本课题是国家青年自然科学基金项目“轴向主动悬浮的三自由度无轴承永磁电机基础研究(51007051)”的研究内容之一。针对无轴承永磁电机转子偏心运行的特点,本文对偏心磁场解析摄动法进行了深入研究,在此基础上,进行了无轴承永磁电机优化设计的研究。无轴承永磁电机利用磁力实现转子的悬浮和旋转,为电机无磨损高速运转创造了条件。但是,由此产生的转子偏心问题给电机磁场分析和运行控制提出了挑战。对于固定位置的转子偏心问题,有限元法尚能获得较高的磁场计算精度,但对于运动中的转子偏心,气隙网格如何即时调整成为有限元法实施的重大障碍。本文采用全局解析摄动法分析永磁电机转子偏心的气隙磁场,建立了矢量磁位全局解析摄动模型,可分析偏心状态下的永磁磁场和绕组磁场。解析法无需网格剖分,实现了转子自由偏心运转。本文分别对表贴式和交替极两种结构的无轴承永磁电机进行磁场分析,主要研究内容如下:第一、建立了表贴式无轴承永磁电机定转子同心和转子偏心两种状态的全局磁场解析摄动模型,根据边界条件,推导得到通解的各系数矩阵,进而得到了两种状态下各区域的磁场解析表达式,从而计算得到各个状态下的气隙磁密分布。在此基础上计算了电机的空载齿槽转矩和反电势,研究了转子偏心产生的不平衡磁拉力和悬浮加载时产生的悬浮力,计算结果和有限元结果一致性较好,反电势计算波形与样机的实验波形相比吻合度较好。第二、建立了交替极无轴承永磁电机定转子同心和转子偏心两种状态的全局磁场解析摄动模型。创造性地提出了定转子双坐标系解析摄动法,以解决交替极无轴承永磁电机定转子双边开槽结构的偏心磁场求解问题。建立定转子两套坐标系及各自的求解区域,在气隙中设置定转子两区域的公共交界面,推导了该交界面上的交界条件,结合其他边界条件和摄动方程求解,最后得到了各区域的磁场分布。根据磁场分布求得齿槽转矩和反电势的波形,研究了该结构电机不同偏心参数下的不平衡磁拉力及其脉动,同时研究了悬浮绕组加载产生的悬浮力。计算结果和有限元结果比较一致性较好,反电势计算波形与样机的实验波形相比吻合度较好。第三、利用以上解析研究的结果,分别对表贴式和交替极两种结构的无轴承永磁电机进行设计。根据无轴承电机的设计特点,在满足转矩性能要求的前提下,先采用传统的设计方法对电机的尺寸进行初步估算,然后重点研究电机关键尺寸对悬浮性能的影响。对表贴式无轴承电机,研究了永磁体极弧系数和槽口宽度对悬浮的影响。对交替极无轴承电机,研究了永磁体厚度和槽口宽度对悬浮的影响。综合考虑各个参数的影响,得到了电机的电磁方案。第四、搭建表贴式和交替极两种结构无轴承电机控制系统平台,对两台电机进行实验研究,测试偏心和悬浮绕组加载产生的悬浮力,对电机进行静止和调速悬浮实验,测试电机的悬浮性能。