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。