新型三自由度球型电机具有高效、高精度、体积小等优点,吸引了各界学者的关注。本文的研究对象是一种考虑弹性流体润滑的液质悬浮永磁三自由度球形电机,该电机通过球面轴承结构实现了电机输出轴与负载直接连接,特有的润滑支承结构转变了传统的机械连接方式,同时油膜的润滑作用减少了电机运行时定子转子发生共振的可能性。该电机的工作系统同时涉及电磁、温度、流体等多个领域,因此,基于多物理场耦合分析理论对电机的性能进行探究分析与优化设计对促进电机投入生产具有重要的实际意义。本文对电机系统分别进行电-磁耦合分析、流-固耦合分析、温度场计算与分析,以及模态分析。针对电机工作过程中出现磨损、油膜涡动、转子打滑等问题进行了电机结构的优化设计。本文的主要研究内容如下:首先,介绍了新型三自由度球型电机的组成结构与工作机理。通过建立电机磁场的三维模型,分别对电机磁场分布、径向电磁力的空间分布进行求解,并且对电磁力谐波进行了分解,为后续分析电磁振动提供理论基础与依据。其次,基于电-磁耦合分析理论,对不同形状的绕组线圈进行感应磁场分析,考虑产生的感应磁场强度值,以及对气隙磁场波动的影响,选择采用长方体形线圈绕组,为电机的稳定运行提供了理论依据。其次,对电机支承结构的弹流润滑性能进行分析与优化和设计。在球坐标系下建立球面轴承计算模型,编程求解得到了在光滑表面的油膜压力与油膜厚度分布。基于流-固耦合理论,仿真计算了球面轴承静态性能与动态性能。此外,结合球面轴承的工作特性,分析了油膜发生涡动,转子打滑等现象带来的影响。将雷诺方程与描述球面轴承表面粗糙度的函数耦合,通过有限差分法计算得到粗糙表面压力分布与膜厚分布。针对球面轴承工作中可能出现的一系列问题,提出了一种优化结构,即在定子内表面加入螺旋槽结构,经过与不加螺旋槽的球面轴承对比分析,通过改变润滑方式发现加入螺旋槽可提高球轴承的工作性能。第三,针对液质悬浮三自由度球形电机特殊的转子结构,提出了采用定子外壳冷却通道对进行电机散热结构的优化设计方案。建立了三维温度场计算模型,计算了绕组通电后产生的温度分布,与体积应变。通过推导粘度-温度公式,实现双向耦合,编程求解得到润滑流体的温升分布,油膜粘度变化后油膜压力分布。并通过有限元法双向耦合计算了在定子内壁的油室作为冷却通道后,电机定子以及油膜的温升-冷却过程,并且,对比了不同种类定子材料的冷却效果,得出了铝材料散热效果最佳的结论。最后,对电机的定子转子结构进行了模态分析与实验验证。根据模态分析原理,建立了三自由度振动模型,对油膜模态进行了计算。通过有限元法对比分析了不加螺旋槽与加入螺旋槽两种定子壳结构振动特性。分析了油膜涡动以及电磁力谐波对电机振动的影响。最后对实验数据进行了经验模态分解,发现油膜发生涡动时,正向进动将导致油膜的转速和振动频率都在增加,而反进动则将导致油膜转速增加后,振动频率降低振幅增加。