随着电力驱动技术的发展,许多新型运动系统应运而生。随着现代机电系统在精细度与复杂度方面的不断发展,单自由度运动电机已经难以满足需求,传统多自由度运动系统仍然存在着结构复杂、维护困难、不够灵活等缺陷,导致应用场合受到一定限制。在多自由度运动系统中,直线感应电机具有结构简单、次级结构要求低、传动设备简单、适合多初级共用一个次级等特点,具有较好的研究和应用价值,故本文采用弧形直线感应电机作为球形多自由度电机的核心,进行了相应的研究与优化;对“绕任意轴进行多自由度运动”这一特性进行了研究,给出了一种球形多自由度电机的实现方式。首先,对直线感应电机的结构特点、边端效应进行了分析。基于弧形直线感应电机的特殊结构,提出了一种改进等效电路,考虑了复合次级中导磁层阻抗的影响;结合有限元分析,证明了此种方式的准确性;结合二维有限元模型的修正参数,分析了边端效应对于推力、效率、电流、磁场、电感等参数的具体影响。接下来,对弧形直线感应电机进行了实验研究。设计了一种回转式的实验平台,该平台具有结构简单、体积较小、支持多电机运行等特点;对部分结构参数的影响进行了分析,确定了实验平台的具体设计参数;进行了空载与负载的机械特性、电流特性的实验,对三相轮换接法对电流不对称的抑制效果进行了实验测量;结合惰行曲线,对电机系统的转动惯量与阻转矩进行了实验测量。然后,为了获得较高性能的电机,对弧形直线感应电机进行了优化设计。提出了一种改进设计方法,考虑到了磁场的迭代与次级阻抗,具有更好的设计精确性;分析了结构参数对电路参数与性能参数的影响,提出了综合多个性能参数的目标函数,进行了多变量优化与基于遗传算法的优化,优化后电机的综合性能分别提高了15.02%与18.14%。最后,设计了基于弧形直线感应电机的球形多自由度驱动器,建立了三维物理模型,说明了设计思路,指出了待优化的方向,并且对每个弧形电机的推力与电机整体转矩输出的运动学分析。