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    • 頭條高推力永磁直線作動器的應用領域及科研方向
      2021-06-11 作者:凌志健、趙文祥 等  |  來源:《電工技術學報》  |  點擊率:
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      導語磁力傳動式直線作動器通過非接觸式的磁場耦合實現能量傳輸,避免了機械磨損、卡死、過載能力不足等問題,并且提升了可靠性,降低了振動和噪聲。將永磁磁力傳動技術引入到直線作動器領域,使得兼具高推力密度、高可靠性的直線作動器成為可能。

      隨著電機和電力電子技術的不斷革新與發展,直線作動器廣泛應用于國防建設和國民經濟的各個領域。傳統直線作動器主要采用滾珠絲桿等機械執行機構,將旋轉運動轉換為直線運動。然而,機械執行機構無法避免磨損、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。

      直線電機經過多年的發展,具有高可靠、高精度、易維護和直接驅動等優勢,為直線作動器的發展提供了新的思路。但是,直線電機推力密度難以進一步突破。為此,各國學者對新型直線電機拓撲結構與設計方法進行了深入的研究與探索,如雙定子結構、游標結構等;另外,從材料方面入手,將超導線圈等先進材料應用于直線電機。

      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,且增加了結構復雜性和制造成本。盡管如此,對于高端應用領域而言,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。直線電機的提出,實現了高可靠性的優點,缺點是推力密度較低。

      近年來,隨著永磁磁力傳動技術和機械加工工藝的進步與發展,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域,可以兼顧高推力密度和高可靠性等優點。并且,隨著磁性材料技術的不斷發展,永磁直線作動器以其高能量轉換、高可靠性、低振動、固有的過載保護等優點,在航空航天、國防軍工、新能源發電等領域具有廣闊的應用前景。

      1 航空航天領域

      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。磁力絲杠直線作動器具有高推力密度的優勢,在同樣的推力需求下,有效降低了質量,提高了航空航天設備的機動性。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,在航空航天領域具有明顯的優勢。

      高推力永磁直線作動器的應用領域及科研方向

      圖1 應用于航空舵機的磁力絲杠

      2 能源轉換領域

      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、大推力直線運動轉換為轉子的高速、低轉矩旋轉運動,將旋轉運動轉換為電能。圖2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、汽車懸架系統的振動饋能,通過磁絲桿的直線運動,驅動磁螺母轉動,實現能量的轉換。

      高推力永磁直線作動器的應用領域及科研方向

      圖2 應用于能源轉換的磁力絲杠

      3 軌道交通領域

      圖3展現了將磁力絲杠作動器在軌道交通中的應用。將磁螺母與外轉子電機集成后,鋪設在軌道上,磁動子部分安裝在車廂底部。在列車起步時,軌道上的復合轉子可以輔助驅動列車車廂,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,可以實現列車的動能到能源的轉換。

      高推力永磁直線作動器的應用領域及科研方向

      圖3 應用于列車驅動的磁力絲杠

      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。

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

      1)動態性能

      磁力絲杠作為高推力直線傳動系統的核心部件,既要實現高推力密度,又要兼具動態性能。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不足。然而,動態性能的優劣,是該類作動器獲得推廣應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構,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化設計。然而,龐大的剖分網格、繁瑣的建模,嚴重影響了計算的準確性和效率。因此,設計開發更準確、更快速的螺旋磁場解析模型具有實用價值,現有文獻鮮有報道。

      3)高性能螺旋磁路加工工藝

      關于磁力絲杠特有的螺旋磁路的設計已經取得一定的成果,但主要還是采用分段裝配等技術實現螺旋等效,增加了復雜度和誤差。如何實現完整的高性能螺旋磁路加工,有待進一步探究。

      4)與電機集成設計

      將磁力絲杠直線作動器與電機進行一體化設計,形成結構緊湊的集成作動系統。需要對電機和磁力絲杠分別進行性能最優設計,采用多目標優化和等效磁網絡等方法,獲得最優的拓撲結構和參數。結合應用背景,挖掘磁力絲杠作動器與電機集成設計后的優勢,并有針對性的開發新結構。

      本文編自《電工技術學報》,原文標題為“高推力永磁直線作動器及其關鍵技術綜述”,作者為凌志健、趙文祥 等。