混合励磁电机是在传统永磁电机的基础上,通过增设电励磁绕组,进行结构调整而形成的,电机内永磁磁势和电励磁磁势可设计成串联关系、并联关系和并列关系等。混合励磁电机继承了永磁电机的效率高、功率密度高等优点,同时又具有调压、调速等场合所需的磁场可调的特征,在航空航天、风力发电和汽车等领域具有未来可期的应用前景。本文提出了一种切向磁路和径向磁路并联的切向/径向混合励磁同步电机(Tangentic/radial magnetic path hybrid excitation synchronous machine,T/R-HESM)。从T/R-HESM的基本电磁特性入手,针对励磁方案的选择、运行特性、损耗计算、效率分析和温度场的求解等问题开展了深入的研究。为解决T/R-HESM的无刷化励磁,对T/R-HESM的电磁特性进行定性分析,借鉴并改进航空领域中电励磁无刷同步电机的三级式方案。由于T/R-HESM中存在一定大小的初始永磁磁场,利用该部分磁场省去三级式方案中的永磁副励磁机,提出了两级式无刷励磁方案(两级式无刷混合励磁同步电机,Two-stage brushless hybrid excitation synchronous machine,T-BHESM),主电机采用T/R-HESM,励磁机采用旋转电枢式交流发电机,励磁机电能经旋转整流器整流后,为主电机提供直流励磁。鉴于主电机和励磁机磁场的空间分布特征,选择二维非线性有限元法作为本文电磁场计算的主要方法。首先,计算了主电机的磁场分布特征、磁场调节特性。为改善输出电压的波形品质,分别从定子斜槽和转子形状等角度入手,一是对优化前的相电势谐波进行了分析,比较了采用定子斜槽前后,相电势谐波含量的变化,二是对优化前的气隙磁场谐波进行了分析,研究了主电机转子形状对气隙磁场的影响。根据主电机的计算结果,明确了(主电机)对励磁机的励磁需求,确定了励磁机的基本尺寸。对励磁机的电磁磁场进行了计算,重点关注的是带整流负载时励磁机的电流放大能力。为了研究结构参数对励磁机励磁能力的影响,计算了励磁机气隙磁场以及整流电压等,随极弧系数、气隙长度等结构参数的变化规律。为了研究T-BHESM的运行特性,对电感特性进行了计算和分析。与传统同步电机不同,由于主电机中切向磁路和径向磁路两者的耦合程度高,转子上存在严重的磁饱和。为解决这一问题,引入了基于冻结磁导率思想的数值法计算电感,将非线性问题转化为线性问题。负载工作时,电机磁饱和程度受电励磁磁势、永磁磁势和电枢磁势共同影响。为此,在对自感和互感分析的基础上,研究了励磁强度、负载大小等因素对交直轴电感的影响。以绕组电感为基础,建立了电机的数学模型,基于该模型计算了主电机的外特性。结合混合励磁电机的固有特性,本文研究了T-BHESM的损耗。首先,对电机中的典型损耗类型及其产生原因进行了分析,在此基础上,确定采用数值法作为损耗计算的主要方法。计算了主电机空载时励磁强度、转速高低,以及带载时负载大小、负载类型对铁损的影响,并分析了铁损分量的频率特征。比较了永磁体采用不同分块方案时,对涡流损耗的影响。研究结果表明,轻载时,主电机定子铁损是损耗的主体,随着负载增大,铜损逐渐成为电机损耗的另一主要部分;仅就主电机转子而言,低速运行时,励磁损耗是损耗的主体,随着转速升高,转子铁损和永磁体涡流损耗逐渐成为转子损耗中不可忽视的另一主体。基于上述损耗数据,计算了电机的效率,结果显示额定运行时效率高达90%以上。采用有限元法对电机的温度场进行了研究。首先,定性分析了电机的热传递路径,考虑到电机的结构特征,以电机的三维模型作为有限元计算的求解域。以前述的损耗数据作为热源,计算了电机的温度场,给出了空载时转速高低、励磁强度,以及带载时负载大小、负载类型与温升的关系。研究表明,与传统永磁同步电机相比,T/R-HESM中位于转子上的永磁体,温度环境相对恶劣,这是因为永磁体距离励磁绕组较近,励磁绕组的热量对其产生直接的影响。此外,还研究了(机壳表面上的)风速、绕组槽内因素和散热筋结构参数等对温升的影响。本课题受国家自然科学基金项目:切向/径向混合励磁无刷变频交流同步发电机的基础研究(项目编号:50977044)和江苏省产学研联合创新资金前瞻性研究项目:城市轨道交通直驱式电力牵引系统与控制技术研究(BY2014003-09)资助。