2015年,我国发布了《中国制造2025》战略规划,将机器人产业的发展提升到战略层面。机器人技术集众多高科技于一身,其应用不仅从制造领域走向非制造领域,而且正以惊人的速度不断向军事、航天、医疗、服务、交通、娱乐等非工业领域扩展。随着机器人应用领域的不断扩展,对机器人智能程度的要求也在不断提高,因此给机器人配备智能仿生眼,使其像人类一样感知和获取环境信息、快速准确地识别和跟踪目标显得尤为重要。电机是机器人仿生眼的驱动部件,机器人智能化的发展对仿生眼用电机提出了更高的要求,如体积小、重量轻、结构紧凑、定位精度高、运行范围大、输出力矩大、机械结构简单等。显然,无需位置传感器就能够实现高精度位置控制的两自由度混合式步进电机是仿生眼驱动的理想选择。但是,不但目前的两自由度混合式步进电机结构复杂,体积大,难以满足仿生眼驱动要求,而且混合式步进电机目前的理论分析方法、混合式步进电机标准的转子磁体结构,也难以满足仿生眼驱动用两自由度混合步进电机结构的创新和分析及优化需求。因此本文基于仿生眼驱动用两自有度混合式步进电机,对混合式步进电机的研究方法及磁体结构进行创新、对两自由度混合式步进电机原理及结构进行创新、对新型两自由度电机进行性能分析,本文主要包括以下几部分内容:1.混合式步进电机齿层计算转矩法及二二维等效有限元分析方法的提出、理论证明及验证首先,对混合式步进电机最常用的场路结合分析方法——齿层比磁导法进行改进,提出了一种新型电磁转矩计算方法——齿层计算转矩法。该方法避免了齿层比磁导法中电机整体磁共能对转角的求导,具有方法简单、计算精度高的特点。由于步进电机是由多齿层、多磁动势源及其他磁路相互串并联构成的复杂闭合磁路系统,本文从简化的步进电机入手,逐步过渡到实际的步进电机,提出求解步进电机电磁转矩的齿层计算转矩法,并给出理论证明和有限元分析验证,建立以矢量磁位为变量的非线性方程组,通过求得的各节点磁位及磁路磁压降,查得齿层转矩值,进而求得电机的电磁转矩及其他参数。其次,针对混合式步进电机三维有限元分析方法计算耗时大、效率低的不足,提出了其新型二维等效有限元分析方法,具有分析模型建立方便、计算精度高、计算速度快等优点,可用于求解电机静稳态问题及瞬态问题。所建立的二维等效有限元分析模型由实际电机三维模型通过结构等效变换得到,因此具有原理上的正确性。此外,所建立的二维等效有限元分析模型能够考虑到定、转子铁心叠片间绝缘层磁阻(相当于气隙)对永磁磁场轴向分布特性的影响,因而具有较高的计算精度。该方法的正确性通过三维有限元仿真计算得到了验证。2.新型定子磁体混合式步进电机的提出、结构原理及性能分析为消除传统转子磁体混合式步进电机的结构弊端、提高电机的性能,提出了一种新型定子磁体混合式步进电机(stator-permanent-magnet hybrid stepping motor,SHSM)。SHSM的基本结构由转子磁体混合式步进电机通过结构等效变换得到,因此两种电机具有完全相同的工作原理。设计并试制了一台2相8极50齿SHSM样机,并且进行了有限元仿真和样机实验研究,验证了 SHSM工作原理的实际可行性及理论分析的正确性。通过电机拓扑结构分析,提出了四种结构定子磁体混合式步进电机:1对磁体SHSM、2对磁体SHSM、增强型1对磁体SHSM、增强型2对磁体SHSM。建立了各种结构SHSM的比较模型,从空载特性、负载特性方面对电机性能进行了比较分析,并进行了有限元仿真验证。3.定子磁体与转子磁体混合式步进电机的性能比较分析定子磁体馄合式步进电机(SHSIM)是一种新型结构的混合式步进电机,其运行原理与普通转子磁体混合式步进电机相同,但转子结构更为简单、转子机械强度更高、转矩及功率密度更大、永磁体散热更容易、设计分析计算更为方便。为评价SHSM的性能,本文从永磁气隙磁密、最佳铁心迭长、永磁转矩、定位转矩及转矩脉动、定转子铁心磁通密度、输出转矩及功率密度、永磁体漏磁及利用率等方面对其与转子磁体混合式步进电机进行综合分析比较。首先给出基本解析分析,进而构建了两种电机的有限元仿真模型并进行有限元分析比较,验证了解析分析的正确性。4.新型两自由度混合式步进电机的提出、结构原理及电磁耦合分析为满足仿生眼用电机体积小、重量轻、结构紧凑、定位精度高、运行范围大、输出力矩大、机械结构简单等要求,提出了三种新型结构两自由度混合式步进电机:(1)球形正交结构两自由度混合式步进电机;(2)球形非正交结构两自由度混合式步进电机;(3)非球形结构两自由度混合式步进电机。每种电机的子电机均可采用定子磁体或转子磁体混合式步进电机结构。为深入了解几种不同结构两自由度混合式步进电机的特点,以便针对不同场合选取合适的机型进行实际应用,从工作原理、运行范围、定位精度、转矩密度、不平衡力等各个方面对三种电机进行了综合分析比较。此外,针对组成两自由度电机的两个子电机之间的电磁耦合进行了研究,分析了其产生电磁耦合的原因,提出抑制耦合磁场的措施,以提升两自由度电机的性能,同时简化电机分析,可以将两自由度电机分解成两个子电机分别分析。5.新型两自由度混合式步进电机的性能分析及样机实验验证以球形正交结构两自由度混合式步进电机为例,建立了电机的二维等效有限元分析模型,包括二维静态耦合等效模型和二维非耦合等效模型,对电机的空载特性、负载特性、定位精度、单边磁拉力、电磁耦合磁场影响等进行了综合分析。设计加工了三种新型结构两自由度混合式步进电机的样机并进行了实验研究,验证了电机工作原理的实际可行性及理论分析的正确性。