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隨著電機(jī)和電力電子技術(shù)的不斷革新與發(fā)展，直線作動(dòng)器廣泛應(yīng)用于國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)直線作動(dòng)器主要采用滾珠絲桿等機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。然而，機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)法避免磨損、卡死和低運(yùn)行精度等問(wèn)題，直接影響到直線作動(dòng)器的性能與使用壽命。

直線電機(jī)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，具有高可靠、高精度、易維護(hù)和直接驅(qū)動(dòng)等優(yōu)勢(shì)，為直線作動(dòng)器的發(fā)展提供了新的思路。但是，直線電機(jī)推力密度難以進(jìn)一步突破。為此，各國(guó)學(xué)者對(duì)新型直線電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了深入的研究與探索，如雙定子結(jié)構(gòu)、游標(biāo)結(jié)構(gòu)等；另外，從材料方面入手，將超導(dǎo)線圈等先進(jìn)材料應(yīng)用于直線電機(jī)。

上述措施雖然可以在一定程度上提升直線電機(jī)的推力密度，但提升的空間有限，且增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和制造成本。盡管如此，對(duì)于高端應(yīng)用領(lǐng)域而言，直線電機(jī)推力密度仍顯不足。

目前，機(jī)械絲杠作為運(yùn)動(dòng)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(jī)械磨損、可靠性差等弊端。直線電機(jī)的提出，實(shí)現(xiàn)了高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是推力密度較低。

近年來(lái)，隨著永磁磁力傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)械加工工藝的進(jìn)步與發(fā)展，永磁直線作動(dòng)器的傳輸能力顯著提升，已被引入到直線作動(dòng)器領(lǐng)域，可以兼顧高推力密度和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。并且，隨著磁性材料技術(shù)的不斷發(fā)展，永磁直線作動(dòng)器以其高能量轉(zhuǎn)換、高可靠性、低振動(dòng)、固有的過(guò)載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、國(guó)防軍工、新能源發(fā)電等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 航空航天領(lǐng)域

磁力傳動(dòng)具有無(wú)需潤(rùn)滑、過(guò)載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，解決了航空航天裝備在高海拔、高溫低壓環(huán)境下潤(rùn)滑困難的難題，極大地提高了系統(tǒng)可靠性。磁力絲杠直線作動(dòng)器具有高推力密度的優(yōu)勢(shì)，在同樣的推力需求下，有效降低了質(zhì)量，提高了航空航天設(shè)備的機(jī)動(dòng)性。圖1為一種舵機(jī)用磁力絲杠作動(dòng)器原理模型，基于其高可靠、高推力的特性，在航空航天領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖1 應(yīng)用于航空舵機(jī)的磁力絲杠

2 能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域

將磁力絲杠作動(dòng)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(guò)磁力傳動(dòng)，將動(dòng)子的低速、大推力直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的高速、低轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能。圖2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、汽車懸架系統(tǒng)的振動(dòng)饋能，通過(guò)磁絲桿的直線運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)磁螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。

圖2 應(yīng)用于能源轉(zhuǎn)換的磁力絲杠

3 軌道交通領(lǐng)域

圖3展現(xiàn)了將磁力絲杠作動(dòng)器在軌道交通中的應(yīng)用。將磁螺母與外轉(zhuǎn)子電機(jī)集成后，鋪設(shè)在軌道上，磁動(dòng)子部分安裝在車廂底部。在列車起步時(shí)，軌道上的復(fù)合轉(zhuǎn)子可以輔助驅(qū)動(dòng)列車車廂，以克服冰雪路面的滑動(dòng)；當(dāng)列車需要爬坡或者克服風(fēng)阻時(shí)，同樣可以為列車提供動(dòng)力。不僅是動(dòng)力的輸出，當(dāng)列車需要制動(dòng)或者是減速進(jìn)站時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)列車的動(dòng)能到能源的轉(zhuǎn)換。

圖3 應(yīng)用于列車驅(qū)動(dòng)的磁力絲杠

經(jīng)過(guò)了近10年的研究和發(fā)展，高性能磁力絲杠直線作動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)得到了充分地展現(xiàn)，其應(yīng)用價(jià)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(shì)。

磁力絲杠直線作動(dòng)器作為一種概念和結(jié)構(gòu)均新穎的磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，仍有一些問(wèn)題有待深入探討，主要包括：

1）動(dòng)態(tài)性能

磁力絲杠作為高推力直線傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，既要實(shí)現(xiàn)高推力密度，又要兼具動(dòng)態(tài)性能。由于采用磁力傳動(dòng)，存在剛度較低的問(wèn)題，對(duì)階躍信號(hào)和突變負(fù)載的響應(yīng)不足。然而，動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)劣，是該類作動(dòng)器獲得推廣應(yīng)用必須解決的問(wèn)題之一。

2）計(jì)算精度與效率

磁力絲杠采用三維空間的螺旋結(jié)構(gòu)，影響其推力性能的因素眾多，往往借助有限元軟件對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。然而，龐大的剖分網(wǎng)格、繁瑣的建模，嚴(yán)重影響了計(jì)算的準(zhǔn)確性和效率。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)更準(zhǔn)確、更快速的螺旋磁場(chǎng)解析模型具有實(shí)用價(jià)值，現(xiàn)有文獻(xiàn)鮮有報(bào)道。

3）高性能螺旋磁路加工工藝

關(guān)于磁力絲杠特有的螺旋磁路的設(shè)計(jì)已經(jīng)取得一定的成果，但主要還是采用分段裝配等技術(shù)實(shí)現(xiàn)螺旋等效，增加了復(fù)雜度和誤差。如何實(shí)現(xiàn)完整的高性能螺旋磁路加工，有待進(jìn)一步探究。

4）與電機(jī)集成設(shè)計(jì)

將磁力絲杠直線作動(dòng)器與電機(jī)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，形成結(jié)構(gòu)緊湊的集成作動(dòng)系統(tǒng)。需要對(duì)電機(jī)和磁力絲杠分別進(jìn)行性能最優(yōu)設(shè)計(jì),采用多目標(biāo)優(yōu)化和等效磁網(wǎng)絡(luò)等方法，獲得最優(yōu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)。結(jié)合應(yīng)用背景，挖掘磁力絲杠作動(dòng)器與電機(jī)集成設(shè)計(jì)后的優(yōu)勢(shì)，并有針對(duì)性的開發(fā)新結(jié)構(gòu)。

本文編自《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，原文標(biāo)題為“高推力永磁直線作動(dòng)器及其關(guān)鍵技術(shù)綜述”，作者為凌志健、趙文祥 等。