江苏大学赵文祥团队特稿：高推力永磁直线作动器及其关键技术综述
赵文祥，教授、博士生导师，国家优青。现为江苏大学高效能电机系统与智能控制研究院常务副院长。主持国家自然基金重大项目课题、国家科技重大专项等20余项科研项目。获国家技术发明二等奖、军队科技进步一等奖、教育部自然科学一等奖、IET Premium Awards等奖项。曾赴香港大学、英国谢菲尔德大学学习和课题合作。第一/通讯作者在IEEE汇刊、中国电机工程学报、电工技术学报发表论文60余篇，第一发明人授权发明专利20余件。入选江苏省“333工程”中青年科学技术带头人、江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人。
凌志健，博士研究生，研究方向为永磁作动器的设计。参与国家自然基金、军委装备预研基金等科研项目，第一作者在IEEE和IET期刊发表论文7篇，授权国家发明专利4项。将于2020年毕业留校工作。
本文系统阐述了高推力永磁直线作动器的基本特点和研究现状，对几种典型的永磁直线作动器进行综述，并引入高推力密度磁力丝杠直线作动器的概念；基于磁场调制机理，分析其永磁磁力传动的一般性规律；然后，对近年来国内外学者在磁力丝杠直线作动器领域已开展的研究工作进行整理和归纳，并对拓扑结构、磁路制造等关键技术问题进行分析和探索；此外，讨论了该类作动系统在航空航天、能源等领域的应用，并对磁力丝杠直线作动系统的研究方向进行展望。
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190275
直线作动装置作为航空飞行器的核心部件之一，要求具备高推力密度、高可靠性、以及高动态性，其性能的优劣直接关系到飞行器的运行品质。当前，采用滚珠丝杠的机电作动器应用比较广泛，但是滚珠丝杠的机械磨损和机械卡死等问题一直为业内学者所诟病。特别是卡死问题，直接威胁到飞行器的性能和飞行员的生命。为此，在国家自然科学基金重大项目、军委装备预研基金等科研项目的资助下，团队开展了高推力永磁直线作动器的理论和应用研究。
磁场调制行为在磁力传动中普遍存在，本文基于磁场调制机理，系统的阐述了磁力传动作动器的基本特点和研究现状；分类探讨磁力传动作动器的拓扑结构、工作机理和电磁特性；引入高推力磁力丝杠直线作动器的概念，依据其结构和运行机理，对其拓扑结构和机械加工等关键技术问题进行剖析，并对相关技术的发展趋势和潜在研究热点进行探讨和展望。
首先对磁场调制机理进行深入的研究，将电磁电机统一规格化为“励磁源-调制器-滤波器”三个基本要素的级联，建立“三要素”的数学表征方法，如图1所示。该方法突破了传动电机理论束缚，将广泛存在的气隙磁场调制现象普遍化和理论化，提出并建立了电机气隙磁场调制的统一理论。该理论不仅适用于基于气隙磁场调制原理的磁齿轮复合电机、游标电机等，同样适用于有刷直流电机、感应电机和同步电机等传统电机，有望丰富、发展和完善电机学理论。
图1. 电机气隙磁场调制理论示意图
以旋转磁力齿轮结构为例（ns=31，pi=3，po=28），介绍磁场调制机理在传统磁力齿轮中的作用。如图2所示，内层气隙在没有调磁环的作用下，永磁体阵列可以近似等效为单相整距绕组，在内层气隙中产生矩形波分布的初始磁动势，主要含有pi次及其奇数倍的谐波次数。引入极对数为ns的调磁环后，产生异步磁场谐波含量ns±pi。磁场分量谐波次数必须与外转子极对数po对应，从而实现转矩和转速的传输。反之亦然，外转子永磁体对内层气隙的调制原理同上述调制原理一致。
图2. 旋转磁力齿轮磁场调制机理分析
随后，引入磁力丝杠直线作动器的概念，以单个导程长度内含有1对磁极的磁力丝杠直线作动器为例，介绍螺旋气隙永磁磁力传动机理，如图3所示。由于采用螺旋形磁路结构，所以在一个气隙圆周上存在径向和轴向两个方向的磁场分布。
并且，由于采用单个导程长度内1对极的磁极结构，其气隙磁场在一个360度的圆周内为一个完整的周期。分别对圆周径向和轴向磁场进行MMF分析，其磁场谐波主要次数均为1次。同时，磁螺母也采用同样的螺旋结构，其气隙磁场谐波次数与磁丝杆产生的谐波次数一致。
图3. 螺旋磁场分布
由于高性能永磁材料的质地较脆，可加工性较差，因此整体设计加工螺旋形磁体存在一定的困难。本文提出了一种螺旋磁极的分段设计方法，依据螺旋导程，将永磁体圆弧，进行斜切割处理，切割后的磁环，无需进行轴向方向的位移，可以准确的形成一组理想螺旋磁环，并加装了燕尾槽结构，极大的提升了磁体拼接精度、机械强度和表面圆度，进而保证动、转子之间气隙长度均匀，完成了高性能螺旋形磁路设计，如图4所示。
图4. 螺旋磁路加工制造
目前，机械丝杠作为运动形态的转换部件被广泛应用于工业制造领域，但存在机械磨损、可靠性差等弊端。相对而言，磁力丝杠直线作动器以其高推力密度、高可靠性等优势，在航空航天、交通、工业以及国防等众多领域具有较好的应用前景。
磁力传动具有无需润滑，过载保护等优点，解决了航空航天装备在高海拔、高温低压环境下润滑困难的难题，极大地提高了系统可靠性。图5为一种航空舵机用磁力丝杠作动器原理模型，以其高可靠、高推力的特性，在航空航天领域具有明显的优势。
图5. 航空舵机用磁力丝杠作动器
将磁力丝杠作动器应用在振荡浮标和汽车悬架等应用背景的能源转换领域。通过磁力传动，将动子的低速、大推力直线运动转化为转子的高速、低转矩旋转运动，将旋转运动转化为电能。图6所示为磁力丝杠系统应用于能源转换装置的理论模型，该装置将海洋波浪能、汽车行驶过程中的能量，通过磁丝杆，驱动磁螺母转动，实现能量的转换。
图6. 应用于能源转换的磁力丝杠作动器
本文主要对高推力永磁直线作动器进行了综述。依据运动形态的不同，对磁性齿轮、旋转-直线式作动器和高推力磁力丝杠直线作动器的结构特点和运行机理进行了全面的分析。聚焦于高推力磁力丝杠直线作动系统，对其发展现状、加工技术以及应用前景进行了深入地研究和探索。
总体而言，经过了近10年的研究和发展，高性能磁力丝杠直线作动器的优势得到了充分地展现，其应用价值已经得到业内学者的肯定和关注，在航空航天等高、精、尖应用领域具有明显的优势。作为一种概念和结构均新颖的磁力传动机构，其动态性能、制造工艺以及集成设计等问题仍有待深入探讨。
凌志健, 赵文祥, 吉敬华. 高推力永磁直线作动器及其关键技术综述[J]. 电工技术学报, 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.