CN116232004B - 一种基于三维调制效应的磁力丝杠作动器及其设计方法 - Google Patents

一种基于三维调制效应的磁力丝杠作动器及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三维调制效应的磁力丝杠作动器及其设计方法，属于新型电作动器设计制造的技术领域。所述作动器包括定子、动子、转子三部分，三者同轴放置，依据三维调制特性，通过永磁阵列与调制装置的空间配合，实现了三维磁场谐波的耦合。通过改变三维调制效应的不等极对数、不同充磁方式、不同维度的永磁磁场，提升“转矩‑推力”的调制比。提出的三维调制效应磁力丝杠，所有的永磁结构均为非螺旋结构，进一步降低由螺旋永磁结构带来的加工难度。本发明，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，螺旋磁路制造困难的问题，在保证高推力密度和低永磁体用量的同时，提升了磁力丝杠的电磁性能。

Description

一种基于三维调制效应的磁力丝杠作动器及其设计方法
技术领域
本发明涉及新型电作动器设计制造的技术，特别涉及一种基于三维调制效应的磁力丝杠作动器及其设计方法。
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，其中涉及高推力密度直线驱动技术，特别涉及三维调制技术，适用于高定位精度、高推力密度的应用场合，因此在很多场合如航空航天、高端机床、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大，直线行程短。在长距离移动行程中，随着永磁材料用量的增加，制造成本、材料成本显著提升。
文献IEEE Transactions on Industrial Electronics,65(9):7536-7547,2018(Design optimization and test of a radially magnetized magnetic screw withdiscretized PMs)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棒上。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，漏磁大、气隙磁场不可调节等弊端，进而影响推力密度和定位精度。
中国发明专利ZL201610821273.1公开了一种磁场调制式磁力丝杠，实则是一种满足磁场调制的直线磁齿轮结构，转子永磁体以N、S极螺旋交替分布，在直线方向的极对数为pr；动子由螺旋形电工铁环构成，在直线方向的极对数为nt；定子永磁体以N、S极螺旋交替分布，在直线方向的极对数为ps；并且满足ps＝nt-pr的直线磁场调制关系。在该结构中由动子、定子、转子三部分构成，其动子、定子、转子三部分均为螺旋结构，极大的增加了制造的复杂度。
文献IEEE Transactions on Industry Applications,54(6):5736-5747,2018(Designing and experimentally testing a magnetically geared lead screw)，设计并制造了一台磁场调制式磁力丝杠，实验验证磁力丝杠的磁场调制效应，由于制造复杂性和加工精度等问题，实测推力不足理论分析的40％，从而制约了磁力丝杠在航空航天等高动态领域的应用。因此，基于三维调制效应，在保证磁力丝杠推力密度的同时，降低其制造难度具有重要的意义和实用价值。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的缺陷而提出一种满足三维调制效应的磁力丝杠直线作动器，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，螺旋磁路制造困难的问题。在保证高推力密度和低永磁体用量的同时，引入三维磁场调制效应，提升了磁力丝杠的电磁性能。
为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：基于三维调制效应的磁力丝杠作动器，由外向内依次包括定子(1)、动子(3)、转子(2)，三者同轴放置；其中，所述动子(3)同定子(1)和转子(2)之间具有气隙，气隙厚度根据作动器的大小、推力密度以及加工难度选取；
所述定子(1)由充磁方向为径向向内的圆环永磁体(1-1)和径向向外的圆环永磁体(1-2)和电工铁环(1-3)构成，两种充磁方向相反的圆环永磁体以交替的形式表贴在电工铁环(1-3)的外表面上，形成沿z轴分布的轴向行波磁场，在定子(1)中，不同充磁方向的圆环永磁体沿轴向方向的极对数为Ps；
所述转子(2)由充磁方向为径向向内的圆弧永磁体(2-1)和径向向外的圆弧永磁体(2-2)和电工铁环(2-3)构成，径向向内的圆弧永磁体(2-1)和径向向外的圆弧永磁体(2-2)以交替的形式沿圆周方向分布，表贴在电工铁环(2-3)的内表面上，形成第一永磁阵列(2-4)，将第一永磁阵列(2-4)沿着轴向方向移动复制，轴向移动的距离是永磁阵列(2-4)的轴向宽度w2，并且，将移动复制的第一永磁阵列(2-4)，沿着圆周方向进行旋转，旋转角度为α，形成第二永磁阵列(2-5)，转子(2)的圆周方向的极对数为Pr1，轴向方向的极对数为Pr2；
所述动子(3)是由离散的电工铁块(3-1)和非导磁合金支架(3-2)组成的螺旋调磁装置，动子(3)在轴向方向由电工铁块(3-1)组成的极对数为Ns，Ns的取值由定子(1)的轴向磁极对数Ps、转子(2)的轴向磁极对数Pr2确定，动子(3)是一个螺旋调磁装置，在一个导程λ内，其电工铁块(3-1)的极对数，即圆周方向的极对数Ns1，需要与转子(2)圆周方向的永磁极对数Pr1相等，进而满足三维调制效应。
进一步，所述定子(1)、转子(2)及动子(3)的轴向有效长度均为L，确定定子(1)的轴向永磁磁场极对数Ps、转子(2)的轴向永磁磁场极对数Pr2和动子(3)的轴向电工铁块的极对数Ns，使其满足轴向调制关系，即Ns＝Ps+Pr2，则定子(1)中径向向内的圆环永磁体(1-1)和径向向外的圆环永磁体(1-2)的轴向宽度w1为L/(2·Ps)，转子(2)中径向向内的圆弧永磁体(2-1)和径向向外的圆弧永磁体(2-2)的轴向宽度w2为L/(2·Pr2)，动子(3)中离散电工铁块(3-1)的宽度w3为L/(2·Ns)，使得定子(1)、转子(2)和动子(3)在轴向方向满足轴向磁场调制机理。
进一步，所述转子(2)，由于第一永磁阵列(2-4)和第二永磁阵列(2-5)的存在，形成既有圆周、轴向分布的三维永磁磁场，为满足三维调制机理，转子(2)在圆周方向的极对数为Pr1，因此转子(2)中圆弧永磁体的弧度α为π/Pr1，此外，第一永磁阵列(2-4)和第二永磁阵列(2-5)在圆周分量上也相差弧度α。
进一步，动子(3)作为螺旋调制部件，为满足三维调制机理，动子(3)中一个螺旋导程长度λ内电工铁块极对数，即圆周方向的极对数Ns1，需要和转子(2)在圆周方向的极对数为Pr1相同，则导程λ的长度为λ＝Ns1·w3。
进一步，动子(3)作为螺旋调制部件，由离散的电工铁块(3-1)和非导磁合金支架(3-2)组成的，离散的电工铁块(3-1)可以依次表嵌入非导磁合金支架(3-2)中，进一步降低加工难度和提升机械强度。
进一步，基于三维调制原理，在轴向方向上，定子(1)的轴向永磁极对数Ps经过动子(3)中螺旋调磁装置的调制后，在外侧气隙中调制出与转子(2)中三维永磁磁场相同阶次的圆周磁场谐波阶次为Pr1和轴向磁场谐波阶次为Pr2，磁场谐波相互耦合，进而解释三维磁场调制效应作动器的工作原理，实现“转矩-推力”的传输。
本发明的一种根据权利要求1所述的基于三维调制效应的磁力丝杠作动器的设计方法，包括如下步骤：
步骤1，定子(1)、转子(2)、动子(3)的轴向有效长度均为L，确定定子(1)的轴向永磁磁场极对数Ps、转子(2)的轴向永磁磁场极对数Pr2和动子(3)的轴向电工铁块的极对数Ns，使其满足轴向调制关系，即Ns＝Ps+Pr2；
步骤2，在满足轴向调制关系的前提下，进而计算定子(1)中径向向内的圆环永磁体(1-1)和径向向外的圆环永磁体(1-2)的轴向宽度w1为L/(2·Ps)，转子(2)中径向向内的圆弧永磁体(2-1)和径向向外的圆弧永磁体(2-2)的轴向宽度w2为L/(2·Pr2)，动子(3)中离散电工铁块(3-1)的宽度w3为L/(2·Ns)，使得定子(1)、转子(2)和动子(3)在轴向方向满足轴向磁场调制机理；
步骤3，在转子(2)中，由于第一永磁阵列(2-4)和第二永磁阵列(2-5)的存在，形成既有圆周、轴向分布的三维永磁磁场，为满足三维调制机理，转子(2)在圆周方向的极对数为Pr1，因此转子(2)中圆弧永磁体的弧度α为π/Pr1，此外，第一永磁阵列(2-4)和第二永磁阵列(2-5)在圆周分量上也相差弧度α；
步骤4，动子(3)是由离散的电工铁块(3-1)和非导磁合金支架(3-2)组成的螺旋调磁装置，根据定子(1)的轴向永磁磁场极对数Ps、转子(2)的圆周永磁磁场极对数Pr1、轴向永磁磁场极对数Pr2和动子(3)的轴向电工铁块的极对数Ns，计算动子(3)的螺旋导程长度λ，为满足三维调制机理，动子(3)中一个螺旋导程长度λ内电工铁块极对数Ns1需要和转子(2)在圆周方向的极对数为Pr1相同，则导程λ的长度为λ＝Ns1·w3；
步骤5，基于三维调制原理，在轴向方向上，定子(1)的轴向永磁极对数Ps经过动子(3)中螺旋调磁装置的调制后，在外侧气隙中调制出与转子(2)中三维永磁磁场相同阶次的圆周磁场谐波v1＝Pr1和轴向磁场谐波v2＝Pr2，磁场谐波相互耦合，进而解释三维磁场调制效应作动器的工作原理，实现“转矩-推力”的传输。
进一步，本发明的定子(1)、转子(2)、动子(3)的极对数在满足轴向方向磁场调制关系的同时，增加了圆周方向极对数与导程螺距的选择，可以非常灵活便捷的改变“转矩-推力”调制比例。
进一步，定子(1)和转子(2)均采用常规永磁体结构，相比于传统螺旋永磁体结构，极大降低了由螺旋磁极和充磁带来的加工难度。
进一步，分析轴向磁场、圆周磁场的三维调制过程，并给出了定子(1)、转子(2)、动子(3)在圆周方向极对数配比关系：Ns1＝Pr1，轴向方向的极对数配比关系：Ns＝Ps+Pr2，为三维调制类结构的设计及结构创新提供理论指导。
本发明采用上述技术方案后，具有如下有益效果：
1、本发明在设计过程中基于三维磁场调制效应，分析轴向磁场、圆周磁场的三维调制过程，并给出了定子(1)、转子(2)、动子(3)在圆周方向和轴向方向的极对数配比关系，为三维调制类结构的设计及结构创新提供理论指导；
2、本发明中定子(1)和转子(2)均采用常规永磁体结构，相比于传统螺旋永磁体结构，极大降低了由螺旋磁极和充磁带来的加工难度；
3、本发明中动子(3)由离散的电工铁块(3-1)和非导磁合金支架(3-2)组成的螺旋调磁装置，在保证推力密度的同时，进一步降低了动子(3)的加工难度，提高了三维调制效应磁力丝杠的机械强度；
4、本发明的定子(1)、转子(2)、动子(3)的极对数在满足轴向方向磁场调制关系的同时，增加了圆周方向极对数与导程螺距的选择，可以非常灵活便捷的改变调制比例；
5、本发明的动子(3)的长度根据作动器行程的大小及要求选取，并且为常规铁磁材料，在不增加永磁体用量的同时，增大了磁力丝杠的行程，降低了材料成本。
综上，本发明中基于三维磁场调制效应的磁力丝杠作动器，将圆周磁场与轴向磁场高效耦合，实现“转矩-推力”的转换，为三维调制类结构的设计及结构创新提供理论指导。同时，克服了传统磁力丝杠中螺旋永磁磁场制造的难题，减少了螺旋部件，加工复杂度显著降低。
附图说明
图1为本发明三维调制效应磁力丝杠作动器示例的立体结构图；
图2为本发明定子结构剖视图；
图3为本发明转子结构剖视图；
图4为本发明动子结构剖视图；
图5为本发明定子气隙磁密分布图；(a)为定子未经调制的气隙磁密；(b)为定子被调制后的气隙磁密；
图6为本发明转子气隙磁密分布图；(a)为转子未经调制的气隙磁密；(b)为转子被调制后的气隙磁密；
图7为三维调制式磁力丝杠作动器各部件转矩和推力波形示意图；(a)为转矩波形；(b)为推力波形；
图中：1-定子，2-转子，3-动子，1-1-径向向内的圆环永磁体，1-2-径向向外的圆环永磁体，1-3-电工铁环，2-1-径向向内的圆弧永磁体，2-2-径向向外的圆弧永磁体，2-3-转子电工铁环，2-4-第一永磁阵列，2-5-第二永磁阵列，3-1-电工铁块，3-2-非导磁合金支架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1所示，本发明公开了一种基于三维调制效应的磁力丝杠作动器，本发明由定子(1)、转子(2)和动子(3)三个部分构成，三个部分同轴放置。定子(1)在内侧，转子(2)在外侧，动子(3)在定子(1)和转子(2)的中间，并且同定子(1)和转子(2)之间具有气隙，气隙厚度根据作动器的大小及要求选取。
如图2所示，定子(1)由充磁方向为径向向内的圆环永磁体(1-1)和径向向外的圆环永磁体(1-2)和定子电工铁环(1-3)构成。两种充磁方向相反的圆环永磁体以交替的形式表贴在定子电工铁环(1-3)的外表面上，形成沿z轴分布的轴向行波磁场。在定子(1)中，不同充磁方向的圆环永磁体沿轴向方向的极对数为Ps。假设定子(1)的有效长度是L，则定子(1)中圆环永磁体(1-1)和圆环永磁体(1-2)的轴向宽度w1为L/(2·Ps)。
如图3所示，转子(2)由充磁方向为径向向内的圆弧永磁体(2-1)和径向向外的圆弧永磁体(2-2)和转子电工铁环(2-3)构成，转子(2)的有效长度与定子(1)的有效长度，保持一致，均为L。首先，圆弧永磁体(2-1)和圆弧永磁体(2-2)以交替的形式沿圆周方向，表贴在转子电工铁环(2-3)的内表面上，形成第一永磁阵列(2-4)。在转子(2)中，圆弧永磁体(2-1)和圆弧永磁体(2-2)沿圆周方向的极对数为Pr1，则转子(2)中圆弧永磁体(2-1)和圆弧永磁体(2-2)的弧度α为π/Pr1。此外，将第一永磁阵列(2-4)沿着轴向方向移动复制，轴向移动的距离是永磁阵列(2-4)的轴向宽度w2。并且，将移动复制的第一永磁阵列(2-4)，沿着圆周方向进行旋转，旋转角度为α，形成第二永磁阵列(2-5)。在转子(2)中，由于第一永磁阵列(2-4)和第二永磁阵列(2-5)的存在，形成既有圆周、轴向分布的三维永磁磁场。在转子(2)中，第一永磁阵列(2-4)和第二永磁阵列(2-5)沿轴向方向的极对数为Pr2，则计算出第一永磁阵列(2-4)、第二永磁阵列(2-5)的轴向宽度w2为L/(2·Pr2)。
如图4所示，动子(3)是由离散的电工铁块(3-1)和非导磁合金支架(3-2)组成的螺旋调磁装置，离散的电工铁块(3-1)可以依次表嵌入非导磁合金支架(3-2)中。动子(3)在轴向方向由电工铁块(3-1)组成的极对数为Ns。Ns的取值由定子(1)的轴向磁极对数Ps、转子(2)的轴向磁极对数Pr2确定，具体关系需满足Ns＝Ps+Pr2。由于动子(3)是直线运动部件，具体长度根据作动器行程的大小及要求选取。但其有效部分与定子(1)和转子(2)的有效长度相同，均为L，则动子(3)中离散电工铁块(3-1)的轴向宽度w3为L/(2·Ns)。并且，值得注意的是动子(3)是一个螺旋调磁装置，在一个导程λ内，其电工铁块(3-1)的极对数，及其圆周方向的极对数Ns1，需要与转子(2)中第一永磁阵列(2-4)、第二永磁阵列(2-5)沿圆周方向分布的永磁极对数Pr1相等，两者相互匹配，才能满足三维调制效应的工作原理。例如，动子(3)的螺旋调磁装置的导程为λ，导程为λ内的电工铁块(3-1)极对数Ns1＝Pr1。
本发明的基于三维调制效应的磁力丝杠作动器，包括如下步骤：
步骤1，确定定子(1)、转子(2)、动子(3)的轴向有效长度均为L，确定定子(1)的轴向永磁磁场极对数Ps、转子(2)的轴向永磁磁场极对数Pr2和动子(3)的轴向电工铁块的极对数Ns，使其满足轴向调制关系，即Ns＝Ps+Pr2。例如，在本实施例中，定子(1)、转子(2)、动子(3)的轴向有效长度均为L为80mm，所选用定子(1)的轴向极对数Ps＝12，转子(2)的轴向永磁磁场极对数Pr2＝1，则动子(3)的轴向电工铁块的极对数Ns＝13，使其满足轴向调制；
步骤2，在满足轴向调制关系的前提下，进而计算定子(1)中径向向内的圆环永磁体(1-1)和径向向外的圆环永磁体(1-2)的轴向宽度w1为L/(2·Ps)，则w1＝10/3mm。转子(2)中径向向内的圆弧永磁体(2-1)和径向向外的圆弧永磁体(2-2)的轴向宽度w2为L/(2·Pr2)，则w2＝40mm。动子(3)中离散电工铁块(3-1)的宽度w3为L/(2·Ns)，则w3＝40/13mm。使得定子(1)、转子(2)和动子(3)在轴向方向满足轴向磁场调制机理；
步骤3，在转子(2)中，由于第一永磁阵列(2-4)和第二永磁阵列(2-5)的存在，形成既有圆周、轴向分布的三维永磁磁场。为满足三维调制机理，转子(2)在圆周方向的极对数为Pr1，因此转子(2)中圆弧永磁体的弧度α为π/Pr1。此外，第一永磁阵列(2-4)和第二永磁阵列(2-5)在圆周分量上也相差弧度α。例如，在本实施例中，转子(2)在圆周方向的极对数为Pr1＝4，则转子(2)中圆弧永磁体的弧度α＝45°。此外，第一永磁阵列(2-4)和第二永磁阵列(2-5)在圆周分量上也相差弧度α也是45°；
步骤4，动子(3)是由离散的电工铁块(3-1)和非导磁合金支架(3-2)组成的螺旋调磁装置，根据定子(1)的轴向永磁磁场极对数Ps、转子(2)的圆周永磁磁场极对数Pr1、轴向永磁磁场极对数Pr2和动子(3)的轴向电工铁块的极对数Ns，计算动子(3)的螺旋导程长度λ。为满足三维调制机理，动子(3)中一个螺旋导程长度λ内电工铁块极对数，即其圆周方向的极对数Ns1需要和转子(2)在圆周方向的极对数为Pr1相同，则Ns1＝Pr1＝4。则导程λ的长度为λ＝Ns1·w3＝160/13mm；
步骤5，针对三维调制效应磁力丝杠的磁场分布进一步阐述其三维调制机理，在本实施例中，首先，针对定子(1)的气隙磁场进行三维分析，如图5(a)所示。可以看出，由于定子(1)由充磁方向为径向向内的圆环永磁体(1-1)和径向向外的圆环永磁体(1-2)组成的轴向极对数Ps＝12，所以在气隙磁场的直线分量中，主要存在12次谐波，而在圆周分量中，只存在直流分量，无其他阶次谐波。随后，引入动子(3)，动子(3)的轴向电工铁块的极对数Ns＝13，以及动子(3)中一个螺旋导程长度λ内电工铁块极对数Ns1＝4。由于气隙磁导发生变化，定子(1)的气隙磁场直线分量被调制出1次谐波，气隙磁场的圆周分量被调制出4次谐波，如图5(b)所示。为了满足三维磁场调制机理，转子(2)的轴向极对数Pr2应选取1对极，圆周极对数Pr1应选取4对极；
步骤6，同理，对转子(2)的气隙磁场进行分析。首先，针对转子(2)的气隙磁场进行三维分析，如图6(a)所示。可以看出，由于转子(2)由第一永磁阵列(2-4)和第二永磁阵列(2-5)组成，其轴向极对数Pr2＝1对极，圆周极对数Pr1＝4对极，所以在气隙磁场的直线分量中，主要存在1次谐波，而在圆周分量中，主要存在4次谐波。随后，引入动子(3)，动子(3)的轴向电工铁块的极对数Ns＝13，以及动子(3)中一个螺旋导程长度λ内电工铁块极对数Ns1＝4。由于气隙磁导发生变化，转子(2)的气隙磁场直线分量被调制出12次谐波，如图6(b)所示。为了满足三维磁场调制机理，定子(1)的轴向极对数Ps应选取12对极；
步骤6，当转子(2)以ω的转速转动时，通过三维磁场耦合效应，动子(3)以速度v沿轴向运动，根据三维磁场的传动效应，转子(2)转动一个圆周，动子(3)沿轴向运动的距离为一个导程λ＝160/13mm，传动比G＝2π/λ。根据功率守恒，转子(2)的转矩T1与动子(3)的推力F3的比值为G，即G＝ω/v＝F3/T1＝2π/λ。根据三维磁场调制效应，定子(1)、转子(2)和动子(3)的推力关系可以表示为F1：F2：F3＝Ps：Pr2：Ns＝12：13：1，同理，转矩关系也与上述一致。图7所示为三维调制效应磁力丝杠作动器转矩和推力波形示意图。可以看到，各部件的转矩、推力均满足三维调制的传递关系，进一步验证了本发明提出的三维调制效应。

Claims (7)

1.基于三维调制效应的磁力丝杠作动器，其特征在于，由外向内依次包括定子(1)、动子(3)、转子(2)，三者同轴放置；其中，所述动子(3)同定子(1)和转子(2)之间具有气隙，其中，位于动子(3)与转子(2)之间的气隙为外侧气隙，气隙厚度根据作动器的大小、推力密度以及加工难度选取；
所述定子(1)由充磁方向为径向向内的圆环永磁体(1-1)和径向向外的圆环永磁体(1-2)和定子电工铁环(1-3)构成，两种充磁方向相反的圆环永磁体以交替的形式表贴在定子电工铁环(1-3)的外表面上，形成沿z轴分布的轴向行波磁场，在定子(1)中，不同充磁方向的圆环永磁体沿轴向方向的极对数为Ps；
所述转子(2)由充磁方向为径向向内的圆弧永磁体(2-1)和径向向外的圆弧永磁体(2-2)和转子电工铁环(2-3)构成，径向向内的圆弧永磁体(2-1)和径向向外的圆弧永磁体(2-2)以交替的形式沿圆周方向分布，表贴在转子电工铁环(2-3)的内表面上，形成第一永磁阵列(2-4)，将第一永磁阵列(2-4)沿着轴向方向移动复制，轴向移动的距离是第一永磁阵列(2-4)的轴向宽度w2，并且，将移动复制的第一永磁阵列(2-4)，沿着圆周方向进行旋转，旋转角度为α，形成第二永磁阵列(2-5)，转子(2)的圆周方向的极对数为Pr1，轴向方向的极对数为Pr2；
所述动子(3)是由离散的电工铁块(3-1)和非导磁合金支架(3-2)组成的螺旋调磁装置，动子(3)在轴向方向由电工铁块(3-1)组成的极对数为Ns，Ns的取值由定子(1)的轴向磁极对数Ps、转子(2)的轴向磁极对数Pr2确定，动子(3)是一个螺旋调磁装置，在一个导程λ内，其电工铁块(3-1)的极对数，即圆周方向的极对数Ns1，需要与转子(2)圆周方向的永磁极对数Pr1相等，进而满足三维调制效应；
所述定子(1)、转子(2)及动子(3)的轴向有效长度均为L，确定定子(1)的轴向永磁磁场极对数Ps、转子(2)的轴向永磁磁场极对数Pr2和动子(3)的轴向电工铁块的极对数Ns，使其满足轴向调制关系，即Ns＝Ps+Pr2，则定子(1)中径向向内的圆环永磁体(1-1)和径向向外的圆环永磁体(1-2)的轴向宽度w1为L/(2·Ps)，转子(2)中径向向内的圆弧永磁体(2-1)和径向向外的圆弧永磁体(2-2)的轴向宽度w2为L/(2·Pr2)，动子(3)中离散电工铁块(3-1)的宽度w3为L/(2·Ns)，使得定子(1)、转子(2)和动子(3)在轴向方向满足轴向磁场调制机理；
所述转子(2)，由于第一永磁阵列(2-4)和第二永磁阵列(2-5)的存在，形成既有圆周、轴向分布的三维永磁磁场，为满足三维调制机理，转子(2)在圆周方向的极对数为Pr1，因此转子(2)中圆弧永磁体的弧度α为π/Pr1，此外，第一永磁阵列(2-4)和第二永磁阵列(2-5)在圆周分量上也相差弧度α；
动子(3)作为螺旋调制部件，为满足三维调制机理，动子(3)中一个螺旋导程长度λ内电工铁块极对数，即圆周方向的极对数Ns1，需要和转子(2)在圆周方向的极对数为Pr1相同，则导程λ的长度为λ＝Ns1·w3。
2.根据权利要求1所述的基于三维调制效应的磁力丝杠作动器，其特征在于，离散的电工铁块(3-1)依次表嵌入非导磁合金支架(3-2)中。
3.根据权利要求1所述的基于三维调制效应的磁力丝杠作动器，其特征在于，基于三维调制原理，在轴向方向上，定子(1)的轴向永磁极对数Ps经过动子(3)中螺旋调磁装置的调制后，在外侧气隙中调制出与转子(2)中三维永磁磁场相同阶次的圆周磁场谐波阶次v1＝Pr1和轴向磁场谐波阶次v2＝Pr2，磁场谐波相互耦合，进而解释三维磁场调制效应作动器的工作原理，实现“转矩-推力”的传输。
4.一种根据权利要求1所述的基于三维调制效应的磁力丝杠作动器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，定子(1)、转子(2)、动子(3)的轴向有效长度均为L，确定定子(1)的轴向永磁磁场极对数Ps、转子(2)的轴向永磁磁场极对数Pr2和动子(3)的轴向电工铁块的极对数Ns，使其满足轴向调制关系，即Ns＝Ps+Pr2；
步骤2，在满足轴向调制关系的前提下，进而计算定子(1)中径向向内的圆环永磁体(1-1)和径向向外的圆环永磁体(1-2)的轴向宽度w1为L/(2·Ps)，转子(2)中径向向内的圆弧永磁体(2-1)和径向向外的圆弧永磁体(2-2)的轴向宽度w2为L/(2·Pr2)，动子(3)中离散电工铁块(3-1)的宽度w3为L/(2·Ns)，使得定子(1)、转子(2)和动子(3)在轴向方向满足轴向磁场调制机理；
步骤3，在转子(2)中，由于第一永磁阵列(2-4)和第二永磁阵列(2-5)的存在，形成既有圆周、轴向分布的三维永磁磁场，为满足三维调制机理，转子(2)在圆周方向的极对数为Pr1，因此转子(2)中圆弧永磁体的弧度α为π/Pr1，此外，第一永磁阵列(2-4)和第二永磁阵列(2-5)在圆周分量上也相差弧度α；
步骤4，动子(3)是由离散的电工铁块(3-1)和非导磁合金支架(3-2)组成的螺旋调磁装置，根据定子(1)的轴向永磁磁场极对数Ps、转子(2)的圆周永磁磁场极对数Pr1、转子(2)的轴向永磁磁场极对数Pr2和动子(3)的轴向电工铁块的极对数Ns，计算动子(3)的螺旋导程长度λ，为满足三维调制机理，动子(3)中一个螺旋导程长度λ内电工铁块极对数Ns1需要和转子(2)在圆周方向的极对数为Pr1相同，则导程λ的长度为λ＝Ns1·w3；
步骤5，基于三维调制原理，在轴向方向上，定子(1)的轴向永磁极对数Ps经过动子(3)中螺旋调磁装置的调制后，在外侧气隙中调制出与转子(2)中三维永磁磁场相同阶次的圆周磁场谐波v1＝Pr1和轴向磁场谐波v2＝Pr2，磁场谐波相互耦合，进而解释三维磁场调制效应作动器的工作原理，实现“转矩-推力”的传输。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述定子(1)、转子(2)、动子(3)的极对数满足轴向方向磁场调制关系。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，定子(1)和转子(2)均采用常规永磁体结构。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，分析轴向磁场、圆周磁场的三维调制过程，并给出了定子(1)、转子(2)、动子(3)在圆周方向极对数配比关系：Ns1＝Pr1，轴向方向的极对数配比关系：Ns＝Ps+Pr2。
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