东南大学伺服控制技术教育部工程研究中心的研究人员付兴贺、林明耀，在2015年第2期《电工技术学报》上撰文，以基于电磁感应原理的两自由度直线旋转电机为研究对象，查阅了国内外相关文献，回顾了此类电机的发展历程，总结归纳出其发展脉络和演进特点，对比分析了各种电机的拓扑结构差异和性能特点，探讨了该类电机本体结构、控制方法和控制技术的研究现状，指明了未来的研究重点、发展方向和发展趋势。

电机作为电能转换和应用的重要装置，在工业和国防建设中具有举足轻重的作用。就运动形式而言，传统电机多属于单自由度电机，只能执行旋转运动或直线运动。

随着单自由度电机及其驱动技术的完善，以单自由度电机为核心元件的一维电气传动系统性能不断提升，在工业生产过程中逐渐替换液压或其他机械传动设备。但是，现代工业驱动系统日益复杂，对驱动控制精度的要求不断提高，很多场合需要实现多维驱动、协调控制，如仿人关节、机器手臂、高档机床、舰船推进、火炮转台、办公自动化、多坐标加工、卫星跟踪天线、电动陀螺仪等，尤其是一些精密装置对多自由度驱动的要求越来越迫切[1]。

实现多维运动的方法之一是多台单自由度电机通过机械传动机构进行空间运动的组合[2]，这类组合机构虽然可以实现多维驱动，但存在明显的不足：多个传动间隙降低了系统的定位精度；多个机械部件增加了系统的体积和重量[3]。研制能够实现两个或两个以上自由度运动的新型电机是解决上述问题的有效途径。

与单自由度电机相比，多自由度电机不仅具有多维运动的特性，还具有较高的机械集成度，较高的材料利用率以及灵活的控制特性[4,5]等。多自由度电机主要用来实现复合运动，如空间多轴球形旋转运动[6,7]、两自由度直线旋转运动[8,9]、平面线性多轴运动[10]、平面多方向平移运动等。

LRM）是多自由度电机的一种，其不需要中间转换装置便可以实现直线运动、旋转运动以及螺旋运动[11,12]，比较适合柱状空间的定位与驱动。德国西门子公司曾发明了一种两自由度直线旋转电机，大大简化了驱动系统的结构，提高了系统的可靠性[13]。

两自由度直线旋转电机的研究涉及到单自由度电机研究中没有遇到的新问题，拓宽了电机学科的研究范围，形成了一些新的研究方向，带来了新的知识增长点。因此，两自由度直线旋转电机的研究具有重要的理论意义和实用价值。

目前，国内外学者对两自由度直线旋转电机的研究包括电机的合理化结构、分析和设计方法、静态和动态特性以及驱动控制策略等方面[14]。尽管数量有限，但前期成果对两自由度直线旋转电机的研究具有深远的影响。

根据电机工作原理不同，两自由度直线旋转电机可分为基于电磁感应原理的直线旋转电机以及基于逆压电效应的直线旋转电机。相比而言，基于电磁感应原理的单自由度电机在国民经济各个领域应用更为普通，因此基于电磁感应原理的两自由度直线旋转电机也成为了研究重点，故本文仅以基于电磁感应原理的两自由度直线旋转电机为研究对象讨论其发展现状及趋势。

论文归纳整理、分析研究一段时期内关于两自由度直线旋转电机的文献资料，辨析梳理该类电机的发展过程，分类探讨近年来出现的两自由度直线旋转电机的结构、机理、性能及其特点，在此基础上预测此领域日后的研究和发展方向。

本文采用纵横两条主线，即以两自由度直线旋转电机的发展为纵线，同时从国外到国内进行横向比较，以期翔实细致地反映本课题的发展历史和最新进展情况。研究工作旨在全面系统地认识两自由度直线旋转电机的发展，并作出比较合理的趋向预测，为新的研究工作选择突破口，提供参考依据。

现有文献对能够实现直线、旋转及螺旋运动的电磁装置的称呼不是很统一，例如“直线旋转作动器”，“两自由度直线旋转电机”等，本文则统称之为“两自由度直线旋转电机”。

两自由度直线旋转电机的研究起源于欧洲，1976 年波兰学者E. A.Mendrela提出了一种感应式两自由度直线旋转电机[15]，两年后，在纽约召开的IEEE电力工程学会冬季年会报道了该学者的研究成果[16]。

A.Mendrela较早地开展了两自由度直线旋转电机的研究，但是早期的研究成果多以波兰语对外发表，影响了信息的共享和传播。

Mendrela相继用英文向学术界汇报了其最新的研究成果，提交了直线旋转电机的研究进展[20]。在此基础上，1987年其又提出另外一种新结构感应式两自由度直线旋转电机，丰富了此类电机的拓扑结构[21]。

可以看出，在两自由度直线旋转电机的发展早期，E. A. Mendrela做出了巨大贡献，引领着该领域的发展方向。这段时期的研究重点是感应式直线旋转电机，这种新结构电机的诞生让人们看到了多维驱动的新方向、新思路，开启了直线旋转电机研究的篇章。

1999年，日本早稻田大学的W. J. Jeon以及韩国高丽大学的J.Y.Yoo共同提出了一种感应式多定子直线旋转电机；2003年，E. A.Mendrela出版一本关于感应式直线旋转电机的书籍，对其多年的研究成果进行了总结[22]。受感应电机自身缺点的限制以及新技术的挑战，感应式直线旋转电机的后期发展有些缓慢，相关研究成果报道不多。

随着永磁材料的发展以及电力电子技术的进步，逐渐出现了具有永磁结构的两自由度直线旋转电机。国外研究单位率先开展了永磁结构两自由度直线旋转电机的研究。2003年，韩国忠南国立大学的Seok-MyeongJang教授提出了一种具有永磁结构的径向双定子直线旋转电机，开启了永磁式LRM的研究之路。

此后一段时间内，永磁式LRM成为研究的主流，先后出现了新型永磁式径向双定子直线旋转电机、永磁式轴向双定子直线旋转电机，以及采用Halbach充磁的直线旋转电机等。

2007年，英国谢菲尔德大学的Andrew Turner教授提出了一种用于汽车自动档的永磁式LRM，德国开姆尼斯大学Hofmann提出了一种永磁式径向双绕组LRM；2008年，法国里尔科技大学的G. Krebs教授提出了一种带有集中绕组的永磁式双定子LRM；2009年日本横滨国立大学的YasutakaFujimoto教授展示了一种螺旋结构永磁式LRM；2010年，荷兰埃因霍温大学的E. A. Lomonova教授提出了一种轴向双绕组永磁式LRM，意大利比萨大学的Paolo Bolognesi教授则展现了一种用于电动汽车驱动系统的永磁式LRM；2012年，美国学者Hamid A. Toliyat提出了一种集成磁齿轮功能的永磁式LRM。

随着永磁式LRM研究的不断深入，国内一些研究单位也相继加入这个行列。2009年，江苏科技大学的学者率先对永磁式LRM进行了探索；2011年东南大学的学者房淑华提出了一种永磁式单定子集中绕组LRM；2013年，哈尔滨工业大学的柴凤教授提出了一种永磁式内外双定子LRM，河海大学的金平老师则研究了一种采用Halbach充磁的轴向双定子LRM。

永磁式LRM的研究始于2003年，大发展时期集中在2010年左右，渐渐地成为直线旋转电机领域的研究重点。同时期内，感应式LRM的研究逐渐减弱，相关的报道和文献较少。

2011年美国路易斯安娜州立大学的E. A. Mendrela教授提交了一篇感应式LRM的论文，对其早期关注的感应式LRM的相关问题进行了更深入的分析[23]，两年后又作了补充报道[24]，而国内河南理工大学的学者司纪凯则于2013年提出了一种感应式定子分半结构的LRM，以上工作成为这段时期内感应式LRM研究的星星之火。

除了感应式和永磁式LRM外，采用开关磁阻结构的LRM引起了部分学者的关注。2012年，罗马尼亚克鲁日科技大学的Lorand szabo提出了一种应用于高档汽车的开关磁阻式LRM；2013年，日本名古屋工业大学的学者TakaharuTakeshita提出了一种永磁式与磁阻式相结合LRM。国内上海理工大学的杨文焕于2009年提出了一种轴向双绕组直线旋转步进电机；深圳大学和香港理工大学的学者于2010年合作提出了另外一种开关磁阻式LRM。

至此，开关磁阻式LRM成为LRM研究中的一个小分支，为LRM的发展提供了新思路。

纵观LRM的历史可以看出，LRM经历了从感应式直线旋转电机“一枝独秀”，到感应式、永磁式、磁阻式直线旋转电机“百家争鸣”的过程。自问世以来，两自由度直线旋转电机的结构层出不穷，各式各样。为清楚的展现现有两自由度直线旋转电机的结构特点，本文根据不同的标准，对两自由度直线旋转电机进行分类，结果见表1，本文后续部分将根据此表的分类结果，详细介绍各种不同结构电机的特点。

3.1 按结构形式分类（略）

根据结构形式的不同，两自由度直线旋转电机可分为感应式结构、永磁式结构和开关磁阻式结构等。

3.2 按定子数量分类（略）

3.3 按绕组数量分类

3.4 按转子数量分类

3.5 按运动形式分类

3.5.1连续直线或旋转运动LRM

东南大学林明耀教授课题组在圆筒型永磁直线电机和外转子永磁旋转电机基础上，针对部分两自由度直线旋转电机存在的问题创造性地提出一种如图17所示双定子永磁结构两自由度直线旋转电机。

该电机由内外两个定子和一个中间动子构成，相当于两台单气隙电机并联运行。外定子采用圆筒型永磁直线电机的定子结构，三相环形集中绕组对称放置在外定子上，环形绕组轴线与动子轴线重合。

内定子采用外转子永磁旋转电机的定子结构，其上均匀分布三相对称绕组。中间动子由外侧永磁体、内侧永磁体及动子轭组成。

外侧永磁体为环形结构，内侧永磁体为瓦形结构，内外侧永磁体均选用径向充磁方式，采用表面粘贴式结构将两部分永磁体固定在环形动子轭上。外定子、外侧永磁体及动子轭组成图17b所示的直线驱动单元；内定子、内侧永磁体及动子轭组成图17c所示的旋转驱动单元。

在外定子的三相绕组中通入对称正弦电流后，在外气隙中产生沿轴线方向移动的行波磁场，该行波磁场与外侧永磁体相互作用产生直线电磁推力。

在内定子的三相绕组中通入对称正弦电流后，在内气隙中产生沿圆周方向旋转的磁场，该旋转磁场与内侧永磁体相互作用产生旋转转矩。

所提出的新型两自由度直线旋转电机具有如下特点：

（1）采用双定子、单动子结构，可充分利用电机内部空间，减小整个电机体积。

（2）直线与旋转驱动单元在机械和磁路结构上基本独立，可以分开进行电磁设计。

（3）电机定子及动子与传统电机定转（动）子结构相似，结构简单，易于加工、制造。

（4）内外定子上的两套电枢绕组相互独立，易于实现直线和旋转运动的解耦控制。

除上面提到的结构外，还有一些其他结构形式的两自由度直线旋转电机，例如，德国克姆尼茨工业大学学者提出的螺旋式磁阻电机[55]，该电机采用一套三相电枢绕组，螺旋形气隙和实心转子结构，可以实现螺旋运动。国内哈尔滨工业大学的刘守斌教授研究了两自由度直线旋转音圈电机[56]，寇宝泉教授研究的一种更为复杂的9 相直线旋转电机[57]等。

通过对电机中直线运动和旋转运动单元的组合形式进行归纳，得到了表2所示结果。表中“√”表示存在该种组合结构的直线旋转电机，未标注“√”的组合形式还有待于进一步开发和探讨。

另外，为更清晰地对比电机的参数和性能，表3列举了几种典型直线旋转电机的推力密度和转矩密度。需要说明的是，表中数据一部分由文献直接给出，一部分由笔者根据所查文献数据按理论计算得到。

国内外对于两自由度直线旋转电机驱动控制的研究较少，其原因主要体现在两个方面：一是研究两自由度直线旋转电机的单位和学者较少；二是与单自由度电机相比，两自由度直线旋转电机的驱动控制较复杂，难度较大。

下面根据两自由度直线旋转电机绕组数量的不同，对电机控制系统展开讨论。

（1）单绕组LRM的控制。文献[46,54]提到的两自由度直线旋转电机均具有单套绕组，前者为集成磁齿轮功能的LRM，后者为执行螺旋运动的LRM。两种电机的电枢绕组均为三相对称绕组，其绕组结构与传统电机类似，因此电机控制可借鉴传统电机的控制策略。

（2）双绕组LRM的控制。意大利学者PaoloBolognesi对应用于汽车转向系统的双绕组两自由度直线旋转电机的控制问题进行了研究[58]，建立了铜耗最小评价准则，利用Matlab软件采用正弦波控制策略对电机控制系统进行了仿真分析，给出了恒转矩、变转矩及变速运行时的仿真结果。当采用相互独立的两套绕组分别控制LRM执行旋转运动和直线运动时，可借鉴单自由度电机的控制方法，但应考虑二维运动间的相互干扰问题，通过引入前馈控制、解耦控制等策略，减小两者间的交叉耦合。

（3）多绕组LRM的控制。Bolognesi教授针对具有多套组的直线旋转电机提出了控制方法[59]，该电机的定子绕组具有8个线圈，被分成四相，连接至逆变器的4个桥臂，线圈的中点连接逆变器的另一个桥臂。根据不同的控制要求，建立了以旋转速度、转矩、直线速度和直线位置为变量的控制策略，搭建了外部转速闭环、内部转矩闭环，以及直线位置闭环、直线速度闭环和内部电流闭环的多反馈控制系统，并采用Matlab软件对控制系统进行了仿真分析。

东南大学学者对具有9套绕组的两自由度直线旋转电机控制系统进行了研究，探讨了直线运动和旋转运动的解耦控制策略[60]，建立了控制系统的仿真模型，进行了仿真分析与实验验证[9,61]。

Szabo研究了具有3个定子单元，每个定子单元12套绕组的开关磁阻式直线旋转电机的控制系统[62]。通过调节施加在绕组和定子单元上的电流的相序，可分别控制电机执行直线运动和旋转运动。图18给出了电机执行旋转运动和直线运动时的通电顺序。

5 LRM存在的问题及发展方向

经过几十年的发展，两自由度直线旋转电机的研究具备了一定的基础。相比而言，国外对两自由度直线旋转电机的研究时间较长，发展较快，国内对此类电机的研究基础较弱，仅有哈尔滨工业大学、东南大学、江苏科技大学、深圳大学及上海理工大学等几家单位在关注该电机的发展。

综合国内外的研究情况可以发现，在两自由度直线旋转电机的研究中仍然暴露出一些有待解决的问题，主要包括：

（1）螺旋式结构只能在轴向方向上作螺进运动，螺距固定，用途有限。

（2）轴向双绕组电机长径比较大，电机呈现细长结构。

（3）径向双绕组电机中存在旋转磁场和行波磁场的交叉耦合，不利于电机的优化设计。

（4）多套集中绕组结构电机绕组数量较多，控制难度较大，控制策略复杂。

（5）定子和动子结构特殊，电机制造工艺复杂，加工困难。

（6）两自由度直线旋转电机的控制理论与技术有待完善。

针对两自由度直线旋转电机发展过程中遇到的问题，应重点从以下几方面加大研究力度。

（1）简化电机结构，包括磁路结构和机械结构。两自由度直线旋转电机所采用的轴承必须能够确保电机能够实现直线运动和旋转运动，而且受轴承体积的限制，电机直线运动行程有限。文献[63]提出了一种两自由度直线旋转磁悬浮无轴承电机，这种思路大大简化了两自由度直线旋转电机的结构，拓宽了电机的运动行程。

（2）探讨多样化的组合形式。从两自由度直线旋转电机问世以来，涌现出多种结构形式。但是，通过比较可以发现，每种直线旋转电机中直线运动部分和旋转运动部分的结构形式基本一样，即同为感应式结构或永磁式结构或开关磁阻式结构。这种情况一直持续到2013年，日本学者提出了一种永磁与磁阻相结合的形式打破了传统格局，从而使得两自由度直线旋转电机在结构形式上有了新的突破。沿着这种创新思维，追求结构更为丰富、灵活、简单，性能更加优良的两自由度直线旋转电机是未来的发展方向之一。

（3）简化控制系统。单绕组两自由度直线旋转电机的运动形式和速度、转矩控制能力有限；双绕组电机可视为两个单绕组电机独立运行，控制策略简单，但整套控制器成本翻倍；多绕组电机控制器可能存在器件繁多，控制电路复杂等问题，当需要同时执行直线运动和和旋转运动时，需对绕组电流进行直线和旋转运动的解耦控制，导致控制策略复杂，甚至难以实现。因此，对两自由度直线旋转电机控制系统的软硬件结构进行简化，探讨更为合适的优化控制方法，提升控制性能是两自由度直线旋转电机的研究重点。

作为一种新结构电机，两自由度直线旋转电机打破了人们对传统单自由度电机的认识，极大地拓展了电机学科的研究范围，同时带来了一种全新的驱动理念，大幅提升了运动控制系统的整体性能。

因此，两自由度直线旋转电机的研究具有重要的理论意义和较高的实用价值。目前，两自由度直线旋转电机的研究大多处于实验室研究阶段，距离真正的工业化应用还有较大差距。

对已有两自由度直线旋转电机本体结构和控制系统进行优化和改进，以及开发新型结构的两自由度直线旋转电机，依然是各国研究者所面临的长期而艰巨任务。

随着永磁材料、铁心材料及其他材料性能的提升、电机制造工艺水平的提高、控制理论及电力电子技术的进步，制约两自由度直线旋转电机发展的瓶颈不断被打破，此类电机的优越性能将逐渐得到体现。不久的将来，两自由度直线旋转电机在航空、航天、国防、勘探、测绘、数控、医疗、卫生及工业生产等领域将发挥越来越重要的作用。