题目：基于三维磁极阵列新型三自由度球型驱动其关键技术研究

球型驱动器是一种能在单个关节上实现多个自由度旋转运动的电气设备。传统的实现多自由度旋转运动的串并联机构具有结构笨重、存在回程误差、动态响应慢以及控制精度低等缺点，而球型驱动器具有结构紧凑，无回程误差、动态响应快以及控制精度高的优点。因此上球型驱动器在机器人、高端相机、雷达系统、汽车毂轮、潜艇螺旋桨以及医疗器械等众多领域有着广泛的潜在应用价值。国内外学者在球型驱动器领域进行了不少有意义的探索，但是目前的球型驱动器的研究中存在着输出力矩偏小的问题，针对这一问题，本论文对传统球型驱动器的磁极阵列分布规律，力矩输出做了系统的调研，在此基础上总结规律，将传统的二维磁极阵列拓展到三维空间的磁极阵列分布，创新性地提出了一种基于三维磁极阵列的新型永磁球型驱动器，旨在有效地提升球型驱动器的磁场分布和力矩性能。

本硕士学位论文主要包括了下面的研究内容：

1）球型驱动器磁极阵列的研究和新型球型驱动器概念的提出：针对球型驱动器的磁极阵列的排布，结构设计以及相应的力矩性能进行了系统调研，分析了现有的球型驱动器的各个类别的优点，指出了存在的不足，在此调研的基础上总结出传统的球型驱动器的磁极排布的拓扑规律，总结了二维磁极阵列的特点，从而在结构上有所突破，提出了新型的三维磁极阵列球型驱动器的新概念。这部分内容主要分布在绪论部分以及第二章的一小部分。

2）新型球型驱动器三维空间区域内复杂磁场的数学模型：这部分内容主要分布在论文的第二章，根据静态Maxwell方程，针对无旋磁场，采用标量式函数，推导了相应的三维空间磁场的Laplace方程和泊松方程；利用其在球坐标系下的一般解，获得了相应的标量势函数的基于球谐函数的表达式，通过具体的边界条件，解出了标量势的具体解，以及相应的磁通密度的解，从而获得了该新型球型驱动器的三维空间的分布数学模型。

3）驱动器的力矩模型以及磁悬浮力模型：在该球型驱动器的空间磁场的数学模型的基础上，根据通电导体在空间磁场中的洛仑兹定律，采用积分的手段，进一步推导了该球型驱动器的力矩模型。针对具体的样机设计，采用拟合的手段，推导了球型驱动器的力矩模型和磁悬浮力模型。该力矩模型具有更为精确，适合于实时控制，磁悬浮力模型的研究有利于支撑结构系统的改进设计。

4）数值法仿真分析与模型验证：这部分既可以作为对新概念的设计进行初步优化，同时又可以作为对理论解析解的验证，以及拟合建模的依据。因此有限元法分析分布在第二章的概念设计，第四章的主体。针对磁场和力矩进行相关的有限元分析，验证了相关的解析模型。

5）样机的设计加工、实验平台搭建以及相关实验工作：该部分针对三维磁极阵列球型驱动器的概念，进行了具体的样机的设计加工，完成了三维磁极阵列球型驱动器的装配。针对磁场测量，完成了相关的测量硬件的选型，进行了相关的平台设计。并且针对磁场测量的复杂工作，设计了上位机测控软件，通过该软件实现了新型三维磁极阵列球型驱动器空间区域复杂磁场的全自动测量。完成了相关的磁场测量实验。针对该新型三维磁极阵列球型驱动器，设计加工了相应的力矩测量平台，完成了相关的实验测量和数据处理工作。实验数据有限地验证和支撑了新型三维磁极阵列球型驱动器概念对于球型驱动器力矩性能的提升方面所带来的好处。

以上是本论文的主要内容，内容充实，彼此之间有很强的关联性。围绕新型三维磁极阵列球型驱动器这一概念展开，利用解析，数值，实验等手段进行研究论证。对于今后的球型驱动器领域的研究提供了新的研究思路，具足一定的学术意义。