一对磁极由一块轴向充磁永磁体、两块切向充磁永磁体及嵌在两块切向充磁永磁体中间的软磁材料组合而成，该结构电机已经申请专利。同时，以气隙磁密正弦性及单位永磁体产生气隙磁密大小为优化目标，利用有限元分析方法对组合型磁极的尺寸进行了优化分析。针对优化结果尺寸，设计并制作了样机。