20世纪50年代初，为了改善感应电机的调速哇能，英国的威廉姆斯等人研制出了一种变速球形感应电机，这种电机的定转子都可以动，是有记载的最早的多自由度电机。早期由于电机理论的不完善，再加上机械制造水平的限制，多自由电机遇到很多难题，可靠性差尤甚。直到20世纪70, 80年代载人航天、机器人等技术的发展直接激发了多自由度电机的发展，特别是以新材料微电子技术为代表的第三次科学技术革命的开展，为多自由度电机的结构设计制造和电机驱动控制系统的实现提供了有利的条件。作为一种汇聚电机本体结构、电源驱动的典型机电一体化产品，各国研究人员对多自由度电机的开发和研制方兴未艾。目前的两自由度直驱电机按原理可分为感应电机、永磁电机与磁阻电机。
1感应电机
螺旋运动感应电机是两自由度的最常见的电机，它能够产生纯的直线运动、旋转运动以及螺旋运动。螺旋电机，定子采用螺旋形三相绕组嵌入由六个轴向叠片组构成的定子铁心的斜槽中，动子采用各向同性的圆柱体的拓扑结构，也就是在铁磁轴上套上一定厚度的铜套筒。当三相螺旋定子绕组通电后将产生螺旋形磁场，由于感应电机的原理，动子将同时在轴向和周向受到力作用。采用场论的分析方法对电机模型进行分析，首先建立其气隙和次级边界的场坐标，然后对磁矢位进行求解 。
2永磁电机
永磁同步旋转直线电机，这种电机由一对相同的圆筒形定子沿相同的轴心端对端对齐，同样也是筒形的转子沿同一轴心置于转子的内部，定子部分同转子一起置于一个通过适当旋转直线轴承支撑的机械结构中。定子部分包括铁心和线圈，铁心在宏观上是各向同性并且具有半封闭的槽。转子包括铁心和2p个永磁体(永磁体的个数等于定子绕组的极数)，永磁体是凹形圆柱状扇形体，并在轴向方向具有统一的磁场强度。永磁体对称地贴到铁心上而。永磁体的有效长度等于定子铁心的有效长度加上定子间距。
圆柱状Halbacb阵列结构的永磁旋转直线电机，它的设计思路是为了获得轴向的推力和切向的旋转转矩，需要在不同方向上建立两种气隙磁场。因此它采用了空心的动子结构，在空心动子的内壁和外壁均设置定子，外部的各向同性三相定子产生转矩，内部装载有两个环形线圈的定子用来产生轴向力。动子由圆筒形铁心和粘贴在铁心内外的Hallbach永磁阵列组成，在铁心外侧的永磁体和一般的无刷式电机相似，而铁心内部的永磁体则和音圈电机类似。
3磁阻电机
磁阻电机定子开槽为螺旋形，可以做旋转运动。定子绕组供电电流由低频和高频电流叠加生成，低频电流通过绕组主要产生轴向磁阻推力，而高频电流由于感应原理产生转矩。众所周知，电流频率越高，铁心的涡流损耗越大，因此它的缺点是产生较大涡流，而且控制转矩推力较为困难。
我国对多自由度电动机的研究始于20世纪80年代后期，起步虽然较晚，但国家有关部门非常重视，863计划和国家自然科学基金都资助过多自由度电动机方而的研究。西北工业大学、华中理工大学、哈尔滨工业大学和浙江大学等高校在认真总结国外研究成果的基础上，研制出了各自的多自由度电动机样机，并对有关问题进行了较为深入的研究。
浙江大学研制出了一种正交结构的二自由度电机，这种电机由两个步进电机组成，其原理如图10所示。轴1定为挤由方向，轴5定为x轴方向。内层电机绕由旋转，外层电机绕x轴摆动，两电机轴在空间上相互垂直，从而实现两自由度运动。图10中1为固定轴，2是输出轴，电机的工作是由两套独立的极组来共同完成的。如图10所见，依靠固定永磁极3与可移动电磁铁4，外层电机轴2可发生以5为轴心的左右偏移，所以输出轴可以绕x轴摆动。由图10可见，当轴1为固定时，电磁极6也是不动的，则将使原来装有永磁极7的圆环8转动，即内层电机实现绕挤由的旋转运动。8与9以及框架10. 5都是固定在一起的。这样，便可使输出轴2绕z}由方向旋转，再加上对x轴的偏移，就可以使输出轴在空间上实现二自由度的运动。
哈尔滨工业大学在国家863计划资助下研制出了正交圆柱体结构二自由度电动机样机。该电机由定子、可动子、转子、一对x向轴承、一对x向端盖、一对:向轴承、一对z向端盖组成。电机的定子由硅钢片叠压制成，内侧圆周上均匀布置一些齿和槽，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，两段铁心上分别均匀布置若干小齿，两段铁心相互错开1/2齿距。电机的可动子由永磁体及其两侧的两段铁心组成，永磁体采用高矫顽力、高磁能积、易于加工的钦铁硼材料，Z由方向充磁。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。可动子内侧沿圆周分布4对极，每个极上有若干小齿，极间槽内设置两相励磁绕组。转子铁心和可动子铁心与定子铁心一样均由硅钢片叠压制成 。
以上学者开展了相关研究工作，所提出的拓扑结构存在以下特点:
1）直线一旋转两自由度运动驱动源最简单拓扑结构采用旋转电机与圆筒直线电机沿轴向串联布置，其整体结构轴向长、转动惯量大、需要机械联接部件多、维修不便。
2)定子采用螺旋绕组，鼠笼条采用螺旋状，电机转子做螺旋运动，定子开螺旋齿槽、绕组采用螺旋布置、转子导条采用螺旋状，存在加工量大，机械工艺要求苛刻。
3)采用内外定子的永磁电机或感应电机，外定子产生旋转磁场，内定子产生行波磁场，电磁场空间耦合，电机结构复杂，加工装配工艺要求严格。
4)采用空间正交双绕组的异步或永磁同步电机绕线困难、电磁场空间耦合、加工量大。
5)采用永磁体特殊布置结构，以使电机产生螺旋运动的同步机存在磁场空间耦合，永磁体的空间布置要求严格。
6)直线一旋转磁阻电机效率低，功率因数低，转矩脉动难以克服。
从目前多自由度电机的研究情况上看，无论是两自由度或者三自由度电机虽然提出的结构样式比较多，但由于理论还不够完善，大都处于实验室试验阶段，距离真正工业或者是商用还具有较大差距。对新型两自由度电机结构样式的开发和对已有电机进行优化和改进依然是各国研究者的艰巨任务。
