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隨著電機和電力電子技術(shù)的不斷革新與發(fā)展，直線作動器廣泛應(yīng)用于國防建設(shè)和國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。傳統(tǒng)直線作動器主要采用滾珠絲桿等機械執(zhí)行機構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動。然而，機械執(zhí)行機構(gòu)無法避免磨損、卡死和低運行精度等問題，直接影響到直線作動器的性能與使用壽命。

直線電機經(jīng)過多年的發(fā)展，具有高可靠、高精度、易維護和直接驅(qū)動等優(yōu)勢，為直線作動器的發(fā)展提供了新的思路。但是，直線電機推力密度難以進一步突破。為此，各國學(xué)者對新型直線電機拓撲結(jié)構(gòu)與設(shè)計方法進行了深入的研究與探索，如雙定子結(jié)構(gòu)、游標結(jié)構(gòu)等；另外，從材料方面入手，將超導(dǎo)線圈等先進材料應(yīng)用于直線電機。

上述措施雖然可以在一定程度上提升直線電機的推力密度，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，對于高端應(yīng)用領(lǐng)域而言，直線電機推力密度仍顯不足。

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。直線電機的提出，實現(xiàn)了高可靠性的優(yōu)點，缺點是推力密度較低。

近年來，隨著永磁磁力傳動技術(shù)和機械加工工藝的進步與發(fā)展，永磁直線作動器的傳輸能力顯著提升，已被引入到直線作動器領(lǐng)域，可以兼顧高推力密度和高可靠性等優(yōu)點。并且，隨著磁性材料技術(shù)的不斷發(fā)展，永磁直線作動器以其高能量轉(zhuǎn)換、高可靠性、低振動、固有的過載保護等優(yōu)點，在航空航天、國防軍工、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。磁力絲杠直線作動器具有高推力密度的優(yōu)勢，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)備的機動性。圖1為一種舵機用磁力絲杠作動器原理模型，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。

圖1 應(yīng)用于航空舵機的磁力絲杠

2 能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域

將磁力絲杠作動器應(yīng)用在振蕩浮標和汽車懸架等應(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)換為轉(zhuǎn)子的高速、低轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)運動，將旋轉(zhuǎn)運動轉(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)的振動饋能，通過磁絲桿的直線運動，驅(qū)動磁螺母轉(zhuǎn)動，實現(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)了將磁力絲杠作動器在軌道交通中的應(yīng)用。將磁螺母與外轉(zhuǎn)子電機集成后，鋪設(shè)在軌道上，磁動子部分安裝在車廂底部。在列車起步時，軌道上的復(fù)合轉(zhuǎn)子可以輔助驅(qū)動列車車廂，以克服冰雪路面的滑動；當列車需要爬坡或者克服風阻時，同樣可以為列車提供動力。不僅是動力的輸出，當列車需要制動或者是減速進站時，可以實現(xiàn)列車的動能到能源的轉(zhuǎn)換。

圖3 應(yīng)用于列車驅(qū)動的磁力絲杠

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。

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

1）動態(tài)性能

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

2）計算精度與效率

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其進行優(yōu)化設(shè)計。然而，龐大的剖分網(wǎng)格、繁瑣的建模，嚴重影響了計算的準確性和效率。因此，設(shè)計開發(fā)更準確、更快速的螺旋磁場解析模型具有實用價值，現(xiàn)有文獻鮮有報道。

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)實現(xiàn)螺旋等效，增加了復(fù)雜度和誤差。如何實現(xiàn)完整的高性能螺旋磁路加工，有待進一步探究。

4）與電機集成設(shè)計

將磁力絲杠直線作動器與電機進行一體化設(shè)計，形成結(jié)構(gòu)緊湊的集成作動系統(tǒng)。需要對電機和磁力絲杠分別進行性能最優(yōu)設(shè)計,采用多目標優(yōu)化和等效磁網(wǎng)絡(luò)等方法，獲得最優(yōu)的拓撲結(jié)構(gòu)和參數(shù)。結(jié)合應(yīng)用背景，挖掘磁力絲杠作動器與電機集成設(shè)計后的優(yōu)勢，并有針對性的開發(fā)新結(jié)構(gòu)。

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