球形电机是一种能完成复杂多自由度运动的特种电机,可以应用于工业制造、机器人和航空航天等领域。传统多自由度电机一般由多个单自由度电机利用机械传动装置组合而成,工作时的机械摩擦较大,难以实现精确控制。永磁球形电机具有体积小、结构紧凑和输出转矩大等优点,具有广泛的应用前景。本文首先介绍了目前国内外多自由电机的发展过程和研发现状,总结了国内外各学者提出的电机结构、工作原理和分析方法。接着,本文提出了一种新型的有铁心式永磁球形电机结构,与传统无铁心式相比,具有转矩密度大的优点。阐述了电机的工作原理,并基于该电机结构,参考传统交流电机的设计方法,推导了球形电机主要尺寸参数公式,提出电机的设计指标并给出了电机的初步方案。然后,以电机初步方案的结构参数,建立了电机的仿真模型,利用有限元法和解析法分析了电机的磁场和转矩。另外,基于电磁场的计算结果,对电机的温度场进行了有限元仿真,完成了电机的温升验证。接着,以无偏转时的额定效率、无偏转时的最大偏转转矩和电机总质量为优化目标,利用Workbench/Optis Lang先后进行了灵敏度分析、基于MOP的预优化和基于GA的精确优化,得到电机的最优方案。对比最优方案和初步方案的电机性能,证明了本文优化方案的有效性。最后,详细介绍了电机样机各工件的加工制作和电机的装配过程,并对电机样机进行了实验验证,测量了电机自转方向和偏转方向的转矩大小,并将结果和设计理论值作对比,验证了本文提出电机结构的可行性以及本文采用的分析方法的正确性。