随着机器人等高新技术的发展,能够实现三自由度运动的永磁球形电动机成为了研究热点。但是,该类电机特有的球形结构,无法照搬传统电机的研究方法与经验,其研究具有开拓性和前沿性。目前,永磁球形电动机还处于理论探索阶段,主要研究内容局限为电磁模型、运动学模型及动力学模型的理论推导与计算。从当前的研究结果来看,电机的力能指标不高,矩角特性需要改进。本论文提出了一种Halbach阵列永磁球形电动机,给出了其基本结构和工作原理。应用球谐函数理论,对Halbach阵列永磁球形电动机磁场的基波和谐波分量进行了分析,得到了磁场解析模型。研究了Halbach阵列永磁球形电动机转子磁体厚度、磁体纬度角及磁化方式对气隙磁场的影响。并与平行充磁磁体结构产生的磁场进行了比较分析,研究结果表明Halbach阵列永磁球形电动机可以明显改善球形电动机的性能。作为对解析法的一个验证及补充,本论文基于有限元法对永磁球形电动机不同转子磁体结构产生的磁场进行了分析,有限元法得到的结果与解析法得到的结果是一致的。分析了不同磁体结构转子磁体厚度、转子芯磁导率及定子芯磁导率对气隙磁场的影响,并对不同转子磁体结构产生的磁场谐波含量进行了比较。采用解析法得到了Halbach阵列永磁球形电动机的反电动势模型和转矩模型。对不同转子磁体结构永磁球形电动机产生的转矩进行了比较分析,并将有限元法与解析法得到的转矩结果进行了对比。最后就球面Halbach阵列磁极的实现方法进行了讨论。根据球面转子磁极的空间分布特点,提出了几种球面多层Halbach阵列转子磁体结构。对球面多层Halbach阵列转子磁体结构的充磁方案及其磁化规律进行了详细的讨论。采用有限元法对各种球面多层Halbach阵列转子磁体结构产生的磁场分布进行了比较,并讨论了磁体结构参数对磁场分布的影响。基于磁场解析模型,研究了Halbach阵列永磁球形电动机转子的位置检测问题。采用三维磁感应强度传感器测量气隙磁场的三个分量,根据电机的磁场模型和旋转变换关系,建立了磁场三维测量值与电机转子旋转角度的关系,进而辨识出电机转子的位置信息。