本文以国家自然科学基金和高等学校博士学科点专项科研基金项目为研究背景,针对常规电励磁同步电机存在的电刷滑环可靠性不高的问题,提出研究一种复合转子结构的定子电励磁无刷同步电机(Brushless Electrically Excitated Synchronous Machine,BEESM)。该种电机的定子上嵌有两套不同极数的绕组,分别为三相对称电枢绕组和单相励磁绕组。两套定子绕组形成的磁场通过特殊结构的转子进行间接耦合,实现机电能量的转换。该种电机在兼顾了常规电励磁同步电机优点的基础上,从电机本体上彻底取消了电刷和滑环装置,使得运行更加可靠并减少维护费用。本文对BEESM进行系统的理论分析和实验研究,主要研究工作包括以下几方面:(1)定子电励磁无刷同步电机结构和原理上均与常规有刷电励磁同步电机有较大不同,现有分析理论和方法不再直接使用,为此本文深入研究了该种电机的基本电磁关系和磁场调制机理。基于电机转子演变历程及其各自的优缺点,提出了具有强耦合能力的磁障转子与笼型转子相结合的新型复合转子结构;分别推导了磁障转子和复合转子电励磁同步电机的等效电路和电磁转矩表达式;基于BEESM在不同运行方式的电磁关系,系统的分析了BEESM的能量流通关系。(2)为深入研究所提出新型混合转子的耦合能力,以提高电机的功率密度和运行性能,采用有限元方法系统的分析了励磁绕组极数、转子极弧系数、导磁层数目、导磁层与非导磁层宽度比和短路笼条组数对电机耦合能力的影响,确定了获得最佳耦合能力的电机结构参数方案,为新型混合转子的设计和研制提供了理论基础。基于绕组函数法,推导了磁障转子和复合转子BEESM电感参数的计算模型,编制了相应的计算软件,对电机的电感参数进行了定量计算和定性分析。(3)为了系统分析研究磁障转子和复合转子BEESM不同运行方式下的稳态和动态运行特性,分别建立了abc坐标系下磁障转子和复合转子BEESM的通用数学模型,并给出了不同运行方式下的端电压约束。对其电动方式下的异步起动、牵入同步、突加负载和发电方式下的空载和负载运行特性进行了仿真研究分析,并对比分析了不同极数配合和不同转子结构BEESM的运行性能。(4)针对BEESM中气隙磁场谐波含量相对丰富的特点,建立了电机铜耗计算模型和考虑谐波磁密、交变磁化和旋转磁化的铁耗计算模型,进行了详细的损耗计算。并与实验测得的损耗进行了对比,以验证损耗计算方法的正确性;基于电机损耗的计算结果,建立了BEESM三维温升计算模型,全面分析了电机内部温升分布情况。为该种电机的损耗分析和温升计算提供了依据。(5)设计并研制了6+2极和8+4极BEESM的试验样机,每台样机有两种结构转子,分别为磁障转子和复合转子,并搭建了实验系统平台。采用静测法对样机的电感参数进行测量,从而验证了电感参数计算模型的正确性。对样机的电动运行方式和发电运行方式进行了全面的实验研究,证明提出的BEESM具有良好的运行性能,进一步验证了理论分析和研究方法的正确性和有效性。