球形电机以其集成度高、机械传动简单和动态性能好等优点，在现代工业驱动控制领域具有非常好的应用前景，有望取代传统的多自由度运动系统。将球形电机应用在轮毂电机领域，能够极大程度省却电动车辆传动系统和转向系统复杂的机械结构，起到优化整车布局、提高车辆性能的作用。然而，现有的球形电机通常都存在转矩输出能力不足和控制复杂等问题，严重阻碍了球形电机的实用化发展。为此本文提出了一种新结构原理的分段式多自由度永磁球形轮毂电机（Tiered Type Multi-DOF Permanent Magnet Spherical In-Wheel Motor，T-PMSIWM），对该电机的设计方法、磁场特性、转矩特性以及转子位置检测方法进行了深入研究，主要研究工作包括以下几个方面：
　　首先，提出一种新型T-PMSIWM的结构方案，阐述其旋转运动和偏转运动的工作原理，并在此基础上建立偏转力等效计算模型。重点研究极槽配合、转子轴向长度、定子轴向位置等关键结构参数对电机多自由度运动性能的影响规律，根据理论分析结果和实际应用需求给出该类电机的设计原则。针对球形电机结构复杂的问题，以提升电机设计效率和提高电机可靠性为目标，给出该类电机的设计方法。为解决结构参数多而杂的问题，一方面从参数分级入手，合理规划不同参数的优化顺序，另一方面采用二维粗略估算和三维精确计算相结合的方式，有效缩短电机电磁设计的周期。根据电磁优化结果，设计与之匹配的机械结构，确定原理性样机的制造方案。
　　其次，建立新型T-PMSIWM的动态磁网络模型，研究多种工况下电机的磁场特性。针对复杂结构电机磁场解析计算困难、三维仿真耗时长的问题，综合考虑转子多自由度运动、铁心材料非线性磁特性以及电机三维结构对电机磁路的影响，基于磁通管等效划分原理构建电机动态磁网络模型，随后充分利用其计算效率高的优势，探究不同转子位置和负载情况下电机磁场的分布规律。通过与三维有限元精确仿真和原理性样机反电势实验结果进行对比，验证动态磁网络模型的有效性。
　　再次，分析影响新型T-PMSIWM转矩的主要因素，给出电机转矩随电流和多自由度运动的变化规律。在偏转力表达式的基础上，根据力偶矩形成原理实现偏转转矩的解析计算，从理论上分析影响偏转转矩的主要因素。兼顾球形电机输出转矩多样性的特点，提出一种基于六轴力传感器的转矩测量方法，实现不同转子位置下的输出转矩测量，包括旋转转矩和偏转转矩测量。进一步针对该方法难以分离偏转转矩测量中摩擦干扰的问题，提出一种基于微位移法的偏转转矩测量方法，实现摩擦转矩的分离和补偿。通过实验测量与三维有限元仿真结果的对比验证，全面分析输出转矩随转子旋转角、偏转角、偏转方向角以及电流的变化规律。重点研究输出转矩随转子偏转角增大而下降的原因，对气隙磁场畸变和附加偏转转矩进行分析和评估。
　　最后，建立新型T-PMSIWM的定子绕组反电势快速计算模型，探究反电势与转子偏转运动的对应关系，在此基础上提出一种适用于分层型永磁球形电机的多自由度转子位置检测方法。采用定子轴向分段计算的方式，充分考虑转子偏转运动和球形气隙对反电势的影响，利用空间立体几何知识推导角度转换函数，实现反电势简化计算模型的构建，研究三相反电势幅值和相位随转子偏转角和偏转方向角的变化关系。给出分段式永磁球形电机转子位置检测线圈的布置方式，对检测线圈与定子绕组的反电势进行分析和比较，探究将检测线圈反电势用于转子偏转位置检测的可行性。利用转子偏转角和偏转方向角与反电势相位差之间的对应关系，实现基于反电势相位差的转子偏转位置检测。通过探究不同轴向位置对定子绕组反电势的影响规律，合理分配不同定子绕组在转子位置检测中的功能。