多自由度电动机具有机械集成度高、电机结构材料和驱动控制系统元件利用率高等特点，可以大大简化机械系统的结构，减小体积和重量，从而可以提高系统的精度和动态性能，提高性能价格比，因此在机器人等具有多个运动自由度的系统中具有广泛的应用前景 。

90年代以来，美国、欧洲、日本等国的学者对多自由度电动机的研究工作十分活跃，各种工作原理和不同结构的样机层出不穷，比较典型的有法国的A. Foggia等人研制的外转子两自由度球形感应电动机、美国G . J . V achtsevanos等人研制的三自由度球形感应电动机、美国Kok-Meng Lee等人研制的球形步进电动机、A. R. Miles等人研制的三相自整角原理的两自由度球形电动机、日本的K. Kaneko等人研制了的三自由度球形直流伺服电动机、日本TOYAMA Shigeki等人研制的两自由度球形超声波电动机等等。

我国在多自由度电动机方面的研究起步较晚，主要研究成果有西北工业大学的三自由度永磁直流伺服电动机、华中理工大学的三自由度球形交流伺服电动机、浙江大学的组合式两自由度步进电动机。

从现有资料看，国内外学者所研制的多自由度电动机大都采用球形结构，从结构原理上看球形结构较为合理，易于实现多自由度旋转运动，但也存在着如结构复杂、加工困难、电磁藕合关系复杂、不易控制等缺点。为此，哈尔滨工业大学在传统旋转电机原理和制造工艺基础上提出了非球形的正交圆柱结构多自由度电动机方案，并在国家863计划的支持下研制出了正交圆柱结构多两自由度和三巨由度电动机的样机，实验研究证明了该结构的可行性。

图2别是正交圆柱结构两囱由度电司机的结构分解图和原理示意图。从电机的结构分解图(见图1)可以看出，该电机由定子、可动子转子、一对X向轴承、一对可动端盖、一对Z位轴承、一对Z向端盖组成 。

电机的定子由硅钢片叠压制成，内侧圆周上续匀布置一些齿和槽，槽内设置两相定子励磁绕组电机的转子由输出轴和两段铁心组成，两段铁心士分别均匀布置若干小齿，两段铁心相互错开1/2迭距。电机的可动子由永磁体及其两侧的两段铁心红成，永磁体采用高矫顽力、高磁能积、易于加工铁硼材料，Z向轴向充磁。由于永磁体的作用可动子外侧4个齿呈N, S, S, N规律分布。可司子内侧沿圆周分布4对极，每个极上有若干小齿极间槽内设置两相励磁绕组。转子铁心和可动子锣心与定子铁心一样均由硅钢片叠压制成。

可动子外部齿端部及内部齿端部分别加工成协X轴和Z轴为轴线的两个相互正交的圆柱面，分另i与定子和转子齿表面形成同心圆柱，从而在定子迭与可动子外部齿之间形成气隙1，在可动子内部迭与转子齿之间形成气隙2，可动子通过螺钉与可司端盖固联在一起，可动端盖又通过X向轴承安翠在定子上，从而可动子与可动端盖构成的整体可札对于定子绕X轴作有限转动。电机转子通过Z向轴承和Z向端盖与可动子安装在一起后，可相对于可动子绕Z轴连续转动。

当定子的两相绕组按A-B- ( A )- (-B)的顺序通电时，小、经永磁体、可动子铁心、气隙1、定子铁心、气隙1、另一段可动子铁心回到永磁体形成闭合回路，电机工作于PM(永磁)电动机状态，电机的转子随可动子相对于定子绕X轴转动即偏转。当可动子的两相绕组按A-B- ( A )- (-B)的顺序通电时，小z经永磁体、可动子铁心、气隙2、两段转子铁心、气隙2,另一段可动子铁心回到永磁体，形成闭合回路，电机工作于HB(混合式)步进电动机状态，电机的转子相对于可动子绕z轴连续转动即自转。在电机的定子绕组与可动子的绕组同时按自己的方式通电时，电机的输出轴同时进行自转和偏转，从而实现两自由度运动。

如果改变电机的支撑结构并在适当的部件上设置输出轴，可使该电机实现两个偏转自由度，从而实现水平侧摆和竖直俯仰的两自由度运动。

(1)输出轴偏转范围较大 。

(2)力能指标较高，定子绕组电流为1A时，输出轴的最大偏转静转矩可达30Nm;可动子绕组电流为1A时，输出轴的最大自转静转矩可达4 0Nm。

(3)采用非球形结构，结构简单，制造容易。

(4)两个气隙共用一个永磁体，一个永磁体、两组绕组，就实现了两个转动自由度，因而体积较小，陛能体积比较高。

(5)采用高性能专用的PWM芯片来实现细分驱动，因而具有较高的定位精度和速度控制精度。

非球形正交圆柱结构两自由度电动机具有机械系统结构紧凑简单、集成度高、容易加工制造、电机体积较小、驱动控制系统元件利用率高、易于控制等性能特点，在具有多个运动自由度的机械系统中，一台电机可以代替两台单自由度电动机 ，并可提高系统的精度和动态性能，在机器人、多坐标机械加工中心、航天飞行器、电动陀螺仪、全方位跟踪天线、炮塔转台、船舶推进系统、人体假肢、医疗器械、全景摄像操作台、球形阀等设备中具有广泛的应用前景。

由于两自由度电机是将两种不同运动形式和两套运动产生源集成到一套系统中，因此两自由度电机和通常单自由度电机相比有许多不同的特征，因此可以预见以下这些方而将成为两自由度电机发展的研究热点。

1)就是开发新结构新原理的两自由度电机。由于工业应用方而的拓展，使用环境和应用要求不断变化，现有的两自由度电机结构可能不能满足要求，因此需要根据环境性能需要，继续研发具有新结构和新原理的两自由度电机 。

2)就是要对已有的电机模型进行结构的优化。和传统电机一样，对两自由度电动机的结构进行优化，可以使电机结构简单，便于制造，提高电机的机械集成度及材料的利用率，扩大动子的偏转范围，简化支撑结构，减轻重量，减小体积。另外，还可以通过结构优化来简化各自由度之间的电磁及力学耦合关系，提高系统的性能和稳定性。

3)两自由度电机电磁场的计算问题。电磁场的计算问题是两自由度电机控制的理论基础。由于两自由度电机结构的特殊性，其磁场具有边界条件复杂、各向异性、非线性、端部效应的问题，而且两自由度电机的电磁场大都是典型的三维场，很难使用二维场来进行简化，因此两自由度电机电磁场的分析计算问题是此种电机设计的难点和重点部分。

4)耦合问题。由于两自由度电机是将两种不同的电机系统融合到一个系统中，因此其电磁和运动都有耦合的可能。如何定量地分析这些耦合关系及其对电机性能的影响，以及如何消除这些不良影响，是多自由度电动机研究中待解决的关键问题。

5)电机的运动控制问题。由于多自由度电动机自身的特点，各自由度之间除了存在电磁耦合之外还存在着十分复杂的力学耦合关系，这是多自由度电动机难以控制的重要原因之一，因此必须根据电机的具体结构，建立准确的力学模型，深入分析各自由度之间的耦合关系，研究力学解祸控制策略，以提高电机的动静态性能及稳定性。因此需要根据电机的实际结构建立其运动学模型，确立其输出轴的运动轨迹控制策略。

6)驱动控制系统的研究。多自由度电动机是典型的机电一体化产品，其驱动控制系统不仅要对各自由度的角位移、速度、加速度及输出转矩进行检测，还要进行各自由度之间的解祸计算、轨迹规划，因此有必要研制适合于多自由度电动机控制系统的专用控制元器件并开发计算机控制系统。

由于看到了两自由度电机的优越性，各国研究人员加大了对多自由度电机的研究力度。随着多自由电机理论的不断完善，制约多自由电机发展的以上技术瓶颈正不断被打破。可以预见，在不久的将来，两自由度电机一定能够得到广泛应用。

两自由度直驱电机可以代替两个或更多用于产生复杂运动的旋转电机及与其连接的繁琐而又效率低下的传动机构，可以有效节省空间，提高效率。 分析了两自由度电机电磁设计、拓扑结构探索及其机理分析、磁场分析计算、有限元建模及特性分析、运动控制等一系列问题的研究现状及发展概况。针对现有两自由度电机技术，介绍了新型的两自由度直驱感应电机(2-DOF DAIM)拓扑结构，阐述其工作原理及优点，讨论了未来两自由度直驱电机的发展方向。两自由度电机的研究不仅具有实际意义，而且还具有很高的理论意义，已成为电机学科的发展前沿。但是，该类电机研究还处于初级阶段，开发和制造新型电机的技术仍有待提高 。2100433B

两自由度直驱电机具有直接驱动的特点，即不需要中间传动机构即直接驱动负载作直线、旋转或螺旋运动，大大减小设备体积，显著提高效率。两自由度直驱电机在需要复杂运动的动力系统如数控机床、机器人、雕刻机、汽车生产线、搅拌机、球形阀等设备中，具有非常广阔的应用前景，受到学术界和工业界的广泛关注。目前典型的两自由度直驱电机大都属于感应电机、永磁电机或磁阻电机类型。设计理论采用“场化路”的解析法或有限元法，建立数学模型以及求解电磁场方程分析。 通过参考国内外最新 ，分析了两自由度直驱电机的设计理论、控制方法和应用技术等方而的研究现状及发展概况，针对现有两自由度电机技术，介绍了一种新型的两自由度直驱感应电机(2-DOF DAIM)拓扑结构，阐述其工作原理及优点，讨论了未来两自由度直驱电机的发展方向 。

两自由度直驱电机是一种无中间传动机构的新型电机，这种电机可以分别做直线运动、旋转运动以及两者合成的螺旋运动。它具有机械集成度高，电机结构材料和驱动控制系统元件利用率高等优点，是典型的机电一体化产品。目前两自由度的驱动技术多采用两个或多个旋转电机以及中间传动装置来实现。但是由于中间机构的存在，使得系统控制方式复杂，系统体积大零部件多维护量大、价格昂贵，而且中间传动装置需要承受较大的轴向力，易出现磨损严重使系统可靠性降低的问题。在两自由度机械系统中，采用一台两自由度电机来代替两个或多个旋转电机及传动装置，可以大大简化机械系统的结构，减小体积及重量，从而提高系统的精度和动静态性能。因此两自由度直驱电机可广泛用于数控机床、机器人、摄像操作台、雕刻机、汽车生产线、搅拌机、球形阀等设备上，具有广泛的应用前景。

一种直驱的机电驱动系统被应用于具有 AMT和DCT的汽车变速装置以更利于齿轮切换;将一种旋转一直线驱动器用于双功能轮驱装置;介绍了交流伺服电机和直线感应伺服电机在混合质量阻尼器中的应用;提出了一种旋转一直线及直线一旋转运动转换器;多自由度机器人在摩天大楼护墙上的应用;在机器人领域，使用柔顺连接可以显著提高系统性能。以上都是多自由度驱动装置的典型应用。

两自由度电机电磁设计、拓扑结构探索及其机理分析、磁场分析、有限元建模及特性分析、运动控制等一系列新问题都会形成新的研究方向，进一步拓展电机学科的研究范围，因此两自由度电机的研究既具有实际意义，又还具有很高的理论意义，已成为电机学科发展的新前沿。