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两自由度直线旋转电机(Two-degree-of-freedom linear and rotary motor,2-DOF LRM)是一种不需要机械传动装置就可以实现直线、旋转以及二者结合的螺旋运动的新型电机,是典型的机电一体化装置。采用一台2-DOF LRM来代替传统的多个旋转电机及传动装置,具有体积小、成本低、效率高的优点。因此开展对于2-DOF LRM的研究具有重要的理论意义和实用价值。本文提出一种新型有限转角交替极2-DOF LRM,采用由局部到整体的研究方法,对其运行机理、参数设计、电磁特性等方面进行研究,主要包括:(1)基于不同原理对国内外已有的2-DOF LRM结构特点进行分析对比,提出一种新型2-DOF LRM,该电机巧妙地将交替极旋转永磁电机和高动态响应的音圈电机相融合,两部分共用同一交替极永磁定子,可以实现有限转角的旋转运动和直线运动。(2)对所提出的2-DOF LRM运行原理进行分析,分别建立了旋转驱动单元和直线驱动单元的数学模型。分析了该电机两部分驱动单元与传统永磁同步电机、音圈电机的设计方法的差异,在此基础上,归纳出交替极永磁定子2-DOF LRM的基本结构特征,分析并简化了该种电机的电磁设计。(3)基于有限元法,对旋转驱动单元进行二维电磁场分析。对比传统永磁电机和交替极电机各方面电磁特性的变化规律。对传统音圈电机和直线驱动单元交替极音圈电机的电磁特性进行对比分析;基于三维有限元,分析了该电机在单独供电及同时供电状态下,两部分驱动单元电磁特性及磁场耦合关系,揭示电机磁场分布规律。(4)基于减小齿槽转矩、改善电机转矩特性的目标,对2-DOF LRM旋转驱动单元的结构尺寸进行优化,包括极槽配合、槽口宽度、交替极极宽比等。由于两部分驱动单元共用同一交替极永磁定子,分析了优化后共用的交替极永磁定子参数的改变对直线驱动单元推力特性的影响。