弧线电机是一种采用分块定子结构,通过多个弧形定子拼装构成的特种直线电机。该类电机无需复杂的中间传动装置,便可用于直接驱动诸如天文望远镜、大型天线、旋转式光伏支架、导弹观测器,核磁共振仪等大型扫描设备进行连续旋转或有限转角运动,在国内外诸多场合得到应用。现今的弧线电机多为转子永磁型结构,永磁体利用率低,转子结构复杂,安全性差,严重制约了该类电机在大型精密扫描设备中的应用。以往针对弧线电机的研究集中于降低转矩波动,忽视了定子不连续造成的不平衡径向力、温升等方面的研究,难以满足精密设备对稳定定位、成像扫描系统对温升控制等关键工程需求。针对转子永磁型弧线电机存在的问题和现有关于弧线电机研究的不足,本文提出了一种采用定子永磁结构和磁阻式转子的磁通切换式弧线电机,对其运行机理和精确模型、周向端部效应、转矩波动和不平衡径向力抑制、结构优化、磁场和温升准确计算、热可靠性提升等关键问题进行了研究。首先,以矢量磁位为中间量,通过求解矢量磁位的拉普拉斯方程和泊松方程,建立了磁通切换式弧线电机的磁场解析模型,并进一步推导了气隙磁密、转矩、径向力、磁链和损耗的解析表达式。针对磁通切换式弧线电机中定转子呈双凸极性,增大了气隙磁密高次谐波含量的特点,基于改进磁导函数模型对磁场解析谐波进行了选择,缩短了解析计算时间,增强了磁场解析模型的实用性。通过与有限元模型结果的对比验证了解析模型的精确性,为磁通切换式弧线电机的分析,以及与其他物理场的耦合计算提供了快速而准确的工具。其次,基于定子等效电路分析了弧线电机所特有的周向端部效应及其引起的三相绕组电感和周向端部漏抗不对称问题,采用辅助齿和绕组换位的方法平衡了不对称参数,给出了方法对转子极数的约束条件。通过磁导函数模型分析了定位力和径向力的特点,揭示了其谐波分布和优化要求的不一致性。在此基础上提出了一种定子错位的新型结构,可同时抑制径向力的主要谐波和定位力的剩余谐波。通过结构应力分析论述了径向力抑制的意义,研制了样机实验平台,验证了所提出新结构的优势。之后,建立了磁通切换式弧线电机的三维热网络模型,针对定子永磁结构中电机损耗、温升问题及其对永磁体磁性能的影响进行了研究。通过综合热网络模型与磁场解析模型,提出了一种考虑电磁特性和温升过程相互作用的磁热双向耦合模型,弥补了以往方法在磁热耦合分析中的不足。基于提出模型研究了自然风冷条件下磁通切换式弧线电机的电磁和温升特性,给出了稳态和瞬态温升的磁热耦合迭代计算方法。分析了恒电流工况和恒转矩工况下电机电磁过程和温升的变化,得到了不同工况下电磁和温升的耦合关系。最后,为提高磁通切换式弧线电机的热可靠性,分析设计了适用于弧形定子的双向水路结构,提出结构能有效平衡定子周向的温差。在磁热双向耦合模型的基础上,增加了考虑水冷的热网络支路,计算验证了设计水路结构能够满足电机系统对温升的限制。研究了断路故障的容错方法,比较了多定子三相串联和双三相并联,以及开绕组和中性点连接结构对容错温升的影响。提出了一种基于冗余绕组的容错增强型结构,可以有效抑制断路容错时铜损和温升的上升,适用于对容错工况的热可靠性有严格要求的场合。