團隊介紹

趙文祥，教授、博士生導師，國家優青?，F為江蘇大學高效能電機系統與智能控制研究院常務副院長。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。獲國家技術發明二等獎、軍隊科技進步一等獎、教育部自然科學一等獎、IET Premium Awards等獎項。曾赴香港大學、英國謝菲爾德大學學習和課題合作。第一/通訊作者在IEEE匯刊、中國電機工程學報、電工技術學報發表論文60余篇，第一發明人授權發明專利20余件。入選江蘇省“333工程”中青年科學技術帶頭人、江蘇省“青藍工程”中青年學術帶頭人。

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

導語

本文系統闡述了高推力永磁直線作動器的基本特點和研究現狀，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；基于磁場調制機理，分析其永磁磁力傳動的一般性規律；然后，對近年來國內外學者在磁力絲杠直線作動器領域已開展的研究工作進行整理和歸納，并對拓撲結構、磁路制造等關鍵技術問題進行分析和探索；此外，討論了該類作動系統在航空航天、能源等領域的應用，并對磁力絲杠直線作動系統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、以及高動態性，其性能的優劣直接關系到飛行器的運行品質。當前，采用滾珠絲杠的機電作動器應用比較廣泛，但是滾珠絲杠的機械磨損和機械卡死等問題一直為業內學者所詬病。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，在國家自然科學基金重大項目、軍委裝備預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用研究。

論文主要內容

磁場調制行為在磁力傳動中普遍存在，本文基于磁場調制機理，系統的闡述了磁力傳動作動器的基本特點和研究現狀；分類探討磁力傳動作動器的拓撲結構、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，依據其結構和運行機理，對其拓撲結構和機械加工等關鍵技術問題進行剖析，并對相關技術的發展趨勢和潛在研究熱點進行探討和展望。

首先對磁場調制機理進行深入的研究，將電磁電機統一規格化為“勵磁源-調制器-濾波器”三個基本要素的級聯，建立“三要素”的數學表征方法，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制現象普遍化和理論化，提出并建立了電機氣隙磁場調制的統一理論。該理論不僅適用于基于氣隙磁場調制原理的磁齒輪復合電機、游標電機等，同樣適用于有刷直流電機、感應電機和同步電機等傳統電機，有望豐富、發展和完善電機學理論。

圖1. 電機氣隙磁場調制理論示意圖

以旋轉磁力齒輪結構為例（ns=31，pi=3，po=28），介紹磁場調制機理在傳統磁力齒輪中的作用。如圖2所示，內層氣隙在沒有調磁環的作用下，永磁體陣列可以近似等效為單相整距繞組，在內層氣隙中產生矩形波分布的初始磁動勢，主要含有pi次及其奇數倍的諧波次數。引入極對數為ns的調磁環后，產生異步磁場諧波含量ns±pi。磁場分量諧波次數必須與外轉子極對數po對應，從而實現轉矩和轉速的傳輸。反之亦然，外轉子永磁體對內層氣隙的調制原理同上述調制原理一致。

圖2. 旋轉磁力齒輪磁場調制機理分析

隨后，引入磁力絲杠直線作動器的概念，以單個導程長度內含有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構，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，由于采用單個導程長度內1對極的磁極結構，其氣隙磁場在一個360度的圓周內為一個完整的周期。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均為1次。同時，磁螺母也采用同樣的螺旋結構，其氣隙磁場諧波次數與磁絲桿產生的諧波次數一致。

圖3. 螺旋磁場分布

由于高性能永磁材料的質地較脆，可加工性較差，因此整體設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計方法，依據螺旋導程，將永磁體圓弧，進行斜切割處理，切割后的磁環，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，并加裝了燕尾槽結構，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、轉子之間氣隙長度均勻，完成了高性能螺旋形磁路設計，如圖4所示。

圖4. 螺旋磁路加工制造

應用展望

目前，機械絲杠作為運動形態的轉換部件被廣泛應用于工業制造領域，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、高可靠性等優勢，在航空航天、交通、工業以及國防等眾多領域具有較好的應用前景。

磁力傳動具有無需潤滑，過載保護等優點，解決了航空航天裝備在高海拔、高溫低壓環境下潤滑困難的難題，極大地提高了系統可靠性。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，在航空航天領域具有明顯的優勢。

圖5. 航空舵機用磁力絲杠作動器

將磁力絲杠作動器應用在振蕩浮標和汽車懸架等應用背景的能源轉換領域。通過磁力傳動，將動子的低速、大推力直線運動轉化為轉子的高速、低轉矩旋轉運動，將旋轉運動轉化為電能。圖6所示為磁力絲杠系統應用于能源轉換裝置的理論模型，該裝置將海洋波浪能、汽車行駛過程中的能量，通過磁絲桿，驅動磁螺母轉動，實現能量的轉換。

圖6. 應用于能源轉換的磁力絲杠作動器

總結

本文主要對高推力永磁直線作動器進行了綜述。依據運動形態的不同，對磁性齒輪、旋轉-直線式作動器和高推力磁力絲杠直線作動器的結構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，對其發展現狀、加工技術以及應用前景進行了深入地研究和探索。

總體而言，經過了近10年的研究和發展，高性能磁力絲杠直線作動器的優勢得到了充分地展現，其應用價值已經得到業內學者的肯定和關注，在航空航天等高、精、尖應用領域具有明顯的優勢。作為一種概念和結構均新穎的磁力傳動機構，其動態性能、制造工藝以及集成設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鍵技術綜述[J]. 電工技術學報, 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.