本论文在系统分析多自由度电机的发展现状与趋势的基础上,针对一种新型永磁球形多自由度电机进行了分析和研究,建立了该电机的有限元模型、分析了该电机用永磁体静磁场特性、建立了该电机转矩模型、进行了电机的优化设计最后制作了该电机的模型机对理论进行验证。由于永磁球形电机独特的三维球形结构,使得该电机的理论研究与传统电机具有明显的不同。目前该类电机的研究较为匾乏,因此,研究成果可为同类型电机的研究提供借鉴和参考。与一般多自由度电机相比,永磁球形电机具有结构简单、体积相对较小、控制简单、力能指标较高等优点。作为执行元件在驱动机构完成三维空间运动方面,能有效简化机构的复杂度、提高系统的动静态性能,也因此成为当前机电驱动元件的一个研究前沿,不仅具有较深的理论研究背景,也具有良好的实际应用意义。本论文的主要工作具体包括以下几个方面:1)简述了永磁球形多自由度运动电机的优越性能,首次提出了永磁球形多自由度电机的分类,重点介绍了国内外的永磁球形多自由度运动电机最新研究进展和研究中遇到的问题,并探讨了永磁球形多自由度电机的发展前景和趋势。2)利用Ansoft分析软件中的Maxwell3D模块建立了一种新型永磁球形多自由度电机的仿真模型,给出了新型多自由度电机有限元模型的区域剖分原理和小区域加密过程。还详细介绍了永磁球形多自由度电机在Maxwell软件中建模过程。有限元模型为该永磁球形多自由度电机的进一步研究提供了模型支持。3)本论文所研究的永磁球形多自由度电机用永磁体是一个特殊的球形结构,目前的钕铁硼制备技术对其进行多极充磁存在一定的困难,本论文把转子结构进行了改进,可以基本接近原有的设计效果。为这种新型永磁球形多自由度电机提出了4种永磁转子设计方案,对每一种设计的永磁体结构进行了静磁场磁通密度模值分析和静磁场分析,在三维有限元Ansoft软件中,对各种永磁转子结构的球形多自由度电机进行转矩特性的仿真。结合现在的钕铁硼生产技术,最终制备了5个圆柱体组合结构的钕铁硼永磁转子来代替球形结构。4)利用Ansoft软件中的Maxwell 3D模块建立的永磁球形多自由度电机的仿真模型,对球形永磁多自由度电机转矩特性进行仿真,得到球形永磁多自由度电机转矩特性分布曲线。仿真结果为球形永磁多自由度电机的进一步优化设计提供了理论依据。5)针对永磁球形多自由度电机特殊结构,优化过程中,选用球形转子输出转矩和用材料量作为优化目标,并保持球形永磁转子半径R、转子开口半径Rk、定子上半径Rd s和定子下半径Rd x不变。优化过程中对小生境遗传算法进行改进,通过对结果的比较,所设置的目标函数达到了要求,球形转子输出转矩有一定的提高,用有效材料用量有所减少,证明改进算法的有效。6)设计并制作了该新型永磁多自由度电机的模型原理机,对理论进行验证。