随着智能化水平的不断提高,多台电机协同控制已经不能满足当前的需求,而多自由度电机结构可以通过直接驱动的方式来完成多方位的运动,有效地避免了传动装置所带来的不利因素。当前多自由度电机的发展受限于润滑方式,为此在多自由度电机上引入了先进的气体润滑技术。气体润滑有效地避免了电机定转子之间的接触,从而减少了摩擦的产生。气浮多自由度电机实现了润滑方式上的改变,优化了多自由度电机的性能。本文从电磁计算、润滑特性、动力学和模态分析四个方面对气浮多自由度电机的结构原理及基本性能进行了研究,具体的研究内容如下:首先,介绍了气浮多自由度电机的基本结构和工作原理,建立了电机磁场的数学模型,计算了镶嵌于转子上永磁体的外磁场,得到转子的磁力线和磁通密度分布情况;利用有限元软件对电机进行电磁仿真分析,得到气隙磁场的三维分布,以及转矩和损耗的变化曲线;通过径向电磁力的计算,得出径向电磁力在水平圆周空间变化,并对不同偏转角度、不同的气隙间距下电磁力的变化情况进行了对比分析,从而验证了气浮多自由度电机在电磁设计上的合理性。其次,对气浮多自由度电机的润滑特性进行研究,基于气体润滑理论,建立了气膜流场的三维模型,并对气膜流场进行了有限元分析,求解了在不同气膜厚度下压力场和速度场的分布,得出了适用于气浮多自由度电机的气膜厚度;针对电机转子的运动过程,添加了转速对气膜流场的影响,分析了气膜流场在不同的转速下,压力场、速度场和湍动能的分布情况,通过分析得出气膜流场在不同转速下均有稳定的表现。然后,基于运动学与动力学的基本原理,建立了气浮多自由度电机的虚拟样机模型,采用拉格朗日方程计算了多自由度运动系统;根据所制定的运动轨迹设置驱动函数来完成电机的自转与偏转运动,并且运动轨迹准确;与MATLAB进行了联合仿真,搭建了PID控制模块,完成对转子运动轨迹的跟踪,进而验证气浮多自由度电机协同控制的可行性。最后,对气浮多自由度电机展开模态分析,建立了电机的数学模型,通过有限元仿真得到电机转子在不同频率的形变情况;并探究了不同材料对定子形变的影响,通过对比分析得出适用于电机定子制作的材料;搭建了气浮多自由度电机的振动实验平台,通过实验分析定子壳及底座的振动情况,从而对仿真结果的准确性进行验证。实验结果表明气浮多自由度电机可以实现稳定运行。