随着国家经济的飞速发展,大中型城市的人口越来越多,城市的交通问题日益严峻。为了满足人们工作生活的需要,近几年许多城市都在建造地铁、轻轨以及城际高铁。如今轨道交通时代已经到来,对轨道交通相关技术的研究需求更加迫切。对于轨道交通而言,牵引系统的研究十分重要,尤其是对牵引电机的研究。本文以一台初级型永磁游标直线电机为研究对象,深入研究了该电机运行原理及性能分析。电机的推力和空载反电动势是电机实现机电能量转换不可或缺的两个重要方面。本文着重推导了电机的空载反电动势以及推力的公式,从谐波角度分析了电机推力密度的提升机理。多谐波永磁游标直线电机通过采用沿气隙非均匀分布的永磁体阵列可以实现更丰富的谐波,其性能优于传统的初级永磁游标直线电机。本文的主要研究成果如下:1.对多谐波永磁游标直线电机的结构做了详细的描述并且与传统的直线电机的结构放在一起做了多方面比较。同时,基于电机的拓扑结构建立了磁动势-磁导的数学模型。再由这数学模型推导出了磁动势、磁导公式。此外,还通过公式对磁动势、磁导中的谐波含量进行了分析。再由磁动势-磁导公式推出空载气隙磁密公式,分析了气隙磁密中所含谐波阶次并与有限元仿真结果比较。2.结合理论解析和有限元仿真结果具体分析了多谐波永磁游标直线电机的气隙磁场调制原理,初级齿与次级齿相互调制产生丰富的谐波。同时,分别从理论解析和有限元仿真两个角度给出了两台电机的磁密相角分析,从而区别出运动和静止的谐波,有利于分析各次谐波对于反电势的作用效果。3.推导出了反电势公式并采用等效模型法加以验证,建立了与谐波阶次相对应的几个电机模型并将这几个电机模型的基波反电势相加得到总基波反电势与原模型仿真结果以及理论解析法的结果相比较。最后,解析法及等效模型法均与有限元仿真结果基本吻合,验证了反电势公式及等效模型法的有效性。4.利用反电势与推力的关系,由反电势公式推导出电机的推力公式。将推力的理论分析结果与有限元结果相比较,结果基本吻合。同时,通过有限元法和理论分析,对两台电机的电磁性能进行了分析和比较,如推力、定位力、损耗和效率等等。结果表明,与传统的初级永磁游标直线电机相比,多谐波初级永磁游标直线电机的推力密度提高了15%。此外,还对电机进行了热分析、以及永磁体不可逆退磁能力分析,结果表明该电机在正常工作状态下永磁体不易产生退磁。5.加工制造了这台多谐波永磁游标直线电机样机并与实验室现有设备搭建了相关实验测试平台。测了电机的速度、反电势、推力和效率等等。测试结果与理论分析及有限元分析结果具有一致性,有效验证了磁场调制理论分析的正确性。