球形电机是一种特殊的新型多自由度电机装置,可以实现空间多维运动。球形电机可以组成多自由度传动系统,不仅具有体积小、重量轻等本体结构优点,还有响应速度快、系统精确度高等性能优点。因此,球形电机在具有驱动系统的机器人等领域中有着巨大的应用潜力。但是,球形电机整体结构是球形的,大多具有强耦合性、高度非线性等特点,因而存在制造加工工艺较高、驱动控制和位置检测难等问题。所以目前各种类型的球形电机都不够完善,仍处于理论研究阶段,需要做更多的深入研究。本文在分析研究了球形电机发展和研究现状的基础上,提出了一种基于磁阻最小原理的三自由度磁阻式球形电机设计方案,并对其本体结构参数的优化进行了研究。本文主要研究工作如下:(1)本文首先对提出的三自由度磁阻式球形电机的基本结构进行了详细介绍,分别阐述了其实现自转和倾斜的三自由度运动的基本原理。根据电磁定律及能量转换原理建立了球形电机的基本数学模型。(2)分别建立球形电机自转和倾斜的三维有限元模型,利用三维有限元法分析电机并得到自转和倾斜时的磁场分布、静态转矩等特性。分析结果表明电机在自转和倾斜运动中一直存在保持转矩,证明了该球形电机的可行性。(3)系统分析了球形电机转矩随主要结构参数变化的规律,得到其自转静态转矩和倾斜静态转矩分别与转子齿宽度、转子齿厚度、定子齿宽度、定子齿厚度以及气隙的关系曲线,然后确定使自转转矩和倾斜转矩都相对较大时的各参数取值范围。(4)本文基于田口法对球形电机的各结构参数进行协同优化。以自转转矩、倾斜转矩为优化目标和各结构参数为优化因子,建立球形电机优化设计实验的正交表。有限元计算正交表中的每次实验,根据统计学方法分析结果数据并得到最优的各参数取值方案。最后比较田口法优化前后的电机有限元仿真结果,验证了田口法对本文球形电机优化的有效性。