團隊介紹

趙文祥，教授、博士生導(dǎo)師，國家優(yōu)青。現(xiàn)為江蘇大學(xué)高效能電機系統(tǒng)與智能控制研究院常務(wù)副院長。主持國家自然基金重大項目課題、國家科技重大專項等20余項科研項目。獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎、軍隊科技進步一等獎、教育部自然科學(xué)一等獎、IET Premium Awards等獎項。曾赴香港大學(xué)、英國謝菲爾德大學(xué)學(xué)習(xí)和課題合作。第一/通訊作者在IEEE匯刊、中國電機工程學(xué)報、電工技術(shù)學(xué)報發(fā)表論文60余篇，第一發(fā)明人授權(quán)發(fā)明專利20余件。入選江蘇省“333工程”中青年科學(xué)技術(shù)帶頭人、江蘇省“青藍工程”中青年學(xué)術(shù)帶頭人。

凌志健，博士研究生，研究方向為永磁作動器的設(shè)計。參與國家自然基金、軍委裝備預(yù)研基金等科研項目，第一作者在IEEE和IET期刊發(fā)表論文7篇，授權(quán)國家發(fā)明專利4項。將于2020年畢業(yè)留校工作。

導(dǎo)語

本文系統(tǒng)闡述了高推力永磁直線作動器的基本特點和研究現(xiàn)狀，對幾種典型的永磁直線作動器進行綜述，并引入高推力密度磁力絲杠直線作動器的概念；基于磁場調(diào)制機理，分析其永磁磁力傳動的一般性規(guī)律；然后，對近年來國內(nèi)外學(xué)者在磁力絲杠直線作動器領(lǐng)域已開展的研究工作進行整理和歸納，并對拓撲結(jié)構(gòu)、磁路制造等關(guān)鍵技術(shù)問題進行分析和探索；此外，討論了該類作動系統(tǒng)在航空航天、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用，并對磁力絲杠直線作動系統(tǒng)的研究方向進行展望。

研究背景

直線作動裝置作為航空飛行器的核心部件之一，要求具備高推力密度、高可靠性、以及高動態(tài)性，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到飛行器的運行品質(zhì)。當(dāng)前，采用滾珠絲杠的機電作動器應(yīng)用比較廣泛，但是滾珠絲杠的機械磨損和機械卡死等問題一直為業(yè)內(nèi)學(xué)者所詬病。特別是卡死問題，直接威脅到飛行器的性能和飛行員的生命。為此，在國家自然科學(xué)基金重大項目、軍委裝備預(yù)研基金等科研項目的資助下，團隊開展了高推力永磁直線作動器的理論和應(yīng)用研究。

論文主要內(nèi)容

磁場調(diào)制行為在磁力傳動中普遍存在，本文基于磁場調(diào)制機理，系統(tǒng)的闡述了磁力傳動作動器的基本特點和研究現(xiàn)狀；分類探討磁力傳動作動器的拓撲結(jié)構(gòu)、工作機理和電磁特性；引入高推力磁力絲杠直線作動器的概念，依據(jù)其結(jié)構(gòu)和運行機理，對其拓撲結(jié)構(gòu)和機械加工等關(guān)鍵技術(shù)問題進行剖析，并對相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢和潛在研究熱點進行探討和展望。

首先對磁場調(diào)制機理進行深入的研究，將電磁電機統(tǒng)一規(guī)格化為“勵磁源-調(diào)制器-濾波器”三個基本要素的級聯(lián)，建立“三要素”的數(shù)學(xué)表征方法，如圖1所示。該方法突破了傳動電機理論束縛，將廣泛存在的氣隙磁場調(diào)制現(xiàn)象普遍化和理論化，提出并建立了電機氣隙磁場調(diào)制的統(tǒng)一理論。該理論不僅適用于基于氣隙磁場調(diào)制原理的磁齒輪復(fù)合電機、游標(biāo)電機等，同樣適用于有刷直流電機、感應(yīng)電機和同步電機等傳統(tǒng)電機，有望豐富、發(fā)展和完善電機學(xué)理論。

圖1. 電機氣隙磁場調(diào)制理論示意圖

以旋轉(zhuǎn)磁力齒輪結(jié)構(gòu)為例（ns=31，pi=3，po=28），介紹磁場調(diào)制機理在傳統(tǒng)磁力齒輪中的作用。如圖2所示，內(nèi)層氣隙在沒有調(diào)磁環(huán)的作用下，永磁體陣列可以近似等效為單相整距繞組，在內(nèi)層氣隙中產(chǎn)生矩形波分布的初始磁動勢，主要含有pi次及其奇數(shù)倍的諧波次數(shù)。引入極對數(shù)為ns的調(diào)磁環(huán)后，產(chǎn)生異步磁場諧波含量ns±pi。磁場分量諧波次數(shù)必須與外轉(zhuǎn)子極對數(shù)po對應(yīng)，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的傳輸。反之亦然，外轉(zhuǎn)子永磁體對內(nèi)層氣隙的調(diào)制原理同上述調(diào)制原理一致。

圖2. 旋轉(zhuǎn)磁力齒輪磁場調(diào)制機理分析

隨后，引入磁力絲杠直線作動器的概念，以單個導(dǎo)程長度內(nèi)含有1對磁極的磁力絲杠直線作動器為例，介紹螺旋氣隙永磁磁力傳動機理，如圖3所示。由于采用螺旋形磁路結(jié)構(gòu)，所以在一個氣隙圓周上存在徑向和軸向兩個方向的磁場分布。

并且，由于采用單個導(dǎo)程長度內(nèi)1對極的磁極結(jié)構(gòu)，其氣隙磁場在一個360度的圓周內(nèi)為一個完整的周期。分別對圓周徑向和軸向磁場進行MMF分析，其磁場諧波主要次數(shù)均為1次。同時，磁螺母也采用同樣的螺旋結(jié)構(gòu)，其氣隙磁場諧波次數(shù)與磁絲桿產(chǎn)生的諧波次數(shù)一致。

圖3. 螺旋磁場分布

由于高性能永磁材料的質(zhì)地較脆，可加工性較差，因此整體設(shè)計加工螺旋形磁體存在一定的困難。本文提出了一種螺旋磁極的分段設(shè)計方法，依據(jù)螺旋導(dǎo)程，將永磁體圓弧，進行斜切割處理，切割后的磁環(huán)，無需進行軸向方向的位移，可以準確的形成一組理想螺旋磁環(huán)，并加裝了燕尾槽結(jié)構(gòu)，極大的提升了磁體拼接精度、機械強度和表面圓度，進而保證動、轉(zhuǎn)子之間氣隙長度均勻，完成了高性能螺旋形磁路設(shè)計，如圖4所示。

圖4. 螺旋磁路加工制造

應(yīng)用展望

目前，機械絲杠作為運動形態(tài)的轉(zhuǎn)換部件被廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域，但存在機械磨損、可靠性差等弊端。相對而言，磁力絲杠直線作動器以其高推力密度、高可靠性等優(yōu)勢，在航空航天、交通、工業(yè)以及國防等眾多領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

磁力傳動具有無需潤滑，過載保護等優(yōu)點，解決了航空航天裝備在高海拔、高溫低壓環(huán)境下潤滑困難的難題，極大地提高了系統(tǒng)可靠性。圖5為一種航空舵機用磁力絲杠作動器原理模型，以其高可靠、高推力的特性，在航空航天領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢。

圖5. 航空舵機用磁力絲杠作動器

將磁力絲杠作動器應(yīng)用在振蕩浮標(biāo)和汽車懸架等應(yīng)用背景的能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。通過磁力傳動，將動子的低速、大推力直線運動轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的高速、低轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)運動，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為電能。圖6所示為磁力絲杠系統(tǒng)應(yīng)用于能源轉(zhuǎn)換裝置的理論模型，該裝置將海洋波浪能、汽車行駛過程中的能量，通過磁絲桿，驅(qū)動磁螺母轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。

圖6. 應(yīng)用于能源轉(zhuǎn)換的磁力絲杠作動器

總結(jié)

本文主要對高推力永磁直線作動器進行了綜述。依據(jù)運動形態(tài)的不同，對磁性齒輪、旋轉(zhuǎn)-直線式作動器和高推力磁力絲杠直線作動器的結(jié)構(gòu)特點和運行機理進行了全面的分析。聚焦于高推力磁力絲杠直線作動系統(tǒng)，對其發(fā)展現(xiàn)狀、加工技術(shù)以及應(yīng)用前景進行了深入地研究和探索。

總體而言，經(jīng)過了近10年的研究和發(fā)展，高性能磁力絲杠直線作動器的優(yōu)勢得到了充分地展現(xiàn)，其應(yīng)用價值已經(jīng)得到業(yè)內(nèi)學(xué)者的肯定和關(guān)注，在航空航天等高、精、尖應(yīng)用領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢。作為一種概念和結(jié)構(gòu)均新穎的磁力傳動機構(gòu)，其動態(tài)性能、制造工藝以及集成設(shè)計等問題仍有待深入探討。

引用本文

凌志健, 趙文祥, 吉敬華. 高推力永磁直線作動器及其關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2020, 35(5): 1022-1035. Ling Zhijian, Zhao Wenxiang, Ji Jinghua. Overview of High Force Density Permanent Magnet Linear Actuator and Its Key Technology. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(5): 1022-1035.