随着电机和电力电子技术的不断革新与发展，直线作动器广泛应用于国防建设和国民经济的各个领域。传统直线作动器主要采用滚珠丝杆等机械执行机构，将旋转运动转换为直线运动。然而，机械执行机构无法避免磨损、卡死和低运行精度等问题，直接影响到直线作动器的性能与使用寿命。

直线电机经过多年的发展，具有高可靠、高精度、易维护和直接驱动等优势，为直线作动器的发展提供了新的思路。但是，直线电机推力密度难以进一步突破。为此，各国学者对新型直线电机拓扑结构与设计方法进行了深入的研究与探索，如双定子结构、游标结构等；另外，从材料方面入手，将超导线圈等先进材料应用于直线电机。

上述措施虽然可以在一定程度上提升直线电机的推力密度，但提升的空间有限，且增加了结构复杂性和制造成本。尽管如此，对于高端应用领域而言，直线电机推力密度仍显不足。

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。直线电机的提出，实现了高可靠性的优点，缺点是推力密度较低。

近年来，随着永磁磁力传动技术和机械加工工艺的进步与发展，永磁直线作动器的传输能力显著提升，已被引入到直线作动器领域，可以兼顾高推力密度和高可靠性等优点。并且，随着磁性材料技术的不断发展，永磁直线作动器以其高能量转换、高可靠性、低振动、固有的过载保护等优点，在航空航天、国防军工、新能源发电等领域具有广阔的应用前景。

1 航空航天领域

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。磁力丝杠直线作动器具有高推力密度的优势，在同样的推力需求下，有效降低了质量，提高了航空航天设备的机动性。图1为一种舵机用磁力丝杠作动器原理模型，基于其高可靠、高推力的特性，在航空航天领域具有明显的优势。

图1 应用于航空舵机的磁力丝杠

2 能源转换领域

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、大推力直线运动转换为转子的高速、低转矩旋转运动，将旋转运动转换为电能。图2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、汽车悬架系统的振动馈能，通过磁丝杆的直线运动，驱动磁螺母转动，实现能量的转换。

图2 应用于能源转换的磁力丝杠

3 轨道交通领域

图3展现了将磁力丝杠作动器在轨道交通中的应用。将磁螺母与外转子电机集成后，铺设在轨道上，磁动子部分安装在车厢底部。在列车起步时，轨道上的复合转子可以辅助驱动列车车厢，以克服冰雪路面的滑动；当列车需要爬坡或者克服风阻时，同样可以为列车提供动力。不仅是动力的输出，当列车需要制动或者是减速进站时，可以实现列车的动能到能源的转换。

图3 应用于列车驱动的磁力丝杠

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。

磁力丝杠直线作动器作为一种概念和结构均新颖的磁力传动机构，仍有一些问题有待深入探讨，主要包括：

1）动态性能

磁力丝杠作为高推力直线传动系统的核心部件，既要实现高推力密度，又要兼具动态性能。由于采用磁力传动，存在刚度较低的问题，对阶跃信号和突变负载的响应不足。然而，动态性能的优劣，是该类作动器获得推广应用必须解决的问题之一。

2）计算精度与效率

磁力丝杠采用三维空间的螺旋结构，影响其推力性能的因素众多，往往借助有限元软件对其进行优化设计。然而，庞大的剖分网格、繁琐的建模，严重影响了计算的准确性和效率。因此，设计开发更准确、更快速的螺旋磁场解析模型具有实用价值，现有文献鲜有报道。

3）高性能螺旋磁路加工工艺

关于磁力丝杠特有的螺旋磁路的设计已经取得一定的成果，但主要还是采用分段装配等技术实现螺旋等效，增加了复杂度和误差。如何实现完整的高性能螺旋磁路加工，有待进一步探究。

4）与电机集成设计

将磁力丝杠直线作动器与电机进行一体化设计，形成结构紧凑的集成作动系统。需要对电机和磁力丝杠分别进行性能最优设计,采用多目标优化和等效磁网络等方法，获得最优的拓扑结构和参数。结合应用背景，挖掘磁力丝杠作动器与电机集成设计后的优势，并有针对性的开发新结构。

本文编自《电工技术学报》，原文标题为“高推力永磁直线作动器及其关键技术综述”，作者为凌志健、赵文祥 等。