永磁直线伺服电机(PMLSM)具有结构简单,运行可靠,体积小,质量轻,推力密度大,效率高,可控性好,运行平稳等优点,已逐渐成为直线伺服系统的主流驱动电机,而如何提高推力密度和削弱推力波动一直是永磁直线伺服电机领域的两个重要研究内容。本文围绕这两个问题,对两种常用结构的永磁直线伺服电机进行了深入研究,分别为适用于轻载、快速反应、高精度特性要求场合的双边空心PMLSM (DAPMLSM)和高负载、大推力要求场合的单边水冷PMLSM。首先基于等效磁化强度法建立了PMLSM磁场分布和推力特性解析计算的统一分层线性模型,适用于不同形状及分布的永磁体、不同交直流电枢电流及不同绕组分布的PMLSM。其次对DAPMLSM进行了电磁设计。推导了空载气隙磁场解析表达式,对其他磁体形状的DAPMLSM提出了将磁体分成矩形块再线性叠加的简化统一的处理方法,并给出了电机各参数的选取原则。指出优化空载磁通密度波形可有效降低推力波动,提高伺服性能。另外,该类电机横向边缘效应较大,会影响气隙磁场分布、使空载反电势和推力幅值减小,因此定义了横向漏磁系数做定量衡量,其主要影响因素为电机横向长度、气隙高度和永磁体厚度。实验样机的测量结果验证了解析模型和有限元分析的可信性。再次,针对单边水冷PMLSM首先对其进行了电磁设计,研究了铁心端部磁场的分布特点；综合运用多种措施有效降低了磁阻力。在建立的直线电机对拖平台上测量了样机的空载与负载往复运动特性,证明了样机具有较好的伺服性能。最后,重点分析了其热特性并设计了合理的水冷系统,大幅度提高了电磁负荷与推力密度。在损耗计算的基础上,建立了三维温度管流耦合场模型,运算速度快,且可综合考虑修正热源、接触热阻、初次级间热传递、水流流动和冷却等方面对电机温度分布的影响。研究了无水冷和有水冷时不同工况下的热特性,得出最大允许负载电流和最大工作时间,为电机驱动提供指导。总结了PMLSM水冷系统参数和水道的设计原则。附加水冷系统后,在同样的温升限值下,长时间运行的最大推力密度提高为无水冷时的2.6倍,大大提高了驱动能力。在直线伺服系统中添加了空气绝缘隔离和精确水冷系统,降低了工作平台温度,减少了机床部件的热变形,从而保证了伺服加工精度。实验测量结果与温度分析模型计算结果相符,验证了温度分析方法和分析结论的正确性。