本发明涉及一种高推力密度直线驱动器技术，特别涉及到磁力丝杠和线性磁齿轮等技术领域。
背景技术：
磁力丝杠具有高推力密度、无接触摩擦、维护简单等特点，因此在很多场合如航空航天、海洋发电、人工心脏等领域具有很好的应用前景。目前，对磁力丝杠研究较多的是永磁体径向充磁的N、S极螺旋交替的表贴式磁力丝杠，而此种结构存在永磁体用量多，直线行程短，并且在长距离移动行程中，永磁体可能会受到外部环境的影响，产生不可逆退磁等问题。
文献IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS,47(10)：4477-4480，2011(Analysis of a magnetic screw for high force density linear electromagnetic actuators)介绍了一种表贴式磁力丝杠，将径向充磁的螺旋形永磁体N、S极交替的表贴在电工铁环上。相比于其他的直线驱动器，虽然这种结构可以极大的提升推力密度，增加气隙磁感应强度，但所介绍的磁力丝杠的磁场调制单一，直线运动行程短，若要增加行程，只有增加永磁体的用量。随着永磁材料的价格不断上涨，从而限制了磁力丝杠的应用进展。
文献IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETISC,50(11):8205004，2014(Electromagnetic lead screw for potential wave energy application)介绍了一种电磁型磁力丝杠，将电工铁棒，制作成螺旋形槽的结构，在槽中绕制线圈，在线圈中通入直流电，从而获得螺旋形磁路。虽然这种结构可以减小磁力丝杠中永磁体的用量，但所介绍的电磁型磁力丝杠。由于采用电励磁的方式，磁感应强度会明显下降。产生的推力密度不足永磁型磁力丝杠的四分之一。因此，采用有效的办法解决在减少永磁体用量的前提下，提升直线运动部分的移动行程就具有重要的意义和实用价值。
技术实现要素：
本发明的目的是为克服现有技术的缺陷而提出一种磁场调制式磁力丝杠，在保证可靠性和经济性的前提下，解决磁力丝杠磁场调制单一，运动行程短，永磁体用量多的问题。在保证高推力密度和低永磁体用量的同时，增加磁力丝杠的磁场调制效应，提升了磁力丝杠的直线移动行程。
为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种磁场调制式磁力丝杠，包括转子磁丝杆、动子铁环和定子磁螺母，三者按由内到外的顺序依次同轴安装，动子铁环与转子磁丝杆之间、动子铁环和定子磁螺母之间均具有气隙，气隙厚度根据丝杠大小及要求选取；转子磁丝杆做螺运动，定子磁螺母和动子铁环之间有相对运动；
所述转子磁丝杆包括螺旋永磁体a、螺旋永磁体b和电工铁环a，螺旋永磁体a的充磁方向为径向向内，螺旋永磁体b的充磁方向为径向向外，螺旋永磁体a和螺旋永磁体b以N、S极螺旋交替的形式表贴在电工铁环a的外表面上；
所述动子铁环包括螺旋形电工铁环和固定装置，螺旋形电工铁环和非导磁材料交错排列，固定装置放置由螺旋形电工铁环和非导磁材料交错排列而成的组合的两侧，用于对转子磁丝杆和定子磁螺母中的永磁磁场进行调制，所述螺旋形电工铁环为DT4C电工铁材料，是一种高导磁材料；
所述定子磁螺母包括螺旋永磁体c、螺旋永磁体d和电工铁环b，螺旋永磁体c的充磁方向为径向向内，螺旋永磁体d的充磁方向为径向向外，螺旋永磁体c和螺旋永磁体d以N、S极螺旋交替的形式表贴在电工铁环b的内表面上。
进一步，所述转子磁丝杆的极对数为Pr，转子磁丝杆的有效长度为L，转子磁丝杆的螺距为λ1，满足
进一步，所述动子铁环的极对数为Ns，有效长度为L，螺距为λ3，满足
进一步，所述定子磁螺母的极对数为Ps＝Ns-Pr，其有效长度与转子磁丝杆和动子铁环的有效长度相同，均为L，螺距为λ2，满足
进一步，把磁力丝杠的概念和线性磁齿轮的概念相整合，通过对转子磁丝杆、动子铁环和定子磁螺母的极对数的匹配，实现磁力丝杠作动系统的磁场的调制。
优选地，转子磁丝杆极对数Pr＝4，定子磁螺母极对数Ps＝9，动子铁环极对数Ns＝13。当转子磁丝杆极对数Pr＝4时，工作谐波为4次，由于动子铁环极对数Ns＝13，经过动子铁环调制后，由转子磁丝杆产生的主要谐波有4次和9次。定子磁螺母极对数Ps＝9，工作谐波为9次，经过动子铁环调制后，由定子磁螺母产生的主要谐波有4次和9次。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用磁力丝杠与线性磁齿轮整合，通过选用动子磁丝杆、定子磁螺母和动子铁环的不同极对数，使得定子磁螺母静止，转子磁丝杆做旋转运动。根据线性磁齿轮和磁力丝杠的工作原理，动子铁环做直线运动，反之亦然成立。动子铁环为铁磁材料，在保证永磁体用量不会增加的前提下，提高直线行程。
2、本发明采用磁场调制装置，转子磁丝杆永磁体产生的磁场，通过动子铁环调磁后，与定子磁螺母永磁体产生的磁场在定子磁螺母侧相互配合。反之，定子磁螺母永磁体产生的磁场，通过动子铁环调磁后，与转子磁丝杆永磁体产生的磁场在转子磁丝杆侧相互配合。例如本发明中，转子磁丝杆Pr＝4，定子磁螺母极对数Ps＝9，动子铁环极对数Ns＝13，具体极数配合，可以根据磁力丝杠的要求选取。
3、本发明适用于航空航天、海洋发电等领域。相比与传统的直线电机，由于磁力丝杠和线性磁齿轮都是磁力传动，所以具有过负载能力强，维护费用低和清洁度高等优点。本发明尤其适用于高推力密度，长行程的直线运动领域。传统的磁力丝杠，磁场调制单一，永磁材料用量大，直线行程受限制等确定，对于磁力丝杠的发展存在不可避免的限制。磁力丝杠与线性磁齿轮整合后，可以同时解决以上问题。
附图说明
附图1为本发明立体结构半剖示意图；
附图2为本发明2D平面图示意图；
附图3为本发明尺寸标注图；
附图4为本发明磁螺母侧气隙磁场谐波极对数；
附图5为本发明磁丝杆侧气隙磁场谐波极对数；
附图6为本发明推力和转矩波形图；
附图7为本发明转矩波形图。
图中：1.转子磁丝杆；2.动子铁环；3.定子磁螺母；4-1.螺旋形永磁体a；4-2.螺旋形永磁体b；5-1.螺旋永磁体c；5-2.螺旋永磁体d；6-1.螺旋形电工铁环；6-2.固定装置；7-1.电工铁环a；7-2.电工铁环b。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1-2所示一种磁场调制式磁力丝杠，包括转子磁丝杆1、动子铁环2和定子磁螺母3，三者按由内到外的顺序依次同轴安装，动子铁环2与转子磁丝杆1之间、动子铁环2和定子磁螺母3之间均具有气隙，气隙厚度根据丝杠大小及要求选取，转子磁丝杆1沿Z轴方向做螺旋运动，定子磁螺母3固定不动，动子铁环2沿Z轴做直线运动。
转子磁丝杆1包括螺旋永磁体a4-1、螺旋永磁体b4-2和电工铁环a7-1，螺旋永磁体a4-1的充磁方向为径向向内，螺旋永磁体b4-2的充磁方向为径向向外，螺旋永磁体a4-1和螺旋永磁体b4-2以N、S极螺旋交替的形式表贴在电工铁环a7-1的外表面上；
动子铁环2，包括螺旋形电工铁环6-1和固定装置6-2，螺旋形电工铁环6-1和非导磁材料(形状和螺旋形电工铁环6-1相同)交错排列，固定装置6-2放置在由螺旋形电工铁环6-1和非导磁材料交错排列而成的组合的两侧，动子铁环2用于对转子磁丝杆1和定子磁螺母3中的永磁磁场进行调制，螺旋形电工铁环6-1为DT4C电工铁材料，是一种高导磁材料；
定子磁螺母3包括螺旋永磁体c5-1、螺旋永磁体d5-2和电工铁环b7-2，螺旋永磁体c5-1的充磁方向为径向向内，螺旋永磁体d5-2的充磁方向为径向向外，螺旋永磁体c5-1和螺旋永磁体d5-2以N、S极螺旋交替的形式表贴在电工铁环b7-2的内表面上。
如图3所示，转子磁丝杆1、动子铁环2和定子磁螺母3的有效长度相同，均为L，转子磁丝杆1的极对数为Pr，螺距为λ1，满足动子铁环2的极对数为Ns，螺距为λ3，满足定子磁螺母3的极对数为Ps＝Ns-Pr，螺距为λ2，满足
本发明是该磁力丝杠和线性磁齿轮相整合，通过对转子磁丝杆1、动子铁环2和定子磁螺母3的极对数的匹配，实现磁力丝杠作动系统的磁场的调制。
如图4和图5所示为本发明的工作原理图，本发明的关键在于各部件的极对数的选取。本发明中，转子磁丝杆1的极对数为Pr＝4，定子磁螺母3的极对数Ps＝9，动子铁环2的极对数Ns＝13。如图4显示了由转子磁丝杆1的永磁体单独作用时，在定子磁螺母3侧的气隙中的谐波次数，经过动子铁环2的调制后，靠近定子磁螺母3侧的气隙中的主要谐波为4次和9次。图5显示了由定子磁螺母3的永磁体单独作用时，在转子磁丝杆1侧的气隙中的谐波次数，经过动子铁环2的调制后，靠近转子磁丝杆1侧的气隙中的主要谐波为9次和4次。
如图6和图7所示，为可调制式磁力丝杠的推力和转矩的波形图。由于引入了动子铁环2，使得转子磁丝杆1的推力与定子磁螺母3的推力以及转子磁丝杆1的转矩与定子磁螺母3的转矩之间具有转动比关系。如图6所示，由于转子磁丝杆1的永磁体极对数为4，定子磁螺母3的极对数为9，之间存在1：2.25的传动比，所以在相同的位移下，定子磁螺母3的推力幅值比转子磁丝杆1的幅值高2.25倍，周期也高2.25倍。如图7所示，在相同电角度的情况下，定子磁螺母3的转矩幅值比转子磁丝杆1的幅值高2.23倍。符合调制式磁力丝杠的工作原理。可以看到在保持其余参数不变的情况下，改进后调制式磁力丝杠在保证了高推力密度的特点的同时，解决传统的磁力丝杠，磁场调制单一，永磁材料用量大，直线行程受限制等问题。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。