传统单自由度电机仅提供单轴旋转,而典型的运动控制系统例如串联机械手、并联机械手需要具有多个单轴旋转电机,所造成的结构臃肿、控制复杂等缺点限制了其应用和发展。而永磁球形电机可实现三自由度运动,在未来的工业应用中有着很好的前景。球谐函数在三维空间球面上的图像具有高度的对称性,将其与转子永磁体的分布进行类比,可以得出转子永磁体分布的基本规律。当转子永磁体分布确定之后,其在气隙中激励的磁场主阶次球谐波与结构参考设计的球谐波阶次相同;进而再利用旋转、空间对称等推导方法得出定子线圈分布规律;然后利用圆柱体与锥体等效的理念,推导双定子线圈和双转子永磁体的磁场解析表达式,进而利用坐标变换以及磁场叠加获得整体的线圈和永磁体磁场。确定新型永磁球形电机基本结构之后,其控制方法需要简便可行。本文提出一种对应的通电方法为其进一步的控制提供参考。首先分析定子磁场和转子磁场的主阶次谐波系数;按照任意时刻定、转子主阶次谐波系数成比例的理念列出方程,进而得出各组线圈电流方程,求解出各组线圈电流并分析其规律。最后以一种永磁式球形电机为例,确定电机的基本位置信息和其他尺寸信息,利用有限元分析定子和转子磁场,以及在上述线圈通电方法下定子和转子磁场的主谐波系数对比,说明定子线圈激励出的是与转子磁场转速相同的旋转磁场;利用实验测量给定电流激励下由定子线圈激励出的磁场数据,将磁场数据与仿真结果对比,验证了所提出的通电方法的可行性。本文对其他类型永磁球形电机的尺寸或者新型线圈、磁极结构设计,磁场、转矩分析以及进一步的控制具有重要参考意义。